生命的本质:无标度网络
生命是典型的复杂系统,那么其复杂性必然来自于两个方面:
- 生物元件的数量和类型
- 生物元件之间的互作
整体大于部分之和 。——亚里士多德比如,在基因层级,人们现存知道,基因并不是“单干”的,它们之间通常有着密切的关系和互作,各基因共同形成一个复杂的基因调控网络——
酵母分离体群体的基因调控网络
生物分子网络普遍属于一类特殊的网络结构——无标度网络(Scale-free network),特点是“少数节点的连接数远高于平均值”,可以姑且想象成社会中少数权贵连接的资源远远高于平均水平 。事实上,无标度网络模型在自然和社会中具有极其普遍的适用性 。
无标度网络(Scale-free network)的可视化
无标度网络的结构决定了它能以分形的方式自然地扩张,与生命的演化过程高度一致 。另外,这种网络具有很强的鲁棒性,一是因为非核心节点的破坏对于网络的影响较小,二是因为网络具有冗余性,一条通路破坏后,另一条通路启用 。
这样的网络也可以表征生物体内的环境调控,即所谓“内稳态”(1929) 。内稳态的概念是对还原论指导下生命“碎片化”研究的矫正,也引发了一门新的学科——系统生物学,开始关注生物元件构成的网络及其状态 。
网络的连线——化学修饰
生物大分子作为网络中的节点,是生命世界最基本、最主要的元件,那么网络的连接线就是“化学修饰” 。
化学修饰主要涉及三类蛋白质:“书写器”、“擦除器”、“阅读器”,我们一看名字就知道它们的作用了 。这些化学修饰提供了“连接信息”,引导生物大分子之间的互作 。
经典生物学通常使用“通路”(Pathway)一词来描述细胞信号的转导,不过这其实反映的是一种“线性思维” 。“网络”(Network)概念则更能体现复杂性思维,表示各通路之间相互耦联、相互影响,信息流也不是单向的,而是通过反馈形成双向流 。
“通路”(Pathway)与“网络”(Network)
讲到这,我们可以顺理成章地理解到,生命活动的调控的两种模式:
- 元件调控:生物大分子的数量和种类
- 互作调控:生物大分子的化学修饰
生命的不确定性
生命是高度动态的开放系统,具有很大的不确定性,这种不确定性源自——
- 生物大分子与细胞的高度不均一;
- 各元件间非线性的互作;
- 生物大分子数量和丰度的随机扰动(生物学噪音);
- 生物体各层次涌现出的新性质或功能 。
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