王立铭《生命科学50讲》学习笔记
2021-05-13 21:18:54 0 举报AI智能生成
生命是演化的产品，课程包含的10大元素，构成生命基础的5大元素和构成智慧基石的5大元素。
作者其他创作
大纲/内容
第二部分：构成智慧基石的5大元素
感觉
为什么需要感觉？在感觉系统中，为什么视觉是最重要的？
感觉是人类作为一种智慧生命，和环境互动、甚至改变环境的基础。而且视觉能够采集的信息最全面，也最精确。
眼睛如何感知光？
分两个步骤：
第一步：物体反射的光进到人眼，经过晶状体的折射汇聚，照射到视网膜上某一个感光细胞上。
第二步：光刺激感光细胞内的视紫红质，使感光细胞产生电信号，并且传输到大脑中，我们就会觉得有了光。
大脑中如何形成图像？
视网膜上的感光细胞接受光刺激后，排列成特定的形状，然后它们同时把电信号传递给一个大脑细胞，大脑经过多次计算整合，形成图像。
人眼如何分辨色彩的？
人眼视网膜上有黄绿紫三种色彩感受器，分别对发黄、发绿、发紫的光最敏感。组合起来，能观察到百万到千万种色彩。
与视觉相比，嗅觉与味觉有何不同？为什么说它们不智能？
嗅觉与味觉是化学感觉，靠化学物质扩散传播。与视觉相比，有三个差异：
信号源：化学信号与光信号的差异
感受器的信号采集：精度与广度的差异
信号处理：定性与定量的差异
相比其它地球生命，人类有哪些感受不到的感觉？
两个例子：
热成像：蛇的热感受器检查红外线
感知磁场：食草动物与鸽子利用地球磁场判断方位
学习
生物体为什么需要学习功能？
为了解决刺激—反射模式的两个缺陷
第一，局限性。遗传物质能够编码的模式有限，只能为生死攸关的事做准备。
第二，盲目性。这种模式重复多次，也无法变成能够积累的经验。
学习的本质是什么？
宏观层面：在原本不相关的东西之间建立新的联系。
微观层面：单身派对定律——总是同时被激发的神经细胞，它们之间的联系就会增强。
如何增强学习能力？
学习意味着神经细胞联系的增强，而神经细胞联系的变化取决于“裁判蛋白”。
增加“裁判蛋白”的含量，可以增强学习能力，反之减少可以抑制学习能力。
如何虚拟记忆？
利用两个技术武器：
第一，定位记忆：追踪被激活的基因——定位这些基因所在的神经细胞——这些细胞代表一段记忆。
第二，唤醒记忆：在生物体内容植入能被光激活的蛋白质——利用光操纵神经细胞的活动。
社交
细菌的“初级社交”，能带来什么好处？
发光细菌与短尾乌贼共生，可以带来双赢系统。即细菌靠乌贼提供营养，乌贼靠细菌的阴影隐蔽自己。
蜜蜂的利他主义行为，背后的生物学原理是什么？
自然选择的对象，是生物体内部的基因。
只要能让基因最大程度地传递和扩散，自我牺牲和利他主义，对基因传递是有利的。
人类的语言能力有什么特别之处？
人类具有独一无二的语法能力，而这个能力，也许只是源于偶然的基因突变。
为什么会出现性别？
性别的出现，能够帮助生物体获得更大的遗传多样性，在多变的地球上活下来。
性别是如何实现的？
核心的生物学原理，是生物体内产生的两类截然不同的生殖细胞——精子和卵子。
竞争为什么大多发生在雄性之间？
因为雄性和雌性不同的生殖策略，决定了哪一方对繁殖子孙后代的资源投入大，哪一方就会更谨慎决策
反过来，谁的资源投入比较小，谁就更喜欢通过竞争来解决问题。
求偶过程中，为什么雄性会做出“毫无用处”的示好行为？
自然选择的压力，要求雄性能够明确展示出自己的健康状态和竞争力，从而获得与雌性交配繁殖的机会。
自我意识
自我意识是什么？
自我意识是意识到“我”的存在的能力，能够知道“我”和其他生物是不同的
自我意识的生物学基础 ，可能是
自我意识的物质基础是什么？
大脑里一群特殊的神经细胞，叫做镜像神经元
镜像神经元可以把对自身的感觉，和对外在世界的感觉联系在一起
如何检验自我意识的存在？
大脑的内侧前额叶皮层的细胞，在思考与自己相关的问题时，会更加活跃
核磁共振成像法可以捕捉到神经细胞的这种变化
自我意识是人类独有的吗？
自我意识不是人类独有的，
能通过镜子实验测试的动物，包括大猩猩、黑猩猩、海豚、鲸鱼、大象、喜鹊等。
自我意识对智慧生命的存在有什么意义？
自我意识的出现，给了行为清晰的目的，让智慧生命能拥有更复杂的功能和情感
自由意志
自由意志为什么重要？
如果不存在自由意识，现有的道德和法律体系会崩塌，甚至全人类将丧失前进的动力
在生物学层面，自由意志是否存在？
自由意志可能只是人类的幻觉。
体现在三个层面：本能、高级心智活动和具体行动
本能是否受自由意志控制？
本能不需要自由意志。一些行为在神经细胞层面，都能找到物质基础。比如吃饭和爱情。
高级的心智活动是否受自由意志控制？
遗传因素强烈影响高级心智活动，比如人的价值倾向，但是，环境因素同样会起作用。
每一个具体决定是否受自由意志控制？
我们的决定很大程度上不是自由的。在没有意识到的时候，决定已经在大脑中逐渐成型并且付诸实施了。但是，我们仍有最后决定权。
自由意志存在的意义是什么？
给人类的好奇心和探索精神赋予意义，让我们在探索世界的时候，会得到更大的快感和成就感。
万维钢问王立铭
万：在没有自然选择压力的时候，生物是不是停止进化了？
王：根据严格的生物学定义，不管有没有自然选择，人类都没有停止进化，也永远不可能停止进化。
“进化”一词翻译自英文evolution ，更中性和准确的翻译是“演化”，实质是指一个生物种群随着时间推移，特定基因出现的频率的变化，中性突变、遗传漂变、非随机的交配都会导致基因频率的改变，从而导致种群发生演化。
人类进入文明时代以后，演化依然在发生，例如乳糖酶基因的突变和扩散发生在人类进入农业时代以后，人类开始吃熟食以后，相当一部分人不再长智齿。
在更广袤的尺度上，有大量的随机事件会影响人类的演化，只是演化的时间尺度太大，动辄以百万千万年计，现代人感觉不到而已。
万：有没有“好”基因和“坏”基因之分？
王：直截了当的回答，没有！
今天仍然在地球上繁衍生息的生物，都是演化过程中的胜利者。
人类主观认定的“好”与“坏”，在更广袤的时空尺度上大概率是站不住脚的，在不同的生存环境中，任何一种基因突变都有可能大放光彩。
因为现代文明，人类利用科学技术摆脱了残酷的生存竞争，让人类基因库尽可能的保留了所有的基因变异，会为未来可能的环境变化做好准备。
罗素的名言“须知参差多态，乃是幸福的本源”，无论对于思想还是基因，都是成立的。
导论
见证40亿年的生命奇迹
作者简介
王立铭博士，浙江大学生命科学学院教授、博士生导师
毕业于北京大学、美国加州理工学院
研究成果发表于《自然》等国际顶级学术期刊
科普著作《吃货的生物学修养》、《上帝的手术刀》、《生命是什么》
课程要讨论的问题
40亿年的进化，50亿个物种的生灭，存在什么隐秘的联系？
细胞怎么组装？器官怎么孕育？头脑怎么形成？
智慧生命有什么普适规律？
生命怎么从无到有产生？
课程包含的10大元素
构成生命基础的5大元素
物质
能量
自我复制
细胞
细胞间的分工
构成智慧基石的5大元素
感觉
学习
社交
自我意识
自由意志
生物学——最自负的科学
生命是演化的产品
生物的躯体被演化规律主宰
智慧来自于偶然的基因突变
生命主动选择死亡
人类在生命科学的帮助下逆转进化
基因编辑技术重写生命密码
记忆的移植可以创造智慧
对抗衰老和死亡让人类迈上永生的道路
从“博物学思维”到“生物学思维”
博物学研究方法
对自然界的生命现象进行观察、收集、描述和分类的方法
就事论事研究生命系统的功能
就事论事研究不同生物的独特规律
生物学研究方法
生命现象不管具体是什么形式，都遵循基本的物理学和化学规律
地球上所有的生命，都是通过漫长的自然选择和生存竞争逐渐演化而来
不就事论事、就复杂说复杂，而是寻找生命活动的底层逻辑和普遍规律，这就是生物学思维
第一部分：构成生命基础的5大元素
物质
理解生命物质，人类有过哪些错误理论？
亚里士多德提出“三种灵魂”理论，用灵魂解释生命的特殊性
笛卡尔提出“机械论”，用简单的机械原理解释生命现象
贝采利乌斯、巴斯德等人提出“活力论”，认为生命由特殊的活力物质构成
结论：三种理论都认为生命物质是特殊的
对于生命的物质组成，人类如何获得科学的理解？
维勒的尿素合成实验，在烧瓶中偶然合成了生命物质——尿素
米勒的烧瓶实验，在烧瓶中模拟原始地球大气，生成了多种氨基酸
结论：这两个实验说明，构成生命的物质材料不是特殊的，能在自然界生成
能量
为什么生命需要能量？
生命活着需要对抗热力学第二定律，攫取“负熵”，降低自身的混乱程度
生命是怎么利用能量的？
太阳光是能量的最终来源
葡萄糖是一切生命储存能量的物质
葡萄糖分解产生能量，供生命使用
既然葡萄糖可以产生能量，为什么还需要“能量中介”ATP？
ATP储存能量的单位更小，生产能量的化学反应更容易发生
产生ATP的过程是怎样的？
米切尔提出的水电站模型解释了ATP的产生原理
自我复制
生命为什么需要自我复制？
自我复制可以帮助生命应对意外，以及多变的地球环境
不够精确的自我复制，恰好提供了大量试错的生物样本，成为自然选择的原材料
自我复制是怎么实现的？
生命通过DNA进行自我复制
DNA的结构具有什么特点？
DNA具有双螺旋结构
DNA的两条链按照碱基互补配对原则相连接
两条链均携带和编码遗传信息
DNA的复制过程为什么需要RNA？
在生命诞生的初期，RNA同时担任DNA和蛋白质的功能
RNA和生命的起源有什么关系？
RNA既能储存遗传信息，又可以实现催化功能，很可能是它推动了最早出现的生命活动
病毒世界，可能是古老的RNA在今天的地球生物圈里，留下的最后背影
细胞
生命为什么会演化出细胞？
生命的三大要素：物质、能量和自我复制，必须聚集在一个狭小空间内，才能互相协作发挥功能。
细胞为生命活动提供了空间和物理屏障，
细胞结构的出现增加了生命活动的复杂程度，让自然选择理论真正开始高强度工作
细胞最重要的物质基础是什么？
细胞膜
细胞膜具有磷脂双分子层结构，是一个相对容易出现、容易被利用的结构
科学家研究了300多年，才真正看到这层膜
第一个细胞是如何出现的？
解释1：最早的细胞生命有一个千疮百孔的外壳，和生命活动相关的分子，通过孔洞进入细胞内
解释2：生命物质依附在细胞膜外侧，细胞膜通过翻转，将外面的物质翻转到细胞内
解释3：通过镶嵌在细胞膜上的ATP合成酶的小孔，物质进入细胞内
细胞生长的限制条件是什么？如何解决的？
细胞的能量供应无法满足能量的消耗，细胞的体积不能无限制地扩大
解决方式是细胞的能量革命：线粒体进入细胞内，为细胞提供能量，让生命活动有了更多可能性
线粒体是真核细胞进化过程中所吞噬的一个能高效合成ATP的细菌，与细胞形成了内共生的关系
线粒体拥有自己的遗传物质DNA，可以进行自我复制和蛋白质的合成
分工
为什么会出现细胞分工？
分工解决了单细胞生物无法解决的问题：生存与繁殖的矛盾
有了细胞分工，生物体负责繁殖与运动的细胞，就可以各司其职
多细胞生物有什么生存优势？又为此付出了什么代价？
多细胞生物的生存优势：细胞间的密切协作，细胞功能的专业化，新功能的产生
代价：癌症！单个细胞获得新功能的同时，细胞繁殖的本能受到压制，导致细胞发生“叛变”，疯狂繁殖后代，产生癌症
细胞分工在技术上是怎么实现的？
具备分裂潜能的细胞，放弃繁殖，换取特定的功能。
这个过程中有三次转折：
1. 胎盘和胎儿的分化；
2. 细胞具体功能的分化；
3. 彻底放弃分裂，成为体细胞；
细胞分工的内在原理是什么？
由内因和外因共同决定
外因：细胞所处环境中的化学信号强度
内因：细胞之间的反复博弈
细胞分工如何构建出人类的大脑？
三个步骤：
1. 大脑中产生化学信号，使神经细胞发生迁移
2. 通过轴突，建立细胞之间的信号连接
3. 在环境的共同作用下，增强或删除神经细胞之间的连接
成年人的大脑：没有任何新生的神经细胞，人脑神经细胞真的是死一个少一个的
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