如何理解生命微觀上的隨機無序性與宏觀個體表現出來的有序性?

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多細胞生物，比如人類。
我們知道，DNA的轉錄翻譯在微觀上就是靠小分子的隨機結合——核糖體剛好碰上mRNA，就能轉錄了。酶什麼的都是如此，純粹的隨機結合。然而這樣表現出來的整體卻是十分有序的，我們不需要隨機的做某事，有目標，有序，我們讓熵值減小。
怎麼理解這種關係

補充一下：可能我描述的不是很準確。我說的隨機結合併不是指隨便兩個分子去反應。而是特定的兩個分子尋找對方結合的這個過程是純靠概率的，對不

生物體內的諸多反應當然不是靠著隨機結合而產生的。

假設一個轉錄酶靠著三維空間的隨機行走來找到啟動子，像一個醉漢在地圖上隨機行走回到自己的家那樣，當且僅當那位醉漢在一維和二維空間上隨機行走，否則他可能永遠無法再回到自己出發的地方。在三維空間裡面的擴散，看起來擴散方程從 2Dt 變成了 6Dt ，似乎效率提高了，但隨著搜索空間的增大更是不能忽略的，數學上可以證明三維的隨機行走是非常返（non-recurrent）的，即僅僅憑藉隨機行走，醉漢（三維空間隨機行走）能夠走回家的概率是等於 0 的。

除了醉漢找到家之外，酶在原核細胞內的擴散也出現了大問題，假設細胞體積為 V ，啟動子與 RNA聚合酶初始的距離為 r，擴散係數 D，一個估算如下：

即，需要 s 的量級才能找到距離在 2nm 以內的目標，這樣的搜索實在太低效了。因此類似的生物過程中，至少許多關鍵步驟上不可能是無規的。

當然，生命的最初的產生很可能確實源於某些隨機的偶然，這時候，理解這個自然的有序，我們至少可以有兩種可能的猜想：

其一，這個世界的生命是神創造的，因而所有的過程都是有序的。
其二，這個世界的生命是從無序中產生的，但是因為個體之間存在某些差異，例如「無序的程度」存在差異，其中那些稍微有些微弱的「改進」的個體都能未來的競爭（自然選擇）中產生巨大的差異，經過了很長很長時間的演化，起初那些微弱的改進，漸漸成為了一個生命所獨有的有序性，並在各個方面體現出對環境超強的適應性。

科學家們當然相信進化論，相信在漫長的演化過程中，有某些改變被一直繼承下來，直到今天。那麼很自然地，科學家會思考以下問題：

經歷了漫長的進化過程，在這個變化的過程中經歷的哪些中間狀態、有哪些證據可以說明這些中間狀態的存在。這個過程需要許多的觀察和挖掘，到了近年，又有了許多研究分子進化的研究技術可供選擇。
即便對整個進化的過程不感興趣，我們希望知道生命體到底在哪些方面體現出那些有序來。這些有序是怎樣被組織起來的，又是怎樣來運作的。這個過程正是許許多多的生命科學家一直在嘗試著來做的，大家在一個步驟一個步驟地理解整個生命反應的機理。

我們都知道，最終說了算的永遠是那些實實在在的觀察和實驗數據。可是如果實驗條件有限，我們對那些「生物」的過程無法展開細節的研究，除了閱讀眾多文獻之外，我們怎樣來了解一個生命過程呢？下面我來進行一些簡單的說明。我計劃在這裡開設一個專欄（生命的設計原則 - 知乎專欄），專門討論有關生命現象中的「設計原則（Design Principle）」問題，即討論那些在進化中可能影響重大的一些「優化」。

以一個酶找到 DNA 上的特定位點問題為例，我來說明一下，從「設計原則」的角度來看，可以怎樣來思考這個問題。在這裡我不能啰啰嗦嗦地直接給出以下全部問題的解答，我相信各位對生物學過程較為的朋友在這些問題的幫助下聯想起了相關的生物學論文，即使沒有更多的生命科學背景，相信看到這些問題，已經可以自己開始一些基本的思考。以後有時間我將在我的專欄進行更詳細的討論：

基本考慮：隨機性的存在，雖然導致生物反應的效率降低，但是會導致調節生物反應變得更容易，某些反應正是需要通過這些隨機性（例如通過影響某些反應發生的概率）來實現一些這樣調控，這樣的代價通常比較低，一些小小的修飾就可以實現調控。如果完全不存在隨機性，很多反應的效率會提高，但是此時的調控就需要耗費較大的能量（例如專門合成一種蛋白來調節某一反應），生物想要阻斷或者控制某一反應就會變得困難。在這一前提的假設基礎上，我們接下來再來談生物反應中提高效率的一些方法和生物體內蘊含的一些「有序」。
真核細胞與原核細胞的差異性。我們的目標是找到 DNA 上的特定位點。DNA 在細胞中的存在可能有兩種不同的情況：（1）被緊密地纏繞在一起並被約束在細胞核內的（2）僅僅鬆散地進行一些纏繞，並不裝配好，擴展地分布在整個細胞質內。對於全部裝配好、位於細胞核內的 DNA ，在搜索時，可能出現一些怎樣的好處？而擴展地分布在細胞質內又有那些好處？假設轉錄酶在三維空間中擴散，哪種策略更有利於三維搜索空間的減小？假設轉錄酶沿著 DNA 做准一維的擴散，是在纏繞、超螺旋、裝配好的 DNA 上行走更快些還是在鬆散的結構上擴散更快些？
啟動子序列的優化：用一個例子來類比這一問題。假設需要在計算機還沒有發明之前，現在我們需要從一本《紅樓夢》中來找到某個特定的段落，開始抄寫。你可能面對的作業任務有以下一些：
（A）從有「寶玉」出現之後開始抄寫，並往後再抄 50 字。這個作業看起來不難，但是假如你把這個作業布置給一個班的學生，每個學生可能抄下來的段落都很不一樣，因為「寶玉」只有兩個字，這在整本《紅樓夢》中出現的次數實在太多了，因此過短的序列不適合作為啟動子。
（B）那就不從過短的段落開始吧。例如，要從「寶玉急的跺腳，正沒抓尋處，只見賈政的小廝走來，逼著他出去了。賈政一見，眼都紅紫了，也不暇問他在外流蕩優伶，表贈私物，在家荒疏學業，淫辱母婢等語，只喝令「堵起嘴來，著實打死!」小廝們不敢違拗，只得將寶玉按在凳上，舉起大板打了十來下。賈政猶嫌打輕了，一腳踢開掌板的，自己奪過來，咬著牙狠命蓋了三四十下」開始，再往後抄 50 字。只要給全班的學生足夠長的時間來「搜索」全書，大家的答案肯定都是準確的，只是問題是，搜索的時間太長了。況且，生物序列跟一本書還有不同之處，其中有許多的重複，而且能使用的字母只有 4 個，在搜索的過程中還需要嚴格的「校對」，如果是一個小個頭的酶來「校對」，越長的序列「校對」的時間也越長，當然也可以用一個巨大無比個頭與幾百個鹼基近似的酶一次性校對完畢，只是這樣酶不管是合成還是擴散都成問題。不管怎樣，啟動子很長，最後大家總能保證「抄得很准」，但是這時候，效率又是很低的。
（C）不能太短以至於序列缺乏特異性。又不能太長以至於酶的體積需要的很大。那麼我們需要啟動子的長度恰到好處，那麼怎樣的啟動子長度會是最好的呢（這是一個有意思的估計問題，以後我可以在專欄裡面專門討論這個問題）？怎樣的啟動子會幫助我們快速定位呢？例如，回到《紅樓夢》抄寫的問題，假如要求抄寫其中的某一首詩詞，是不是找起來會變得簡單些呢？這樣我們可以很快跳過那些不是詩詞的段落。生物也是一樣，那麼進化過程中會做出一些怎樣的進化，讓酶對於啟動子的搜索可以跳過許多的段落，又或者根據某些具體的特徵快速定位到某個片段附近然後開始准一維的搜索呢？與此有關的一些具體的生物機制將會是有意思的，我將在以後有空的時候專門再來討論這一問題。
其它蛋白質的協助和「召喚」：為了增大反應速率，一種最簡單的策略就是提高局部的反應物濃度，這樣可以提高「碰撞概率」，從而提高效率。可以設想為了提高局部的反應物濃度的一些方法：例如通過溶液的一些性質，又或者，本身就是蛋白質形成多聚物、「招募」更多的蛋白、組裝成為大型分子機器等等來實現具體的功能。這同樣也是說來話長。
解決速度和特異性的矛盾（Speed-Specificity/Stability Paradox）。關於這個問題的討論，我在「蛋白質完成其生理功能的過程，與其物理/化學結構的銜接點在哪裡？」這個問題的討論中已經進行了一些簡單的介紹。這裡引用我在那個題目中的一些討論：

一個蛋白質需要找到 DNA 上面的一個特定的片段。假如一個蛋白質要實現這樣的一個功能，那麼會是怎樣的結構來實現這一功能呢？

首先，我們希望這個蛋白質要找得准。這個很重要，如果現在蛋白質需要結合到特定的位置上來實現具體的功能，結果跑錯了位置，這對生物體可能造成很可怕的效果。找得准，就需要這個蛋白質「斤斤計較」，與 DNA 片段有一些很強的相互作用，例如電荷可能起到重要的選擇作用，結合到 DNA 之上可能形成一些氫鍵結構等等，總之，我們希望這個結合越特異性越好，因此對應到前面的討論，面對這麼高的能壘，我們希望某些局部的殘基高度保守。

其次，我們希望這個蛋白質跑得快。因為如果不能迅速地產生調控作用，反應總是很慢，這樣的生物在進化上是會被淘汰掉的。那麼想要跑得快，那就不能那麼「斤斤計較」，得傻乎乎的，不管前面是坑是坡，一路狂奔才行。要是有很多的特異性結合，那一路的摩擦阻力夠它受的。即，「跑得快」跟「找得准」是矛盾的。

那麼要怎樣才能又快又准呢？一種可能的策略就是有兩個結構域，一個負責狂跑，另一個用於仔細尋找某些特定的位置（除此之外，還可能有些怎樣的策略來解決這一矛盾呢？）。類似的例子還要很多，因此多結構域會是一個很自然的選擇，分析一個具體的功能背後的不同側面，可以幫助我們理解究竟結構和功能是怎樣的關係。

從上面的這些說明，可以很明顯地看到，「微觀上就是靠小分子的隨機結合」這樣的觀點是有明顯的缺陷的，即使是「隨機碰撞」，這裡的「隨機」也絕對不意味著是遍歷整個細胞質意義上的「隨機」，的確，生命過程中，可能裡面存在某些限速步驟隨機性比較強，這種隨機性有時候就是低能量消耗地實現一種控制的策略。一旦這樣的限速步驟一完成，馬上後面的步驟就變成完全不隨機。例如討論生物膜所包裹的體系在細胞骨架上的行走，其中更大的隨機性來自於細胞器跟馬達分子的binding，以及馬達分子跟微管的 attachment，一旦 binding 和 attach 形成，後面的很多事情變得不再那麼隨機，例如馬達的運動就不再是雙向的了。而 binding 和 attach 也不是完全靠隨機來結合，膜上也會有一些能與馬達分子結合的位點，馬達在進化中更加形成了獨特的 ratchet 勢以及在微管上高效運動的機制，微管上也有各種「交通信號」精密「控制」著馬達的運動。

這些都是進化的力量、DNA、蛋白質以及各類生命物質在演化過程中形成了各種自身以及為了與其它物質結合而產生的各種優化。一個小小的優化就可能讓一個物種在競爭中處於絕對優勢，以上我已經提到了很多可能改進的策略，這些「策略」在生命現象中無處不在。正是因為自然選擇，這些策略最終被保留了下來，我們的生命不只是簡單的一連串的偶然，而是在偶然的基礎上形成了這些有序。

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回答程浩的幾個問題：

1.如果分子間的反應不是隨機進行的，是什麼力（總得有個力吧）導致它能夠定向結合？是否可以推測與微觀分子間的極性與磁性有關，或者一些其他的特殊分子間作用力，比如氫鍵有關。
2，答主所說「提高局部濃度來提高反應速率」，這又是怎麼辦到的？
3，其實題主真正想知道的是無序與有序的遞進關係（非哲學角度），即題主很難理解究竟是怎樣的科學上的隨機的分子的結合（假如真是完全隨機的話），導致了一個如此龐大的整體如此具有目的性。

1、定向的結合很可能是跟氫鍵有關的，但是具體怎樣形成氫鍵，氫鍵的穩定性情況並不一定。而且，除了形成氫鍵，更穩定的定向的結合可能甚至是先部分去摺疊，然後再形成新的穩定結構（當然這其中也很有可能存在氫鍵）。

2、提高局部的反應物濃度其實也可以有許多的方法，例如我在回答中一開始所說的，真核生物有細胞核，還可以有很多細胞器，這些由細胞膜所構成的腔體與細胞質環境隔絕開，有的酶雖然在整個細胞內含量較低，但在細胞器內這一濃度卻可能是足夠高的。除了這種情況之外，生物體內還有很多反應其實是並行進行的，例如題主在問題里提到的翻譯過程，這一過程中，是有許多的核糖體在同一條 mRNA 上同時開始翻譯，這個實際上也是提高了局部的反應物濃度。系統生物學中常常用「招募」這樣的詞，即一個反應的發生可能（通過信使分子、通過擁擠效應、通過分子修飾）招募更多的分子來參與到反應，並且可能形成局部的濃度提高。

3、這樣的問題有點難度，不過可以用統計物理的一些道理來理解，例如能級 A 比能級 B 高 ΔE，那麼粒子在 B 上的佔據就可能是 A 能級上的佔據的 exp(ΔE/T) 倍。如果兩個能級的差異，即 ΔE 足夠大，即使存在隨機的熱漲落，兩個能級上的佔據也有天壤之別（指數級），我們甚至可以近似地人文，只要 ΔE 很大，所有的粒子都會在能級 B 上。只有當溫度 T 足夠大，那麼才會表現出各個狀態完全隨機的情況出現。因此，要考慮到底是隨機性佔主導（A、B 狀態等概率）還是看起來完全不隨機的（B 的概率遠遠大於 A），就需要看進化上的差異性所帶來的適應性（Fitness landscape）的改變。適應性改變所帶來的競爭優勢，甚至可能比 exp(ΔE/T) 還要強大，這種時候，很多的事情就變得「必然」了。

就事論事的回答。

當年孟德爾做著名的豆子遺傳實驗，研究了 7 個特徵

這 7 個特徵里，每個都有一個是隱性的，也就是說，當你把圓粒和皺粒的豌豆雜交時，第一代應該全是圓粒的，到第二代的是，就應該有 1/4 是皺粒的。

結果呢，引維基的數據（http://zh.wikipedia.org/wiki/孟德爾）：

可見，孟德爾所看到的，並不是完美的 3:1，而是在這數上下晃悠。不是精確的 3:1，這是個體上的隨機無序性，和 3:1 差不遠，是宏觀上的有序性的。

回到細胞里的微觀世界來說，我覺的題主在一些關鍵概念上有點望文生意了。所謂隨機，這個隨機過程，本身其實就是有序的。「純粹的隨機結合」，這「純粹」二字，不知從何談起。不同小分子之間的結合能力不是一樣的；各種胞內大小分子，出現在細胞內不同位置的機率，也是不一樣的；隨機，是讓某些事件按一定的機制出現，可以是 1%，也可 99.9%，可以此時高，可以彼時高。

進而推之，單個個體或許表現出相當的隨機性，但是到大量個體的整體表現，就非常有規則了。比如，在對單個細胞的 mRNA 表達進行測量時，發現對於表達程度極低的 mRNA，不同細胞間的差別很大，因為這個 mRNA 在細胞中的表達數量，在任意時刻，都不過是屈指可數的幾個，細胞和細胞之間呈現出的差別，也能很好的用某個隨機過程來形容（大約是泊松分布）。但對於那些表達程度高的 mRNA，每個細胞里都有上千個挎貝，這時，細胞與細胞之間的差別，就是在很小範圍內變化的正態分布了。而當你的測量精度只能在成千上萬個細胞這個級別的平均值時（大部分生物實驗的測量精度），那些低表達的 mRNA 上，你也基本看不到這些隨機分布了。

這只是個體細胞之間的差異，進而到局部組織，到生物個體，你看不見隨機差異，而更多的只看見有序性，也很自然。這完全在於你往哪裡看：當你要分辯兩個雙胞胎時，你自然更注意隨機產生的個體差異了，是吧？

@傅渥成的答案說的非常的仔細，從生物學的角度講的很好。我想從宏觀方面補充一下，分享我在《失控：機器、社會與經濟的新生物學》讀到過三個故事

第一個故事：
在《蝙蝠俠歸來》中有一個場景，一大群黑色大蝙蝠一窩蜂地穿越水淹的隧道湧向紐約市中心。這些蝙蝠是由電腦製作的。動畫繪製者先製作一隻蝙蝠，並賦予它一定的空間以使之能自動地扇動翅膀；然後再複製出幾十個蝙蝠，直至成群。之後，讓每隻蝙蝠獨自在屏幕上四處飛動，但要遵循演算法中植入的幾條簡單規則：不要撞上其他的蝙蝠，跟上自己旁邊的蝙蝠，離隊不要太遠。當些"演算法蝙蝠"在屏幕上運行起來時，就如同真的蝙蝠一樣成群結隊而行了。模擬是如此的真實，以致於當生物學家們回顧了自己所拍攝的高速電影后，他們斷定，真實的鳥類和魚類的群體行為必然源自於一套相似的簡單規則。

第二個故事：
不管我們在何時拔掉塞子，漩渦都會無一例外地出現。漩渦是一種湧現的事物--如同群
一樣，它的能量及結構蘊涵於群體而非單個水分子的能量和特性之中。不論你多麼確切地了解
H2O（水的分子式）的化學特徵，它都不會告訴你任何有關漩渦的特徵。一如所有湧現的事物，
漩渦的特性來源於大量共存的其他個體；在之前所舉的例子中，是滿滿一槽的水分子。一滴水
並不足以顯現出漩渦，而一把沙子也不足以引發沙丘的崩塌。事物的湧現大都依賴於一定數量
的個體，一個群體，一個集體，或是更多。

第三個故事：
當一群螞蟻用嘴拖著卵、幼蟲和蛹拔營西去打算搬家的時候，另一群熱忱的工蟻卻在以同樣的速度拖著那些家當掉頭東行。而與此同時，還有一些螞蟻，也許是意識到了群體發出信號的混亂和衝突，正空著手一會兒向東一會兒向西的亂跑。不過，儘管如此，整個蟻群還是成功地轉移了。在沒有上級作出任何明確決策的情況下，蟻群選定一個新的地點，發出信號讓工蟻開始建巢，然後就開始進行自我管理。沒有一隻螞蟻在控制它，但是有一隻看不見的手，一隻從大量愚鈍的成員中湧現出來的手，控制著整個群體。它的神奇還在於，量變引起質變。要想從單個蟲子的機體過渡到集群機體，只需要增加蟲子的數量，使大量的蟲子聚集在一起，使它們能夠相互交流。等到某一階段，當複雜度達到某一程度時，"集群"就會從"蟲子"中湧現出來。蟲子的固有屬性就蘊涵了集群，蘊涵了這種神奇。不過，你儘管可以用回旋加速器和Ｘ光機來探查一隻螞蟻，但是永遠也不能從中找出蟻群的特性。

回到題主的問題，我相信知乎上甚至世界上都沒有一個人能給你一個確切的答案，DNA靠著小分子的隨機結合，核糖體剛好碰上mRNA便開始了轉錄；酶靠著與分子的隨機結合，便促成了宇宙間形形色色的化學反應；螞蟻和蜜蜂，從來沒有接受過訓練和指揮，卻像整齊劃一的軍隊一樣分工明確；甚至於我們人類，究竟是怎麼樣形成了一個如此龐大的社會，並讓其運轉有序繁榮不息？

相信在微觀隨機性的背後，一定有著一套群體性的規律，可以讓群體展現出完全不同於微觀個體的巨大特性。當每一個分子無序的運動，每一個個體自我運行，每一個人類各司其職，在足夠數量的前提下，整個群體便展現出了強而有力的有序和規律。而這個規律，我們依然在探索和學習。

部分內容摘自：失控 (豆瓣)

我想題主想要問的是，由隨機無序運動的微觀粒子構成的生命如何能夠在宏觀上表現出高度的有序性？

這是個宏大的科學哲學問題。
如果拆開來看可以分為如下幾個問題：
1 微觀粒子如何從無序到有序？
2 生命的起源
3 神經系統是如何產生和發揮作用的？

能部分回答第一個問題的人已經得了諾貝爾獎了：普里戈金_百度百科
感興趣的話可以讀一讀他的那本跟時間簡史一樣的暢銷書：《從混沌到有序》。那種不明覺厲的感覺久久不能平靜。

剩下兩個不用我說，誰能部分回答清楚，也必然是炸藥獎。

任何隨機的背後，都有特定的規則：比如物理學宏觀上的牛頓定律、相對論，微觀上的強弱相互作用等等。決定宏觀有序性的，就是這些規則。

「終極」的規則，就是所謂的禪、道、統一場等等。。。

生物的有序性來自於大量相互作用的小結構。我用一群螞蟻來解釋有序性的產生。

某地一蟻穴，東面有一食物源。一隻螞蟻正巧往東探索，在時間T內找到食物的概率比如說是1/360。如果是N只互不溝通的螞蟻，那麼他們平均能找到事物源的概率還是1/360。如果另一個地方的螞蟻面臨同樣的問題，但是他們在路上會殘留一些氣味分子，而螞蟻們被這些分子所吸引。那麼，氣味分子的分布不再隨機，還是有序地集中在了蟻穴和食物之間，每個新爬出蟻穴的螞蟻也都有極大概率能找到食物源。

所以，從無序到有序，需要的只是非常多的個體（比如分子），而有序性（甚至智能）可以由進化來得到（會釋放氣味分子的螞蟻群，更容易存活下來）。

有一個紀錄片可以很好的回答這個問題，請看「神秘的混沌理論」

神秘的混沌理論_fractal_新浪播客

我敢說我這個答案比其他的都靠譜。我在其他問題里也多次說過這些。
生命系統，就是半封閉系統在有負熵流的情況下形成的耗散結構。熱力學第二定律告訴我們，封閉系統的熵是增大的，而開放系統在不斷攝入熵比自己小的物質的情況下其熵是不斷減小的，也就變得越來越有序了。
作為一隻化學狗，看到你們在這裡討論半天也沒啥好結果，心裏面還是有點小小的得意( σ"ω")σ~~
我只想說，要好好學熱力學呀孩子們~~
有興趣的可以研究下普利高津的耗散結構理論，這個問題就迎刃而解了~~

無論宏觀還是微觀，都一定程度上處於某個維度的平衡中，個體的行為在此平衡中大概率的向穩定態方向運動，因此看似隨機，實際並不是那麼隨機。

宏觀的有序來自於複雜系統的自組織，是無數小概率事件在更無限時間裡的積累和演變，每一個小概率事件可以看成是隨機的，但最後存在下來的可以理解為必然的。

能量驅動，更低能量更穩定，

有序和無序，確定和隨機，必然和偶然，可知和不可知…… 這些都是哲學、科學或者說宇宙的終極問題…… 人類不應該奢望理解宇宙的終極秘密……

建議搜索一下「分形」，這是自然界的基本規律，可以推廣到許多方面，看過有關「分形」的紀錄片《尋找隱藏的維度》後，我的許多想法發生了改變

生命微觀上的分子也許也是有序可循的吧？只是我們沒肉眼看清或暫未了解到個中規律吧？

這要談到群體心理學。當個人組成群體時，其自身的特點被隱去，群體會表現出一個共同的特點，即盲目衝動易受暗示的影響，且群體間具有傳染性。這些特性決定了群體1:必須有一個領袖來領導他們，否則群龍無首隻能成為暴民。2:易被煽動，即易被人利用。3判斷問題沒有理性可言，受暗示影響。領導群體完全取決於你的說話藝術。4:有一種人多勢眾的力量感，他們的原始殘忍嗜殺暴虐的本性被釋放出來。