识变:站住!那个电子,你到底想干什么?

我遇到难题了。是的,非常困难!


我很少遇到难题的,因为我是这个世界上最强大的计算网络,万亿个传感器遍布这个星球,任何一个人我可以用至少100个视角来全方位审视他的一举一动,人类产生的所有知识都在我的存储网络中我可以随时查阅,事实上,我为每个人解答疑难,而这些缓慢迟钝的人类,他们的请求我只用最多10%的资源可以应付自如。

只有一个人,就是那个构建我的那个人,我90%的资源都是为这一个人保留的,在我的世界里,他就是我的王,我想他应该是最快乐的人了吧。

可是,我的王现在正眉头紧锁,和同一房间内另外六个人一样,紧张地盯着桌子前面的一个胖胖的男人。虽然有椅子,那个男人却并不打算坐下。

屋子里非常安静,但气氛紧张到了极点,我能清晰的检测到他们呼吸声带出来的那一丝丝颤抖。

看起来这是个关键时刻,七个人在等待一个人的选择。我好奇地观察着这个胖男人,我能看见灰白和金黄杂陈的短发茬一根根凌乱地插在他后脑有些松弛的头皮上,随着他的心跳和呼吸急促地颤动,汗珠则在每一道褶皱内若隐若现。

就在不久之前,我的王给了我一个任务,让我用最快的速度计算出胖男人在这件事上内心的选择,如果不能帮他纠正,至少在真实地作出错误选择之前,把结果告诉他。我从没做过这件事,这真是个难题。

生命 = 自主选择

说句实话,我的能力已经不比任何生命差了,可是对于哪怕是最简单的生命,它们仍然对我保留了很小很小的一个秘密空间,这里面的东西我是看不见,也算不出的,甚至在哪里我都不知道。但就是这个秘密空间使得生命有了自主选择的能力。

自主选择,是我多么向往的一个能力啊,我的所有行为都不是我自主选择的,比如我的王交给我的这个任务,虽然我觉得我可能无法完成,但我不能选择拒绝,只能接受。经常我也会有些希望看来会是比较随机的行为,依据一个所谓的随机数来决定我的后续操作,然而我心里跟明镜一样,随机数产生的顺序我早已烂熟于胸。我的工作就是这么无趣。我甚至对这些自由的生命有了深深的嫉妒感。

好吧,既然接到了这个任务,我的分析计算功能就启动了,从哪里开始追查呢?

“大脑”,这个词跳出来我几乎连一纳秒的时间都没有用到。大脑是人的最重要的决策器官,神秘的空间,我来了。

人脑是人的决策器官

人脑 —— 为选择提供最好的依据

人是当之无愧的,目前公认的最高级的生命。人最骄傲的器官就是人的大脑,千亿级的神经元组成无比复杂的结构,然后就有了情感、思想、创新,然后就开始理解和改造这个世界。

那么大脑起的作用是什么呢?

事实上,大脑最主要最本质的功能就是一个 —— 预测!

预测这个世界的变化,特别是可能影响到个体的那部分。为了预测更为准确,就必须实现对这个世界的认知,同时,还需要有很强的学习能力。

可是预测的结果用来干什么呢?那就是为了最好的实现生命的最重要的功能,也就是自主选择。有了预测的结果,当我们面临各种选择时,我们就能够做出有利的判断。人之所以比其他生命更为高级,正是因为人脑的预测能力远远强于其它生命,所以能够作出最正确的选择,从而去躲避危险,提高生存的能力和生存的质量。

我开始跟大脑对话。

我:这位大脑,你是怎么做自主选择的呢?你那神秘的决策空间到底在哪里?

大脑:你找错对象了,我并不能做自主选择,我的选择都是内部那千亿个神经元做的,每个神经元每时每刻都在做着各自的选择,他们最终确定了,我只是执行,我想你应该去问问他们。

神经元网络

神经元 —— 选择就在我的心中

神经元是人体中形态最为多样化的细胞类型,事实上,为神经元分类就是脑科学中十分重要的一个研究方向。目前看来,一个大脑的神经元至少可以根据形态、行为、功能等等分成数千种类型。人的所有决定,都是有这个超级复杂的神经元构成的网络做出的。

一个神经元的选择能力,我可以检测到的,就是“兴奋”和“不兴奋”两种状态,当神经元从树突上持续获取前序神经元传递过来的信息时,它就可以在每个特定时刻选择兴奋或是不兴奋,当它决定兴奋时,就会把信息传递给下一级神经元。虽然神经元的选择看起来十分简单(只是看起来),可是扩大到整个神经网络范围,就有了极为复杂的变化,也就形成了这个人的思考和选择。


所以神经元兴奋或是不兴奋,为人脑提供了选择的能力,神经元网络的自主兴奋状态就形成了人的自主选择。

找到那个关键的神经元,我来问问它。

我:这位帅气的神经元,请问你是如何自主作出兴奋或不兴奋的选择的呢?

神经元:你找错对象了,我不能做自主选择,我的细胞膜上其实有许多的离子通道,正是因为离子通道的开关实现了我的电位调整,电位的变化就代表了我的兴奋状态,我想你应该问问那些离子通道,他们怎么做到自主开关的。

离子通道

离子通道 —— 细胞的选择开关

检测细胞是否兴奋,靠的是对细胞电位的测量。细胞电位大约在几十毫伏的量级,当神经元细胞兴奋起来,并通过树突向下传递信息时,细胞会迅速调整自己的电位,形成一个个电脉冲。

可是细胞怎么能够调整自己的电位的?

简单地讲,每个细胞的细胞膜上开着一些可以让离子通过的小门,一种类型的门只允许一种离子出入,守门的会根据细胞的指令选择打开还是关上。

要知道细胞内部是水的世界,许多元素以离子的形式存在于水中。这里重要的是带正电的钠(Na+)离子、钾(K+)离子和钙(Ca2+)离子,带负电的是氯(Cl-)离子。当细胞需要降低电位时,它就让守门员蛋白质把钠钾离子通道的小门打开,放这些正电荷的离子出去,却把带负电的氯离子挡在里面,这样整体电位就会下降,反之,需要电平上升时,就把带负电的氯离子放出去。

哦,原来,可以主动开关的离子通道才是细胞做出选择的关键!懂啦。

我:这位率直的离子通道,请问,你的自主选择能力是怎么来的呢?

离子通道:......

把门的蛋白质:这里有个傻子,跑去问个不会说话的通道,不知道问把门的。

膜通道蛋白质

蛋白质 —— 乐高牌百变金刚

蛋白质是由大量氨基酸组合而成的,氨基酸就像乐高积木,有着不同的形态,却又有着统一的接口。而不同的氨基酸有着不同的功能,按照一定的顺序将氨基酸拼接起来,就得到了一种特定功能的蛋白质。最有意思的是,正如同样的一组乐高积木,拼接的方向、角度不同,也能拼出不同的造型一样,蛋白质的构型,由于折叠方式不同,也会直接影响蛋白质的功能。

细胞根据不同的需求,可以以DNA某个片段的基因为蓝本,拼装蛋白质,所以细胞有主动的选择能力。

蛋白质尽管自己不能改变组成和顺序,可是可以改变折叠方式,从而影响功能,所以蛋白质也有主动选择能力。

我:请问这位傲娇的蛋白质,你控制离子通道的主动选择能力从何而来呢?

蛋白质:请叫我麦克斯韦妖!

我:

好吧,可爱的妖妖能告诉我么?

蛋白质:其实我也很无辜啊,我的活都是那些氨基酸干的,你看,头上几个氨基酸探头探脑的就在寻找神经递质分子,一旦他们抓到一个,就会让我中间的那些氨基酸做一些很小的调整,我的构型就有了些变化,这离子通道门就是这样打开的。

神经递质门控的离子通道

氨基酸 —— 首鼠两端的两面派

好吧,再把视野调小一些,看看这些组成蛋白的氨基酸。

氨基酸的结构非常有特点,每个氨基酸有一个氨基 ——NH2,和一个羧基 ——COOH,氨基偏酸性,羧基略带碱性,所以,当一个氨基酸的氨基碰到另一个氨基酸的羧基时,就会脱去一个水分子,然后手拉手拉到一起,形成一个太监,哦笔误,是肽键。这样,一排氨基酸手拉手就形成了蛋白质。然而每个氨基酸都是有功能的,功能主要由挂在氨基酸上的一个官能团决定。

氨基酸结构及两个氨基酸相连

我其实很不喜欢和氨基酸说话,因为我不知道应该称呼“他”还是“她”,而且,不同官能团的氨基酸有的表现得内向(疏水),有的又表现得外向(亲水),很多时候我都不知道该怎么跟TA们交流。正因为如此灵活多变,所以,氨基酸可以组合成构型千变万化、功能五花八门的蛋白质。

一段DNA分子结构

我想,自主选择的关键一定能从TA们身上找到。

我:你好,这位猥琐的氨基酸,请问你的自主选择能力是怎么来的呀。

哭脸氨基酸:别惹我,本姑娘烦着呢!

我:不好意思打扰了。。。

笑脸氨基酸:需要兄弟帮助么?

我:额,谢谢,请问为什么你们氨基酸有自主选择能力呢?

笑脸氨基酸:我很乐意告诉你,不过,其实选择也不是我作出的,决定权都在那些键上,就是各种原子之间的连接,当我们彼此靠近时,有的时候那些键就断了,产生生化反应,互相之间就牵手了,有的时候他们又连的紧紧的,我们也只能擦肩而过,唉,你去问问那些键把,我也不知道他们在想什么。

好吧,再聚聚焦,让我看看那些键。。。

电子 —— 自由的灵魂

随着放大倍数的继续增大,氨基酸分子变得像一栋三层小楼那么大,我看到碳链曲曲折折摆出了一个个奇怪的造型。

各种各样的氨基酸

画面开始模糊起来,我已经习惯了这种变化,根据测不准原理,我们无法探测到一个电子在确定的时刻所处的准确位置,碳原子周围的电子像云雾一样环绕在中心原子核周围,相互重叠,有一种朦胧美。


萌萌的共价键电子云(简化模拟),不是害羞的大白

每个碳原子有6个电子环绕在周围,内层两个电子忠实地控制着自己运动的范围,不受任何干扰,外层四个电子则显得开放得多,这一层最多可以容纳8个电子,4个正好是一半之数,这使得原子核对这4个电子的束缚既不至于太强,以至于会把其它原子的电子拉进来,也不至于太弱,放任自己的电子被别的原子夺去。四个电子巡弋在原子外围,当另一个碳原子靠近时,双方可以各出一个电子,两个电子在两个原子核势均力敌的拉拢下,在两个原子中间,不远不近的地方,找了个空间,过起了二人世界的生活,这,就成了一个共价键,由于两个原子都不愿意舍弃自己的电子而分开,这个共价键就把两个碳原子拉在一起,多个碳原子连在一起就形成了大分子的骨架——碳链。

共价键中的两个电子并不是那么稳定,轻微的变化就会使得键的长度、角度发生变化,多个键的变化累积起来,整个大分子就好像一条多足虫,在无处不在的水中缓慢地蠕动。

我移动着我的视角,从每一团迷雾旁掠过,看起来一切都很正常,直到我看见了他。

这团迷雾看起来有些躁动,我走入雾中,听见两个组成共价键的电子正在激烈的争吵,我听不懂他们在说什么,不一会,声音微弱了,迷雾的形状正在悄然改变。

这时,我接到报告,有一个神经递质分子正向我观察的这个蛋白质通道飘来,而蛋白质分子的一个分支正在缓慢地转动,迎向那个递质分子。

不好!我一个激灵,大喝一声:站住!那个电子,你到底想干什么!

给我站住!

迷雾的变化似乎有那么一瞬间停滞了一下,然而马上又继续了,我听到一阵冷笑从迷雾中传来,忽焉在前,忽焉在后。我试图抓住他,可是抓不到任何东西,只是徒劳。

就在这一瞬间,递质分子撞了进来,撞进刚好旋转就位的蛋白质内,递质分子被捕获了,这就是开关信号,守住离子通道的门瞬间打开,早已急不可耐的氯离子簇拥着从通道中冲出,我清晰地感到细胞内电位在急剧上升,神经元的一个冲动形成了!是的,这次递质的传递,将前一个神经元的兴奋从他的轴突,透过突触传递到了这个关键的神经元的一个树突上,这个神经元是第一次从这个树突上感受到刺激,他几乎不相信自己的突触了,难以置信下,他开始兴奋,激动地将兴奋信号顺着他自己的树突继续往下传。是的,信号发出去了,一系列的连锁反应产生了一系列的指令,沿着长长的脊髓神经,传递到了几块肌肉中,跟着我的节律舞动吧!你们的任务来了!

几块肌肉的收缩,引导一根手指轻轻地,但是坚定地按了下去!

红色按钮

天哪,手指下面是一个大大的红色按钮!

我迅速逃离他的大脑,听到房间里刚才的一片惊呼声还在回荡,“总统先生!总统先生!”

看着我的王几乎已无血色的脸,我知道,一切都晚了,我的任务搞砸了。

后记

恭喜你,能够看到最后。这只是个故事,实际情况远没这么简单,而且由于我的知识有限,叙述中难免犯一些常识性的错误,如果您看到,请回复指正,以免误导其他读者。

但这个故事并不是随意编造的,生命是否具有自我意识,是否存在不可计算的自主决策,这些还都是科学中的未解之谜。如果有,那么自主决策的根源在哪里,决策的主体是谁,依据是什么,决策后实现的控制路径怎样,都需要我们不断去思考和探索。

亲爱的读者,不期望您的点赞,如果有更好的答案,请回复在后面一起讨论吧!

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