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簡論系統(tǒng)生物學(xué)的學(xué)派
日期：2025-04-30 09:59
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摘要：
簡論系統(tǒng)生物學(xué)的學(xué)派
科學(xué)領(lǐng)域的每一門學(xué)科內(nèi)都存在著許多不同的學(xué)派，彼此間在關(guān)注事物性質(zhì)的本體論方面和選擇研究策略的方法論方面都有所差別。例如，在生命科學(xué)的研究歷史中，在遺傳學(xué)對遺傳物質(zhì)的研究過程中，孟德爾—摩爾根學(xué)派從生物表型入手揭示了基因的生物學(xué)特性；以德爾布呂克（M.Delbrück）為首的“噬菌體小組”則是利用生物學(xué)和化學(xué)的研究方法探討了基因的化學(xué)本質(zhì)；而沃森（J.Watson）、克里克（F.Crick）和劍橋的X射線衍射實驗小組則利用物理的手段發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而闡明了遺傳物質(zhì)實施其功能的物理基礎(chǔ)。盡管系統(tǒng)生物學(xué)還是一門正在形成的學(xué)科，但筆者注意到，在這個新學(xué)科里，已經(jīng)顯現(xiàn)出了兩個不同的研究學(xué)派。
整體分析學(xué)派
對于20世紀(jì)的大多數(shù)實驗生物學(xué)家而言，生命是一架基于還原論原理建造的“自動機”。隨著后基因組時代的到來，科學(xué)家們逐漸意識到，有機體是一個由成千上萬生物大分子和小分子相互作用形成的完整的復(fù)雜系統(tǒng)；只有認(rèn)識整個復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，才能真正地了解生命。系統(tǒng)生物學(xué)就是應(yīng)運而生的研究復(fù)雜生物系統(tǒng)的新興學(xué)科。
以美國科學(xué)家胡德（L.Hood）為代表的一批系統(tǒng)生物學(xué)研究者緊緊抓住“完整的生物復(fù)雜系統(tǒng)”這一核心目標(biāo)，提出了自己的系統(tǒng)生物學(xué)研究策略。在他們看來，“系統(tǒng)生物學(xué)就是應(yīng)用生物的、遺傳的或化學(xué)的方法系統(tǒng)地干擾生物系統(tǒng)，檢測所有相關(guān)基因、蛋白質(zhì)和信號通路的反應(yīng)，整合這些數(shù)據(jù)，并*終建立數(shù)學(xué)模型以描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和對外部作用的反應(yīng)”[1]。筆者把這樣的系統(tǒng)生物學(xué)研究者稱為“整體分析學(xué)派”（global-analysisschool）。
就研究的對象而言，整體分析學(xué)派研究者關(guān)注的是一個完整的復(fù)雜生物系統(tǒng)。胡德就明確指出，系統(tǒng)生物學(xué)首先要“選擇開展研究的生物系統(tǒng)和模式生物”。這類研究系統(tǒng)可以是一個完整的個體，例如不久前美國科學(xué)家采用系統(tǒng)生物學(xué)的方法研究了線蟲早期胚胎發(fā)育過程中基因、蛋白質(zhì)的相互作用網(wǎng)絡(luò)[2]。這類系統(tǒng)也可以是細(xì)胞內(nèi)完整的代謝網(wǎng)絡(luò)或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，胡德的研究組就曾經(jīng)研究過酵母細(xì)胞的糖代謝網(wǎng)絡(luò)。在這個學(xué)派中，*典型的例子是在世紀(jì)之交出現(xiàn)的一支由諾貝爾獎得主吉爾曼（A.Gilman）領(lǐng)導(dǎo)的，來自美國、加拿大和英國50多個研究組構(gòu)成的“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)合體”（allianceforcellularsignaling）。他們選擇了“G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)”為其研究對象。
從研究的策略來看，既然這個學(xué)派追求的是一種整體性分析，理想的情況是對生物系統(tǒng)內(nèi)所有構(gòu)成元件進行研究[1]，因而基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等各種生命大科學(xué)通常是整體分析學(xué)派的研究者采用的主要手段。研究者一方面采用高通量、大規(guī)模的“組學(xué)”分析方法同時發(fā)現(xiàn)成千上萬的基因或蛋白質(zhì)，一方面應(yīng)用現(xiàn)有的生物實驗科學(xué)的知識和手段來揭示盡可能多的這些組分的相互關(guān)系和功能；即生命“小科學(xué)”和“大科學(xué)”的整合（詳細(xì)討論見《科學(xué)》2004年6期第23頁）。當(dāng)然，這類研究還離不開數(shù)學(xué)和信息科學(xué)等理論科學(xué)的參與，整體分析學(xué)派所追求的目標(biāo)是，通過獲取“海量”實驗數(shù)據(jù)，并通過分析和計算從而建立生物系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。例如研究者在研究線蟲早期胚胎發(fā)育過程中，建立了基于661個早期胚胎發(fā)育基因和它們之間3萬多個相互作用的控制線蟲早期胚胎發(fā)育的分子網(wǎng)絡(luò)模型[2]。
從研究的結(jié)果來看，整體分析學(xué)派的研究者一般都能夠提供比研究之前選定的生物系統(tǒng)更為**和復(fù)雜的圖像。例如，科學(xué)家分析了線蟲的TGF-?茁信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，他們從已知的8個TGF-?茁信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因入手進行系統(tǒng)生物學(xué)研究，*終發(fā)現(xiàn)了參與TGF-?茁信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的9個新基因[3]?！靶盘栟D(zhuǎn)導(dǎo)聯(lián)合體”在幾年的研究中，發(fā)現(xiàn)了大量參與G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的新基因和蛋白質(zhì)。為此，他們與Nature雜志編輯部聯(lián)合設(shè)立了一個公眾網(wǎng)站，將所有相關(guān)研究成果刊登在上面，供研究人員參考(www.signaling-gateway.org)。但是，整體分析學(xué)派的研究常常只能提供系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能方面的定性描述，很難對系統(tǒng)的動力學(xué)過程進行詳細(xì)的定量研究；雖然會發(fā)現(xiàn)許多參與系統(tǒng)活動的新基因和蛋白質(zhì)，但也很少對它們進行深入的功能分析。
