正反馈：生物如何进行状态切换？

读者，你好。欢迎来到《进化论 50 讲》，我是王立铭。

上一讲，我们讨论了负反馈这个重要工具，生物用它来对抗环境波动、维持自身秩序。在地球生物体内，负反馈无处不在，共同保证了在这个充满变化和意外的世界里，生物能够顽强的生存和繁衍。

但是，负反馈本身也会带来问题。我们说过，负反馈的作用是根据输入、产生一个与之相反的输出，对抗甚至消除环境扰动的影响。换句话说，负反馈装置的作用一直是“维持现状”。但是在某些时候，生物恰恰需要突破舒适区，进入全新的生存方式。这时候，负反馈反而就成了状态切换的绊脚石。

为此，生物需要一套全新的适应方式。这就是正反馈。

何谓正反馈？

正反馈的工作原理和负反馈很类似，只是作用方向相反。一套正反馈装置也只需要两个组件——一个组件检测环境中某个条件的变化，另一个组件根据这个变化叠加一个同方向的作用，结果就是初始变化被继续强化。

我猜你可能有过这样的经历，上台讲话或者 K 歌的时候，如果话筒距离音箱太近，就会产生刺耳的啸叫声。这其实就是一个正反馈的结果。环境中微小的声音被话筒检测到，通过音箱放大后播放出来；播放出来的声音再次被话筒检测到，再次被音箱放大。反复循环和强化之后，就会产生刺耳的声响。

其实，从这个描述里你应该也能看出来，正反馈的启动往往是件很危险的事情。和倾向于维持现状、大事化小的负反馈不同，正反馈的天然倾向是“唯恐天下不乱”，能把一点小事以惊人的速度放大到难以忍受的地步。

也正是因为这个特性，正反馈在生物系统里远没有负反馈那么常见。在少数需要被启动的场合，生物系统往往还要叠加各种各样的限制条件，防止它失去控制。这一点，我们在这一讲后面还会提到。

生物系统的两类正反馈

接下来，我会用几个案例描述一下生物系统内的两类正反馈装置，看看它们是如何构成的，又分别能实现什么目的。

第一类正反馈装置的作用，是帮助生物感知和放大微弱但重要的信号，完成状态切换。

比如，在细胞分裂的过程中，这种装置就起到了关键的作用。比如真核细胞的分裂，学名叫作“有丝分裂”，大致可以分成两个阶段：分裂间期，细胞生长壮大，储备繁殖所需的原材料，完成 DNA 复制；分裂期，则先将 DNA 等重要生命物质平均分配到细胞两侧，然后细胞中央收缩、凹陷断裂，从一枚细胞变成两个后代细胞。

从分裂间期进入分裂期这个决定，是细胞生命过程里最核心的状态切换。在完成这个状态切换之前，细胞会做一系列的质检工作，特别是要确保 DNA 复制准确无误，如果需要修修补补，那就停下来暂时等待。

而一旦完成这个状态切换后，细胞就会全力以赴的完成分裂步骤，不再瞻前顾后。

这种“全或无”方式的状态切换对于细胞是很重要的。

一方面，它能保证在进入分裂之前，各种准备工作已经做好。否则，如果连 DNA 复制都没做好，细胞还继续分裂，那就是白白浪费宝贵的繁殖机会；另一方面，它保证一旦开始分裂，就全力推进到完成。否则，分裂中间随便就停下来或者提前结束，产生一些奇怪的后代细胞也是白添乱。

在这种状态切换中，正反馈装置就起到了核心的作用。

在细胞做好分裂前的准备后，一个名叫 CDK1 的蛋白质会被激活，打响细胞分裂的第一枪。但如果只有几个 CDK1 蛋白被激活，是不足以通知到所有和细胞分裂相关的分子机器、正式启动细胞分裂的。于是，少量激活的 CDK1 蛋白质会激活另一个名叫 CDC25 的蛋白质，而活动状态的 CDC25 能反过来激活更多的 CDK1。

这个简单的正反馈启动之后，细胞中上百万个 CDK1 蛋白质就会以惊人的速度从整体未激活状态进入整体激活状态，从而启动细胞分裂。

这个状态切换一旦完成，就没有回头路可走。细胞会在大量的活动 CDK1蛋白的驱动下，将细胞分裂彻底完成。

在生物体内很多需要状态切换的场合，都能找到正反馈装置的身影。它们的作用像是推动高山上摇摇欲坠的巨石，也像是在茫茫野草丛里投下一根火柴，初始的微弱力量能够快速放大，推动整个系统的彻底变化。

比如，在苹果成熟的季节，第一颗成熟的苹果会释放微量的乙烯气体，周围的苹果在接触到乙烯后会加速成熟，释放更多的乙烯。这个正反馈，推动了一夜之间满树的苹果都由黄变红。

再比如，在女性生产的时候，胎儿进入宫颈部位会对那里产生一个小小的挤压力。这个力量被神经系统检测到后会释放催产素，催产素能进一步促进子宫收缩，从而产生更强的挤压力量，释放更多催产素。依靠这样的正反馈装置，在妈妈子宫里安静生长了 200 多天的胎儿，会在生产正式启动以后的几个小时内呱呱坠地。

第二类正反馈装置的作用，是帮助生物体识别意外风险，启动应急补救措施。

这一类正反馈装置的构造和第一类很接近，但它的作用不是感知微弱的起始信号、加以放大，而往往是因为面对危机，反应时间太短，需要利用正反馈起到第一时间抢险的作用。

比如，当血管因为外伤而破损时，生物体会快速启动凝血机制，在破损处形成物理屏障，防止血液流失，也阻止外来的污染物进入血管。

这个机制的启动就依赖好几个正反馈装置。

首先，当血管破损时，在血液中流淌的血小板会顺着血液进入伤口，并因为接触了血管外侧的胶原蛋白而被激活。激活后的血小板从会圆形变成八爪鱼型，彼此连接在一起，更方便的阻塞血管的破口。

而被激活的血小板又是一系列后续反应的启动信号——它会分泌一些化学信号进入血液，吸引、激活和连接更多的血小板。这个血小板的正反馈保证在伤口附近聚集越来越多的血小板，阻塞血管的破口。

另一方面，血管裂口还能促进血液中凝血酶的形成。凝血酶能在伤口附近制造出细丝状的血纤维蛋白，牢牢绑定伤口附近的血小板。这里也有一个重要的正反馈装置。凝血酶一旦形成，就能自己激活更多的凝血酶，实现凝血酶自身的正反馈激活。

特别值得注意的是，这些反应之间还会嵌套更多的正反馈。比如，血小板的激活也能激活凝血酶；而凝血酶除了能制造血纤维蛋白之外，还能反过来促进血小板的聚集和激活。这样一来，在外伤发生后的几秒钟内，伤口附近就会在几个正反馈装置的推动下完成一次爆炸式的应急反应。

在生物体内，凡是可能被意外风险击中的地方，都会找到正反馈装置的身影。

正反馈的刹车

正反馈的价值和力量不言而喻，但正反馈这种能够无限和快速放大初始信号的能力，往往也意味着巨大的风险。这一点，和天然就自带刹车和稳定器的负反馈完全不同。

上面介绍的几个案例，内部蕴含的风险是显而易见的。比如，如果偶然有那么几个 CDK1 蛋白被意外激活，就可能随时启动不可逆的细胞分裂过程，把还没有准备好的细胞带上错误的轨道。人类有很多疾病，就和正反馈被错误启动和无限放大有关。

正因为这个系统性的风险，在所有正反馈装置附近，生物体都会搭配各式各样的刹车装置，保证正反馈不会随意被错误启动，或者在完成使命之后可以被迅速终止。

可想而知，很多刹车装置本身就是上一讲说的负反馈装置。因为篇幅所限，这里我就用一个案例描述一下刹车装置是如何起作用的。比如，凝血功能中的刹车，我们可以从三个层面理解它——

首先，要在源头上保证，引发凝血反应的初始信号被周密控制，不会随意出现。

刚才说过，血小板的激活依赖于和胶原蛋白接触。但胶原蛋白位于构成血管壁的内皮细胞的外侧，在正常工作的血管里，是完全无法和血小板直接接触的。有且只有在血管破裂的时候，渗出破口的血小板才能接触到位于血管外面的胶原蛋白，启动一系列凝血反应。

其次，要给正反馈装置装上阻尼，增加摩擦力，让它无法随心所欲的快速爆发。

理论上，一个完美的正反馈循环是极不稳定的，一个凝血酶分子的错误激活，就能引发雪崩式的反应。因此，在凝血反应的很多环节，生物体都配备了相应的阻尼装置。

比如，血管里一个名叫“抗凝血酶”的蛋白质分子，能持续稳定的降解凝血酶。这样一来，凝血反应就不会被任意的扰动所引发，至少需要凝血酶多到超过了抗凝血酶的降解能力，才有可能积累足够的数量、引发正反馈循环。

甚至还有些阻尼装置的作用，会随着正反馈的强度增大而增大。比如，凝血酶自身还会激活一个名叫蛋白质 C 的分子，反过来抑制凝血酶自身的生成。这个负反馈也能起到阻止凝血反应错误启动的作用。

最后，正反馈装置需要有一个明确的终止信号。

对于凝血反应来说，这一点相对简单。当血管破口被封堵，血液无法渗出后，血小板和凝血酶无法接触位于血管外侧的凝血启动信号，凝血反应的正反馈就从源头上被终止了。之后，伤口附近已经被激活的血小板和凝血酶，会在各自阻尼装置的作用下逐渐失去活性。

典型的反例就是红斑狼疮患者常见的血栓。红斑狼疮是一种自身免疫疾病，患者血管中的抗体会错误的识别和攻击血细胞和血管内皮细胞，让这些细胞生产和释放大量的本来只会在血管外部出现的促进血液凝结的蛋白质。

这样一来，就算没有血管损伤，凝血反应也会被诱导出来，在正反馈驱动下彻底失控，乃至堵塞血液流通。

下节预告

说完了生物应对外界信号、完成自我调节的正负反馈，下一讲，我们说说生物体的另外一个调节系统——前馈系统。

我是王立铭，我们下一讲再见。

划重点

1. 和对冲环境波动、帮助维持现状的负反馈装置不同，正反馈装置能快速放大原本微弱的初始信号，实现爆炸式的反应。
2. 正反馈系统在生物体内主要用来实现不同状态间的快速切换，比如启动细胞分裂、保护受伤的的血管。
3. 因为正反馈系统的潜在危险性，生物体还为它配备了大量的刹车装置，以实现对正反馈装置从源头到终点的全程监管。