作者简介：

肖恩·B·卡罗尔：威斯康星大学分子生物学和遗传学教授，被评为美国国家科学院院士和美国艺术与科学院院士，获得过富兰克林生命科学奖；科普写作者，获得过刘易斯•托马斯科学写作奖；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。

书籍摘录：

引言（节选）

弹指一挥间，沧海变桑田。人类生活已经发生了巨大的变化，然而过去的百年是变化最为剧烈的时期。自打人类种群出现后，两百万年以来，人类一直处于被控制的状态。我们采集水果、坚果以及植物种子，我们靠山吃山、靠水吃水，与角马或斑马类似，一旦食物来源减少，我们就迁徙去新的地方。就算是在农业文明和城市文明发展之后，我们面对自然灾害、饥荒以及瘟疫依然常常是束手无策。

一切变化都发生在刚刚过去的 100 年间。在这期间，情势发生了反转，人类开始取得控制权。天花，一种曾在 20 世纪上半叶夺去了 3 亿人生命的病毒，这一数字远远超过了有史以来所有战争死亡人数的总和，已经被彻底地从这个星球上消除了。肺结核，一种由细菌传染导致的疾病，它横行于 19 世纪，曾感染了 70% ～ 90% 的城市人口，并在美洲大陆上实现了“七步留一人”，即 1/7 的致死率。而今，结核杆菌也在发达国家几近消失。如今，对 20 余种曾经大规模爆发、曾大面积致畸致残，或曾带走千万人生命的疾病，如脊髓灰质炎、麻疹以及百日咳等，人们都发明了其对应的疫苗。一些在 19 世纪还未出现的致死疾病，如艾滋病，也已经得到了特殊药物的抑制。

与医药产业类似，食物的生产加工也从根本上被颠覆了。一个古罗马时代的农民或许还能在 19 世纪的美国农场里找到他熟悉的犁、锄头和耙子等工具，但对接下来发生的技术革命，他就完全摸不着头脑了。短短 100 年间，玉米的亩产量增加了 3 倍还多，从 134 千克增加到 606 千克。同样的情形也在小麦、大米、花生、土豆和其他作物上发生着。随着生命科学的发展，人们开始种植新作物、饲养新家禽，再加上杀虫剂、除草剂、抗生素、激素、人工化肥的使用以及农业工具的现代化，同样面积的土地现在可以养活的人口是一个世纪前的4倍，而劳作在农田上的人口仅占全美人口总数的 2% ，这与 100 年前的 40% 多形成了鲜明对比。

过去一个世纪里，医药与农业领域的进步对人类在生态系统中的角色变化产生了重大影响：首先人口数量呈现爆发式增长，由不足 20 亿增加到了今天的 70 多亿。而在 1804 年以前，人类用了 20 万年的时间才使人口总数突破 10 亿，现在我们还保持着每 12 ～ 14 年增加 10 亿人口的速度。 20 世纪初，在美国出生的男性和女性的预期寿命分别为 46 岁和 48 岁；到了 21 世纪，这两个数据已经分别增长至 74 岁和 80 岁。与自然界发生变化的速率相比，在如此短的时间内将人口寿命增加 50% 是件非常了不起的成就。

正如保罗· 西蒙曾经富有激情地描述：“那是一个奇迹不断的时代。”

哪里有生命，哪里就有法则

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，人类对于生命最深刻的理解，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。举一个极端的例子，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 种销量最大的药物中，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 1870 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。

然而，在生命科学的分支中，分子生物学并不是唯一充满了“逻辑法则”的领域，也不是在过去半个世纪中唯一发生了质的变化的分支。生命科学的诉求是试图在每个量级上了解生命调节的法则。在与分子生物学平行的另外一个分支当中，另外一群生物学家也在投身一场也许看来并没有那么耀眼的革命。然而，他们的工作更宏观地阐释了在自然界这个量级上的生命调节法则。而比起分子生物学的进展在现阶段所带来的医药领域的发展，自然界生命法则的发现兴许会为全人类带来更大的福利，我们称之为生物学第二次革命。

塞伦盖蒂法则

生物学第二次革命的发生，缘起于一些生物学家的一些简单的、看上去有点幼稚的问题：“地球为什么是绿色的？为什么动物没有消耗光所有的食物？如果一些物种消失了会如何？”对于这些问题的探索，让人们明白，正如人体内的分子法则让每种分子和细胞的种类都稳定地维持在一定水平一样，自然界也存在可以调节动物种类和数量的生态法则。

我将这些法则统称为“塞伦盖蒂法则”，是因为生态学家们曾勇敢地在这里进行了长期的实验而总结出了这些法则，同时也是由于这个生态系统里的动物数量是真正受到这些法则调节的，众所周知的例子如生活在非洲热带稀树草原的大象或狮子的数量。根据这些法则，我们也能预测到，如果狮子从这个生态系统中消失了，接下来将会发生哪些变化。

这些法则不仅适用于塞伦盖蒂，它们也适用于世界上很多区域，从海洋、湖泊到陆地。这些法则既出人意料又意义深远：出人意料在于它们能够解释看起来无关的物种之间的具体联系；意义深远在于它们决定了大自然生产动物、植物、空气及水资源的能力，而这些都是人类赖以生存的自然资源。

为了把抽象的人体内分子调节机理转化为实实在在的攻克疾病的武器，我们投入了大量的人力、物力和财力。令人遗憾的是，并没有人认真考虑过要把塞伦盖蒂法则真正用于处理人类现阶段所面临的问题。任何新药在问世之前，都需要经过一系列严谨复杂的临床试验，以确定其有效性与安全性。临床试验确有其必要性，除了需要考察药物是否对症外，还必须对该种药物是否能够与机体内的其他物质相互影响并产生副作用做出精准的评价。通常情况下，新药面世的门槛都非常高，能够淘汰约 85% 的候选药物。如此高的失败比例，也部分地反映了无论是医生、患者、公司还是监管机构，对药物副作用的容忍度都非常低。

然而，几乎整个 20 世纪里，在世界上绝大部分地区，人类为了满足自己的私欲，毫无节制地狩猎、捕鱼、耕种，甚至破坏，却从未试图理解或是考虑过改变其他物种的生存环境或是打乱它们的生存方式，会给整个地球生态系统带来怎样的副作用。人类的数量已经暴增至 70 亿，我们为之付出的代价是要面对越来越多令人头疼的问题。

世界范围内的狮子数量已经从 50 年前的 45 万头骤降至今天的 3 万头左右。曾经漫游所有非洲和印度大陆的兽王，已经从 26 个国家消失了。今天，坦桑尼亚境内集中了非洲大陆上狮子总数的 40% ，它们中最大的一个群落就生活在塞伦盖蒂。

相似的故事也发生在海洋当中。鲨鱼是海洋生物中生存了 4 亿年的古老物种，然而就在过去短短的 50 年间，世界范围内很多鲨鱼物种的数量减少了 90% 甚至 99% 。今天，有 26% 的鲨鱼，包括双髻鲨与鲸鲨，都面临灭种的危险。

有些人也许会说：“那又怎么样呢？物竞天择，胜者为王，这就是自然法则。”事实并非如此。正如人体内重要的分子如果不能维持其正常水平就会影响健康，导致疾病发生一样，如果有重要作用的物种数量水平无法维持的话，生态系统也会“生病”。这就是塞伦盖蒂法则传递的信息。

越来越多的证据表明，全球生态系统已经处于亚健康状态，或者至少也进入了疲劳期。生态学家们统计过给全球生态带来变化的人类活动，从种植农作物与经济作物、饲养家禽、砍伐树木、捕鱼，到修建居所与提供能源的基础设施、燃料消耗，等等。之后再拿这些的总量与地球的生产总量进行比较，所得到的结果图，是这些年我在所有的科学文献当中见过的最简单也最具有震撼力的一幅（如图 0-2 所示）。

50 年前，地球上的人口总量为 30 亿，人类活动每年消耗地球年生产总量的 70% 。这个数字到 1980 年达到 100% ，现在已经上升到 150% ，也就是说，人类需要 1.5 个地球才能维持现有的一切。很遗憾，地球只有一个。

我们已经控制了万物——除了我们自己之外的万物。

大自然的美好未来

曾经有生物学家非常偏激地断言，过去一个世纪当中生物学的影响表明，在自然科学领域，生物科学是与人类生活最为息息相关的。的确，在我们面对的很多挑战面前，包括为一个日益庞大的群体提供食物、药品、水、能源、居所以及谋生技能等，在可预见的将来，生物科学必将发挥核心作用。

我所认识的所有生态学领域的泰斗，他们对于地球生态系统的亚健康状态及人类的可持续发展能力都表现出深深的担忧，更不用说我们的地球还需要继续养育那么多种类的其他生物了。一方面，人类在微观分子领域力克万难、成绩斐然，解决了一个又一个难题。另一方面，人类仍然对我们共同的家园抱有一种盲目的乐观，完全无视在宏观世界里由粗放的行为模式所引起的更大的人类危机。这难道不是很讽刺的一幕吗？就像泰坦尼克号上的大多数乘客只关心晚饭的菜单，而航速与纬度等问题显然不在他们的考虑范围之内。

因此，就算是为了我们自己，人类也需要跳出自身的条条框框，全面了解更为广阔天地中的宏观法则。只有在更广义的层面上理解与运用生态学的法则，我们才能有一丝希望扭转目前的被动局面。

诚然，我写这本书的目的不仅仅是介绍几条法则那么简单，尽管它们同时具备实用性与迫切性。这些法则是人们为了了解生命存在的方式，在长期的仍在进行的追问中得到的宝贵财富。在这里，我除了要把发现这些伟大法则过程的激动人心的一面与你们分享以外，也要把最艰苦困难地追求答案的过程讲述给你们听。我向你们保证，当我们聆听着这些故事，跟随着科学家们的脚步，或是走遍天下，或是扎根实验室，分享他们的痛苦与惊喜时，你会发现，科学本身是令人非常愉悦的，是易于理解的，也是让人印象深刻的。本书中的所有故事都围绕那些揭开了重大谜题或是做出了卓越贡献的科学家们展开。

他们的伟大发现远不只是丰富了人体或生态系统操作手册。许多人都认为，要理解生命就必须掌握无数的生物学细节知识，这无疑是生物学家和生物课考试的错。一位生物学家曾说，生命仿佛是“近乎无限多特例的集合，必须就事论事单个分析”。本书的另一个目的是要展示事实绝非如此。

每当试图比较人类机体内部的工作方式与在塞伦盖蒂草原的亲眼所见时，我常常就被细节所淹没。需要比较的部分太多，而它们的交集也太复杂。然而，我将要叙述的这几条生态学普适法则，却有一种神奇的魔力、能化繁为简，揭示生命的真谛。这些逻辑包括，我们的身体如何做出判断是增加还是减少某种物质的产量，而类似的原理也能够解释热带稀树草原上的象群数量增加或是减少的原因。因此，尽管微观的生物分子与宏观的生态系统是如此不同，其内在工作逻辑却惊人地相似。理解这些精妙的逻辑原理，可以使我们从各个层面上，从分子到整体，从单独个体到生态系统，去更加深刻地理解生命的逻辑。

我希望读者能从此书中获取新颖的洞悉能力与独特的灵感：洞悉生命在不同层面上带给我们的疑惑，并从那些杰出的、具有前瞻性的，甚至已经为实现更美好的明天做出贡献的人类身上获得解决难题的灵感。

5 天的塞伦盖蒂之行，我们看到了形形色色的大型哺乳动物，只有一种例外。在返回的路上，当我们又一次经过那片美丽多彩的草原时，就像事先约好了一样，一个从未见过的身影出现在了地平线上，它那特有的角明确地告诉我们，这是一头黑犀牛。整个塞伦盖蒂现有黑犀牛 31 头，在得知这个数据之后，眼前的景象带给我们的震撼的确是巨大的。然而，曾经超过 1000 头的数据如此酸涩地提醒着我们：前路艰辛。事实是，尽管人们早已明确了人类勃起的分子基础，而且至少有 5 种非常便宜的药物早已针对这个问题问世，但是在今天的东方，犀牛角作为名贵的壮阳药仍受到人们疯狂的追捧。

人生总是充满奇迹与困惑
别哭孩子，别哭
别哭……

题图来自：maxpixel