【科学前沿】张凯研究员介绍复杂系统生物学理论

  • 文/孙元雪 摄影/孙元雪 (生命科学学院)
  • 创建于 2015-09-30
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929 日下午四点,生物物理所张凯研究员在中国科学院大学雁栖湖校区教2-205教室举行了以“复杂系统生物学介绍”为题的讲座。在一个多小时的讲座中,张凯研究员向同学们介绍了复杂系统生物学概论,为同学们解释了生命的普适模型、基因进化与遗传算法、鸡生蛋还是蛋生鸡等科学问题。

张凯研究员首先阐述了什么是复杂系统理论。复杂系统理论(system complexity)是系统科学中的一个前沿方向,它是复杂性科学的主要研究任务。复杂性科学被称为21 世纪的科学,它的主要目的就是要揭示复杂系统的一些难以用现有科学方法解释的动力学行为。与传统的还原论方法不同,复杂系统理论强调用整体论和还原论相结合的方法去分析系统。目前,复杂系统理论还处于萌芽阶段,它可能蕴育着一场新的系统学乃至整个传统科学方法的革命。生命系统、社会系统都是复杂系统,复杂系统理论的应用在系统生物学的研究与生物系统计算机数学建模中具有重要的意义。

“什么是生命?生命的本质是什么?”张凯研究员强调在此用神创论解释生命现象是没有必要的,而热力学第二定律对解释生命现象至关重要。生命的基本特征包含细胞、代谢;生命是超级复杂的细胞代谢的生化网络。他提倡用复杂系统观点解释生命现象问题,因为生命现象本身就是一种特殊的复杂系统。

复杂系统的普适模型是当今研究的主要关注点。张凯研究员总结出生命的几个基本普适规律,即无中枢神经控制的行为、计算能力、对外界的反应和开放的系统。他向我们展示一张无尺度网络复杂系统的图,其中的“枢纽”会引起广泛影响,在生命科学研究中,我们希望所研究的蛋白质结构就是“枢纽”。

张凯研究员还讲解了遗传算法。复杂系统的同步化是通过多数制胜算法实现的,应用到科学研究中,就是某个关键基因改变后,其他的基因随之改变。复杂的生命现象是由混沌系统产生的,系统中的吸引子越多,系统的状态越多,系统越复杂,若设定一个边界,就可定义生命现象。通过混沌系统解释细胞复制和细胞分化也是可取的。在混沌系统中定义边界,定义个体,细胞内有至少两类分子相互催化,就可以实现细胞复制。同样地,细胞的分化就是在复制过程中,原来相同的两类分子产生异化,使得它们对资源的利用更均衡,对整体更有利。

座无虚席的科学前沿讲座座无虚席的科学前沿讲座

“鸡生蛋,蛋生鸡”是一个老生常谈的问题,张凯研究员通过阐述“XY模型”向大家解释了这个问题。张凯研究员向大家推荐阅读《生命导论》这本书,方便大家了解复杂系统理论。此外,他讲到如今Science杂志基本每一期都会发表关于复杂系统方面的文章,这意味着科学正在面临着新的变革,他鼓励同学们勇敢地去探索。