科学网 › 标签 › macroscope

标签: macroscope

相关帖子	版块	作者	回复/查看	最后发表

没有相关内容

相关日志

显微镜,宏现镜与整体的物理观 (2) --- 微生物的趋好避恶: sunon77 2009-4-27 06:28; 人们对生物的功能往往习惯于线性思维, 心脏跳动有心脏跳动的基因, 生物钟有生物钟的基因, 癌症有癌症的基因。但实际上情况远非那样简单。这些生物的功能都没有单一的对应结构, 往往需要从整体上考虑, 从相互作用的系统层次上来解释这些功能。 E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶 E. Coli 的化学趋向性是一个非常有趣的现象。当 E. Coli生存的溶液环境中存在着它所偏好的食物浓度的梯度(即由多到少的浓度变化), E. Coli会向浓度高的方向游动。如果存在着它所厌恶的毒物浓度的梯度, E. Coli会向浓度低的方向游动。这个看是简单的现象确有不可思议的神奇的地方: 1. E. Coli不可能从自身细胞膜上的两点来测定。因为E. Coli的长度只有1微米, 浓度在微米级别的变化往往被环境中分子热运动的噪声所淹没了。因此, E. Coli 不可能依靠浓度的空间变化, 而只能依靠浓度的时间变化来趋其所好, 避起所恶。这个不存在任何神经系统的细菌是如何实现浓度的记忆的呢? 2. E. Coli对化学物质浓度变化的灵敏度达到了让人惊讶的程度。从10 毫摩到 3 纳摩纵跨6个数量级的浓度变化, E. Coli都能做出准确的反应。人类设计的任何仪器, 都还没有达到这样大范围的浓度测定。 3. 更令人奇怪的是, 如果把E. Coli从一个浓度环境换到另一个均均浓度的环境, 一开始会定向游动一会, 没有发现任何梯度的话, 它就随意滚动, 开始悠悠闲闲的睡大觉了。这是生命系统区别于非生命系统的一个标志性现象。晶体的生长固然是一个很有趣的自组织现象, 但是每一步物理力作用在晶体上都产生相同的结果, 没有任何选择的余地。 E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶可以自主的选择自身所期望的结果。这是生物系统既符合自然律, 而又同时具有自由意志的最好例证。 E. Coli 趋好避恶的分子机理 E. Coli的细胞膜上有化学分子的接收器(receptor)。它的下端连着功能蛋白CheA 和 CheW。如果 receptor没有绑定任何分子, CheA 和 CheW就会激活下游的功能蛋白CheY。激活状态的CheY会使E. Coli作自由体操般的自由翻滚。这样E. Coli在没有化学分子的溶液中作随机布朗运动。当E. Coli的细胞膜上的接收器(receptor) 绑定其喜好分子时, CheA 和 CheW就会抑制下游的功能蛋白CheY。抑制状态的CheY会使E. Coli作定向运动。那么E. Coli的时间记忆是如何而来的呢? 那是因为接收器, CheA 和 CheW所形成的共同体(protein complex)会被重新标定。这个过程另外的功能蛋白CheR会把称砣 CH3放在CheA 和 CheW, 科学的术语称作甲基化。这样CheA 和 CheW对功能蛋白CheY的抑制作用减弱, 重新激活的CheY会使E. Coli再次作自由体操般的自由翻滚。如果化学分子的浓度进一步增强, CheA 和 CheW会重新抑制CheY, 从而使E. Coli再次作定向运动。 CheA, CheW 和 CheY的反应时间比甲基化要快, 正是这个在时间量级上慢的甲基化过程实现了分子的浓度在时间上的比较。这就是E. Coli的时间记忆的由来。如果E. Coli定向运动过头, 周围的化学分子的浓度减弱的话, 甲基化后的CheA 和 CheW灵敏性减小, E. Coli的趋好避恶不就失效了么? E. Coli的分子机制还有一个反馈, 定向运动开启以后会反馈激活功能CheB, CheB会对CheA 和 CheW去甲基化, 使接收器重新回复到开始的灵敏程度。这就是大自然的神奇之处。她并没有创造出新的物质, 只是创造出新的组织结构, 从而在整体上拥有了新的功能。 Feynman 曾经说过: What life is doing is what atoms are doing。我觉得这并没有完全地描述出生物的特性。任何的生命现象都在底层上符合现有的象量子力学那样的物理定律, 但是在生命功能的组织上, 象海森堡猜测的那样, 会有其独特的规律( The Law of Life ), 而这正是整体的物理观有意义的地方。 Reference: 1. Uri Alon, Introduction to systems biology, Chapter 7 Robustness of Protein circuits: the example of Bacterial Chemotaxis, 2006 2. All figures are from Uri Alon's speech, http://online.itp.ucsb.edu/online/infobio01/alon1/; 个人分类: 生物物理-biophysics|7513 次阅读|2 个评论

显微镜,宏现镜与整体的物理观 (1): sunon77 2009-4-20 06:32; 正如 Thomas Samuel Kuhn 指出的那样, 科学的大发展往往依赖于新的工具的出现。三百年以前,当伽利略将望远镜指向星空的时候, 他观察到了以前从未发现的天文现象, 从而带来天文学的突飞猛进。而显微镜的出现, 包括电子显微镜,荧光显微镜, 中子散射仪等, 使得人们可以直接观察到生物体的结构和生命现象的过程, 所以为现代生物学奠定了基础。生命科学在过去的五十年里, 使用显微镜, 包括X射线和中子散射等工具, 发现了大量的基因编码, 基因表达以及各种新陈代谢涉及的分子结构,生化路径等。但是, 简单的把这些知识放在一起, 并不能解释生物体的独特功能。我们是否可以象发明显微镜来观察事物的细节那样, 发明一种可以从宏观上观察事物的相互作用和共同功能的工具/思想呢? 现代物理学的发展, 特别是统计物理与复杂网络的进展, 为这一工具/思想的出现提供了可能, 让我们姑且将它称为宏现镜 (macroscope), 与显微镜(microscope) 相对应。让我们举一个生物物理中的例子来说明宏现镜的应用。胰岛细胞发育与宏现镜 Pdx1是哺乳动物的重要器官胰岛的主基因(master gene)。如果敲出该基因的话, 胰岛细胞将不会出现。在胰岛发育之前, 相应的发育信号激活 Pdx1, 产生Pdx1蛋白酶。然后该蛋白酶将进一步激活后继的Ngn3, NeuronD等其他胰岛基因。如果我们写出一个典型的生物化学方程的话, 这里会有一个反应动力学系数Kp, 即单位数量的Pdx1蛋白酶将激活多少后继的胰岛基因。 Kp在胰岛发育的过程中是一个在一定范围浮动的数值。那么, 我们如何解释Kp的数值大小呢? 这里有几种完全不同的思路。一, 我们可以在酶动力学的理论框架中,将Kp的数值表达为一些可以在实验中测定常数的函数。大家都很清楚, 这是物理中唯象理论的路数。 Fig 1. Protein structure of pdx1 二, 我们可以通过X射线或NMR测定Pdx1的蛋白质结构(如上图所示), 由分子动力学甚至量子力学建立Pdx1蛋白酶的计算模型。通过计算Pdx1蛋白酶和DNA的相互作用,从而得到Kp的数值。三, 对于分子生物学, 人们往往不关心Pdx1蛋白酶的Kp的数值。只要弄清楚Pdx1蛋白酶的编码基因, 上游的控制基因和下游的受控基因, 然后画出生化路径的流程图就可以了。四, 对于分子进化生物学的研究者, 他们会把小白鼠Pdx1蛋白酶的Kp的数值放在基因进化树上来进行研究。是怎样的基因变异和自然选择导致了目前的Kp的数值出现。但是真正决定Kp的数值的因素并不能从箭头向下或是时间向前的研究中找到。如果我们使用宏现镜, 将这里的细节缩小, 在一个更大的范围中考虑这个问题。我们会发现在该蛋白酶步后继激活的其他胰岛基因中, MafA 和Pax6可以反过来激活 Pdx1。所以, 真正决定Kp的数值的原因, 在于考虑由 Pdx1, MafA 和Pax6等组成的基因网络, 并且分泌胰岛素的Beta 细胞应该有一个稳定的基因表达。 Kp的数值的计算, 应该对这个有回路的网络建立动力模型, 最后通过Beta 细胞基因表达为稳态的条件得出。 (待续); 个人分类: 生物物理-biophysics|6081 次阅读|2 个评论

更多...

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

关闭 安全验证

标签: macroscope

相关帖子

相关日志

关闭安全验证