生命的法则：在塞伦盖蒂草原，看见万物兴衰的奥秘

乍一看，塞伦盖蒂草原成群的斑马和我们人体内的细胞毫不相干。但是，世间所有的生物不论体形大小，其背后都有一条隐含的逻辑，有一套调节生物数量的普遍规律。

这种让人耳目一新的理论是著名的生物学家肖恩· 卡罗尔在他的新书《生命的法则》中提出的。美国知名科技博客Gizmodo 近就这一复杂理论约访了卡罗尔。

Gizmodo：您怎么会想到写这样一本书？您本来是和家人去坦桑尼亚的塞伦盖蒂草原旅游的。

卡罗尔：是的。那时就是否应该修一条贯穿塞伦盖蒂草原的柏油马路来发展坦桑尼亚西部旅游业的话题产生了激烈的争论。这里是世界自然遗产，是地球上迁徙动物群体后的活动区之一，修公路会对此造成破坏。我想，我至少应该去看看，就带上家人一起去了。尽管之前我也看过介绍这个地方的文章，看过电视和电影里的画面，但当我到了那里时，仍然感到震惊。成群的动物在草原上漫步，其壮观的景象超出我的想象，那数量真是惊人。

眼前的景象让我陷入思考。我是在实验室里工作的，负责分析基因和研究动物胚胎的形成机制。望着塞伦盖蒂草原，我意识到自己根本不知道这一切是怎么形成的。很幸运，我找到了托尼·辛克莱写的一本书。他用了50 年的时间研究塞伦盖蒂草原。他的书引导我了解了这个领域其他前沿研究者的理论，动物群体规模为什么会大小不一？这背后有什么机制？对我们的未来又意味着什么？

Gizmodo：那么，究竟什么是“塞伦盖蒂法则”呢？

卡罗尔：这是可以解释任何一个特定区域生物数量的普遍法则，它研究生物之间的相互作用，即食肉动物、食草动物、植物之间的相互作用。“塞伦盖蒂法则”可以解释“数量金字塔”：为什么一个地方只有1 只老虎、50 只鹿，却有1万只老鼠和4 万棵树？从植物到以植物为食的动物，再到以这些动物为食的其他动物，数量总是不断减少。我把它称为“塞伦盖蒂法则”。但这只是随便起的名字，因为这也可以被称为“艾伦湖法则”或“蒙特雷湾法则”。

Gizmodo：您书中有句话让我颇有感触，“影响大肠杆菌的规则同样影响着大象”。这些规则适用于不同大小的生物，真是奇妙。

卡罗尔：虽然作用机制不同，但道理是一样的。这是对两个的缓冲：不要太多，也不要太少。在细胞内部，这种机制如同温度调节器。当一种酶开始起作用，制造出产物时，这种产物就会反作用于酶，使其停止作用。但这样一来，产物浓度就会降低，因为酶停止了工作。产物浓度降低会刺激酶重新开始工作。

在塞伦盖蒂草原上不起眼的小池塘或季节性的水洼里，同样的事情也在上演：当某些物种数量增多时，单个生物体占有的资源就会减少，数量增加的速度就会减缓。随着数量增加的减缓，单个生物体占有的资源又会增加，数量又会增多。我在实验室的细胞实验中见过无数次这种“繁荣—衰退—繁荣”的循环模式。现在，当我看到成群的角马、水牛或大象时，我觉得自己早就见过这种模式。这就是反作用。

Gizmodo：有没有同行对你提出的这种生命的普遍规律发起反击？

卡罗尔：欢迎质疑！我本以为生态学家会反驳我的理论，认为我将生态学过度简单化了。但是他们出人意料地支持了这种观点。一本书不可能涵盖所有的观点，我们一直尽能力描写自然，但是大家都知道，自然不是那么容易掌控的。我们要从纷繁复杂的表象和体系中提炼普遍法则。但是“塞伦盖蒂法则”是生命遵循的真理，任何生命物质的数量都是受到制约的：无论是人体血液中的胆固醇分子，还是稀树草原上成群的角马。

很长一段时间以来，科学家认为生物的规模控制是自下而上的：植物为初级动物提供了食物，初级动物又为高一级动物提供食物。但我们在20 世纪六七十年代发现，是食肉动物自上而下地控制着生物部落的结构。食肉动物的行为影响着植物的生长。

所有生物都遵循“塞伦盖蒂法则”。这些法则能帮助我们明白蜘蛛、狼、鲨鱼和狮子都扮演着相同的角色，让我们开始了解生物系统中的基本逻辑。

Gizmodo：那么蚊子传播可怕的寨卡病毒也是大自然有意为之？

卡罗尔：对蚊子传播疾病的解释是，我们进入了它们的食物链。人类数量激增，已经超过了74 亿，对以吸血为生的昆虫来说，没有比人类这种直立行走的动物更好的攻击目标了。现在野生动物数量骤减，但是人类无处不在，因此成为蚊子的选择。蚊子已经适应了在靠近我们的水库繁衍，以吸食人血为生。我们处于很多食物链的，但因为人类数量众多，也进入了蚊子的食物链，这就是报应。

Gizmodo：您在书中提出这样一个更深远的观点——要注意我们对生态体系的干预，否则我们终会毁灭我们的食物来源。

卡罗尔：在书中，我举的一个例子就是一种在稻田里常见的小飞虫，叫稻飞虱。水稻是世界上很多地区的主要粮食作物，如果遭受虫害，我们首先就会使用杀虫剂，但这是不对的。这样就会造成稻飞虱实际数量的增加。为什么？因为它们逐渐对杀虫剂产生了耐药性，而我们做的仅仅是杀死了它们的天敌，比如蜘蛛。我们应该利用天敌来控制稻飞虱的数量。

另一个很好的例子是海洋。海洋是一个鱼吃鱼的世界，而人类喜欢食用海洋食物链的鱼类，如金枪鱼、鳕鱼等。数十年来，我们一直过度捕捞这些鱼类，以至于现在只能捕到大量的小鱼。大约2/3 的大型鱼类已经从海洋中消失，但是体型较小鱼类的数量增长了1 倍。

所以，“塞伦盖蒂法则”不仅仅可用于确保黄石公园或塞伦盖蒂草原不会消失。我们要遵循这一法则，来保护我们赖以生存的食物链。只有熟知游戏规则的游戏者，才能知道何时进行干预。这是为了保护我们的自身利益，与意识形态无关。如果人类无底线地掠夺这些资源，结果就只能是两败俱伤。人类的自身利益要求我们按规矩出牌。我们是受自然规律控制的，同时也要控制好自身数量，因为自然界没有天敌来控制我们的数量。

Gizmodo：直到外星人入侵？

卡罗尔：是的，完全正确。

Gizmodo：虽然我们已经造成了自然生态系统的严重破坏，但是书的结尾出人意料地乐观。为什么您这么确信人类并不是注定要灭亡的？

卡罗尔：这是因为我对大自然的自我修复能力感到惊讶。当我们减轻对自然的压力，比如减少狩猎、捕捞和过度收获时，物种就会以惊人的速度恢复原状，甚至一些处于灭绝边缘的物种，比如数量仅存几百只的秃鹫、灰熊、海獭和海牛等都会“卷土重来”。佛罗里达州的鳄鱼在20 世纪60 年代末被列为濒危物种，但是现在它们遍布全州，有几百万只。

      大肠杆菌和大象受同一自然法则制约，这就是——生命的法则!

      在分子层面上，过高的胆固醇会导致心血管疾病，基因突变会导致各种癌症，从本质上看，它们都是与调节失控有关的疾病。

      在塞伦盖蒂草原上，动物的地位并不平等，关键物种的作用举足轻重，它们的影响会向下延伸至更多的营养层级。同一营养层级的物种，也会为生存而相互竞争。

      然而，分子层面和生态系统中的调节都遵循着同样的普适逻辑——正向调节、负向调节、双重负向调节和反馈调节机制无处不在。

      我们只有遵从生命的法则，才能修复被破坏的生态环境，共建美好家园！

肖恩·B·卡罗尔

●获奖无数的科学大家，美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、威斯康星大学分子生物学和遗传学教授、富兰克林生命科学奖获得者。

●与爱德华•威尔逊、奥利弗•萨克斯和理查德•道金斯等人齐名的科普大师，刘易斯•托马斯科学写作奖得主。

● 霍华德·休斯医学研究所科学电影制片人，所拍摄的科学短片和教育素材供成千上万的学生免费使用。

中文版序 大象和细菌受同一自然法则制约

引 言 正在到来的生物学第二次革命

l  哪里有生命，哪里就有法则

l  塞伦盖蒂法则

l  大自然的美好未来

部分 万物有法

我们的身体具有非常精细的调节功能，从而使体内环境保持稳定。生态系统也有类似的调节功能。动物种群在不受限制条件下会迅猛增长。但是，数量扩张会受到上层捕食者、流行性疾病和食物供应的限制。动物种群会在过量增长与濒临灭绝之间巧妙地找到一个动态平衡点。

01 身体的智慧

l  猫的恐惧

l  紧张的胃

l  战场上的科学家

l  身体的智慧

02 生态学

l  北极之旅

l  食物链

l  为什么“旅鼠年”的北极狐特别多

l  民以食为天

第二部分 生命的逻辑

在分子层面上，正向调节、负向调节、双重负向调节和反馈调节机制无处不在。胆固醇是细胞膜的重要组成部分，在生命活动中起重要作用。但过高的胆固醇含量，会引起严重的心脑血管疾病。过高的胆固醇含量是由于胆固醇调节系统出了问题。从本质上看，癌症也是一种与调节有关的疾病。

03调节的普适法则

l  一段插曲

l  细菌都爱吃什么

l  酶的调节法则

l  阻遏物的发现

l  发现双重负向调节逻辑

l  反馈调节

l  生命第二法则

l  适用于大肠杆菌的理论也一定适用于大象

04 胆固醇的故事

l  反馈调节过程

l  胆固醇的“青霉素”是什么

l  美伐他汀：控制胆固醇的良药

05 癌症是什么

l  染色体易位与癌症

l  原癌基因

l  打破调节的法则

l  抑癌基因

l  有逻辑的疗法和合理性制药

l  找到敌人，干掉他

第三部分 塞伦盖蒂法则

在塞伦盖蒂草原上，我们看见了决定物种兴衰的“塞伦盖蒂法则”。在生态系统中，动物的地位并不平等，关键物种的作用举足轻重，它们的影响会向下延伸至更多的营养层级。同一营养层级的物种，也会为生存而相互竞争。体量法则、密度法则、迁徙法则也是决定动物兴衰的关键。

06 有些动物比其他动物更平等

l  世界为什么是绿色的

l  生态系统的“移除观察法”

l  食物链中的级联效应及双重负向逻辑

l  塞伦盖蒂法则1 ：关键物种法则

l  塞伦盖蒂法则2 ：影响力法则

07 塞伦盖蒂的逻辑

l  为什么水牛越来越多

l  塞伦盖蒂法则3 ：竞争法则

l  塞伦盖蒂法则4 ：体量法则

l  塞伦盖蒂法则5 ：密度法则

l  塞伦盖蒂法则6 ：迁徙法则

l  道法自然，殊途同归

08动物世界的“癌症”

l  害虫为什么越灭越多

l  偷吃庄稼的狒狒

l  贝类怎么不见了

l  缺失的链条

l  “太过分”导致的太多或太少

09 门多塔湖的玻璃梭鲈和黄石公园的灰狼

l  营养层级实验

l  6
000 万尾鱼苗与清澈的湖水

l  狼群与柳树

l  必要条件与充分条件

10 戈龙戈萨的复活

l  失落的天堂

l  卡尔的善心

l  自下而上

l  应有尽有的山谷

l  好消息：71 086 ！

结 语 遵从生命的法则，共建美好家园

l  如何完成“不可能完成的任务”

l  八条宝贵经验

l  应对挑战的三大原则

      大肠杆菌和大象受同一自然法则制约，这就是——生命的法则!

      在分子层面上，过高的胆固醇会导致心血管疾病，基因突变会导致各种癌症，从本质上看，它们都是与调节失控有关的疾病。

      在塞伦盖蒂草原上，动物的地位并不平等，关键物种的作用举足轻重，它们的影响会向下延伸至更多的营养层级。同一营养层级的物种，也会为生存而相互竞争。

      然而，分子层面和生态系统中的调节都遵循着同样的普适逻辑——正向调节、负向调节、双重负向调节和反馈调节机制无处不在。

      我们只有遵从生命的法则，才能修复被破坏的生态环境，共建美好家园！

肖恩·B·卡罗尔

●获奖无数的科学大家，美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士、威斯康星大学分子生物学和遗传学教授、富兰克林生命科学奖获得者。

●与爱德华•威尔逊、奥利弗•萨克斯和理查德•道金斯等人齐名的科普大师，刘易斯•托马斯科学写作奖得主。

● 霍华德·休斯医学研究所科学电影制片人，所拍摄的科学短片和教育素材供成千上万的学生免费使用。

[精彩样章]

我们对于动植物与人体自身的控制能力，来源于还在不断增加的在分子水平上对生命的理解。而在分子水平上，人类对于生命深刻的理解，恰恰就是“一切像设计好了一样，都处于被调控的状态下”。这句略显宽泛的陈词可以进一步被阐释为：

◎ 生命体内的每一种分子——从酶与荷尔蒙到脂类、盐以及其他化学物质，都被稳定地维持在某个范围内。举一个的例子，血液中某些分子的丰度是其他物质的100 亿倍。

◎ 生命体内的每一种细胞——红细胞、白细胞、皮肤细胞、肠壁细胞以及种类超过200 的其他细胞，其数量都是维持在一个特定的值附近的。

◎ 生命体内的每一种生命过程——从细胞增殖到糖代谢、排卵，甚至睡眠，都是被某种或某类物质控制的。

人们逐渐发现，疾病的发生通常就是这些严密的调节机制发生了异常，使某些物质处于过量或是不足的状态导致的。例如，胰腺产生的胰岛素不足会导致糖尿病，血管里的“坏”胆固醇含量太高会引发动脉粥样硬化和冠心病。而如果细胞摆脱了对它们数目与增殖行为的限制，癌症就会发生。

要想干预疾病的发生发展过程，我们必须了解一切与调节有关的“法则”。对分子生物学家（特指在分子水平上研究生命现象的生物学家）而言，借用一些体育术语来说，他们的任务就是辨认比赛的参与者与比赛规则。在过去的50 年间，我们了解了很多人体内各种指标得以维持的原理，包括荷尔蒙、血糖、胆固醇、神经递质、胃酸、组胺、血压、病原免疫过程以及各类型细胞的增殖过程，等等。许多在这些过程中起作用的因素以及发生机理的发现者都荣获了诺贝尔生理学或医学奖。

在当下，这些辉煌的理论大部分都得到了实现，衍生出可以预防和治疗疾病的各类药物。基于对调节机制分子水平上的了解，越来越多的以恢复关键分子或细胞类型至正常水平为目标的药物出现在市场上。在世界上50 种销量的药物中，大多数药物的出现都得归功于分子生物学领域的革命。它们的销售总额在2013 年达到了1 870 亿美元。

我作为一个分子生物学家，对我的同仁在改进人类生活品质方面所做出的贡献，由衷地感到骄傲。与此同时，人类基因组破译得到的海量信息正在引领新一波药物开发的潮流。人们对于自身探索的脚步没有停止，生物学领域中的革命仍在进行。本书的目的之一，就是讲述这些分子生物学领域的“陈年旧事”，为大家陈述这些技术和理念革新的发生过程，以及今后的发展方向。

[各方赞誉]