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用系统科学原理试解最复杂生物学难题: 受精卵如何发育成人? 精选

已有 1480 次阅读 2017-3-19 14:07 |个人分类:论文|系统分类:论文交流

用系统科学原理试解最复杂生物学难题:

受精卵如何发育成人?

                     苏镇培

本文结论若成立,将动摇分子生物学、基因测序和精准医学的理论基础。

一、最复杂生物学难题:受精卵如何发育成人?

贝塔朗菲在《生命问题——现代生物学思想评价》中说“从一滴微小的、几乎均一的原生质中产生出具有几万亿个细胞、无数器官和功能的动物的奇妙结构。在神奇的胚胎发育过程中,我们碰到一个重要问题,这个问题从古代起就一直成为有机生命理论和哲学的中心”

迈尔在《生物学哲学》中说:“程序怎样运行是生物学中最难于研究的一个方面。例如遗传程序是怎样转译成生长过程,转译成细胞、组织、器官的分化在目前是发育生物学中最棘手的问题”。

科恩在《基因的艺术》中说:“即使我们知道了这条极长的字母串以后。它也并不告诉我们,人是如何构建的。为了理解人等复杂生物体的繁殖过程,我们必须通过某种方式,把DNA序列与一个受精卵细胞发育成一个活人的过程联系起来”。            

解决受精卵如何发育成人这一生物学难题,将有助于人们解释生命过程中的许多生理、病理现象,尤其是对如何评价目前已成为生物医学主流研究方向:试图从基因-蛋白质组等微观层次根本解决多种慢性非传染性疾病、癌肿等病因和发病机制问题,如何正确认识和对待遗传、生长、衰老、死亡等人生问题,均有决定性理论意义。

二、当前发育生物学解题路径:从基因--遗传程序入手

1.  迈尔说:“一切生物都具有从历史演变进化而产生的遗传程序、编码于细胞核中的

DNA(在某些病毒中编码于RNA)。由于遗传程序的存在便使生物具有由基因型和表现型组成的特殊两重性。基因型(遗传程序)是可以追溯到生命起源的历史产物,它体现了过去一切祖先的“经验”。基因型与环境互相作用控制着表现型的形成,表现型就是我们所见到和研究的生物有机体。每一遗传程序是成千上万不同基因的独特组合。  

高等生物所含有的性质各不相同的细胞数量几乎肯定超过十亿。尽管它们全部(或绝大部分)都具有相同的基因数量,但由于每个基因座位的阻遏与脱阻遏情况不同以及所处的细胞环境不同,因而彼此各异。为了给每一细胞谱系提供恰当的信息以便为之供应完成所指定任务所必需的各种分子类群,遗传程序就必然是异常复杂的。”《生物学哲学》

2.     遗传程序--细胞分化--个体发育

当前发育生物学认为,个体发育的中心问题是细胞分化一个受精卵如何通过一系列的细胞分裂和分化,产生各种形态和功能不同的细胞,这些细胞又如何通过细胞相互作用,共同构建组织和器官,建成新个体,是发育生物学需要继续研究的主要任务。

目前分子生物学认为,细胞分化是基因差异性表达的结果,差异性基因表达产生的原因主要来自于两方面:主要是基因的遗传程序,引起胚胎细胞核基因的程序性差异表达。其次,是细胞外环境的影响。认为,任何生命现象都是遗传信息按一定的时间、空间和一定的次序表达的结果,即按照发育的遗传程序展开的结果。发育并不是个别基因的表达,而是众多基因表达在时间和空间上的联系和配合。发育生物学的主要任务是研究生物体发育的遗传程序及其调控机制。认为阐明发育机制的核心问题是认识遗传信息以何种方式编码在基因组上,DNA上的一维信息又如何控制生物体的三维形态结构的构建和控制生命现象的发展。

认为,基因表达网络决定细胞的功能及特性, 破译基因在人类胚胎发育过程中时间和空间的表达特性, 是了解早期发育过程至关重要的一步。

三、疑问

按理,遗传程序不仅包括图还应具有如何运用这蓝图的所有信息指令。但就像计算机程序,细胞核的DNA遗传程序和执行机制是完全分离的。

程序怎样运行是生物学中最难于研究的一个方面。谁是遗传程序的执行者?协调者?是基因,蛋白质,细胞?只有建筑蓝图,没有工程师和工人,没有工程机械和建筑材料,大厦是建不起来的。基因只是遗传程序的信息携带者,蛋白质有些是传递基因信息的信号因子,更多是构建生物结构的基本材料。细胞才是程序执行者。

超过100万亿以上的细胞分化(除红细胞外,每个细胞都有一套全基因组),按基因-蛋白质信息传递至体细胞整合成各种不同组织,再构建成多个结构、功能不同的器官系统。指令如此复杂的分化、多级组合的并行有序过程,程序信息和控制信息全部预存在哪个细胞DNA上或所有细胞DNA上?信息又如何传递、指令不同细胞内复杂的物质、能量转化过程,逐级构建起多层次的无比复杂的生命结构?总之,发育是无比复杂的动态过程,目前还缺乏准确和全面的认识。

四、基本概念:基因、蛋白质、细胞组织、器官系统

细胞是生命活动基本单位,人体大约由100万亿个细胞组成,细胞内有多种细胞器,通过膜系统相连。细胞核包含遗传物质(DNA),调制细胞功能,线粒体是产生能源的动力工厂,内质网和核糖体是蛋白质的加工厂

基因是具有一定数目的碱基的DNA分子片段。在DNA内只有4种碱基。按照3个碱基编码一个氨基酸的“三连密码子”,基因编码蛋白质的氨基酸序列。

蛋白质组成的基本单位是氨基酸,不同的氨基酸靠共价键连成一条多肽链,多肽链相互折叠成具有空间构象的高级结构,执行着不同的生理功能。

细胞约含10亿个不同功能的蛋白质分子,有些是细胞骨架,有些具有酶活性等。细胞内蛋白质也不断降解和合成。多种体细胞及其合成的细胞间质构成不同的组织

器官由4种不同组织构成:上皮组织、结缔组织、神经组织、肌肉组织。多个器官组成有重要特异生理功能的生理子系统(如神经、循环、呼吸、运动、免疫、消化、生殖系统等)。

五、出路:寻找解复杂难题的指导理论和方法

1. 从系统整体出发

无论如何、我们被迫在知识的一切领域中运用‘整体’或者‘系统’来处理复杂性问题,这将是对科学思维的一个根本改造。

强调把生物作为一个整体或系统来考虑。

我们不仅必须考虑有机体的各个部分和个别过程,而且必须考虑它们共同的相互作用和支配这些相互作用的规律。            

             贝塔朗菲《一般系统论》

我们打过这样的比方,DNA就像一盘上面存储着磁信号的录音带。我们还需知道把信号转换成乐曲的录音机这个比方。但这里有一个显著的区别:一切表明,大自然以一种难以想象的巧妙方式变换着DNA信号,似乎只是规定了一乐曲的主题,而把详细的安排托付给录音机,也就是托付给生长中的有机体本身。但是这样—来,DNA含有严格规定的信息程序这个主张就成问题了。DNA(或RNA)“再现”其主题,完全取决于环境。  

赫尔曼·哈肯. 《协同学——大自然构成的奥秘》

多细胞有机体的发育不是诸细胞活动的总和,而是胚胎作为一个整体的活动,无论单细胞阶段还是多细胞阶段,都是如此。这种整体的胚胎活动表现为调整、定型和形态发生活动。

在生物领域里,由原初的整体分异为子系统。在胚胎发育过程中可以发现这种情况。系统发育过程也是这样。有机体的逐渐分化意味着最初在单细胞中联合的生命功能,分异成为摄食、消化、对刺激的反应、生殖等独立的系统。

              贝塔朗菲.《生命问题——现代生物学思想评价》

为了生存和发展,任何具有生命力的系统都要根据环境的变化、自己内部的客观实际和要求,不断调整结构、功能,与环境进行信息、能量和物质交换。《系统哲学简论》

                                           

2. 从相互关联分析入手

自然科学证实了黑格尔曾说过的话:相互作用是事物的真正的终极原因。……只有从这个普遍的相互作用出发,我们才能了解现实的因果关系。

              恩格斯. 自然辩证法.《马克思恩格斯选集第三卷》.593页北京.人民出版社  1966.

几乎其它一切生物学过程都涉及到相互之间的关系。这些现象在大多情况下只能定性地加以表示而不能是定量的。    迈尔.《生物学思想发展的历史》

探明物质、能量、信息三者的关系及其运动和变化规律,对于阐明生命的本质,无论从理论和实践看,意义都是十分重要的。贝时璋.《生命世界的物理学》

3.     从层次、突现(涌现)原理取得突破

生物科学的主要目标在于发现各层次组织的原理。   贝塔朗菲《一般系统论》

要充分认识生命现象就必须对各个层次进行研究,然而正如前面所指出,较低层次

的研究发现对解决较高层次所提出的问题一般并没有什么帮助。

有机体的多数结构如果没有机体其它部分的配合将毫无价值,毫不起作用:翼、腿、

头、肾等只能作为整体的部分,否则便无法生存。因此,一切部分都有适应意义而且能

够进行程序目的性活动       迈尔.《生物学思想发展的历史》

当这样的系统由其组成成分组合成整体时,整体就突然显示出无法从其组成成分推

知的新性质。新性质的“突现”在非生物界虽然也很普遍,但是只有生物系统才在系统

的每一等级结构层次突然显示戏剧性的新特性。   迈尔. 《生物学哲学》

在每一层次突现后,其组成成分在保留原有特性同时,获得了新的系统的组分性。细胞分化过程,其实是组成胚胎整体的各种细胞分工过程。这是解开难题的突破口。

                     

六、          以现有研究成果为证据,分析-推论  

人的发育过程:受精卵细胞分裂、分化、组合--胚胎胎儿

1.     胚胎发育过程:

通过与子宫(母体)紧密相连;快速(8周)重演亿万年进化历程。  

胚胎发育关键---受精卵分裂,多细胞、组织层次、系统突现

受精卵(完整细胞)分裂成2个细胞即成为2细胞体,再分裂变成由4816个细胞组成的多细胞整体(桑葚胚),开始突现组织属上皮组织的滋养外胚层,它产生细胞外液为内细胞群(成胚细胞)生存提供了内环境,并与内细胞群构成胚泡。滋养外胚层在受精后6—7天植入母体子宫粘膜逐渐发育成胎盘(为获得营养和能量),内细胞群发育成胎儿。

上述过程说明,最早的遗传信息传递是基于细胞分裂的。每个新细胞核都有一套继承上一代细胞的全基因组。16个以上细胞组成的桑葚胚,有16套全基因组,是哪套细胞基因程序决定胚胎初步的细胞分化及组织形成?只能是组成桑葚胚整体的多细胞彼此的相互作用。

贝塔朗菲早就指出,“多细胞有机体的发育不是诸细胞活动的总和,而是胚胎作为一个整体的活动,无论单细胞阶段还是多细胞阶段,都是如此。这种整体的胚胎活动表现为调整、定型和形态发生活动”。系统科学原理指明,较高层次“突现”(emerge)出新性质和新机能,这些新性质和新机能只能由该层次的组成部分的作用与相互作用来说明。

胚胎发育的真实过程证明,确是胚胎整体发育导致细胞分化。从受精卵到桑葚胚,经历4-5天分裂、增殖,已经从单细胞体变成多细胞球体,为了使球体表面和中心的细胞都能获得充足的营养,未分化状态的桑葚胚突现为胚泡(包括滋养外胚层滋养细胞组成的上皮组织和内细胞群)胚泡粘着在母体子宫内膜上,并逐渐进入内膜,这一过程称为植入。但只有在黄体分泌的黄体激素和雌激素调控下,进入分泌期的子宫内膜,才容许胚泡植入。

胚泡再突现为3胚层组织的胚胎。胚胎内不同胚层细胞、相互作用,再依次分化突现为多种组织细胞,经过复杂的细胞分离、迁移、组合、凋亡过程构建起组织、器官、系统和个体等复杂层次结构。这种不同细胞与组织间的相互作用,传统组织胚胎学称为组织诱导,指两种不同的胚胎组织或原基之间的相互作用并引起形态分化的生物学过程,通常是一种组织诱导另一种组织,多种组织参与相应的器官发生。诱导信号由一种组织分泌的分子通过细胞外基质传递,被另一种组织接受;也可以是两种胚胎原基之间的直接接触。脊索和轴旁组织诱导神经管形成。的发生至少需要8个方面的诱导过程。器官的上皮组织与结缔组织的间质之间的相互诱导作用可见于绝大多数器官的发生中。

滋养外胚层逐渐发育成胎盘。其绒毛膜的三层结构(细胞滋养层、合体滋养层和胚外中胚层)都侵入子宫内膜而形成指状绒毛,合体滋养层与母体血液直接接触。胚外中胚层形成居绒毛中央的结缔组织和血管。细胞滋养层于妊娠中期逐渐消失,从而使母体—胎儿血屏障变薄。合体滋养层可利用来自母体和胎儿的前体物合成多种激素。蛋白性激素包括人绒毛膜促性腺素、人胎盘促乳素、人绒毛膜促甲状腺素和人绒毛膜促肾上腺皮质素。人绒毛膜促性腺素可通过维持黄体的存在而阻止流产。胎盘固醇类激素有孕激素和雌激素,可与黄体一起维持后期的妊娠。通过胎盘胚胎与子宫真正组成了胚胎-子宫复合体。

胚胎发育不同阶段还形成一系列中间过渡型的细胞组织甚至器官,它们又在发育过程中先后消失:如滋养细胞、胚胎期的间充质(其特点是细胞呈分枝状,周围有丰富的无定形细胞间质,细胞核为卵圆形,核仁明显,染色质纤细。间充质来自中胚层,分布在整个胚胎中,围绕着发育的器官并伸入器官内。间充质除了产生各种结缔组织,还能发育成另外一些类型的组织:肌肉、血管、上皮和某些腺体)、鳃弓、体节、指蹼、尾巴、脐带与胎盘、动脉导管等。

发育快速重演亿万年生物进化过程(单细胞-多细胞-腔肠-无脊椎-脊椎动物形态)的事实,反映发育必须经过基因-蛋白质-细胞-组织-器官-生理系统等多个阶段,经历逐级、多层次、复杂的部分与整体的相互作用,不断的形成与舍弃,与会onr 的相互作用过程的胶瞟促肾上腺皮质激括人绒毛膜促性腺激才能摸索寻优、突现,构建成有复杂生理功能的器官系统结构和复杂生命功能的胚胎-胎儿。其重要前提是有高度稳定的发育环境,通过胎盘子宫母体,保证与成长中的胚胎-胎儿的物质、能量、信息(母体激素)的充分交换。

受精卵核DNA携带的遗传程序决定其核基因表达,但分裂为多个细胞后,只能是,细胞间相互关联、胚胎-子宫复合体的整体信息决定了其后不同细胞内不同基因表达,导致细胞分化为各种组织细胞。

胚胎对细胞分化的作用,其实就是指导所有组成细胞的相互作用,即细胞如何分化、迁移、组合、凋亡,按组成不同阶段胚胎整体的要求相互影响、权衡、选择、取舍。这时胚胎-子宫复合体的整体系统信息作用于细胞起决定分化方向作用,细胞内遗传信息指导细胞制造特异蛋白质(结构蛋白质和调控蛋白质),对分化起具体执行作用。

细胞分化从全能细胞--多潜能细胞--分化细胞的发展过程,就是从单细胞、多细胞向完整胚胎发育过程(重演生物进化)。分化细胞群相互作用成为新层次,就突现层次整体新特性。多层次组成个体,就突现个体的系统整体特性。此时的体细胞变成整体的零件,其核基因组无必要保留全能性,只保留编码分化细胞特异蛋白质的专能性。同时核基因组变成为细胞的备用基因存贮器。只有生殖细胞核基因组仍保留全能性。

经过许多轮细胞分裂、分化、组合、突现多层次,受精卵长成一个胎儿--由数十万亿个体细胞、多种组织、器官、生理系统构成的新生命体。所有这一切都依赖于受精卵-胚胎-子宫复合体整体信息指导下,在细胞新陈代谢基础上,经历分裂分化、组合、突现,产生新层次、新结构,服务于整体的新功能。

2.     发育不同时期基因-细胞作用

1-56天基因程序性表达遗传信息(同源异形基因起重要作用)。发育过程大都集中在这早期阶段,此时个体的所有组成部分均已成形。快速构建完成器官系统组织层次结构。56-出生,胎儿进一步发育成熟。孩子出生时,全部主要的肢体和器官已在正确的位置,其基本形态在以后生命的各阶段保持不变。体细胞基因只在细胞范围内编码特异蛋白质,使体细胞保持各自的组织特性。而遗传程序只保存在生殖细胞中。

出生后新生儿-成人,属个体生命的生长成熟期,通过神经-内分泌系统整体调控各层次组织结构,完善各器官、系统功能。100万亿个体细胞核按系统整体(神经-内分泌)及局部组织调控信息,各自通过激活核内特定基因,指令细胞器编码制造特异蛋白质,维持、复制或更替各自细胞功能。  

   

结论:

1.     生命系统是物质、能量和信息的综合体。在遗传信息的指导下,物质与能量的流动、转

化,才能构成有复杂组织结构的生命体。遗传发育的中心机制是生殖细胞(受精卵)-个体关联,而不单是基因组遗传程序。

个体所有细胞都是从受精卵复制、分裂而来的。受精卵核DNA,携带着双亲历代的遗传信息,但受精卵的胞膜、胞质及线粒体等细胞器都直接来自母体;复制、分裂不单把核

基因遗传信息以及其他表观遗传信息直接传递至每个细胞,而且,也把受精卵的胞膜、胞质、线粒体及利用物质、能量制造生物物质和构建细胞的细胞器与方法都复制给子代细胞。在母体子宫特定环境内,受精卵才能发育成延续上代生命特性的新个体。这是个体生命通过生殖细胞与新生命个体关联的全遗传过程。受精卵整体才是新生命的开始,其分裂不仅传递遗传信息,也直接传递构建细胞的设备与方法。目前分子遗传学只强调在基因组里有编码生物体整个发育过程的遗传程序(近年,提出还有非核基因依赖的表观遗传信息),认为它们决定了新生命体的结构功能和一切性状。其实这是只知信息,不知遗传信息必须与物质、能量相结合,才能成为生命体。

2.     分子遗传学的核心概念---遗传程序概念,只有中心法则下的基因(遗传信息)RNA转录

---蛋白质的翻译表达,加上近年的表观遗传学的实验和理论根据,而对细胞内蛋白质如何构建生命体的不同细胞、组织、器官、系统及整体复杂的层次结构,表现复杂的功能、行为并无充分的实验根据和科学的理论支撑。

其实,基因只是细胞内遗传信息的携带者,不是遗传程序的执行者。受精卵-胚胎整体才是遗传程序的执行者。蛋白质的变化控制发育分化中细胞的特性;基因编码蛋白质,但激活什么基因、编码制造那种蛋白质、如何制造是由细胞获得的胚胎整体(系统)信号(激素、生长因子等)决定的。受精卵分裂、分化为众多细胞后,在还没有建立整体信息-调控系统的现实下,只能通过细胞之间相互作用的层次突现机制,逐级形成组织、器官、系统等新层次、新结构直到构建成新生命,突现复杂的整体功能。

除从受精卵DNA获得遗传程序(信息)和胚胎整体与组成的细胞、组织相互关联信息外,维持所有细胞新陈代谢的物质、能量都要通过胎盘-子宫,从母体的血循环中获得。在母体和胚胎神经-激素调控下,相对稳定的子宫环境中,胚胎的整体生命才能构建形成并继续发育直到出生。

3.     有三种细胞:①生殖细胞-受精卵(全能细胞):染色体或全基因组DNA是个体-种族生

命遗传信息的载体,主要功能一是传递、启动不断的细胞分裂和分化,经形成组织、器官、生理系统等多层次而发育成新的个体-胎儿;二是经过转录和翻译指导合成发育为新个体所需的各种蛋白质。干细胞(多潜能细胞):仍保留分化为多种组织的功能,是胚胎发育中间过程的过渡细胞类型。体细胞(分化或专能细胞):保留细胞分裂、更新功能,失去转化为其他细胞功能(也就失去了遗传功能);保留指导制造组织细胞特异蛋白质功能,失去制造全能细胞的其他蛋白质的功能。

4.     受精卵携带全基因组遗传信息。胎儿娩出意味着遗传程序表达阶段完成!新生命系统

已经建立,从新生儿开始的新个体的整体结构、功能、行为的调节控制中心是脑神经-内分泌系统,而不可能再是分散在100万亿体细胞中的基因组或全身的蛋白质组。新个体的遗传程序只保存于生殖细胞中。出生后生理情况下,体细胞基因组只对细胞-组织,而不可能对器官、系统、个体等高层次的结构、功能、行为起重要调控作用!更不可能是个体思维、智能等高级精神活动和智力高低的决定因素,否则,脑神经-内分泌系统强大的调控能力、大脑无限的创造力就无用武之地!反之,有力证明:基因检测(除少数单基因遗传病外)、基因治疗对出生后人体的疾病评估、诊治并无太大作用。

5.     胚胎发育的驱动力  生物最重要的整体功能是适应环境而生存(适者生存)。生存压力

是生物群体的进化动力,也是生物个体发育的动力。适者生存为获得整体生存,各细胞、组织、器官、子系统都在整体调控下,关联、突现、活动。发育过程中,从受精卵的基因表达、蛋白质制造到胚胎细胞分化,组织、器官、生理子系统的逐渐形成胎儿,所有的整合和协调活动都是为了组织构建优化而复杂的整体生命(适应性导致复杂性),以获得在各种环境中更好的生存。这就是遗传的目的性。

6.     由遗传决定的个体-种族生命的持续,就体现在:受精卵个体受精卵的世代轮替。

因为物理学原理和几十亿年的生物史早已证明,组成生物实体的绝大多数物质、能量结构最终都要消亡、所有生命个体都要死亡,只有遗传信息和构建的新生命,通过受精卵(也是生命整体,不单是基因!)可以代代相存,生生不息!这是生物几十亿年寻优、进化获得的、唯一可行的长生不老方法。

7.     脱离细胞整体单研究基因、蛋白质、代谢等低层次或跨越细胞、组织、器官、生理系

统和整体等层次试图确定基因与个体复杂性状或复杂疾病(如癌症、心脑血管病、糖尿病)的因果关系,如目前许多基因组、蛋白质组、代谢组和相关的精准医学研究,都属于片面的、跨层次的、简化论的,不符合生理实际、违反系统科学整体原理的研究,是生物医学研究大方向的迷失和对广大研究人员和医生的误导。

主要参考文献

1.冯·贝塔朗菲.吴晓江. 生命问题—现代生物学思想评价.商务印书馆 1999.4.

2.冯·贝塔朗菲.林康义魏宏森. 一般系统论清华大学出版社1987.06

3. 迈尔著 涂长晟等译.生物学哲学. 辽宁教育出版社.1992年02月第1版

4.迈尔著涂长晟译. 生物学思想发展的历史. 四川教育出版社 2010.12

5. 科恩. 基因的艺术. 湖南教育出版社 .2000年

6. 赫尔曼·哈肯. 协同学—自然成功的奥秘.上海科学普及出版社 1988年4月第1版

7. 欧叶涛主编.医用发育生物学.黑龙江人民出版社.2009

8. 布拉舍.分子胚胎学引论. 科学出版社.1981年第1版

9. 王玉凤主编.发育生物学.科学出版社,2011.

10. V.B.蒙卡斯尔主编 韩济生等译.医学生理学 .1988年第1版

11. L. R.Cochard.高英茂主译.奈特人体胚胎学彩色图谱.人民工业出版社2004.

12. 徐晋麟,徐沁,陈淳主编,现代遗传学原理,科学出版社,2011.01 第3版.

13.贝时璋.生命世界的物理学.原载邹承鲁等著,现代科技知识丛刊 生命本质的新探索,知识出版社,1987年06月第1版.  

14.薛京伦主编,表现遗传学  原理、技术与实践,上海科学技术出版社,2006年12月 第1版.

15. 苏镇培. 系统哲学简论.科学网 2011-1-1  

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