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簡論係統生物學的學派
日期：2025-05-06 19:48
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摘要：
簡論係統生物學的學派
科學領域的每一門學科內都存在著許多不同的學派，彼此間在關注事物性質的本體論方麵和選擇研究策略的方法論方麵都有所差彆。例如，在生命科學的研究曆史中，在遺傳學對遺傳物質的研究過程中，孟德爾—摩爾根學派從生物表型入手揭示了基因的生物學特性；以德爾布呂克（M.Delbrück）為首的“噬菌體小組”則是利用生物學和化學的研究方法探討了基因的化學本質；而沃森（J.Watson）、克裡克（F.Crick）和劍橋的X射線衍射實驗小組則利用物理的手段發現了DNA的雙螺旋結構，從而闡明了遺傳物質實施其功能的物理基礎。儘管係統生物學還是一門正在形成的學科，但筆者注意到，在這個新學科裡，已經顯現出了兩個不同的研究學派。
整體分析學派
對於20世紀的大多數實驗生物學家而言，生命是一架基於還原論原理建造的“自動機”。隨著後基因組時代的到來，科學家們逐漸意識到，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複雜係統；隻有認識整個複雜係統的結構和功能，才能真正地了解生命。係統生物學就是應運而生的研究複雜生物係統的新興學科。
以美國科學家胡德（L.Hood）為代表的一批係統生物學研究者緊緊抓住“完整的生物複雜係統”這一核心目標，提出了自己的係統生物學研究策略。在他們看來，“係統生物學就是應用生物的、遺傳的或化學的方法係統地乾擾生物係統，檢測所有相關基因、蛋白質和信號通路的反應，整合這些數據，並*終建立數學模型以描述係統的結構和對外部作用的反應”[1]。筆者把這樣的係統生物學研究者稱為“整體分析學派”（global-analysisschool）。
就研究的對象而言，整體分析學派研究者關注的是一個完整的複雜生物係統。胡德就明確指出，係統生物學首先要“選擇開展研究的生物係統和模式生物”。這類研究係統可以是一個完整的個體，例如不久前美國科學家采用係統生物學的方法研究了線蟲早期胚胎發育過程中基因、蛋白質的相互作用網絡[2]。這類係統也可以是細胞內完整的代謝網絡或信號轉導網絡，胡德的研究組就曾經研究過酵母細胞的糖代謝網絡。在這個學派中，*典型的例子是在世紀之交出現的一支由諾貝爾獎得主吉爾曼（A.Gilman）領導的，來自美國、加拿大和英國50多個研究組構成的“信號轉導聯合體”（allianceforcellularsignaling）。他們選擇了“G蛋白介導的細胞信號轉導係統”為其研究對象。
從研究的策略來看，既然這個學派追求的是一種整體性分析，理想的情況是對生物係統內所有構成元件進行研究[1]，因而基因組學和蛋白質組學等各種生命大科學通常是整體分析學派的研究者采用的主要手段。研究者一方麵采用高通量、大規模的“組學”分析方法同時發現成千上萬的基因或蛋白質，一方麵應用現有的生物實驗科學的知識和手段來揭示儘可能多的這些組分的相互關係和功能；即生命“小科學”和“大科學”的整合（詳細討論見《科學》2004年6期第23頁）。當然，這類研究還離不開數學和信息科學等理論科學的參與，整體分析學派所追求的目標是，通過獲取“海量”實驗數據，並通過分析和計算從而建立生物係統的數學模型。例如研究者在研究線蟲早期胚胎發育過程中，建立了基於661個早期胚胎發育基因和它們之間3萬多個相互作用的控製線蟲早期胚胎發育的分子網絡模型[2]。
從研究的結果來看，整體分析學派的研究者一般都能夠提供比研究之前選定的生物係統更為**和複雜的圖像。例如，科學家分析了線蟲的TGF-?茁信號轉導網絡，他們從已知的8個TGF-?茁信號轉導的基因入手進行係統生物學研究，*終發現了參與TGF-?茁信號轉導網絡的9個新基因[3]。“信號轉導聯合體”在幾年的研究中，發現了大量參與G蛋白介導的細胞信號轉導網絡的新基因和蛋白質。為此，他們與Nature雜誌編輯部聯合設立了一個公眾網站，將所有相關研究成果刊登在上麵，供研究人員參考(www.signaling-gateway.org)。但是，整體分析學派的研究常常隻能提供係統的結構和功能方麵的定性描述，很難對係統的動力學過程進行詳細的定量研究；雖然會發現許多參與係統活動的新基因和蛋白質，但也很少對它們進行深入的功能分析。
