收音机原理及应用（生物学家能够破解和修理收音机吗）

手机坏了，你会请一个大夫来修吗？

或者，

让一群生物学家只能用生物学的办法破解电子产品，会怎么样呢？

——这并不是一个笑话，而是一个严肃的、很有意义的科学课题。

上帝的谜题

生命和意识是宇宙中最复杂的自然现象，人类面对它们就好比面对“上帝的谜题”，怎么也猜不透。

早以前，人类的科学知识非常有限，生命和意识是不折不扣的“黑箱”，既无从了解也无能为力，只能单纯地使用和适应，以及“文艺地”描述和猜测它们。

而现在，情况变了：

人类已经长了本事，自己可以设计谜题——制造比较复杂的机器，尤其是现代自动化和智能产品；

人类也窥见了有关生命和意识的基础知识，例如DNA、神经元，而且它们的工作原理与机器竟然颇为相似，都包含系统控制、编码复制和逻辑计算（生命和意识的工作原理还会包括复杂的物理化学过程）；

更重要的是，已经有人迫不及待、奋不顾身地开始改造生命和意识了，例如基因编辑、大脑控制、脑机接口......

因此，生命和意识这个“黑箱”已经成为了“灰箱”。这个灰箱，我们到底已经打开了多少？以及，我们最终是否能够彻底打开它？成为了一个严肃的、很有意义的科学课题。

于是有人大开脑洞——对于生物学家来说，复杂的电子产品，可以算是一个黑箱吧？如果生物学家使尽浑身解数，能够破解它们吗？

拉泽布里克的担忧

尤里·拉泽布里克（1958-）是俄裔美国人，现在美国著名的冷泉港实验室研究癌细胞和细胞凋亡。2002年他发表了一篇引起轰动的文章《生物学家能够修理收音机吗？》，对生物学的研究方法进行了批判。

事情起因于拉泽布里克的担忧，他所研究的领域高手云集，每时每刻都在涌现大量的研究成果，例如关于任何一种可能会有关的蛋白质，研究论文动辄好几万篇——他担心会不会他这里还没有开始动手，就已经被别人全部研究完，只有去学习的份儿了。

于是他请教了经验丰富的同行，同行告诉他大可不必担心：

生物科研工作者就像疯狂的淘金者，没有嗅到金矿时一切风平浪静，但凡有一丝意外发现，尤其是有可能找到黄金（例如开发出某种药物）时，大家就进入疯狂阶段。

疯狂阶段中，所有人都可能找到经费和研究人员，为在学术上扬名立万以及实现个人财务自由而费尽心机，同时也对同行开始戒备森严。

而最终的结果，往往是碰壁，只留下大量描述性的资料和互相矛盾的观点，然后大家又会安静下来等待下一条意外的线索出现。

这就好比中国人常说的“瞎猫碰死耗子”，区别在于，屋里可能全是瞎猫，根本就没有死耗子。

一句话点醒梦中人，拉泽布里克发现生物学研究领域中确实存在大量的一窝蜂现象，最后结果却都一地鸡毛、不了了之。

怎么才能进一步验证这个道理？拉泽布里克想起了中学数学老师的教导——如果怀疑方法的正确性，可以把已知答案的东西代入进去检验。他拿起了他的太太从俄罗斯带到美国的一台苏联制造的老式晶体管收音机。

生物学家能够修理收音机吗？

收音机是个合适的模型，它就是人类制造的东西，我们完全知道它的原理。本质上讲，它是个信号接收和转化器，把特定波段的电磁波转换为声波。这台收音机有上百个元件，例如电阻器，电容器和晶体管，复杂程度与细胞信号转导路径中的分子数量大致相当。

拉泽布里克假设，生物学家根本不知道收音机的工作原理，只知道它播放音乐是正常的，不播放音乐就是坏了。那么，如果生物学家接到任务破解和修理这种收音机，整个生物学界会采用什么研究手段呢？

首先，肯定是争取经费买一堆收音机，想办法打开观察，命名并描述各种不同形状的零件，圆的/方的、两条腿/三条腿......。仅是由于不同零件有不同的颜色，可能就会产生很多篇论文，甚至研究颜色改变跟声音的关系，肯定会引起激烈的争论。

有的研究人员会选择去除其中某个元件，这时候，可能会有一个幸运的博士后拆掉一根导线，发现收音机不工作了，这根导线会被命名为“意外恢复元件(SRC)”。顺藤摸瓜的话他会发现SRC的功能是唯一连接了一个可伸缩金属物体（其实是短波天线），于是这个可伸缩的金属物体被命名为“最重要的元件（MIC）”。这个实验室和相关领域立刻就会欣欣向荣起来。

与此同时，另一个实验室传来喜讯，一位执着的研究生发现收音机工作所需的另一个元件（其实是中波天线），这个元件是石墨材料的，其长度变化不会明显影响收音机的声音。这个研究生可以用实验证明收音机工作不需要MIC元件，然后把他发现的物体命名为“真正重要的元件（RIC）”。于是又出现一个有前景的RIC领域。

MIC阵营和RIC阵营会发生激烈争论和站队，因为证据表明某些收音机需要MIC，而其他收音机则需要RIC。

这场战斗需要由一个聪明的博士后来结束，他会极其偶然地发现了一个开关元件（其实是中波/短波切换开关），这个元件的状态决定了收音机需要MIC还是RIC。这个元件被命名为“毫无疑问的最重要的元件（U-MIC）”。

受这些“伟大发现”的启发，一群生物学家将采用成分研究方法来研究每个元件，事情将进一步复杂化......

而我们真正得到的收获只有——

关于原理：生物学家了解到的收音机原理可能如下图所示：

而事实上，收音机的原理也许应该是这样的：（这张图是随便找的，跟实物图其实并不匹配）

关于修理：前面实物图中的“a target”原本是红色圆柱物体（一个电阻）变成黑色了，闻起来有烧焦的气味，如果用红色圆柱物体代替，也许会修好收音机。

换言之，对于外观上看不出损伤的故障，生物学家依然是无能为力。

为什么会如此尴尬？

有人会提出，隔行如隔山，研究活的生物细胞与研究收音机完全不同，拉泽布里克正面回应了这个问题——收音机和细胞转导路径不仅是系统复杂度近似，而且原理上具有深层相似性，并不存在一种超越物理化学过程的所谓“生物活力”。在合成尿素、发现基因、发现神经元等事件中，物理化学规律的普遍性一次次教育着生物学家。

“隔行如隔山”更多反映的不是规律的差异而是知识的隔离，例如北大某教授在博客中推介拉泽布里克这篇文章时，我相信他完全没有看懂收音机里的这三个元件到底是什么东西。

拉泽布里克把这种尴尬的原因归之于语言，理解收音机需要电气电子工程的通用语言，包括电压电流、电阻电容电感、二极管三极管，它们的定量方法和计算公式，以及放大器等各种电路组合模块。如果掌握这些语言，那就不需要天才，也能在电子工程领域如鱼得水。反之，不掌握这些语言，只要系统的复杂性超过某个限度，就只能期待天才和奇迹的出现了。

这其实就是正向工程和逆向工程的根本差异。

进一步思考，缺乏语言这个问题是不是可以解决的呢？有没有可能像计算机的BASIC语言一样，出现一种描述系统的通用语言呢？这正是系统生物学领域研究的问题之一。

通用语言会是什么，到今天还没有答案。而更加迫切需要答案的新领域出现了——基因和大脑。为了解开基因和大脑的谜题，人类已经争先恐后地冲了上去，并带着人工智能、大数据等先进武器。

这些终极逆向工程的前景会怎么样？我们下篇接着看2017年的另一个有趣研究——神经生物学家是否可以破解微处理器。

怕什么真理无穷，进一寸有一寸的欢喜！

——胡适

【原始论文参考链接】

Can a biologist fix a radio?—Or, what I learned while studying apoptosis

https://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(02)00133-2

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