系统遗传学发展纲要

 

邦哲研究所(常州)系统遗传学实验室
Systems Genetics Lab., Benjoe Institute, Changzhou, China

 

 

01、生物系统的理论形成

 

西方近现代科学的发展,在中华文化可以看到一些因素,比如,儒家的社会伦理化(道德规范)、墨家的实践经验化(实验技艺)、禅家的概念澄清化(思维顿悟)和道家的系统逻辑化(结构模型),以及技术发明的原型等。综合哲学,远在系统科学诞生之前已形成,19世纪未和20世纪初斯宾塞的综合(synthetic)哲学、罗素的哲学分析与综合、怀德海的有机哲学等。系统科学的发展,一是系统哲学、二是系统逻辑、三是系统科学、四是系统应用、五是系统工程。系统科学源自对还原论、机械论反省提出的有机体、综合哲学。C.贝尔纳与W.B.坎农揭示生物的稳态现象,贝塔郎菲创立了一般系统论,维纳、艾什比发展了控制论。从香农的信息论到普利高津的非平衡系统耗散结构理论,阐述了生物进化与热力学的关系,以及生命开放与自组织化系统观。细胞生物学、生化与分子生物学发展,艾根提出细胞、分子水平探讨的超循环理论。

20世纪80年代末90年代初,中国科学哲学届讨论了综合哲学、系统科学与中国哲学、传统医学。中国曾(杰)邦哲著述《结构论-泛进化论》(1986年著述-1994年修订)发表自组织(泛进化)系统的结构理论,阐述系统的结构、功能与演化关系,提出系统的结构逻辑(structurity3定律:1)整合律,组元协同整合为系统、系统结构协调组元;2)调适律,组元、系统互作而形态结构适应改变、趋向系统稳态;3)组构律,组元整合而层级分化、组元分化而结合成系统整体,阐述了遗传基因不是物质概念还是信息概念,并应用系统科学于生物科学,而在90年代发表了系统医药学、系统生物工程与系统遗传学等概念与原理。

 

02、系统生物科学概念的发表

 

实验方法与系统方法,构成科学研究的基本方法。系统科学根源于生命科学,发展了计算机科学,应用于生物科学,而将开发出生物计算机。20世纪,物理学掀起一场统一科学的思潮,贝塔郎菲创立一般系统论奠基了普适的系统科学,并发展了理论生物学,1950年发表《物理学和生物学中的开放系统理论》,可称为理论系统生物学(Theoretical Systems Biology)。维纳与香农从动物与通讯行为的研究中提出控制论与信息论,以及后来的整个系统科学根植于有机体哲学思维。20世纪60-70年代,系统理论与生物学、系统生物学(Systems Biology)的概念发表,合成生物学(Synthetic Biology)用来表述基因重组技术的概念也已经发表,1993Zieglgansberger WTolle TR论述了系统生物学的神经生物学与病理学应用。

20世纪贝塔郎菲创立了系统生物学,发展的历史经历了三个时期:第一期,生态系统,系统生态学(1966年)与行为、心理学,开始于20世纪60-70年代,1929年出版了Titchener的系统心理学(systematic psychology,1958年Parry J.B.提出systems psychology);第二期,生理系统,系统生理学(1973年)与神经、内分泌、免疫学,开始于20世纪70-80年代;第三期,遗传系统,系统遗传学与胚胎、发育生物学,遗传学从染色体行为的细胞遗传学、基因表达信息流的分子遗传学,发展到了系统遗传学的细胞发生信号传导与基因调控网络研究。中国科学家曾(杰)邦哲于1994年发表转基因动物表达系统-转基因蛋战略(Goldegg Plan)等文章,提出了系统遗传学(System Genetics)和转基因禽类输卵管生物反应器(Oviduct Bioreactor)等概念与方法。

系统与合成生物学的应用为系统生物医学(1992年)与系统生物工程。1992年,日本科学家Kamada T.发表系统生物医学概念,同期中国自然辩证法研究会、《医学与哲学》主办了首届全国中西医学比较学术研讨会,中国科学家曾(杰)邦哲提出经络系统的神经、内分泌与免疫调控模型与系统医药学概念,并于1994年发表论系统生物工程范畴的文章,提出生物工程与仿生工程、计算机科学的整合。

系统与合成生物学,进化理论、有机分子合成可以说是最早的探索。艾肯提出细胞起源的生物化学超循环理论、莫诺建立的基因调控操纵子模型,进入了细胞、分子生物系统研究时期。90年代基因组计划、生物信息学的发展,高通量生物技术、计算生物技术与合成生物技术,导致了21世纪的分子系统生物学(Molecular Systems Biology),形成了理论系统、技术系统、计算系统与合成系统的系统生物学体系。细胞是由大规模生物分子(纳米)构成的复杂生物系统,基因组是可以重编程序的智能系统,生命系统人工设计与改造,可以开发出细胞生物机器。

 

03、系统生物科学与工程协会

 

1996年在北京召开了第1届国际转基因动物学术研讨会(秘书长曾邦哲),1996-1999年,中国曾(杰)邦哲筹建国际转基因学协会暨系统生物科学与工程联合会,从生理学的生命机器概念到细胞仿生学,提出遗传机器(genetic machine)与细胞计算机概念与模型(2002年),以及基因型与表现型复杂系统探索,19991月于德国建立系统生物科学与工程网站(英文),并刊登会议等信息于199910Nature12Kybernetes及互联网生物信息网页链接,探讨生物系统分析学(biosystem analysis)、基因组智能与人工生物系统(artificial biosystem),包括实验、计算、系统、工程研究与应用,以及天然与人工生物系统进化的泛进化理论(pan-evolution theory)

2000年,美国L.Hood创立系统生物学研究所,定义系统生物学为研究细胞内全部分子整合,并发展了高通量生物技术,可称为组学系统生物学(Omics Systems Biology)或生物技术系统生物学。2000年,日本Sony公司H.Hitnano主办了国际系统生物学会议,并从E-cell模型发展了计算系统生物学(Computational Systems Biology)概念。2000年,美国E. Kool重新定义合成生物学为基于系统生物学的遗传工程。2003年美国J.Keasling成立合成生物学系。2005年法国F.CambienL. Tiret论述动脉硬化研究的系统遗传学观念。

 

04、系统生物学的技术成熟

 

从贝塔朗菲的个体、生态层次到艾根的分子、细胞层次的系统生物学探索,系统生物学根源于生物物理学与系统论研究,以1950年贝塔郎菲发表的《物理学与生物学中的系统理论》为诞生标志,目前有人提到70年代发表的系统理论与生物学、1999年发表的生物工程的系统研究也属于系统生物学的概念。基因组计划、生物计算学的发展,带来的高通量生物技术容易为生物学家理解,生物系统计算机模型比贝塔郎菲、艾根等生物系统理论直观,系统生物学的掀起,转基因的系统生物技术 合成生物学也成型;因此,一个系统生物学研究的可操作的技术系统终于成熟,导致了全球化系统生物学研究机构纷纷建立起来了。

 

05、组学与计算系统生物学

 

目前的系统生物学,其实是细胞信号传导与基因表达调控水平的系统生物学,这是过去的系统生物学没有探讨的领域,L.Hood院士发展的系统生物学准确地应该称为细胞或分子系统生物学,主要是组学(omics)高通量生物技术的系统生物技术贡献,还日本H.Kitnano则阐明了计算系统生物学。中国曾(杰)邦哲最早从中、西医学结合的心身医学模式、发育的基因与神经双重调控,以及基因组学生物技术与计算机辅助设计等领域,探索细胞信号传导与基因表达调控研究,然后,提出了遗传或基因系统生物学,探讨多基因相互作用、细胞发生的非线性动力学、基因型与表现型复杂生物系统与生物系统自组织化等领域。微流控芯片技术、纳米生物技术、合成生物学、生物系统计算模型与软件设计等发展,提供了规模化、系统化、程序化研究细胞、分子生物系统与遗传系统的技术基础。

 

 

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Structurity Bulletin, April 23, 2009 结构论通报》,20094月23日)

 

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