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剪不断、理不乱

——地球上的生命系统都能自发形成吗?

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-04-28 / 阅读时长 7 分钟
专栏 首发 白书农

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旋涡、台风虽然与生命系统同属“复杂系统”,但它们并不是生命系统。

我在课堂上发现一个现象:20年前,我问同学有谁看过《鲁滨逊漂流记》,很多同学会举手。可是,这几年同样的问题,举手的同学就很少了。从网络上,虽然常常有人说喜欢去没有人的地方旅游,但可能很少人耐得住离群索居的生活。人们为什么要和他人交往呢?如果所需的生活用品都触手可得,一个人还会选择与人交往吗?这种交往是主动选择的还是不得不?

上篇文章中提到居维叶旋涡,并以此作为说明自组织生命系统是一个动态过程的例子。但是同时也提到,旋涡、台风虽然与生命系统同属“复杂系统”,但它们并不是生命系统。因为它们的构成要素中没有碳骨架组分,而且不是以分子间力为纽带而发生自组织。旋涡或台风的形成源自于地球自转加上各种其他的机缘巧合。

在我们前面所介绍的有关什么叫“活”的讨论中,曾经提出作为生命系统起点的“活”的过程,其碳骨架组分在作为独立存在的自由态和作为复合体组分的整合态之间的转换,源自两种状态之间的能态的差、加上周边环境因子的扰动。这在本质上也是机缘巧合的随机过程。之后在讨论“演化”现象时,提出结构换能量循环中“三个特殊”的复杂化,源自在复合体基础上发生共价键的自发形成。我们据此提出了“生命=活+演化”的公式。

可是,我们现在知道现存地球生命系统的形式纷繁多样,如此多样的生命系统都能自发形成吗?

我们实验室研究的问题之一,是希望了解植物的雄蕊怎么从一个未见分化的细胞团,变幻出复杂的可以产花粉的结构。

要回答这个问题,我们需要回到生命系统中碳骨架组分互作的特点来分析。当我们讨论“生命=活+演化”这个公式时,高度简化了生命系统的发生过程。从目前所了解的信息来看,在地外空间中已知的碳骨架组分已经非常多样化了。这意味着在地球上生命系统形成之初,我们前面假设的“活”和“演化(达尔文迭代)”过程中发生互作的碳骨架组分很可能不是单独存在的,而是很多不同类型的组分(分子)混杂在一起的。

这时就出现了一个有趣的问题:如果组分A同时既可以和组分B互作,又可以和组分C互作……,组分B除了和组分A互作之外还可以和组分C互作……,以此类推,在这个时空中,最后会出现什么结果?

在回答上面问题之前,我先讲另外一个故事。我们实验室研究的问题之一,是希望了解植物的雄蕊(产花粉的特殊结构)怎么从一个未见分化的细胞团(细胞来源的问题我们下一篇文章讨论),变幻出复杂的可以产花粉的结构。根据目前对多细胞真核生物形态、结构、功能的调控机制的了解,我认为这个过程应该是很多基因表达相互作用的结果。在我们开展这个工作的时候,学界对多基因互作的研究已经有一个说法,认为这种互作表现出网络特征。从实验的角度,我可以安排在雄蕊发育过程不同阶段把雄蕊取下来,对其中表达的基因产物(mRNA)进行种类和数量的分析。可是怎么解读这些数据呢?

龙漫远和敖平

2016年在芝加哥大学龙漫远教授来国内讲学的过程中,聊天时我得知他当时刚对果蝇发育过程中,新基因对基因表达网络的影响发表过重要的文章。在我向他请教如何分析基因表达网络时,他给我推荐了一本名为Linked, The New Science of Networks的书(图1)。作者是当时大名鼎鼎的Albert-László Barabási。这本书让我对“网络”的概念有了大致的了解。比如无标度网络所具有的三个基本属性:增长(growth)、偏好性接触(preferential attachment)、适应性(fitness)。

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可是他用数学思维对网络属性的抽象化描述,怎么能对应到以碳骨架组分为要素的生命系统上呢?后两个属性比较容易具象化到“结构换能量循环”中的碳骨架组分的相互作用和复合体存在概率上。但“增长”的属性背后的驱动力是什么?Barabási在书中借助玻色-爱因斯坦(Bose-Einstein)凝聚态来解释。简单讲就是原子在一定条件下会聚集到能量最低的量子态。这在本质上说的还是“水向低处流”的道理或者专业一点讲是热力学第二定律中自发过程向自由能低的方向进行。

可是对于生命系统来说,怎么可能进入绝对零度(-273.15℃)的范围呢?我们所定义的“活”倒是以热力学第二定律为依据,以“结构换能量循环”中碳骨架组分在自由态和整合态之间能态的差来解释复合体的自发形成。是不是这样也可以解释生命系统中网络形成的驱动力呢?如果可以,生命系统网络自发形成的过程是怎么实现的呢?

由于我知道自己不光数学能力很差,对生命系统的理解也非常有限,以此并没有刻意去寻找这个问题的答案。可是由于机缘巧合,2018年在龙漫远的鼓励下,我参加了由他参与组织的第一届亚洲演化大会,在会上认识了由物理学转而研究生命现象的上海大学敖平教授。在读他推荐给我当年刚出版的新书The Equations of Life时,我忽然发现好像找到了基于“结构换能量循环”的生命大分子网络自发形成的基本原理了!

Barabási无标度网络三个属性的具象化描述

说来也很简单:当我们观察碳骨架组分相互作用的过程时可以发现,在混杂有很多不同类型的组分(分子)的特定空间中(这种空间存在的一个可能性是在因火山爆发而形成陆地与水的交界处),如果这些混杂的组分满足下面三个条件,即群体性(很多个分子)、通用性(即如本文前面提到的组分ABC之间的关系)、异质性(即组分类型不同),那么组分间的相互作用(即化学反应)就会具有以下三个特点:多样性(即前面提到的组分ABC之间的互作)、随机性(这些互作可以随机发生)、异时性(这些互作可以在不同的时间点发生)。

由于不同组分之间发生相互作用的速率有差异(在化学上由化学反应常数来表示),在酶之类具有催化功能的组分出现之后又增强了不同反应之间的差异,这可以对应于Barabási网络特征中的“偏好性接触”。之前讲到的在相关要素存在的情况下,共价键可以在服从结构换能量原理的前提下的自发形成,使这个系统具有“正反馈自组织”属性,这种属性可以对应于Barabási网络特征中的“增长”。而Barabási网络中的“适应性”,不就是复合体或者以复合体为节点的反应过程的存在概率吗?既然单个反应可以自发形成,在混杂组分的特定空间中,多个反应不也可以同理自发形成吗?而此时,以多个可迭代的“结构换能量循环” 通用性组分为节点,不就把不同的反应(对应于网络概念中的“链接”,link)连接在一起,成为网络了吗?

生命系统应该不是由单一组分之间的单一反应自发形成之后再逐步关联起来的。更大的可能性是在各种不同组分同时存在、不同反应同时(未必同步)发生的特定空间中自发形成的。

生命系统网络究竟是否如上所述自发形成的,当然还需要实验来检验。但是,学过生物化学的人都知道,在四类生命大分子(即蛋白质、核酸、多糖和脂类)的形成与降解过程中,很多中间产物都是可以共用的。这是不是支持上面所提出的生命系统网络形成的推理呢?

除此之外,生命大分子之间,可以通过各种非共价键相互作用形成复合体,比如各种膜是脂类和蛋白形成的复合体,染色体是DNA和组蛋白形成的复合体,作为蛋白合成场所的核糖体,是RNA和各种蛋白形成的复合体。这些复合体的组分虽然复杂,但也是处于动态的形成与解体过程中。于是,在生命大分子形成与降解的动态网络(代谢网络,图2)之外,还衍生出一个生命大分子复合体(图3)形成与解体的动态网络。后者是我们在后续文章中要讨论的细胞结构与形态的分子基础。

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在实际的生物学研究中,人们目前还只能对纯化的组分互作加以研究。但就目前所知,生命系统相关组分在自然界中从来不是单独存在的。因此,生命系统应该不是由单一组分之间的单一反应自发形成之后再逐步关联起来的。更大的可能性是在各种不同组分同时存在、不同反应同时(未必同步)发生的特定空间中自发形成的。如此看来,被当下研究者避之唯恐不及的混杂体系,很可能是看似有序的生命系统的源头。在混杂的体系中,看似杂乱无章的过程,细究起来,在原理上可能并没有那么复杂。具有网络属性的生命系统,完全可以在具有正反馈自组织属性的“结构换能量循环”过程中自发形成。此乃所谓“剪不断、理不乱”。

回到本文开头提到的人与人交往究竟是主动选择还是不得不的问题,我们是不是可以说,如果作为生命系统起点的“结构换能量循环”不同组分的互作是不得不发生的话,那么由这个“不得不”的起点演化而来的“活”的人,个体与个体的交往不也是不得不发生的吗?至于为什么,我们会在本专栏后面的文章中继续讨论。

艺萌「睿ⁿ」 | 编

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