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显微镜,宏现镜与整体的物理观 (2) --- 微生物的趋好避恶
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人们对生物的功能往往习惯于线性思维, 心脏跳动有心脏跳动的基因, 生物钟有生物钟的基因, 癌症有癌症的基因。 但实际上情况远非那样简单。 这些生物的功能都没有单一的对应结构, 往往需要从整体上考虑, 从相互作用的系统层次上来解释这些功能。
E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶
E. Coli 的化学趋向性是一个非常有趣的现象。当 E. Coli生存的溶液环境中存在着它所偏好的食物浓度的梯度(即由多到少的浓度变化), E. Coli会向浓度高的方向游动。 如果存在着它所厌恶的毒物浓度的梯度, E. Coli会向浓度低的方向游动。 这个看是简单的现象确有不可思议的神奇的地方:
1. E. Coli不可能从自身细胞膜上的两点来测定。 因为E. Coli的长度只有1微米, 浓度在微米级别的变化往往被环境中分子热运动的噪声所淹没了。 因此, E. Coli 不可能依靠浓度的空间变化, 而只能依靠浓度的时间变化来趋其所好, 避起所恶。 这个不存在任何神经系统的细菌是如何实现浓度的记忆的呢?
2. E. Coli对化学物质浓度变化的灵敏度达到了让人惊讶的程度。 从10 毫摩 到 3 纳摩纵跨6个数量级的浓度变化, E. Coli都能做出准确的反应。 人类设计的任何仪器, 都还没有达到这样大范围的浓度测定。
3. 更令人奇怪的是, 如果把E. Coli从一个浓度环境 换到另一个均均浓度的环境, 一开始会定向游动一会, 没有发现任何梯度的话, 它就随意滚动, 开始悠悠闲闲的睡大觉了。
这是生命系统区别于非生命系统的一个标志性现象。 晶体的生长固然是一个很有趣的自组织现象, 但是每一步物理力作用在晶体上都产生相同的结果, 没有任何选择的余地。 E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶可以自主的选择自身所期望的结果。 这是生物系统既符合自然律, 而又同时具有自由意志的最好例证。
E. Coli 趋好避恶的分子机理
E. Coli的细胞膜上有化学分子的接收器(receptor)。 它的下端连着功能蛋白CheA 和 CheW。 如果 receptor没有绑定任何分子, CheA 和 CheW就会激活下游的功能蛋白CheY。 激活状态的CheY会使E. Coli作自由体操般的自由翻滚。 这样E. Coli在没有化学分子的溶液中作随机布朗运动。
当E. Coli的细胞膜上的接收器(receptor) 绑定其喜好分子时, CheA 和 CheW就会抑制下游的功能蛋白CheY。 抑制状态的CheY会使E. Coli作定向运动。
那么E. Coli的时间记忆是如何而来的呢? 那是因为 接收器, CheA 和 CheW所形成的共同体(protein complex)会被重新标定。 这个过程另外的功能蛋白CheR会把” 称砣” CH3放在CheA 和 CheW, 科学的术语称作甲基化。 这样CheA 和 CheW对功能蛋白CheY的抑制作用减弱, 重新激活的CheY会使E. Coli再次作自由体操般的自由翻滚。 如果化学分子的浓度进一步增强, CheA 和 CheW会重新 抑制CheY, 从而使E. Coli再次作定向运动。 CheA, CheW 和 CheY的反应时间比甲基化要快, 正是这个在时间量级上慢的甲基化过程实现了分子的浓度在时间上的比较。 这就是E. Coli的时间记忆的由来。
如果E. Coli定向运动过头, 周围的化学分子的浓度减弱的话, 甲基化后的CheA 和 CheW灵敏性减小, E. Coli的趋好避恶不就失效了么? E. Coli的分子机制还有一个反馈, 定向运动开启以后会反馈激活功能CheB, CheB会对CheA 和 CheW去甲基化, 使接收器重新回复到开始的灵敏程度。
这就是大自然的神奇之处。 她并没有创造出新的物质, 只是创造出新的组织结构, 从而在整体上拥有了新的功能。 Feynman 曾经说过: What life is doing is what atoms are doing。 我觉得这并没有完全地描述出生物的特性。 任何的生命现象都在底层上符合现有的象量子力学那样的物理定律, 但是在生命功能的组织上, 象海森堡猜测的那样, 会有其独特的规律( The Law of Life ), 而这正是整体的物理观有意义的地方。
Reference:
1. Uri Alon, Introduction to systems biology, Chapter 7 Robustness of Protein circuits: the example of Bacterial Chemotaxis, 2006
2. All figures are from Uri Alon's speech, http://online.itp.ucsb.edu/online/infobio01/alon1/
https://blog.sciencenet.cn/blog-3468-228422.html
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E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶
E. Coli 的化学趋向性是一个非常有趣的现象。当 E. Coli生存的溶液环境中存在着它所偏好的食物浓度的梯度(即由多到少的浓度变化), E. Coli会向浓度高的方向游动。 如果存在着它所厌恶的毒物浓度的梯度, E. Coli会向浓度低的方向游动。 这个看是简单的现象确有不可思议的神奇的地方:
1. E. Coli不可能从自身细胞膜上的两点来测定。 因为E. Coli的长度只有1微米, 浓度在微米级别的变化往往被环境中分子热运动的噪声所淹没了。 因此, E. Coli 不可能依靠浓度的空间变化, 而只能依靠浓度的时间变化来趋其所好, 避起所恶。 这个不存在任何神经系统的细菌是如何实现浓度的记忆的呢?
2. E. Coli对化学物质浓度变化的灵敏度达到了让人惊讶的程度。 从10 毫摩 到 3 纳摩纵跨6个数量级的浓度变化, E. Coli都能做出准确的反应。 人类设计的任何仪器, 都还没有达到这样大范围的浓度测定。
3. 更令人奇怪的是, 如果把E. Coli从一个浓度环境 换到另一个均均浓度的环境, 一开始会定向游动一会, 没有发现任何梯度的话, 它就随意滚动, 开始悠悠闲闲的睡大觉了。
这是生命系统区别于非生命系统的一个标志性现象。 晶体的生长固然是一个很有趣的自组织现象, 但是每一步物理力作用在晶体上都产生相同的结果, 没有任何选择的余地。 E. Coli (大肠杆菌)的趋好避恶可以自主的选择自身所期望的结果。 这是生物系统既符合自然律, 而又同时具有自由意志的最好例证。
E. Coli 趋好避恶的分子机理
当E. Coli的细胞膜上的接收器(receptor) 绑定其喜好分子时, CheA 和 CheW就会抑制下游的功能蛋白CheY。 抑制状态的CheY会使E. Coli作定向运动。
如果E. Coli定向运动过头, 周围的化学分子的浓度减弱的话, 甲基化后的CheA 和 CheW灵敏性减小, E. Coli的趋好避恶不就失效了么? E. Coli的分子机制还有一个反馈, 定向运动开启以后会反馈激活功能CheB, CheB会对CheA 和 CheW去甲基化, 使接收器重新回复到开始的灵敏程度。
这就是大自然的神奇之处。 她并没有创造出新的物质, 只是创造出新的组织结构, 从而在整体上拥有了新的功能。 Feynman 曾经说过: What life is doing is what atoms are doing。 我觉得这并没有完全地描述出生物的特性。 任何的生命现象都在底层上符合现有的象量子力学那样的物理定律, 但是在生命功能的组织上, 象海森堡猜测的那样, 会有其独特的规律( The Law of Life ), 而这正是整体的物理观有意义的地方。
Reference:
1. Uri Alon, Introduction to systems biology, Chapter 7 Robustness of Protein circuits: the example of Bacterial Chemotaxis, 2006
2. All figures are from Uri Alon's speech, http://online.itp.ucsb.edu/online/infobio01/alon1/
https://blog.sciencenet.cn/blog-3468-228422.html
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