从基因到混乱的边缘?

我已经很久没有写散文了。我有时在业余时间写诗，但不幸的是，我们由于兴趣而失去了一些习惯。当你阅读这些文字，思考我为什么要为一篇研究文章写这样的介绍时，你大脑中的数十亿个神经元中，有些会时不时地休息一下，而另一些则会定期地与邻近的神经元互动。当你感觉不到丝毫的变化时，它们就会向你的一些器官发送调控指令。同样的机制可能会在微观世界中不断重复，当你读这些台词时，无意识地啜饮着你的茶或咖啡，而你的肺继续膨胀和收缩。从我们细胞的大脑内部，细胞核，指令不断发送给核糖体和其他细胞器。

基因驻留在细胞核保存的DNA中，以mRNA的形式将细胞活动所需的蛋白质配方发送给核糖体。从这个意义上说，虽然细胞核充当细胞大脑，但执行这些功能的基石是基因，而不是神经元。由于这些基因之间的关系，一个基因的激活可能依赖于其他基因。在某些情况下，一个基因的激活可能抑制另一个基因的功能，也可能促进它的功能。所有这些二元关系构成了基因调控网络，类似于宏观上的神经元网络。

所以，虽然我们的身体由数以万亿计的细胞组成，它们的DNA中携带着相同的基因，但每个细胞是如何专门化来执行不同的功能的呢?不断收缩和放松的心脏细胞和产生消化酶的胰腺细胞在拥有相同遗传物质的情况下，是如何分化并执行截然不同的功能的呢?此时，基因调控网络在外部信号和细胞间交流的帮助下，激活执行某些功能所需的基因，并使某些功能失调。这些网络还会改变基因的活动，以响应细胞内外发生的变化，管理细胞对各种环境条件的适应过程。这些变化可能来自细胞间液的糖或氧浓度水平，以及来自其他细胞和大脑本身的信号。在这些网络中，每一个基因都可能受到一组基因或某些外部因素的影响。因此，基因的功能是由这些影响因素决定的，每个基因都可以以“主动”或“被动”两种不同的状态存在。

根据细胞的功能，它的一些基因应该一直保持关闭，一些应该持续活跃，一些应该不时活跃。因此，应该持续具有功能或非功能的基因必须对变化不敏感，而其他基因可能根据它们的工作速度有不同的敏感性。网络的故障或突变可能导致特定的疾病。例如，当阻止细胞分裂的基因功能出现缺陷时，就会发生白血病，而细胞在正常情况下应该是不断活跃的。因此，检测基因的敏感性水平对于理解基因网络和细胞的一般功能，以及检测细胞内的基因动力学是很重要的。

当我们观察基因网络的平均敏感度水平时，我们看到了一张有趣的图;灵敏度值落在混沌和稳定的边界上。著名生物学家S.考夫曼用“混沌边缘”的观点来解释基因网络在混沌和稳定之间摇摆的行为。这一论点表明，生物系统既不应该过于混乱(这样它们才能可靠地运作)，也不应该过于稳定(这样它们才能适应变化)。然而，基因网络行为不仅仅是这个论点。

当我们比较基因网络模型中基因的平均激活率和敏感性水平时，我们遇到了一个以前没有人注意到的模式。你注意到这个有趣的规律了吗?

正如我们之前提到的，一直活跃或一直没有功能的基因不太敏感。然而，需要注意的主要事情是，灵敏度值总是保持在某条曲线之上。那么，这是基因网络运作的生物学要求，还是敏感性的数学定义的必要条件?

在这一点上，生物学继续提供更多的线索。基因对其他基因的“渠化”效应一直是研究人员争论的话题。这一特性表达了一个特定基因对另一个基因活性的决定作用。例如，如果基因B在所有基因A活跃的情况下都是关闭的，这意味着基因A引导基因B成为无功能的。在这种现象的一个更限制性的版本中，称为“嵌套渠化”，所有影响某个基因的基因都在该基因的活动中有一定的发言权。我们的观察表明，在基因网络中发现了强烈的嵌套渠化效应。当我们只比较具有这种特殊情况的基因的活性和敏感性时，结石就开始出现了。对其活动水平敏感度最低的基因应该具有这种嵌套特征。

当我们从数学上研究这一现象时，我们不可能从嵌套结构产生的曲线下看过去。

该曲线具有分形结构，决定了灵敏度的最小值。在生物的复杂性中，看到这种程度的秩序和模式结构并不罕见。罗马花椰菜的金字塔结构和我们肺部周围的毛细血管只是我们在生物体中遇到的分形结构的一部分。这条曲线也被称为“Blancmange”曲线，它是高木泰治在1901年提出的，是一个处处连续的函数，在任何一点都不可微(任何一点都不能画切线)。一百年来，人们只知道布兰奇曲线具有这一特征，现在它也获得了生物学上的意义。

经过这些观察，尽管考夫曼的“混沌边缘”观点和基因网络中基因的最低敏感性一开始似乎相互矛盾，但它们实际上很好地结合在一起。根据考夫曼的观点，基因网络既不应该太稳定，也不应该太混乱，但我们的观察表明，相对于它们的平均活性水平，单个基因的结构可能是最稳定的。个体基因的特性可能导致不同的观察结果在由基因形成的网络中。就像候鸟相互之间简单的动作创造了一场舞蹈表演。

总之，我们发现了隐藏在细胞生物学复杂的相互作用网络中的分形图案。这种分形边界就像一堵看不见的墙，将生物体推向最适合生命系统的秩序与混乱的边界。我们的研究结果最近发表在物理和数学领域最负盛名的杂志《物理评论快报》上。我们惊喜地得知，它也入选了“编辑评选”，这个评选名单中大约有七分之一的字母因其特殊的重要性或吸引力而被选中。

在设计和工程领域，我们受到自然的启发，生物观察也推动纯粹的科学进步。我们的研究为数学和生物学之间的相互作用提供了更深入的见解，并促进了在这两个前沿的进一步研究。我们目前通过研究上述嵌套结构偶尔被打破的案例，继续我们在理论前沿的研究。现在，我们继续研究这种嵌套结构遵循一种时断时续的模式和这些网络的敏感性水平的案例。