第3章
细胞何以管理未来？

我们会用计算机模拟自然界的复杂系统。在这方面最让人惊讶的一点便是复杂行为的根基未必复杂。的确，有的行为非常有意思，复杂起来甚至让人沉醉其中。但它们其实是由极其简单的组件产生的。

——克里斯托弗·朗顿（Christopher Langton）
于1989年，圣菲研究所 ¹

拿你和距离最近的维纳斯捕蝇草去跟大肠杆菌相比，结果就像是用迪拜哈利法塔对照它门前台阶上的蚂蚁。细胞非常之小，大多数比人眼可见的下限小得多。但它们似乎同样会为了找寻更好的未来而曲折前行。在追寻可能的未来时，它们也一样得去摸索精确和笼统之间那微妙的平衡点。尽管身躯微小，它们面向未来的思维能力却注定不俗，不然生命也不会如此绵延不息。但这么小的空间怎么塞得下如此之多对未来的思考呢？

所有的生物都是由细胞构成的，所以理解细胞的未来思维非常重要。你我皆是由数十万亿个细胞组成的巨大集合体。如果我们想要活下去，我们的每个细胞肯定都得在自己的未来面前应对自如。所以，一切关于未来的思考归根到底都是细胞的未来思维。当然，这个层面上的未来思维并非有主观意识的。它赖以存在的生化和神经机制似乎并不需要像主观意识那样复杂的东西。从严格意义上来说，我们谈论细胞的未来“思维”本身就是一个比喻。尽管如此，我还是会用这样的比喻。这是因为细胞管理未来的方式似乎非常有目的性、非常坚决，坦率地说，也非常聪明。

在关乎管理未来这样的任务面前，所有的生物体都会先自问三个问题（比喻意义上的“问”）：我想要怎样的未来？什么样的未来看上去可能性最大？我怎么才能转向自己想要的未来？

第一步，生物体会决定自己想要的是什么。它们心中的乌托邦长什么样？因为我要形容驱动所有未来思维的目的和期望，所以我把“乌托邦”这个词强行搬过来用。这个词最早是托马斯·莫尔（T omas More）爵士在他的一本出版于1516年的书里使用的，它描绘的是南美洲外海一个虚构的岛屿社会。莫尔的乌托邦被当成美好社会的样板，而这个词也被用来形容所有想象出来的理想世界。如果用个比喻的话，所有的生物体都有自己的乌托邦，也就是一号未来锥里的偏好区域。在这些未来形态中，生物体安全无虞、营养充足、舒适自在。它们不用承受太大的压力，也得以繁衍生息。即便是最简单的生物体也能区分未来形态的好坏。乌托邦与其对立面“反乌托邦”让所有生物体的未来思维不仅有了努力的方向，也有了存在的紧迫性。

第二步，生物体会把握趋势。它们会寻找有关趋势的信息，而这些信息可以帮它们预测可能性更大的未来形态。它们会着重研究更为常规的趋势。这些趋势位于二号未来锥中“很可能”与“合情合理”这两个区域，也因此有最大的指导意义。明确了何为最重要的趋势并评估其势头强劲与否之后，生物体就会用归纳逻辑（当然，这是个比喻）把这些趋势投射到一个想象出的未来当中。 ²

对于类似细菌的简单有机体来说，它们就是靠植入其基因组的通用算法来评估趋势的。比如，大肠杆菌所拥有的算法告诉它：当周围没有多少乳糖的时候，生成乳糖酶就是一件徒劳无功的事情。经由上千万代的自然选择，此类规则已经被安在了生物体的基因组里，并一直延续下去。这是因为遗传了这一算法的个体更可能存活和繁衍。但是为了知道什么时候用上这些规则，细菌还需要搞清楚此时此刻周围在发生什么。乳糖水平是升是降？把握趋势得靠感觉，但它也需要某种形式的记忆力。这样你就可以拿当下的状况和不久之前的状况进行比较。的确，记忆的存在可能首先就是为了思考未来。最近的神经学研究成果显示：在拥有神经系统的生物体当中，记忆和未来思维是由大脑的同一区域来负责的。这可能也解释了为什么记忆力不太好的人没法去想象不同的未来形态。 ³ 约瑟夫·勒杜（Joseph LeDoux）用其神经学家字斟句酌的精准语汇如是说：“记忆首先是一种细胞功能，今天与未来的细胞功能能从过去吸取教训。记忆也由此为生存提供了便利。”早在两个多世纪以前，康德便悟到了这一深刻的真理：“回想过去（记忆），只是为了让预见未来成为可能。” ⁴

到了第三步，生物体就会下赌注了。它们下注时经常处于急于预测的焦虑状态下，也就是三号未来锥的“红区”中。它们行动了。它们介入这个世界，划桨驶入周围的急流，又试图向着自己的乌托邦前行。如果你是个细菌，一旦前面看不到任何吃的，你可能就会朝着一个新方向移动。如同布莱恩·阿瑟所言，对未来的经营有点像是武术：“秘诀在于观察，在于勇敢行动，在于找准绝佳时机。” ⁵ 执行第三步需要勇气，一种果断行动的勇气，哪怕对于结果没有确切把握，哪怕明知可能满盘皆输。就像黑天跟阿周那说的那样：“下定决心，投入战斗！”

然后，这几个步骤就会循环往复。但现在的你已经有了新的信息，所以你可以对计划进行微调了。如果你确信原先的目标已经难以达成或者成本太高，又或者你可以达成比原目标更好的结果，那么你甚至要对目标本身进行调整。这些可能的未来发生概率不同，而对它们的概率大小不断进行再评估的过程被统计学家称作贝叶斯分析法。在第7章里我还会简单说说这个话题。这个术语听上去很唬人，但它的基本理念非常简单。一开始，你会对事情发生的可能性进行初步的（甚至是随意的）预估。贝叶斯派的统计学家称之为“先验”（prior）。接着，随着新的信息汇入，你对“先验”进行校正，下注多少也会进行微调，如是往复。从阿米巴原虫到维纳斯捕蝇草，所有的生物体都是不错的贝叶斯派统计学家。 ⁶

在现实世界中，这三个步骤会互有重叠。但是，生物体都想在这个具有非常大不确定性的世界里活下去，而把三个步骤分开来思考或许就能厘清正在发生什么。

有一组技能涉及范围更广，我们称之为“认知”。而所有生物体管理未来的工具包构成了其中的重要部分。认知生物学家帕梅拉·莱昂（Pamela Lyon）写道：“生物认知是有机体一系列感觉和其他信息处理机制的复合体。有机体借此熟悉、珍视所处的环境，（并与环境互动）以实现其存在的目的。其中最基本的目标便是生存（成长或兴旺）与繁殖。” ⁷ 即便是对最简单的生物体而言，它们的认知工具包里也包括预测未来可能发生事件的能力。它们的认知还包括对周围环境中当下状况的感知与评估、记忆与学习，甚至包含了某种与同物种的其他成员分享信息的能力。

生物学家们慢慢认识到，所有的生物体皆有认知。 ⁸ 对于它们而言，危及生存的威胁是在不断变化的。认知让它们得以学会为可能发生的未来精心准备，并由此对威胁做出创造性的反应。在谈及思维时，丹尼尔·丹尼特曾说：“思维本质上是用来预感的，是用来产生预期的。” ⁹ 他的这句话对于所有的生物体来说都没错。

在病毒和单细胞生物身上，我们看到了管理未来的最简单形态。为了让读者对其中的工作原理有点概念，本章余下的部分将会描述单细胞生物是如何管理未来的。描述的过程中会用到生物化学的方法，用到的装置也能在人体每个正在工作的细胞中找到与之类似的。

微生物界

世界上存在小到肉眼不可见的生物。直到几个世纪以前，这样的观点还似乎是天方夜谭。但在今天，单个细胞已经被认为是最小的、可以被称为“活物”的个体，它们也成为构成生命的基础。如同原子对于化学家的意义，对于生物学家来说，细胞就是他们研究的根基。

第一位通过显微镜观察细胞的“自然哲学家”是英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）。1665年，他在一片猪肉里看到了细胞，并称它们为cella。这是个拉丁语单词，意思是小房间、小隔间，因为他看到每个细胞都有墙壁（即细胞膜），与外界隔开。有个爱磨镜片的荷兰人叫安东尼·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek），他是头一个意识到单个细胞可能也是活物的观察者。列文虎克发现了一个前所未知的世界。这一世界的生物全由单细胞组成。在这里，生物体是如此渺小，一滴水里就可能有上百万条生命愉快地生活在一起。他将之称为“微生动物”（animalcules） ¹⁰ 。

微生物的小小世界之前不为人知，而像我们这样大型的生物体竟和它们共享这颗星球。这一发现的伟大意义无疑堪比在其他星球上发现生命（未来几十年可能真的会有这样的发现）。但直到1839年人们才意识到细胞是建构所有生命形态的单元。那一年，德国植物学家施莱登（Mat hias Schleiden）和生理学家施旺（Theodor Schwann）宣布：“所有的生物体均由本质上相类似的部分组成。它们叫作细胞。”1858年，德国病理学家鲁道夫·菲尔绍（Rudolf Virchow）完成了生命细胞理论的最后一环。他指出每个细胞都可以被视作单独的生命个体。只有两个分子厚的细胞膜创造了区隔内外的边界，而细胞膜内的世界是活的，它也让细胞得以与外界接触并进行能量、营养、信息和废弃物的交换。 ¹¹

有个貌似在理的说法：仅由单个细胞构成的生物体一定很简单。但现在我们知道每个细胞都由几十亿个原子组成。构成每个细胞的分子种类也成千上万。所有的这些部件都经过精心设计，彼此间的互动也伴随着化学物质的精妙舞步，只是我们还没完全搞清楚它们的舞蹈究竟由谁编排。每个部件似乎都很简单，但简单的部件之间也会通过多种多样的反馈环进行互动，而它们的互动行为也会涌现出超乎寻常的复杂性。这点在关于复杂性的研究中可以表现出来，这是个方兴未艾的领域。 ¹²

我们今天知道单细胞生物也可以为自己的未来打赌，且水平高超、手段精妙。它们可以从错误中学习。它们能记得不久之前发生了什么，也会按照贝叶斯分析法来计算概率大小。它们甚至可以针对诸如温度、氧气浓度等外部条件来创造其内部的分子模型，并用这些模型来判断什么样的行动最合适。 ¹³ 当然，如果只有一个细胞，你便没法真的思考。我们用以思考的大脑是由上千亿个细胞组成的。大多数脑细胞都比单个细菌要大，所以对于细菌来说，没法真的长出个脑子来。细菌必须转而通过力所能及的生化反应网络来管理自己的未来。实际上，这就是在计算自己需要什么、什么最可能发生、此时此刻需要做些什么。

要说最微缩版本的未来管理工具包，近40亿年前生命初生于地球至今一直都有。通过对不同微生物物种基因进行比较，我们发现未来管理工具包曾经广泛存在，很可能所有生物物种的最后共同祖先露卡（the last universal common ancestor，简称LUCA）的体内也有。露卡是今天所有存活于世的生物体的假想祖先 ¹⁴ ，存在于大约40亿年前，但它已经包含感觉器官，可以用行动保护自己。而且，它还包含一个由许多分子开关组成的计算网络。这个计算网络可以让它带着目的去做选择，比如“发现了食物（A），那就朝它移动（B），但只有食物很多的话才值得……要是已经没剩下什么吃的（—A），就别费劲移到那儿去了（—B）”。几乎可以肯定的是，露卡的运作和许多复杂系统类似。它包含的正反馈环促使其积极前进，保持动态，而它所包含的负反馈环则会抑制这些进程并使其按兵不动。为了应对来自系统中其他部分的反馈，这些系统之间的联结也会产生很多种差别细微的反应。换句话说，在面临未来的不确定性时，所有的生物体都需要用基本的“逻辑电路”来计算一番，而这样的“逻辑电路”在露卡的身上就可以找到。

本章的明星是大肠杆菌。今天世上存活的大肠杆菌数以亿万计，光你的肠道里就有好几百万个。它们很喜欢人的肠道。

大肠杆菌在生物学上的学名是Escherichia coli，以首次发现它的奥地利生化学家西奥多·埃舍里希（Theodor Escherich）命名。这个名字是几种相关细菌的合称。在过去大约一亿年的时间里，这几种细菌的演化过程不尽相同。 ¹⁶ 生物学家会把所有的生物体分为三大组，这就是生物的三大“超级界”，或者说三大“域”：细菌、古菌、真核生物。细菌便是其中之一。细菌与古菌是单细胞生物，被归类为原核生物。每个原核生物仅有一个细胞，它们都得是全才。为了生存，为了准备好应对未来，这些单细胞生物不得不尽其所能。

大肠杆菌呈杆状。每个大肠杆菌的长度只有一米的百万分之几，也就是几微米。三四十个大肠杆菌首尾相接加起来也只有人类头发丝的宽度（大约是80微米）。尽管如此，每个细胞都要包含多达100万亿个原子以及许许多多有趣的生物成分。

大肠杆菌如何应对不确定的未来？

想要明白大肠杆菌是如何进行未来管理的，最好有个能把我们缩小到蛋白质分子大小的向导。有向导带着，我们能够进入细胞质里。那是个黏糊糊的陌生世界。这会让人有点惴惴不安，紧跟向导很有必要。我们接下来就会看看所有未来管理的基本运作机制。你自己体内的每个细胞都有类似的机制。这是个陌生的世界。我们会发现自己仿佛身处摇摇晃晃、泥泞不堪的乡间。热能时不时带来震颤，没有规律可言。更为规律的电磁力场一直对我们推推搡搡。在我们的周围，我们看到一大群分子仿佛陷入了一场泥地摔跤大赛。这个世界很复杂，有时还很危险。然而，这个世界里也有了不起的团队协作与配合。

试想，我们已经冷静了下来，向导也准备好带我们参观了。首先，我们要向细胞内的基因组进发。基因组存储的信息都是组成大肠杆菌的分子所需要的。有了这些信息，大肠杆菌内的差不多4000种分子得以有序工作，大肠杆菌也得以进行未来管理。为了抵达基因组，我们得穿过黏糊糊的细胞质，还要经过一大群正在工作的分子。这些分子大多是蛋白质，它们汗流浃背，埋头苦干。最后，我们会遇到在细胞内部自由漂浮的DNA。它们身躯巨大，全身拧巴地形成环状。当我们抵达的时候，那感觉就有点像是宇航员降落在一个破旧的螺旋形太空站。

凑近点看，DNA链看上去像是个摇摇欲坠而又交织在一起的螺旋形阶梯，并形成了一个回环。两侧的分子阶梯由横板层层相连。阶梯的每一级分为两半，由两个被氢键松散连接的碱基组成。每个碱基仅由几个分子构成。碱基只有四种，所以如果你把它们分别染为红色、白色、蓝色和黑色，那么你就可以想象自己为它们送行的场景。每一级阶梯会有两种颜色，而这些颜色会重复出现400万次。当然，不同的颜色组合是随机的，它们会一直绵延到很远的地方。但是你可能会搞错“随机”的含义。20世纪60年代，遗传学家们发现碱基序列实际上是一种四字母密码。分子各有分工，正是这些分子让每个健康的大肠杆菌细胞得以运转，而构成它们所需要的全部信息都被密码囊括其中。

想要读取这些密码的话，你首先必须把DNA的每级阶梯都分成两半。这并不难，因为把每级阶梯的两半连接在一起的氢键难称牢靠。然后你就可以读取连接在阶梯两侧的碱基了。每三个碱基能组成一种氨基酸。比如，如果你先不管另一边，在这一边的DNA阶梯从上往下读，你或许会找到一个读作GAT的碱基序列。GAT分别指的是鸟嘌呤、腺嘌呤和胸腺嘧啶，这就是组成天冬氨酸的密码。接下来的三个碱基很可能就会编码成另一种氨基酸，如此类推，不过有的碱基编码会得出“此处勿读”之类的提示。碱基顺序的准确性很关键，因为大多数密码都在告诉你蛋白质是如何构成的。蛋白质分子承担了细胞大部分的未来管理工作。组成蛋白质的便是氨基酸精确排列而成的长链条。

成百上千个碱基连成一串。构成遗传密码的数十亿个碱基都是如此组合的。正因为有这些碱基（以三联体形式）排列出的氨基酸序列，每个生物所需的特定分子才得以搭建起来。这样的碱基串便是细胞的 基因 。所有基因的集合被称为细胞的 基因组 。大肠杆菌细胞大约有3000个基因（我们人类并没有比它复杂太多。人体大约有2.1万至2.5万个基因）。大多数基因编码蛋白质分子，但有的为RNA（核糖核酸）分子编码。RNA和DNA类似，但是只有单链。RNA特别重要，因为它们既能携带像DNA这样的信息，又能和蛋白质一样承担正儿八经的分子工作。不同物种间基因的排列方式千差万别，每个物种为了生存都会通过其独特的方式把参与工作的分子组合起来。

对于所有的未来思维而言，第一步都是搞清楚目标。事实上，目标都保存在细胞的DNA当中。当然，这一事实并不是字面意义上的，不会有张告示写着：“要活下去、繁衍后代！吃东西对你有好处！”但是，基因组中会包含一系列指令。无论生产的是蛋白质还是其他细胞赖以为生的分子，都需要它们的指导。实际上，基因组保存着有关短期目标的信息，只有完成了这些短期目标，细胞才能完成生存与繁殖的长期目标。比如说，在某些时候，一个大肠杆菌细胞不得不去分解乳糖分子 ——瞧！—— 它包含制造蛋白质指令的基因组刚好可以发挥作用。

到目前为止，我们的旅途揭示了一点：DNA决定着细胞其他部分的运作。这有点像是“进取号”星舰 的控制室。但在过去的几十年间，人们逐渐明白事情并非这么简单。DNA包含着信息，就像是菜谱一样，但它实际上 做不了 任何事。在某一时刻决定细胞行为的是此刻真正派上用场的基因组合。而被称为 转录因子 （transcription factor）的工作分子的活动则起决定作用。这些转录因子能感知到细胞内外的情况，它们会运用这些信息来“决定”还需要生产哪些分子或者需要把哪些新的分子丢弃。转录因子会潜入DNA当中，破解其制造相关分子的指令。然后，它就会开启分子的生产过程（或者让不再需要的蛋白质停止生产）。无论什么时候，生物的基因组中只会有某些基因得到“表达”。基因组的其他部分都被关闭或者等待被读取使用的那一刻（有时，它们得永远等下去）。在某一特定时刻决定哪些基因派上用场的过程被今天的生物学家称为 表观遗传 （epigenetic）过程。它们不会让基因组发生改变，但它们确实影响着特定的基因何时得以表达以及如何表达。这些非遗传性因素决定基因会在何时以何种方法派上用场，而它们也是表观遗传学的研究范围。对于细胞的未来思维来说，表观遗传过程非常重要，因为这些过程会告诉细胞此刻正在发生什么，又该为哪些情况做好准备。

在DNA双链外徘徊，你会看到许许多多的表观遗传活动：蛋白质和 RNA 分子会乘虚而入，它们掌握的新信息关乎迫在眉睫的威胁或是潜在的机会。它们还会用分子级的扳手和杠杆来拆解特定的 DNA 阶梯——要么读取该部分的遗传密码，要么让其难以发挥作用。如果需要某种新的蛋白质，某种特别的分子级转录因子就会沿着DNA双链游弋，它要寻找某个特定的基因。当转录因子找到这个基因时，它便会拆开几级碱基对阶梯，把螺旋阶梯的那一部分撬走。转录因子还会找来信使RNA（mRNA）。在这段已经暴露在外的基因中，RNA会读取其碱基对的字母序列并加以储存。然后，这几级被打开的阶梯又会被锁回去，而信使RNA现在带着的便是一份碱基对清单——制造蛋白质新品的配方。它会就此向着那摊泥泞不堪的细胞质进发，并停靠在某个核糖体的面前。核糖体是一大块各种蛋白质的集合体，而RNA的作用有点像3D打印机。核糖体抓住信使RNA，读取它从DNA那儿拷贝来的氨基酸订单。然后，核糖体就会在周围的烂泥堆里抓“鱼”。当所需的氨基酸游过时，核糖体就会将其一把抓住，把它锁定在长链的某个位置上并确保顺序正确，这样某种特定的蛋白质就能制造出来了。核糖体工作得很快，由300个氨基酸组成的蛋白质，核糖体只需一分钟就能制造出来。一个细胞中每时每刻都有几百万个核糖体在工作，所以细胞可以同时生产许多种不同的蛋白质。 ¹⁸ 无论何时、无论在何种生物体的哪类细胞当中，这一复杂的生产过程都在上演。它创造出不断变化的分子组合方式，而这也是细胞应对潜在的危机并为可能的未来做好准备所需要的。

细胞是怎么知道要生产什么样的蛋白质，又该让什么样的蛋白质停产的呢？这就把我们带到了未来管理的第二步：察觉过去的趋势，评估其中包含的关于未来可能性的迹象。细胞也会趋势捕捉。

为了察觉到外部世界的趋势，细胞会用特别的传感器分子穿透细胞膜。它有点像鸡尾酒的装饰签，一部分在细胞里，一部分露在外面。在每个大肠杆菌细胞遇到新情况时，都可能有多达一万个传感器分子穿透其细胞膜，大多数集中在它的前端。有了这些传感器分子，大肠杆菌可以察觉到多达50种不同的化学物质。汇总不同传感器分子所获得的信息，它们就能非常精确地测算出某种化学物质浓度的变化趋势。而且，我们在前面也看到，关于趋势的信息获取得越多，它们趋势捕捉的能力会越强。

所以，让我们想象一下这样的场景：我们的向导现在带着我们穿过了泥泞的细胞质，向外走到了细胞膜。在这里我们能看到传感器分子的工作情形。为了能够到达露在外面的那部分传感器分子那儿，我们得爬过分子隧道。分子隧道可以带我们来到细胞外的世界，幽闭恐惧症也可以得到缓解。现在，我们便集细胞的侦察员、间谍、嗅探犬和边防守卫等各种角色于一身。和其他大多数工作分子一样，传感器分子也是蛋白质。所以，观察它们的工作方式也会让我们对蛋白质的工作方式有点概念。

蛋白质能占到细胞体积的一半（前提是不考虑水分子，因为细胞里七成都是水分子）。 ¹⁹ 不管什么时候，随便一个大肠杆菌都可能包含几百万个蛋白质分子。每个蛋白质分子都由几千个原子组成。有的蛋白质分子正在组建当中，还有的正准备卖力工作。与此同时，有的蛋白质分子已经干完了活，行将瓦解，回收之后新的工作分子又可以生产出来了。

蛋白质是如何工作的呢？每一种蛋白质都由成百上千个氨基酸组成。核糖体让这些氨基酸彼此联结且精密排列。同一蛋白质里成百上千个氨基酸的化学与电学性质又都有些许的不同。所以，当新的氨基酸链被推搡着进入细胞时，它很快就折叠了起来。那形状看上去就像是乱成一团的钢丝球，但实际上它内部的结构井井有条。它包含一个特别的生化口袋，长得很像棒球手套。这个口袋可以帮助蛋白质捕捉特定的分子。比如，人类血红蛋白分子（也是结构最早被解密的蛋白质之一）就有这样的可以捕捉并传输氧分子的口袋。对于这些被抓来的分子，无论是撕扯、拍打、扭曲，还是把它们融合到一块儿，蛋白质总有办法重新安排。这也是为什么蛋白质会以酶的形式工作。酶让缺了它们几乎不可能高效发生的化学反应成为可能。最后，当抓到了某个分子时，蛋白质的形状也会变化，就像你伸脚套袜子时袜子的形状也会变一样。这样的变形（被称为别构）会创造出某种关于事件与趋势的短时记忆。因为其他分子会注意到传感器分子姿态的变化，所以这样的记忆会传递下去。

现在，我们回过头来看看大肠杆菌细胞表面的一个传感器分子。我们就想象它有一个被设计用来捕捉天冬氨酸分子的口袋。对大肠杆菌来说，天冬氨酸是很好的零食。如果我们的传感器蛋白发现了天冬氨酸分子，它就会一把抓住。蛋白质的形状也会为之改变，它的姿态会传递出某种信息，就像是有人要来报喜。在细胞内部传感器蛋白的另一头，这一信息也被感知到了。只要传感器蛋白可以把俘获的天冬氨酸分子牢牢抓住并保持新的姿态，被俘分子的信息就会被一直记住。因此，蛋白质形状的变化会创造某种记忆。在细胞内部，其他分子也会通过改变 它们的 形态来做出反应。它们还会在细胞质里四处游弋并传播抓到了天冬氨酸的好消息。它们同样会有记忆。和原核生物细胞中的大多数分子一样，这些充当信使的蛋白质在黏稠的细胞质中处于一种随意游走的状态。它们被热能四处推搡，就像是特别拥挤的公交车里被推来推去的人。关于细胞外界潮流趋势的信息就这样通过数百万个信使蛋白得到传播。它们可能会大喊“天冬氨酸水平高。很可能要大吃一顿啦！”或者“天冬氨酸水平下降，有可能要挨饿了”。如生物学家丹尼斯·布雷（Dennis Bray）所写：“就好像是每种生物都搭建了一幅世界的图景——它并非通过文字或者图像来描绘，而是由化学语言来表达。” ²⁰

对于所有的未来管理而言，第三步都是行动：为了达成目标去插手这个世界。传感单元采集的信息如何得到评估，再化作行动呢？

20世纪60年代，法国研究者弗朗索瓦·雅各布（François Jacob）、雅克·莫诺（Jacques Monod）和他们的研究生让—皮埃尔·尚热（Jean-Pierre Changeux）率先揭示了细胞用信息调节自身行为的方式。他们首先表明蛋白质的变形何以让它们同时以酶和信息载体的身份工作。（酶让细胞内部的反应加速或者得以产生。如果没有它们，这些都不可能实现。）但他们还表明：在团队协作或者互联共通的过程中，蛋白质的威力会被放大很多倍。雅各布和莫诺称这样的团队和网络为“操纵子”（operon）。

在他们最早的一批研究对象中，有一种操纵子调节的是细胞对乳糖的消化。 ²¹ 在这当中充当关键角色的是专注于抑制基因表达的蛋白质转录因子。它们拥有两个口袋，或者我们称之为结合位点。其中一个口袋在细胞质里晃荡，四处寻觅乳糖分子。如果它一无所获，另一个口袋就会连上为乳糖消化蛋白编码的那部分DNA并抑制其表达。检测乳糖的阻遏蛋白的数量多少可以使细胞了解其周围乳糖的多少。如果很多阻遏蛋白都没有找到乳糖，细胞大概会关停乳糖消化蛋白的生产。但如果阻遏蛋白开始捕捉到更多的乳糖分子，它们的形状就会改变，对细胞DNA的把控也会放松，乳糖消化基因也因此得到表达。如果乳糖水平再度下降，整个过程就会倒过来。这样的负反馈机制很有条理。这样的好办法确保乳糖很多时能够被消化，而没有乳糖时能量和资源也不会被浪费。此番复杂的未来思维基于概率决策法则，它关心的正是细胞在不远的将来会需要什么。

无论何时，在一个细胞内部都会有上千万个操纵子通力合作，其工作和协作方式错综复杂，令人难以置信，有的比我们刚才看到的还要复杂许多。比如说，在细胞开始生产一种新的蛋白质之前，可能有几种蛋白质开关就必须先打开。所以，只有A、B、C条件全满足，新的蛋白质才会开始生产，这里我们就会有类似“如果A且B且C，那么D”的开关，而在另一些例子中就可能会有“如果A或B或C，那么D”的开关。这样一来，蛋白质链和相互作用的蛋白质网络都会以类似逻辑电路的方式来运作。如果有足够多的开关彼此相连，你便可以做不少运算了，就像计算机一样。正如美国复杂系统理论学家梅拉妮·米歇尔（Melanie Mitchell）所指出的那样，如果一台机器可以把很多“且”“或”“否”的开关以恰当的方式连接起来，那么它便几乎能对所有可算的东西进行计算。 ²² 这也是大肠杆菌细胞中简单的生物分子开关可以进行精密计算的原因，它们甚至可以对未来的可能性进行概率计算。因为很多操纵子同时工作，细胞计算是并联的。也就是说，哪怕是最简单的细胞也可以同时计算多重可能性——关于食物多少、温度高低、细胞内部盐度高低、是否需要移动，诸如此类。

说到计算结果会引发行为，我们不妨就用移动来做个例子。大肠杆菌细胞最多有六个推进器。它们光鲜亮丽、马力强劲，可以让细胞前进或是随机“翻滚”。和传感器分子一样，推进器会穿透细胞膜。它们会把鞭子一样的尾巴（或者叫“鞭毛”）挂在细胞外面，每秒能转上好几百圈。 ²³ 让我们想象一下：在推进器末梢的内部，分子会遇到很多的信使蛋白。这些信使蛋白大喊着前方有一堆天冬氨酸，于是推进器整齐划一开始行动，细胞也会向前进发。但如果天冬氨酸水平正在下降，有些推进器就可能会转向，暂时让细胞转为“翻滚”模式。接着为了搜寻更好的猎物，它就会朝着一个新方向出发，这种做选择的方式有点“随机摸奖”的意思。

刚刚发生了什么？我们见识了小到肉眼不可见的生物如何设定目标、评估当下情况，又如何在应对未来方面做出不错的抉择。它的长远目标以密码的形式根植于其基因组当中。正因为这些密码，实现诸如觅食这样的短期目标所需的分子元件得以组建。针对天冬氨酸和其他食物的捕猎行动正在进行中，作为传感器的蛋白质会一直把有关信息向细胞汇报。蛋白质网络会进行评估。网络中的蛋白质形态不同，组合形式也一直在变。它们决定了细胞应该怎样做：滚还是不滚？整个过程经过了上千万年的演化。有的细胞一往无前，但如果它足够聪明的话应该转向。比起那些选择了转向的细胞，这些不为所动的细胞的存活概率就会更小一些。与此同时，那些更为成功的算法便植入了该物种的基因组中。这就是为什么在大多数时间里细胞的未来思维机制都运作得非常好，大肠杆菌的世系可以存续几亿年。

这简直太聪明了！多细胞生物如何进行未来管理呢？在下一章我们会一探究竟。多细胞生物会用新的机制把几十亿个细胞的活动都联系起来。在这几十亿个细胞当中，每个单体都至少和大肠杆菌细胞一样聪明。 8zvCJTBPCP5M95YdcfTslGvkJ37yQOqLyvFnZFU6CE5bbiTiet6X6NMGrXIcEKWZ