王立铭生命科学50讲

王立铭生命科学50讲

学习这个词听起来很普通。从小到大写作文、引用名人名言的时候，估计我们谁都没少说过学习有多重要的话。比如：孔子说学而时习之；培根说知识就是力量。不过，在生命科学这门学科的框架里，我们又为什么要学习呢？《王立铭·生命科学50讲》的课程主理人王立铭老师，是浙江大学生命科学研究院教授，美国加州理工学院博士，长期追踪生命科学与现代医学的最新进展。今天，他来和你聊聊这个话题。王立铭生命科学50讲百度网盘

随机应变的模式：刺激——反射我们为什么要学习？看到这个问题，你可能会觉得莫名其妙，我们当然要学习啦！学习可以让我们掌握技能，知道怎么生存，怎么躲开危险，怎么读书写字，怎么升职加薪。但是你知道吗？在很多时候，生命活动的发生是不需要学习的——甚至可以说，越是重要的、基本的、性命攸关的生命活动，就越是不需要学习。动物体与外界环境的互动，很多时候只需要针对刺激产生反射，就完全可以实现。那我们为什么还要学习呢？今天，我们就来看看什么是刺激——反射，然后再思考我们为什么要学习。刺激反射是什么东西呢？简单来说就是“随机应变”。针对某种特定的环境刺激，动物能对应产生某种运动反馈。在很多时候，有一颗会随机应变的大脑，动物可以应对生活中发生的情况，安全地活下来。这个过程，有点像计算机程序语言里面的 if then else 语句。如果你没学过编程也不要紧，日常生活中我们经常套用这样的逻辑。比如：回了家，你想把灯泡打开。这个简单动作背后的逻辑实际上是这样的：if——如果灯泡现在是关的；then——那就按下开关把它打开；else——如果不是这样的话，也就是如果灯泡一直就是开着的，那就什么也不用做。这就是一个非常简单的刺激——反射模型。我们可以看到，为了和外部世界进行互动，这个刺激——反射模型肯定需要有感觉系统来感受刺激，知道灯现在到底是开还是关。除此之外，它肯定也需要一套运动系统，在大脑根据刺激的信息做出决定之后，来控制手去按动开关。在动物体内，有大量的活动都是遵循刺激——反射这样的模式来进行的。王立铭生命科学50讲百度云分享 比如，对于一只饥饿的小飞虫来说，它的行为模式可能就是这样的：if——如果左前方出现了强烈的腐败水果的气味；then——那儿应该有食物，所以就朝左径直飞过去，赶紧寻找到食物；else——否则呢，干脆就停在原地不动，节约能量。以此类推，对于一只发情期的雄性老鼠来说：if——发现附近传来了雌性的气味；then——那就赶紧跑过去展开求偶；else——否则，还是专心致志地挖洞或者找吃的，等等。在咱们人体内，也有很多地方用上了这种最简单的刺激——反射模式。比如：强光照到你的眼睛里，你的瞳孔就会自己收缩，来保护视网膜不会被强光给破坏了；再比如：如果你走路的时候不小心，脚底绊了一下，你的双手会立刻自动伸出来，帮助你保持平衡，等等。这种随机应变的反应模式实际上是非常有用的。我总结一下，有两个特别大的好处：第一，可以提前准备好行动预案；第二，不需要记忆太多的信息。先说第一个好处。对于地球环境中始终存在的各种环境信息的变化，动物在大脑里可以事先准备好各种各样天生的应对模式，准备好行动预案。这样，一旦某种刺激出现了，可以迅速调用准备好的反射模式，不至于临时抱佛脚。这种模式对于好的刺激——比如食物，坏的刺激——比如危险，都是很有用的。再说第二个好处。在这种模式里，动物不需要额外记住别的什么信息。比如：你完全不需要记得早上出门的时候有没有关灯，只需要套用刺激反射模式，你就可以在晚上回家的时候准确地打开灯；老鼠完全不需要记住这块田野上雌性老鼠的生活规律，也可以单纯根据气味准确地找到配偶，等等。这两个好处在一起，就能解释为什么越是至关重要的底层行为，动物越是倾向于用这种简单，但是很顽固的刺激——反射模式。刚才我们说的这几个例子里，包括找吃的、找配偶、瞳孔收缩、防止跌倒，都是和生存繁殖关系非常密切的行为。依靠这种随机应变的反应模式，生物体可以保证，在一生当中的绝大多数时间里，面对环境中常见的危险和诱惑，它都可以从容应对，而且找到配偶，传宗接代。王立铭生命科学50讲资源

刺激——反射的实现：只需两个细胞谈了刺激——反射模式的重要性，那你知道这种模式，在动物的脑袋里是怎么实现的吗？我想借用一个非常经典的例子来讨论这个问题。这个例子的主角是一种叫做海兔的动物。请注意，这种动物不是兔子，实际上是一种生活在浅海海底的软体动物。身体有差不多10厘米长，样子有点像一个去掉壳的象拔蚌。之所以叫海兔，是因为它的头上有一对长长的、软软的触角，有点像兔子的长耳朵。王立铭生命科学50讲下载

海兔海兔在神经生物学的研究中，是非常重要的研究对象。一个重要的原因，就是在它身体内，刺激反射模式非常容易被研究和理解。具体来说，和其他的软体动物一样，海兔是靠鳃来呼吸的。海兔的鳃位于身体的内部，上面连接着一根水管，和海水连通起来。那海水怎么进入鳃呢？水管上分布着密密麻麻的的细毛，它们能够摆动起来驱赶海水进入水管，这样一来，鳃就可以从流动的海水里获得氧气了。可想而知，海兔的鳃对于它的生存，是至关重要的。因此，保护好鳃就成了海兔的头等大事。所以，海兔就发展出了一个叫做缩腮反射的随机应变模式。如果海水突然剧烈地冲击在海兔身上，王立铭生命科学50讲免费 或者如果有天敌猛烈地撞击海兔，它就会迅速地把鳃紧紧包裹起来，防止它在海兔身体剧烈变形的时候被伤害。这个缩鳃反射如此重要，相对应，它也只需要非常简单和顽固的生物学，也就是刺激——反射模式。而且，它简单到只需要两个神经细胞的参与。首先，是一个感觉神经细胞，它连接在海兔的水管上。如果有海水剧烈地冲击，那么这个神经细胞就能感受到，并且把这种环境刺激转化成一个生物电信号。第二，是一个运动神经细胞，它连接在鳃上，可以控制鳃周围肌肉的收缩。这个感觉神经细胞和运动神经细胞之间有直接的联系。前者的信号输出端——也就是轴突，和后者的信号接收端——也就是树突之间，能够直接传递电信号。这样一来，海兔的这个缩鳃反射理解起来就很简单了。海水剧烈波动的时候，前面这个感觉神经细胞就能感觉到海水的冲击，产生一个生物电信号，而这个电信号会输出给后面的这个运动神经细胞。因此这个运动神经细胞随之也产生了电信号，从而能够驱动肌肉收缩，完成缩腮反射。从这个非常经典的案例中可以看到，在动物体内发展出刺激——反射的应对模式，实际上并不困难。最少只需要两个神经细胞相互连接，一个负责感觉，一个负责运动输出，就可以完成这件事。实际上，即便在人体内，类似的应对模式，可能也并不需要很复杂的生物学。比如：你可能知道一个叫做膝跳反射的实验，很多时候体检中还会做这样的测试。翘起一条腿，用一个小锤子轻轻地敲击膝盖下方，小腿就会不由自主地弹起来。在人体中的这样一个反射，实质上也只需要两个神经细胞的参与。一个负责感知敲击，一个负责收缩肌肉，抬起小腿。王立铭生命科学50讲资源下载

刺激——反射模式有两大缺陷说到这里，你已经知道了刺激——反射模式的好处和实现方法。听起来，这个模式又有效、又普遍、又简单。既然如此，回到这一讲开头的问题：我们为什么还要学习呢？直接用刺激反射来应对外界环境不就行了吗？不行，因为抛开这些好处不谈，刺激反射模式仍然有两个很大的缺陷。第一个缺陷，就是它的局限性。因为这样的刺激反射模式，需要动物在出生前、在它的遗传物质DNA里，就必须事先携带能够在脑袋里制造这种模式的全部遗传信息。比如：对于海兔来说，它的DNA里面就需要有基因来告诉海兔，到底在哪儿长一个感觉神经细胞，感觉海水的冲击，又在哪儿需要长一个运动神经细胞，控制鳃的收缩，又怎么让这两个神经细胞找到彼此，产生连接。这样一来，遗传物质能够编码的天生的刺激反射模式就一定很有限，一定只能用来为生死攸关的事情做准备，比如找吃的、交配、逃跑、攻击和防御等等。我们难以想象，类似于看书、写字、唱歌、画画、演算方程，或者在「得到」听课这样变化多端的复杂任务，也能预先设置好反应模式。我们的遗传物质装不下，我们的大脑也装不下。第二个缺陷，是刺激——反射模式有盲目性。这话是什么意思呢？就是说，在这种模式中，再多次的重复，也无法变成能够积累的经验。每次遇到一模一样的刺激，生物体都还是只能机械地重复一模一样的反应。王立铭生命科学50讲免费分享 反应错了，它做不到吃一堑长一智；反射对了，它也不会总结成功经验。这是个很大的问题。你可以设想一下，如果一只动物永远记不住哪儿可能有丰富的食物，哪可能有天敌出没，哪儿更有可能找到适合交配的配偶，只能依靠先天的反应模式，每次都去闻哪里有吃的，去找哪里有配偶，它一定活得非常辛苦，非常低效。那有什么办法能让动物的行为模式摆脱局限和盲目，能够更从容地应对千变万化的地球环境呢？有，就是学习。在我看来，学习的生物学本质，就是生活经验对天生的刺激——反射模式，进行修饰的过程。有学习能力之后，环境对于动物来说，就不再是永恒的陌生和黑暗了。它们可以根据过去的经验知道，左边那个山头出现食物的概率要比右边大，所以，如果饿了的话，更应该先去左边看看；它们也可以根据经验知道，接下来可能会有长时间的海浪刺激，所以最好把鳃好好地保护起来。这对于智慧生命更是重要。只有有了学习能力，我们才有可能掌握诸如看书识字、沟通交流，上天下海，乃至制造弹药飞船，这类自然界从未出现，我们的遗传物质也绝对没有准备过的全新技能。王立铭生命科学50讲百度网盘下载

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