細(xì)胞，遠(yuǎn)比你想象的聰明

細(xì)胞，遠(yuǎn)比你想象的聰明

完整筆記?生物學(xué)

本文優(yōu)質(zhì)度：★★★★★ 口感：蜜汁石榴

筆記君說(shuō)：

嘿，今天來(lái)點(diǎn)不一樣的怎么樣？話(huà)不多說(shuō)，直接enjoy~

今天分享的主題是“生物學(xué)思維：細(xì)胞秩序的奧秘”，主要分為兩個(gè)方面：

一、組織如何維持秩序？

從管理角度來(lái)講，“組織如何維持有效的秩序”是一個(gè)很重要的課題。而從生命的角度來(lái)說(shuō)，生命本身就是一個(gè)最典型的復(fù)雜性組織。

1.細(xì)胞，生命組織的最小單位

生命的這個(gè)復(fù)雜性組織是怎樣的呢？想要了解這個(gè)問(wèn)題，就要先清楚生命組織的最小單元——細(xì)胞，它是人類(lèi)社會(huì)最開(kāi)始認(rèn)知的生命。

那么，我們稱(chēng)之為Cell（細(xì)胞）的生命的最小單元，它的邊界是如何界定的？它里面有沒(méi)有格局？這個(gè)格局又是如何界定的？

但這個(gè)對(duì)應(yīng)分隔是由誰(shuí)來(lái)界定的，這種界定從生命角度和從生物的角度來(lái)說(shuō)，有沒(méi)有一些共性的地方？

像細(xì)胞這樣一個(gè)生命的最小單位，從低等到高等，基本上有三個(gè)共性：

第一，細(xì)胞膜，有形的邊界，把細(xì)胞界定出來(lái)；

第二，細(xì)胞膜里包裹的細(xì)胞質(zhì)，維持正常的生命活動(dòng)；

第三，遺傳信息決定前面這些物質(zhì)是如何組成、如何運(yùn)行的，遺傳信息儲(chǔ)存在DNA里。

并且不管是最為復(fù)雜的真核細(xì)胞，還是進(jìn)化史上最為簡(jiǎn)單的原核細(xì)胞，大概都有這三個(gè)基本共性。

但這個(gè)邊界需要完成的事情不僅僅是分隔，還必須保證里面的整個(gè)的生物學(xué)過(guò)程是有序進(jìn)行的。

簡(jiǎn)言之，就是對(duì)內(nèi)分工有序，和諧統(tǒng)一；對(duì)外體量適度，有效交流。

2.如何既能分隔內(nèi)外，又能有序聯(lián)通？

同時(shí)，外面這個(gè)邊界，又決定了整個(gè)細(xì)胞的體量，就是它到底可以圍閉多大的內(nèi)容物成為一個(gè)細(xì)胞，是不是可以無(wú)限大？有沒(méi)有一些限制條件呢？

這時(shí)，就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：如果你是上帝，你會(huì)選擇什么物質(zhì)組成細(xì)胞的邊界？

二、膜，細(xì)胞格局的基礎(chǔ)

1.膜的均一性

我們先來(lái)看看組成邊界的物質(zhì)，它的化學(xué)屬性是什么樣的。如果通過(guò)超高分辨率的電子顯微鏡看，細(xì)胞的大概邊界是一個(gè)雙層?xùn)|西，非常薄。

那么，這種雙層的東西是什么？它如何保證我們前面所講的分隔和聯(lián)通的特性能夠?qū)崿F(xiàn)？首先，我們要知道這個(gè)邊界所處的環(huán)境是什么樣的。

“水是生命之源”這句話(huà)從生物學(xué)角度是這樣理解的，人體60%都是水。你可以看到這樣一張圖，各個(gè)組織里面它的水的含量。

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也就是說(shuō)整個(gè)生命體中，對(duì)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，它外界好里面都是一個(gè)水上環(huán)境。所以，它應(yīng)該是要能夠親水的。但是，如果做一個(gè)膜來(lái)分隔的話(huà)，既要親水，也要疏水，為什么呢？

很簡(jiǎn)單，一味親水會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題，融進(jìn)去了。所以必須進(jìn)行分隔，這就需要疏水。

2.如何既能親水，又能疏水？

大概在19世紀(jì)90年代，有一個(gè)荷蘭的科學(xué)家E.Overton將植物根毛放入數(shù)百種含有不同溶解度溶質(zhì)的不同溶液中。他發(fā)現(xiàn)，化合物脂溶性越高，進(jìn)入根毛細(xì)胞的速度就越快。

于是，他得出結(jié)論：

① 細(xì)胞外被中存在著脂

那為什么是脂呢？這是我們現(xiàn)在所知道的脂的模型結(jié)構(gòu)。你可以把它想象成一個(gè)人的樣子，有一個(gè)頭有一個(gè)尾，頭部親水，尾部疏水。

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脂既可以放在內(nèi)部也可以放在外部，因?yàn)閮?nèi)外都是水上環(huán)境。親水端可以保證它在外部左右逢源，疏水端可以保證它在內(nèi)部?jī)?nèi)有乾坤。

② 脂的存在方式

疏水會(huì)產(chǎn)生什么樣的作用呢？從結(jié)構(gòu)上說(shuō)又如何實(shí)現(xiàn)呢？剛才提到的膜是雙層的，這個(gè)脂是一親一疏，我把它放在一個(gè)水上環(huán)境里，有可能形成三種不同的形態(tài)：

第一，兩個(gè)結(jié)對(duì)子。

把互相疏水的靠在一起，互相都是親水的放在外面，它就可以跟外面形成很好的契合。這是一種雙分子層的形式，但它是二維的，沒(méi)有立體的結(jié)構(gòu)。

第二，它可以所有的疏水都朝向里面，壓成這種實(shí)心的狀態(tài)。但對(duì)于生物來(lái)說(shuō)，是不合適的，因?yàn)樗鼪](méi)辦法在里面再?lài)]一個(gè)空間。

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第三，通過(guò)卷曲的形式把二維的雙分子層包成一個(gè)球體。

而我們的細(xì)胞就是以這種方式來(lái)進(jìn)行自組織、從而產(chǎn)生它的邊界。

③ 紅細(xì)胞膜脂雙層結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

那么人類(lèi)認(rèn)社會(huì)是如何認(rèn)知到細(xì)胞膜其實(shí)是有雙層的呢？

1925年，兩位荷蘭科學(xué)家，E.Gorter和F.grendel從紅細(xì)胞中提取膜脂，利用數(shù)學(xué)思維就推出它是雙層結(jié)構(gòu)。

因?yàn)樗且粋€(gè)球體，所以大概估算了球體的表面積，即紅細(xì)胞的表面積。

并對(duì)比了紅細(xì)胞的表面積和膜脂的總面積，如果是單層就應(yīng)該是1:1，如果是雙層就應(yīng)該是2:1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)量的紅細(xì)胞膜脂約為表面積的1.8~2.2:1，從而證明了細(xì)胞膜是雙層結(jié)構(gòu)。

這種雙層結(jié)構(gòu)的好處是什么呢？

當(dāng)它處于片層的時(shí)候，相當(dāng)于處于一個(gè)能量不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以它會(huì)自動(dòng)、自發(fā)地處于、趨向一個(gè)能量穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)。這時(shí)，它就把他自己封閉成一個(gè)球了。

膜脂內(nèi)外都是水上的環(huán)境，親水的頭部可以?xún)?nèi)外很好地關(guān)聯(lián)起來(lái)，它的尾部是疏水的，內(nèi)部又分隔出一個(gè)區(qū)域，形成一個(gè)決然不同的疏水的環(huán)境。

并且當(dāng)一個(gè)脂雙層，一個(gè)雙親性的東西卷曲起來(lái)，就形成它的邊界，實(shí)現(xiàn)它作為一個(gè)組織，既能夠跟外界連通，又有可能讓它可以有一個(gè)很好的聯(lián)通的性質(zhì)。

還有一個(gè)很重要的點(diǎn)，就是這種脂雙層，兩者之間有很好的流動(dòng)性，處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡里，一方面做一個(gè)很好的分隔，另一方面有可能讓別的物質(zhì)或多或少地滲透進(jìn)來(lái)。

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為什么它需要有疏水的環(huán)境？

它作為一個(gè)隔絕，疏水的環(huán)境可以保證它親水時(shí)不會(huì)完全被擠壓而導(dǎo)致融合在一起，保證了隔絕的實(shí)現(xiàn)。更重要的是，疏水的環(huán)境對(duì)它的生物學(xué)的功能起了非常大的調(diào)控作用。

現(xiàn)在大家應(yīng)該知道膜大概都是以雙層的形式存在，所以細(xì)胞外部的隨意截取的一部分可以成為內(nèi)部的一個(gè)結(jié)構(gòu)，而且截取的那個(gè)空間會(huì)迅速被邊上其他結(jié)構(gòu)縫合起來(lái)。當(dāng)然，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可以補(bǔ)到外部結(jié)構(gòu)。

所以，這種膜的結(jié)構(gòu)可以完成兩個(gè)屬性：分和合。細(xì)胞里有很多的分隔，但內(nèi)部其實(shí)是高度融合。

它有一個(gè)特點(diǎn)，我們稱(chēng)之為細(xì)胞的胞吞和胞吐：前一秒是一個(gè)外部的形態(tài)，下一秒就融合到內(nèi)部的空間去了。

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這個(gè)膜可以快速地分隔獨(dú)立出來(lái)，獨(dú)立之后，就有自己的功能屬性在里面。它也是雙層結(jié)構(gòu)，就像是一個(gè)小細(xì)胞那樣。

膜上可以有蛋白，在里面抓住物質(zhì)，同時(shí)它的膜外穿了一層外衣，從力學(xué)上來(lái)說(shuō)，這個(gè)外衣可以幫局部的細(xì)胞膜從一個(gè)平面拉成一個(gè)立體。

就像小丑的帽檐一樣，成為一個(gè)三維的立體結(jié)構(gòu)。如此，重復(fù)不斷，最終向外封閉成一個(gè)小球。

同樣的原理，細(xì)胞膜也可以向內(nèi)變形，通過(guò)吐泡的方式向外釋放一些物質(zhì)，改變它的外界的環(huán)境。

但它是如何向外釋放的呢？這就是細(xì)胞的另外一個(gè)獨(dú)特之處：

對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)，它需要足夠強(qiáng)的生命動(dòng)態(tài)性，既能分隔內(nèi)外，又能有序聯(lián)通，即與物質(zhì)有交流。

三、內(nèi)外平衡

1.細(xì)胞的平衡

大家都在講平衡，那什么是細(xì)胞的平衡呢？它是細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)基本上是等勢(shì)的，不然多的一邊就可能會(huì)擠壓或是往外膨脹出去，這時(shí)對(duì)細(xì)胞就是一種威脅。

它可能是一個(gè)整體的均衡，但并不是衡均一化，局部會(huì)有一些差異。就是它的位置不同，那它的組成也是不一樣的。

這些不同的組成會(huì)讓細(xì)胞在不同的方向、不同的空間，發(fā)揮不同的功能。給大家看一張圖，圖上既有平衡，又有不平衡。

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平衡是在這個(gè)膜的兩端的電勢(shì)是平衡的，所謂電勢(shì)就是加號(hào)和減號(hào)。但每一個(gè)有的正電或負(fù)電的東西，都是不平衡的。

2.局部不平衡

這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，為什么需要在整體平衡下產(chǎn)生一些局部的不平衡？舉個(gè)例子：

線(xiàn)粒體，是每個(gè)人細(xì)胞里都有的一種細(xì)胞器，它是用來(lái)合成能量的。我們每天吃進(jìn)脂肪、糖、蛋白等，通過(guò)體內(nèi)消化，最后變成能源ATP和水，最后一步靠的就是線(xiàn)粒體這個(gè)細(xì)胞器。

但是，這個(gè)能源是如何在線(xiàn)粒體里合成的呢？這就靠的是H+就是氫離子的局部不平衡。

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上圖中的大部分的氫離子，都被堆積在一個(gè)空間里，這就造成一邊氫離子多，一邊氫離子少。

如果把氫離子想象成水，可以把它想象有一個(gè)壩，筑壩蓄水，使得有足夠的水的勢(shì)能來(lái)轉(zhuǎn)換成電能。

由于這個(gè)膜具有不同的通透性，再加上以上方式就可以讓某些物質(zhì)在某一空間內(nèi)濃度異常增加，這種增加是短暫的，但可以讓它在后期進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。

這就是筑壩蓄勢(shì)的過(guò)程。大家看下圖，每一個(gè)黃色的點(diǎn)就是一個(gè)氫離子，它通過(guò)線(xiàn)粒體膜上一個(gè)高度復(fù)雜的蛋白結(jié)構(gòu)去合成紅色的ATP分子。

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還有一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，就是這種膜有選擇的通透性，可以在生物學(xué)上主動(dòng)造成一些差異。

比如圖中的紅色與藍(lán)色都比另一邊的多，但這是一個(gè)膜上的蛋白，它可以讓處于多的這一邊的紅色小點(diǎn)穿過(guò)它運(yùn)到紅色小點(diǎn)少的部位，減少兩端的濃度差。

在減的過(guò)程當(dāng)中，它可以把藍(lán)色也一起裝進(jìn)來(lái)，并且一起翻過(guò)來(lái)。這就造成在紅色順著走的時(shí)候，可以把本來(lái)濃度低的藍(lán)色也往本來(lái)濃度高的地方運(yùn)。為什么要這么做呢？

舉個(gè)例子：

我們剛剛講到能量，吃進(jìn)的東西在腸道里消化，變成大分子的糖。但葡萄糖需要運(yùn)到全身才能被利用，這就必須穿過(guò)外壁的細(xì)胞進(jìn)入到血液，進(jìn)而夠流動(dòng)到全身。

然而腸道里的葡萄糖和血液里的葡萄糖濃度差不多，它憑什么能從這穿過(guò)這一層細(xì)胞運(yùn)到另一邊？

細(xì)胞就產(chǎn)生了一個(gè)法子，就是主動(dòng)把鈉從這個(gè)細(xì)胞內(nèi)部向外運(yùn)，以減少里面鈉的濃度。

這時(shí)，腸道里面的的鈉就會(huì)往細(xì)胞里面運(yùn)。但運(yùn)的時(shí)候，把腸道里濃度低的葡萄糖也一起帶進(jìn)來(lái)了。

這種濃度差異就造成了生命的一種流向，讓代謝到葡萄糖的部分，變成我們體內(nèi)其他組織可以吸收的部分，這就是局部不平衡對(duì)生命的重要意義。

3.總體控制，維持穩(wěn)態(tài)；動(dòng)態(tài)調(diào)控，生命活力

所以總結(jié)一下：

① 由簡(jiǎn)單到復(fù)雜

在整個(gè)生命的演化過(guò)程當(dāng)中，是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單細(xì)胞到多細(xì)胞的過(guò)渡，膜這樣一個(gè)組織邊界，是如何在單細(xì)胞生命與多細(xì)胞生命里發(fā)揮功能的呢？

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簡(jiǎn)單的生命在最開(kāi)始的時(shí)候，膜里包裹著一個(gè)個(gè)遺傳物質(zhì)，在里面發(fā)揮著簡(jiǎn)單的功能，沒(méi)有什么復(fù)雜的體系。

但當(dāng)生命擴(kuò)展的時(shí)候，本來(lái)的遺傳信息可能不夠了，這時(shí)就要多元化，通過(guò)胞吞的方式，不斷從外界吸納不同的新鮮血液。這個(gè)時(shí)候，紅色的遺傳物質(zhì)就由少變多，并且變得復(fù)雜。

此時(shí)，如果還按照之前的體系做，一定會(huì)出問(wèn)題。當(dāng)這個(gè)體系的數(shù)量足夠多時(shí)，你還沒(méi)有在內(nèi)部形成組織，對(duì)它來(lái)講就是混亂。

但細(xì)胞很聰明，它把外面的膜向里面包起來(lái)，形成一個(gè)細(xì)胞核，或者其他不同的細(xì)胞器，最終還可以包上線(xiàn)粒體能量的供給。

這樣，它就可以形成一個(gè)由簡(jiǎn)單體系到復(fù)雜體系的過(guò)程。膜的均一性決定了它可以形成外界的組織，又可以在內(nèi)部形成小的微環(huán)境，從而逐漸自組織形成一個(gè)有序的統(tǒng)一體。

可以這樣理解：

所以既可以?xún)?nèi)部不斷挖潛，也可以通過(guò)外面不斷引援。這樣，每個(gè)人就可以從一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)變成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。

上圖是細(xì)胞里面的內(nèi)膜系統(tǒng)，細(xì)胞外面很簡(jiǎn)單，是一層或者雙層，但里面是非常復(fù)雜的、不同的雙膜圍閉起來(lái)的空間，同時(shí)由于有了脂雙層這種均一化的特性，讓它可以去實(shí)現(xiàn)生命活動(dòng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)高度統(tǒng)一。

接下來(lái)有個(gè)問(wèn)題，這樣的組織方式能不能無(wú)限地進(jìn)行下去，這一層膜包裹的空間是不是擴(kuò)張到無(wú)限大？

但實(shí)際上不是的，我們現(xiàn)在所熟知的動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞，尺度大概只有10到100微米，再往上就沒(méi)法再大了，這是為什么呢？

② 體積VS表面積

大家看下圖，這些方塊的總體積是一樣的，但表面積有非常大的差異。也就是說(shuō)同樣體積的東西，你只給它一個(gè)外面的邊界，那它的邊界相對(duì)它的體積來(lái)說(shuō)，比例會(huì)小很多。

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而一個(gè)有機(jī)體，一個(gè)細(xì)胞，跟外界的接觸和交流完全是通過(guò)膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所以如果它沒(méi)有足夠多的這種分隔的話(huà)，就會(huì)變得很臃腫，因?yàn)楹芏嗬挪怀鋈ァ?/p>

③ 細(xì)胞排序自組織

從單細(xì)胞到多細(xì)胞，是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程，這個(gè)復(fù)雜不僅僅是通過(guò)膜把它的內(nèi)部組織變復(fù)雜了，同時(shí)還可以通過(guò)膜的特性來(lái)構(gòu)成它整個(gè)的結(jié)構(gòu)、體積和體量。

對(duì)一個(gè)組織來(lái)說(shuō)，所有的細(xì)胞跟細(xì)胞之間，具有親和性。什么意思呢？

比方說(shuō)，生物學(xué)家會(huì)把發(fā)育過(guò)程中的胚胎拿出來(lái)，它們可能已經(jīng)分化成了不同形態(tài)，像下圖中藍(lán)色的和紅色的，就是不同類(lèi)型的細(xì)胞。

生物學(xué)家把它拿出來(lái)分解成一個(gè)個(gè)單細(xì)胞，然后再把它混起來(lái)放在一起。

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最左邊是它最開(kāi)始的狀態(tài)，變化過(guò)程中，相同顏色的細(xì)胞會(huì)聚集在一起，并且這種聚集和它原來(lái)在胚胎里的位置一樣，最后還可以繼續(xù)往下發(fā)育。

這就帶來(lái)一個(gè)很有意思的概念，就是單個(gè)細(xì)胞看完了，但如果放大到多細(xì)胞組織來(lái)看，細(xì)胞跟細(xì)胞之間有親和力，我們稱(chēng)之為細(xì)胞排序自組織，即這個(gè)排序可以有自組織。

④ 自組織是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

細(xì)胞膜上是雙分子層，上面還有其他東西鑲嵌在里面。所以它不僅僅只是分隔，還有融合。

所有細(xì)胞都可以自動(dòng)、自發(fā)地和臨近的細(xì)胞結(jié)合在一起，形成一種自組織，這種自組織性源于它們相互認(rèn)識(shí)，相互有chemistry，這就是它會(huì)向細(xì)胞膜上伸出去一些像藕一樣的蛋白。

并且它兩邊伸出的可能是一樣的蛋白，相鄰兩段之間可以有親和性，它可以通過(guò)這個(gè)細(xì)胞膜上伸出去的蛋白決定兩個(gè)細(xì)胞能夠結(jié)合在一起。

這種的結(jié)合就可以形成一個(gè)很好的組織，將相同性的快細(xì)胞快速集合在一起，協(xié)同發(fā)揮功能。

膜上除了我們講的蛋白以外，還有一些糖，這些糖只分布在細(xì)胞膜的外側(cè)，它可以有多種組合形式的糖鏈，實(shí)現(xiàn)身份標(biāo)識(shí)，即差異化的標(biāo)識(shí)。

還有一種很極端的連接，叫做gap junction（彼此相連）。像下圖的兩個(gè)細(xì)胞，可以通通過(guò)它的膜形成一個(gè)通道，然后兩個(gè)通道對(duì)接，就好像太空飛船和太空艙的對(duì)接一樣。

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這種對(duì)接可以讓兩個(gè)獨(dú)立的細(xì)胞之間形成一個(gè)通道，快速實(shí)現(xiàn)兩個(gè)細(xì)胞之間的物質(zhì)交流，這就像是兩個(gè)部門(mén)之間信息交流的獨(dú)特的、專(zhuān)門(mén)的通道。

脂雙層，好在它可以分隔，可以連通，同時(shí)，又是動(dòng)態(tài)的。上帝賦予細(xì)胞多一層的保護(hù)膜，細(xì)胞膜在它的外側(cè)，為之形成一個(gè)很好的緩沖和保護(hù)層。

下圖淺藍(lán)色的粗線(xiàn)條是膠原蛋白，膠原蛋白是在細(xì)胞里面合成分泌到細(xì)胞膜外的，它其實(shí)是由若干條細(xì)線(xiàn)纏繞起來(lái)，形成的一個(gè)幾乎是我們細(xì)胞里韌性最強(qiáng)的一個(gè)組織成分。

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這里塞了很多糖基化的蛋白，你可以把它看成一根根羽毛，它的分支是一些糖鏈。這個(gè)糖鏈帶有負(fù)電荷，與水有很好的親和力，可以形成水合膠，給它一個(gè)很好的緩沖。

它的外側(cè)又相當(dāng)于有一個(gè)骨架，然后再給它進(jìn)行填充；里面有我們稱(chēng)之為細(xì)胞骨架里的骨架，能夠關(guān)聯(lián)起來(lái)。

所以膜并不孤單，它可以通過(guò)膜上的蛋白和外面的膠原填充物結(jié)合起來(lái)，也可以和細(xì)胞里的骨架結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體。

有了這樣種種的設(shè)計(jì)，就既能夠?qū)崿F(xiàn)和周?chē)h(huán)境、周?chē)?xì)胞的相互整合，又可以從一個(gè)小的組織聯(lián)合成一個(gè)大的組織。這就是細(xì)胞組織的這個(gè)層面給予我們的認(rèn)知。

*文章為作者獨(dú)立觀點(diǎn)，不代表筆記俠立場(chǎng)。

主辦方簡(jiǎn)介——

混沌廣州依托混沌大學(xué)（一所面向未來(lái)的創(chuàng)新大學(xué)），落地城市創(chuàng)新學(xué)習(xí)中心。匯聚認(rèn)知型創(chuàng)新企業(yè)家，以獨(dú)特的視角，傳授最前沿的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)戰(zhàn)理念，培養(yǎng)具有國(guó)際化視野的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，助力廣州城市創(chuàng)新。

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