生命复杂系统

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/03/29 22:26:18
    
    生命复杂系统     吴家睿
      在人们对生命的研究过程中,生命从来都被认为是非常复杂的。对于上个世纪的大多数生物学家而言,生命是一台复杂的“机器”,根据基本的物理、化学原理装配而成的。但是,在这些研究者看来,不论“生命机器”有多么复杂,只要把构成“机器”内部的每一个“零件”——基因和蛋白质——的结构和功能弄清楚,就能认识生命的奥秘。显然,这是一种“还原论”的生命观——生命和非生命没有本质的区别,其活动同样遵循着基本的物理和化学规律,可以通过物理和化学的手段来进行研究。因此,上个世纪的生命科学是一门典型的实验科学,采用的是一种分析的策略;人们醉心于将生物体“打碎”、“拆散“,对各个零部件逐个进行研究。然而,随着“人类基因组计划”的实施和“后基因组时代”的到来,科学家们逐渐意识到,生命并非是一架基于还原论原理建造的“自动机”,而是一个按照与还原论大相径庭的方式构成的“复杂系统”。

    生命复杂系统的典型特点是非线性,即整体不等于它的部分之和。也就是说,生命系统的行为不能通过简单地叠加构成系统的成分的行为而推导出。这种非线性特征的分子基础是,各种生物分子如基因和蛋白质之间存在着广泛而复杂的相互作用。一个生物个体通常拥有成千上万种的基因,例如最简单的单细胞生物酵母就有6千多个基因,而人的基因数量估计在3万个以上;至于基因产物——蛋白质的种类和数量就更为庞大。这些生物分子从不孤立地进行活动和执行生物功能,而是相互之间有着直接或间接的联系,这些联系可能是物理的方式,也可能是化学的方式。正是这些相互作用导致了生物体形形色色的网络,如基因转录调控网络、信号转导网络或代谢网络。因此,生命的所有活动都建立在这些网络的结构和功能之上。

    最近几年,人们开始对生物复杂网络的拓扑结构有了一些初步的认识。目前研究的比较多的是两种,即“小世界网络”(Small-world networks)和“无尺度网络”(Scale-free networks)。在小世界网络中,构成网络的各节点之间的连接既不是绝对规则的,也不是完全随机的,而是介于这两者之间;其主要规律是,任意一个节点通常是与其相邻的最近的两个节点相连接。例如线虫(C. elegans)的神经网络就是一种典型的小世界网络。无尺度网络与小世界网络则有较大的差别。前者属于高度非均一性的网络;它具有两个特性:增长(growth)和偏好连接(Preferential attachment)。第一个特点表明无尺度网络可以不断的扩张。第二个特点则意味着两个节点的连接能力的差异可以随着网络的扩张而增大;研究者对动物、植物、微生物三大类型中的数十种生物体的代谢网络进行了分析,发现这些代谢网络基本遵循着无尺度网络的设计原则。当然,生物复杂网络的结构远不止这两种,有待于人们进一步的研究。

    尽管生物体内的网络结构复杂多变,但是其构成网络的方式和过程却有着一定之规。首先,在网络内存在着一些特定的连接方式,某些特定的连接方式种类在网络中反复出现;而在不同的网络中这些连接方式种类的出现频率是不一样的。也就是说,不同类型的网络具有不同的典型连接方式。这些特定的连接方式种类称为“网络基序”(Network Motif),它们被认为是构造网络的基本“砖块”。在网络基序的基础上,网络常常体现出另外一个构造特点:网络的“模块化”,即若干个网络基序形成具有明显空间结构和功能特征的“模块”(Modules)。模块有两个显著特征:模块内的分子与分子间有着直接的相互作用;模块与模块或模块与非模块之间有着清晰的边界。例如,动物、植物、微生物虽然代谢方面有较大的差异,但是它们的代谢网络都有着类似的构成方式,即依照一种等级(Hierarchical)的方式,首先形成许多紧密联接的小型模块,然后再形成相对松散的网络。也许我们可以这样认为,网络的构成遵循着“从底到顶”(bottom-up)的原则,首先形成网络基序,作为网络的基本元素,在此基础上形成较高级的结构——模块,最后形成完整的网络。

    生命复杂系统的另一个典型特点是动态性。生命在于运动!不仅是个体在不停的运动,而且个体内的每一个组份也总是处在运动之中。从新陈代谢的角度来看,所有的生物分子都有着一定的寿命。例如,在细胞内的任一时刻,总是有一些蛋白质分子被合成出来,而同时也有一些蛋白质分子被降解掉。又如在人体的血液系统中,每天都有数百万的细胞在死去,有数百万的细胞在诞生。显然,由于构成网络的生物分子的新陈代谢,使得生物体内的网络并不是一个静态的结构,而是始终处在运动的状态下。

    许多生物的网络只是在某个时间状态下形成,以完成规定的功能。例如,在RNA转录过程的开始,RNA聚合酶和各种蛋白辅助因子形成复杂的蛋白复合体,并结合在细胞核的染色体上;一旦RNA转录结束,这个转录蛋白复合体就将分解。生物体感应外部环境并做出恰当反应的关键是细胞的信号转导网络;网络中的大多数信号转导分子之间在没有外部信号时并没有相互作用,只是在接受了特定的外部信号时,细胞内才会形成相应的信号转导网络,并执行其信号转导的功能;在信号转导完成后,信号转导网络中的各种蛋白分子又将相互分离。

    生命复杂系统的动态性还表现在区域化,即细胞的各种生物分子通常都限制在一定的区域内,如DNA只是存在于细胞核内,核糖体则留在细胞质内;不同的区域负责不同的功能,如细胞的能量代谢主要发生在线粒体内,蛋白质翻译则在细胞质内进行。此外,生物体常常通过生物分子在不同区域的移动来控制和实施其生命活动。例如,细胞色素C是存在于线粒体内的一种蛋白质。当细胞受到伤害时,细胞可以通过一系列调节细胞死亡的信号蛋白的相互作用,将细胞色素C释放到细胞质,从而启动执行细胞死亡的蛋白机器,最后导致细胞死亡。显然,生物网络的这种对时空的依赖性更导致了生物系统行为的复杂化。

    科学家目前面临的一个巨大的挑战就是如何开展生物复杂系统的动力学特征的研究