生命的法则——负反馈调节

      雅各布和莫诺德的乳糖操纵子理论，是现代分子生物学的奠基理论之一，这是一项非常伟大的发现，可以说和物理领域黑体辐射理论的解释重要性相媲美。两位也因此一起拿到了诺贝尔奖。大致描述如下：

      细胞不可以直接利用乳糖的，必须要产生分解乳糖的酶，把乳糖分解为葡萄糖和半乳糖才能直接利用。实验发现，把细胞放在有乳糖的溶液中，乳糖浓度很低的时候细胞几乎不产生分解乳糖的酶，乳糖浓度很高的时候，可以“诱导”细胞产生分解乳糖的酶。

      所以我们得出这样的简要的结论（如图一）：

图一

      事实上，当两位科学家更加深入的进行实验以后，却找到了一个“小三”（酶的阻遏物，结合在酶的基因上，使酶的基因无法表达，阻遏酶的产生，称为阻遏物），然后发现，乳糖对酶的诱导事实上是通过这个“小三”来进行调控的，乳糖可以结合在阻遏物的身上，这样阻遏物就无法阻止酶的基因的表达，这样基因就会表达酶来分解乳糖，形象一点表述如图二：

图二

      你会问，为什么是这么复杂的控制方式呢，第一种情况简单大气，不是说大道至简嘛，为什么进化了几十亿年的生命会选择走一条更复杂的途径？

      实际上生命的大道至简是对的，我们应该关注的不是分解乳糖的过程，而是我们的细胞为什么要分解乳糖，分解乳糖是为了得到分解后的产物葡萄糖，如果分解的葡萄糖已经足够细胞使用了，细胞将不会再浪费资源和能量继续分解葡萄糖。

      分解乳糖的过程时动态变化的。在分解乳糖的过程中，乳糖浓度在降低，葡萄糖在增加，逐渐达到足够细胞使用的水平，此时细胞不再需要分解乳糖；巧合的是，这时候由于乳糖已经被分解了很多，酶的阻遏物便会逐渐增加，阻碍酶的产生，于是酶分解产生葡萄糖就会变慢，细胞就不会浪费剩余的乳糖。但是当细胞逐渐消耗葡萄糖的时候，葡萄糖浓度下降，此时乳糖的浓度又占据了优势，再次抑制了酶的阻遏物，阻遏物被抑制，酶就会发挥作用，产生葡萄糖。所以上下两条通路不断交替变化，就避免了乳糖分解过多，产生葡萄糖过多，细胞用不完的浪费。如果是第一种乳糖直接“诱导”酶的假设成立，那么乳糖一下子就全分解成葡萄糖了，用不完的就浪费了。

      整个过程可以用图三来表示，假设乳糖的浓度很高，只需要分解一小部分就能满足所需，这样子每个交替变化后，剩下的乳糖的量就可以看作恒定，和三角函数正弦、余弦曲线画在同一个坐标系中很相似。

图三

      然后你会发现，这个图太厉害了，草原上旅鼠和狐狸的数量随时间的变化图线也是这样，老鼠多的时候，狐狸会增多，狐狸数量到顶的时候，会把老鼠吃到最少，然后狐狸大规模饿死，然后老鼠在狐狸减少的时候大规模繁殖，然后奄奄一息的狐狸又会靠着大量的老鼠作为食物来源重新繁盛，繁盛之后老鼠减少，狐狸再次衰落……

      细胞中微观的看不见的分子，和宏观世界的弱肉强食，居然遵循着同一条法则，不得不感叹生命的魅力，几亿年来生命都是靠着这种动态的调节机制，谱写了数不清的壮丽史诗。

生命的法则——负反馈调节