系统生物学介绍.doc

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1、1.系统生物学与合成(synthesis)的观点系统生物学试图由合成的角度看生物学，合成的观点选择面对子系统不独立的可能性，而希望寻找新的方法来解决子系统间交互作用的问题。就像是研究任何一个科学问题一样，解决这问题的第一个步骤是有系统地收集这些交互作用的信息。在过去采用化约论的观点看问题时，在用一个新的观点诠释问题时，才会注意到过去那些被忽视的信息。佛来明发现抗生素时，并不是因为只有他观察到这现象，而是因为只有他重视这现象。因此能够灵活地由不同的尺度，不同的观点看问题时，才容易有新的发现。传统生物学假设细胞是一个黑盒子，我

2、们可以加入物质(例如养份或抑制剂)，或制作突变株来扰动这未知的系统，再做实验上的观察。系统生物学在设计实验时，所测量的数值或许与过去所差不多，可是使用巨量分析的技术收集大量数据，而解释数据的观点也不相同，甚至会引入许多生物学者不熟悉的分析方式。这种先收集大量数据，再做理论分析的研究方法是比较有效率的方式，可在同样的时间内由不同的专家“平行”地研究不同的路径。更重要的是这种研究方式，让我们有机会观察到许多路径间的交互作用，这是在针对单一路径做研究时不容易看见的信息，因此才有机会由合成的角度分析生物学。在发展遗传工程学时，曾经

3、淘汰了一批不习惯用这样方式思考的人，也让学习这种思考方式的人有了飞快的进展。系统生物学的观点是否相当于过去遗传工程学对生物学的冲击，不同的人或许有不同的见解，可是可以确认的是它会发现一些过去忽视的现象，而且能与化约的观点互补。或许现在发展系统生物学的时机尚未成熟，可是我们是要创造时势，或是在未来追随时代的潮流，是我们应该思考的问题。2.生物信息学是过渡到未来生物学的重要工具未来的生物学究竟是否会综合化约与合成的观点来建立生物学的理论架构虽然尚不明朗，可以确认的是生物信息学的工具将像遗传工程技术那样的深入到每个生物学实验室。

4、这种新的工具是这两种观点都需要的工具，它不但能被动地节省做分析的人力，也能主动地引入“由信息驱动的生物医学研究”。这种新的研究方式强调由数据中做观察，比较，进而提出假设，再以实验方法做验证。这种利用“信息探采(datamining)”的研究模式，与传统实验生物学的搭配，将使我们能更有效率地发现新的现象，因此生物信息学将使我们能更早地进展到有理论架构的未来生物学。综合而言，基因体分析等研究为我们累积了巨量的数据，而生物信息学可协助我们利用这些数据加速做新的观察之速率，因此有机会由整体的、合成的角度检视生物学，而建立所谓的系统

5、生物学。未来的生物学很可能透过灵活地、交错地运用化约与合成两种观点，建立起生物学的理论架构，使传统生物学由描述性的科学，转型变成一种分析性的未来生物学。系统理论和系统思想对于我国知识分子并不陌生。1980年在我国学术界曾经流行过“三论”——系统论、信息论和控制论，其中的“系统论”是指奥地利科学家贝塔朗菲（L.Bertalanffy）在1970年创立的“一般系统论”（generalsystemtheory）。尽管贝塔朗菲是以生物学家的身份去思考、研究并提出系统论的，但他的系统论并不仅仅适用于生命科学，而且适用于物理学、心理学

6、、经济学和社会科学等各门学科。如果说过去所谈论的是指在哲学层面上的、普适性强的一般系统论，那么本文所要介绍的系统生物学（systemsbiology），则是生命科学研究领域的一门新兴学科。作为人类基因组计划的发起人之一，美国科学家莱诺伊•胡德（LeroyHood）也是系统生物学的创始人之一。在胡德看来，系统生物学和人类基因组计划有着密切的关系。正是在基因组学、蛋白质组学等新型大科学发展的基础上，孕育了系统生物学。反之，系统生物学的诞生进一步提升了后基因组时代的生命科学研究能力。正如胡德所说，“系统生物学将是21世纪医学和生

7、物学的核心驱动力”[1]。基于这一信念，胡德在1999年年底辞去了美国西雅图市华盛顿大学的教职，与另外两名志同道合的科学家一起创立了世界上第一个系统生物学研究所（InstituteforSystemsBiology）。随后，系统生物学便逐渐得到了生物学家的认同，也唤起了一大批生物学研究领域以外的专家的关注。2002年3月，美国《科学》周刊登载了系统生物学专集。该专集导论中的第一句话这样写道：“如果对当前流行的、时髦的关键词进行一番分析，那么人们会发现，‘系统’高居在排行榜上。”1.什么是系统生物学？根据胡德的定义，系统生物

8、学是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。也就是说，系统生物学不同于以往的实验生物学——仅关心个别的基因和蛋白质，它要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学。系统生物学的