生命源于不確定的偶然性，演化中的“噪音”造就了多樣性
從猿到人的演化歷程
撰文 | 吳家睿（中科院上海生命科學(xué)研究院生化與細(xì)胞研究所研究員）
“不確定性”可能是生命與非生命物體最根本的區(qū)別。所有非生命的東西，不管是化學(xué)系統(tǒng)，還是物理系統(tǒng)，大多是確定性的。
盡管生命在分子生物學(xué)時(shí)代被視為確定性的“機(jī)器”，嚴(yán)格按照物理和化學(xué)的規(guī)律運(yùn)行。但是在后基因組時(shí)代，生命被認(rèn)為是高度動(dòng)態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)，具有很大的不確定性。
這種不確定性源自組成生物體的生物大分子及細(xì)胞的高度不均一性；源自生命內(nèi)部各種元件之間非線(xiàn)性的相互作用；源自生物體內(nèi)部生物大分子數(shù)量和豐度上存在的各種隨機(jī)擾動(dòng)；源自生物體從分子層次把不同分子組裝形成細(xì)胞，進(jìn)而又從細(xì)胞層次產(chǎn)生組織器官乃至個(gè)體時(shí)不斷“涌現(xiàn)”出來(lái)的新性質(zhì)或新功能，即“整體大于部分之和”。
多細(xì)胞生物個(gè)體最初都是起源于一個(gè)細(xì)胞；對(duì)二倍體生物而言是來(lái)自單個(gè)的受精卵，這個(gè)細(xì)胞在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，一方面以細(xì)胞分裂方式進(jìn)行細(xì)胞數(shù)量的擴(kuò)增，另一方面通過(guò)細(xì)胞分化的方式增加細(xì)胞的類(lèi)型。例如，在發(fā)育成完整個(gè)體的人體中，其體細(xì)胞總數(shù)估計(jì)有30萬(wàn)億到60萬(wàn)億個(gè)，而細(xì)胞類(lèi)型則達(dá)到200多種。在體細(xì)胞擴(kuò)增的過(guò)程中，通常是采用DNA復(fù)制機(jī)制將親代細(xì)胞的基因組完整地復(fù)制為兩份拷貝，然后通過(guò)有絲分裂的方式再把這兩份拷貝分別完整地傳遞給兩個(gè)子代細(xì)胞。
因此，經(jīng)典生物學(xué)認(rèn)為，多細(xì)胞生物體的構(gòu)成滿(mǎn)足兩個(gè)“同一性”原則。原則一：個(gè)體內(nèi)所有體細(xì)胞的基因組都具有同樣的DNA序列；原則二：個(gè)體內(nèi)同一組織內(nèi)同一類(lèi)型細(xì)胞都具有同樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能。然而，今天的生物學(xué)研究卻發(fā)現(xiàn)了諸多違背這兩個(gè)同一性原則的生物學(xué)現(xiàn)象。
一般認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)的DNA復(fù)制過(guò)程屬于“高保真”，細(xì)胞會(huì)嚴(yán)格按照堿基配對(duì)原則進(jìn)行基因組拷貝的合成，即使偶爾在復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)一點(diǎn)微小錯(cuò)誤，細(xì)胞還準(zhǔn)備了若干種修復(fù)方法來(lái)修正錯(cuò)誤。據(jù)估計(jì)，平均每合成10的10次方個(gè)堿基只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)配對(duì)錯(cuò)誤。但是，近年來(lái)的研究指出，盡管犯錯(cuò)的概率非常低，體細(xì)胞在其復(fù)制過(guò)程中依然產(chǎn)生了少量的復(fù)制錯(cuò)誤，并可以隨機(jī)傳遞到下一代細(xì)胞；需要指出的是，這些隨機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制錯(cuò)誤可以通過(guò)一代代細(xì)胞的傳遞積累起來(lái)，細(xì)胞分裂的次數(shù)越多，其后代細(xì)胞內(nèi)積累的復(fù)制突變就越多。
不久前，研究者對(duì)正常人體胚胎前腦組織的細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞全基因組測(cè)序，計(jì)算出了受精卵起初5次分裂過(guò)程中的細(xì)胞突變率——每個(gè)細(xì)胞在每次分裂過(guò)程中平均產(chǎn)生1.3個(gè)單核苷酸變異（Single Nucleotide Variations，SNVs），導(dǎo)致了在這個(gè)發(fā)育階段產(chǎn)生的細(xì)胞群體中，每個(gè)細(xì)胞的基因組里含有平均200—400個(gè)單核苷酸變異；研究者還指出，在胚胎發(fā)育的后期，由于氧化損傷作用導(dǎo)致突變率還會(huì)進(jìn)一步增加。
父母遺傳物質(zhì)的突變會(huì)遺傳給下一代，圖片來(lái)自alzforum.org
也就是說(shuō)，正常的胚胎發(fā)育過(guò)程所產(chǎn)生的體細(xì)胞群體中，不同的體細(xì)胞基因組具有許多隨機(jī)突變的堿基，使得體細(xì)胞群體形成了彼此之間DNA序列不一致的“鑲嵌型”（Mosaicism）基因組。
除了在細(xì)胞增殖過(guò)程中DNA序列會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)突變，機(jī)體內(nèi)的體細(xì)胞在不同的外部環(huán)境影響下通常也會(huì)被誘發(fā)各種隨機(jī)變異。例如，抽煙會(huì)引發(fā)體細(xì)胞的基因變異，不久前一項(xiàng)研究系統(tǒng)地分析了抽煙與腫瘤細(xì)胞基因組變異的關(guān)系，從定性和定量的角度來(lái)看，抽煙患者的癌細(xì)胞的堿基置換和插入缺失突變等基因變異數(shù)量和種類(lèi)要明顯高于不抽煙的患者。另外一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)照射能夠引起正常人體皮膚的上皮細(xì)胞基因組發(fā)生突變，每個(gè)體細(xì)胞基因組中大約每1百萬(wàn)堿基平均出現(xiàn)2—6個(gè)突變。顯然，這些被外部環(huán)境誘導(dǎo)而隨機(jī)形成的體細(xì)胞突變，也必然是讓不同體細(xì)胞之間產(chǎn)生鑲嵌型基因組序列的一個(gè)主要原因。
機(jī)體的體細(xì)胞群體中不同細(xì)胞的基因組之間不僅存在點(diǎn)突變等微小的體細(xì)胞突變，而且還廣泛存在著較大的體細(xì)胞染色體結(jié)構(gòu)差異，如基因拷貝數(shù)變異（Copy Number Variant，CNV）和大片段基因組DNA缺失或者擴(kuò)增。通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)對(duì)人腦部額皮質(zhì)的神經(jīng)細(xì)胞基因組分析發(fā)現(xiàn)，13%到41%的神經(jīng)細(xì)胞基因組內(nèi)含有大量在細(xì)胞分裂過(guò)程中新產(chǎn)生的CNV。
此外，研究者通過(guò)人體皮膚細(xì)胞的基因組分析發(fā)現(xiàn)，大約30%的人體成纖維細(xì)胞的基因組內(nèi)具有許多體細(xì)胞來(lái)源的CNV。一項(xiàng)研究工作報(bào)道，有絲分離過(guò)程通常會(huì)導(dǎo)致染色體結(jié)構(gòu)差異，這類(lèi)染色體不穩(wěn)定性在人類(lèi)胚胎早期發(fā)育過(guò)程中很常見(jiàn)，不僅在受精卵早期分裂階段的各個(gè)細(xì)胞里發(fā)現(xiàn)了具有非整倍體的基因組，而且在隨后的分裂球的細(xì)胞內(nèi)也可以看到各種大片段基因組DNA缺失或者擴(kuò)增，表明在人類(lèi)早期胚胎的體細(xì)胞群體中，不同細(xì)胞的基因組是高度不均一的鑲嵌型基因組。
研究者發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致細(xì)胞分裂過(guò)程中產(chǎn)生染色體結(jié)構(gòu)差異的主要因素是能夠在基因組內(nèi)移動(dòng)的“反轉(zhuǎn)座子”（Retrotransposon）。在人類(lèi)基因組的序列中，由名為L(zhǎng)1、Alu和SVA的3種類(lèi)型反轉(zhuǎn)座子組成的DNA序列超過(guò)了50%。研究者利用一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)反轉(zhuǎn)座子序列的測(cè)序技術(shù)，分析了人腦不同部位細(xì)胞的反轉(zhuǎn)座子的插入情況，鑒定到7000多條體細(xì)胞L1插入，13000多條體細(xì)胞Alu插入和1000多條體細(xì)胞SVA插入；由于這些反轉(zhuǎn)座子在編碼基因序列不同位置的插入，導(dǎo)致了腦部體細(xì)胞基因組的“鑲嵌性”。
據(jù)估計(jì)，大約有44%—63%的正常人腦組織細(xì)胞受到反轉(zhuǎn)座子插入的影響。也就是說(shuō)，反轉(zhuǎn)座子在細(xì)胞分裂過(guò)程中的隨機(jī)插入導(dǎo)致了機(jī)體各種體細(xì)胞普遍攜帶了具有大大小小DNA片段差異的鑲嵌型基因組。
按照發(fā)育生物學(xué)的觀點(diǎn)，多細(xì)胞生物在其組織和器官形成過(guò)程中，每一種特定類(lèi)型的體細(xì)胞通常都是由同一干細(xì)胞或祖細(xì)胞沿著同一細(xì)胞分化路徑產(chǎn)生的；所以在該組織的同一細(xì)胞類(lèi)型中所有細(xì)胞應(yīng)該是高度一致的。根據(jù)這種“細(xì)胞同一性”原則，胰島組織中負(fù)責(zé)分泌胰島素的β細(xì)胞群體中的細(xì)胞應(yīng)該是彼此相同的。但是，不久前的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，成年小鼠的胰島β細(xì)胞可以根據(jù)一種Flattop蛋白的表達(dá)與否分為兩個(gè)亞群，其中不表達(dá)這個(gè)蛋白的β細(xì)胞數(shù)量占β細(xì)胞總數(shù)的20%左右；研究者認(rèn)為，不表達(dá)該蛋白的屬于未成熟的β細(xì)胞，因?yàn)樗鼈儗?duì)葡萄糖刺激的響應(yīng)與表達(dá)該蛋白的β細(xì)胞相比要差很多。
由此可以看到，組織中同一類(lèi)型的細(xì)胞并不服從細(xì)胞同一性原則，每種細(xì)胞類(lèi)型可能都是由高度不均一的細(xì)胞群體所組成，表現(xiàn)出組織的細(xì)胞鑲嵌性。換句話(huà)說(shuō)，多細(xì)胞生物組織上每種類(lèi)型的細(xì)胞群體中不同細(xì)胞之間存在著差別，而這種同類(lèi)細(xì)胞間的差別與機(jī)體的生理或者病理活動(dòng)是緊密相關(guān)的。
細(xì)胞類(lèi)型的最主要特征是其特定的基因表達(dá)譜，不同的細(xì)胞類(lèi)型具有不同的基因表達(dá)譜。但是，過(guò)去由于研究技術(shù)的限制，研究者不能分析同一細(xì)胞類(lèi)型中不同細(xì)胞之間的基因表達(dá)譜。根據(jù)細(xì)胞同一性原則，人們傾向于相信，在同一組織的同一種類(lèi)型細(xì)胞群體中，每個(gè)細(xì)胞具有的基因表達(dá)譜是高度一致的。隨著核酸測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，研究者今天能夠在單細(xì)胞水平上分析基因表達(dá)譜。這種單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)為人們認(rèn)識(shí)組織細(xì)胞間的不均一性提供了有力的分析工具。
不久前，研究者分析了人體肝組織近10000個(gè)單細(xì)胞基因表達(dá)譜，在2500多個(gè)肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞（Hepatocytes）的3300多個(gè)基因的表達(dá)中，有41%的基因表現(xiàn)出在肝臟不同空間位置分布的表達(dá)差異，表明這些肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞之間存在著高度的異質(zhì)性。也就是說(shuō)，如果我們按照單細(xì)胞基因表達(dá)譜的差別來(lái)劃分細(xì)胞種類(lèi)的話(huà)，那么人體的細(xì)胞種類(lèi)就不再是200多種，而將是成千上萬(wàn)種，甚至更多。
在多細(xì)胞生物從胚胎發(fā)育到個(gè)體生長(zhǎng)、再到個(gè)體衰老的過(guò)程中，同一細(xì)胞類(lèi)型中的不同細(xì)胞也常常會(huì)形成不同的差別。我國(guó)科學(xué)家通過(guò)單細(xì)胞RNA測(cè)序技術(shù)對(duì)人類(lèi)胚胎期腎臟發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)從胚胎早期到晚期的發(fā)育過(guò)程中，一類(lèi)稱(chēng)為帽狀間質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞群體可以分為兩個(gè)亞群，一群表現(xiàn)出干細(xì)胞自我更新相關(guān)的基因表達(dá)特征，另一群則表現(xiàn)出腎臟上皮細(xì)胞的基因表達(dá)特征。
對(duì)不同年齡的小鼠免疫細(xì)胞的單細(xì)胞測(cè)序發(fā)現(xiàn)，在年輕老鼠的同類(lèi)型免疫細(xì)胞中，各個(gè)細(xì)胞之間的基因表達(dá)譜基本一致，沒(méi)有明顯的差異；但在老年鼠的同類(lèi)型免疫細(xì)胞中，各個(gè)細(xì)胞之間的基因表達(dá)差異則明顯增加。這些結(jié)果表明，機(jī)體的組織細(xì)胞的鑲嵌性并不是一種靜態(tài)的特征，而是隨著生命的發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行著動(dòng)態(tài)的改變。
由此可以看到，隨著研究技術(shù)的發(fā)展，尤其是單細(xì)胞分析技術(shù)的出現(xiàn)，研究者對(duì)機(jī)體中細(xì)胞群體的分析精度大為提高，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)觀念——從兩個(gè)同一性原則來(lái)理解和解釋多細(xì)胞生物的細(xì)胞構(gòu)成——過(guò)于簡(jiǎn)單化。為此，英美科學(xué)家牽頭啟動(dòng)了一個(gè)名為人類(lèi)細(xì)胞圖譜的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，其目標(biāo)是從分子水平來(lái)精確分析和確定人體的所有細(xì)胞類(lèi)型。需要指出的是，這種技術(shù)的進(jìn)步實(shí)際上是否定了基于還原論的確定性思維模式，提醒人們要從不確定性的角度認(rèn)識(shí)生命的復(fù)雜性——組成個(gè)體的體細(xì)胞基因組里廣泛存在著許多隨機(jī)的變異；而且同一組織細(xì)胞類(lèi)型里不同細(xì)胞之間的基因表達(dá)譜和蛋白質(zhì)組分也往往有著許多動(dòng)態(tài)的差異。
20世紀(jì)誕生的分子生物學(xué)讓研究者能夠進(jìn)入到分子層面去研究和理解生命。在那個(gè)時(shí)代，研究者對(duì)生命的研究和理解偏重于定性——發(fā)現(xiàn)基因和蛋白質(zhì)的類(lèi)型、分析它們的結(jié)構(gòu)和功能?？墒聦?shí)上，生物大分子的數(shù)量變化是不能被忽略的，細(xì)胞里存在的每一種生物大分子都擁有著或多或少的分子拷貝數(shù)，例如，肌動(dòng)蛋白的分子拷貝數(shù)可能達(dá)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)，而某些轉(zhuǎn)錄因子的分子拷貝數(shù)可能只有幾十個(gè)?？梢赃@樣說(shuō)，在細(xì)胞內(nèi)不存在只有一個(gè)分子拷貝的生物大分子種類(lèi)；每一種生物大分子在細(xì)胞里都是一類(lèi)分子集合體，即具有一定的濃度，而且濃度及其改變與生命活動(dòng)是緊密相連的。當(dāng)我們研究生物大分子的行為和功能時(shí)，不僅需要對(duì)它們進(jìn)行定性研究，而且需要進(jìn)行定量研究。
生物大分子首先在數(shù)量方面存在著隨機(jī)的變化，不僅特定的生物大分子有特定的濃度，而且其分子濃度通常是處在動(dòng)態(tài)變化之中。在細(xì)胞里的每一個(gè)時(shí)刻，總會(huì)有一些RNA或者蛋白質(zhì)分子被降解，同時(shí)又總是有一些在合成中。也就是說(shuō)，一種生物大分子的分子拷貝數(shù)存在著一定的波動(dòng)。還要強(qiáng)調(diào)的是，在同一種生物大分子集合體內(nèi)，并不是每個(gè)分子的活性是完全一樣的，有的分子活性會(huì)高一點(diǎn)，有的則可能低一點(diǎn)。造成這種相同分子之間活性差異的原因有很多，化學(xué)修飾往往就是一個(gè)主要因素；假設(shè)有一種mRNA或者蛋白質(zhì)擁有成百上千個(gè)拷貝，如果要對(duì)這些分子拷貝上的某個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)特定的化學(xué)修飾，往往在修飾過(guò)程中某些分子沒(méi)有被修飾上，或者修飾的位點(diǎn)不一樣；這些在修飾過(guò)程中存在著差別的分子顯然也可能造成分子活性的差別。
化學(xué)修飾造成分子活性差別還比較容易理解，而生物體有時(shí)產(chǎn)生分子活性差別的方式會(huì)超出人們的預(yù)料。過(guò)去人們認(rèn)為，在每次轉(zhuǎn)錄活動(dòng)中，按照同一個(gè)起始密碼和同一個(gè)終止密碼的標(biāo)準(zhǔn)，在同一個(gè)基因上合成出來(lái)的所有mRNA拷貝（稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄本）的序列長(zhǎng)度應(yīng)該是一樣的。但是，不久前一項(xiàng)對(duì)酵母細(xì)胞mRNA鏈的序列分析發(fā)現(xiàn)，許多編碼基因竟然出現(xiàn)了這樣的反常現(xiàn)象——同一個(gè)基因表達(dá)出來(lái)的轉(zhuǎn)錄本彼此之間核苷酸序列長(zhǎng)度有著明顯的差別，平均一個(gè)編碼基因可以產(chǎn)生26種序列長(zhǎng)短不一的轉(zhuǎn)錄本“同型物”（Isoforms）；以至于研究者這樣總結(jié)道：同一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象看起來(lái)是一種規(guī)律而不是一個(gè)例外。
這種生物大分子組分在數(shù)量和活性上具有的隨機(jī)波動(dòng)性被稱(chēng)為“生物學(xué)噪音”（Biological Noise），主要表現(xiàn)在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中。研究者發(fā)現(xiàn)，在原核細(xì)胞中，噪音對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的影響不大，主要是影響蛋白質(zhì)的合成水平；而在真核細(xì)胞中，噪音則可以顯著地影響基因表達(dá)水平。通常把生物學(xué)噪音的來(lái)源分為兩種：外在噪音（Extrinsic Noise）和內(nèi)在噪音（Intrinsic Noise）。前者主要是由于同一種類(lèi)細(xì)胞之間全局性的“個(gè)體差異”所導(dǎo)致的基因表達(dá)水平和蛋白質(zhì)合成水平的波動(dòng)。后者則是指細(xì)胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯等生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的隨機(jī)擾動(dòng)，如啟動(dòng)子激活和滅活時(shí)間響應(yīng)的快慢差異，或者合成反應(yīng)和降解反應(yīng)的速率差異等；這些內(nèi)在噪音也同樣也能夠?qū)е耺RNA或者蛋白質(zhì)豐度的隨機(jī)變化。
生物學(xué)噪音導(dǎo)致的一個(gè)重要生物學(xué)現(xiàn)象就是，基因表達(dá)水平與蛋白質(zhì)合成水平之間的數(shù)量關(guān)系屬于相關(guān)性不高的非線(xiàn)性關(guān)系。過(guò)去人們認(rèn)為這二者的豐度變化關(guān)系是線(xiàn)性的，即基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA拷貝數(shù)多，則相應(yīng)的蛋白質(zhì)合成水平就高；反之，前者少的時(shí)候后者也少。但是，在對(duì)酵母細(xì)胞、大鼠和人體肝細(xì)胞等不同種類(lèi)生物體的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析中，研究者觀察到，mRNA表達(dá)水平和相應(yīng)的蛋白質(zhì)豐度之間的相關(guān)性并不高。
不久前，一項(xiàng)對(duì)大腸桿菌的單分子研究發(fā)現(xiàn)，基因表達(dá)水平和蛋白質(zhì)表達(dá)水平一方面受到不同細(xì)胞間整體差異之外部噪音的影響，另一方面還受到細(xì)胞的內(nèi)部噪音的影響，導(dǎo)致二者的濃度呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系；研究者由此得出這樣一個(gè)結(jié)論：“對(duì)任何一個(gè)給定的基因而言，在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)拷貝數(shù)和mRNA拷貝數(shù)之間沒(méi)有相關(guān)性”。這種非線(xiàn)性關(guān)系為確定細(xì)胞類(lèi)型和研究細(xì)胞功能帶來(lái)了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在的細(xì)胞分型基本是利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)的基因表達(dá)差異來(lái)確定，如果同時(shí)測(cè)量其相應(yīng)的蛋白質(zhì)表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)二者的豐度關(guān)系不一致甚至是相反時(shí)，又應(yīng)該按照什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞的分型？
“噪音”通常被視為一個(gè)帶有負(fù)面含義的詞。對(duì)生命而言，它意味著在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯等重要的生命活動(dòng)中存在著一種不確定性的擾動(dòng)，對(duì)生命是沒(méi)有好處的，應(yīng)該要被消除的。但是，現(xiàn)有的研究表明，生命中的噪音不僅難以消除，而且對(duì)生命也有著積極的意義，常常具有許多重要的生物學(xué)功能。一般而言，在DNA復(fù)制過(guò)程中，生物學(xué)噪音往往引發(fā)隨機(jī)突變的產(chǎn)生，為生命的演化提供原材料；在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，生物學(xué)噪音可以利用細(xì)胞的正反饋機(jī)制來(lái)放大信號(hào)，從而幫助細(xì)胞做決定；生物學(xué)噪音在生物體的節(jié)律性（生物鐘）的調(diào)控方面也扮演了重要的角色。
此外，雖然生物學(xué)噪音可以由細(xì)胞間的差異產(chǎn)生，但生物學(xué)噪音同時(shí)可以用來(lái)維持和加強(qiáng)細(xì)胞的個(gè)體差異特征；最近一篇文章系統(tǒng)地總結(jié)了植物細(xì)胞里基因表達(dá)噪音的生物學(xué)功能，指出基因表達(dá)噪音能夠幫助植物在發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生不同類(lèi)型的細(xì)胞，同時(shí)還允許一部分植物細(xì)胞隨機(jī)進(jìn)入環(huán)境應(yīng)激準(zhǔn)備狀態(tài)，進(jìn)而為植物提供了一種應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的新型適應(yīng)機(jī)制。德國(guó)研究者不久前發(fā)展了一種新型的算法，可根據(jù)單細(xì)胞RNA測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)基因表達(dá)變異進(jìn)行定量分析，能夠在不同細(xì)胞類(lèi)型或細(xì)胞狀態(tài)的細(xì)胞混合物中，揭示出參與細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)錄因子噪音活性；利用該方法確定了小鼠骨髓中控制血細(xì)胞發(fā)育的重要轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)噪音是如何調(diào)節(jié)細(xì)胞命運(yùn)的。當(dāng)前，對(duì)生物學(xué)噪音的認(rèn)識(shí)及其對(duì)生命活動(dòng)影響的研究正在成為一個(gè)新的科學(xué)前沿，有研究者甚至稱(chēng)之為“噪音生物學(xué)”（Noise Biology）。
拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）
19世紀(jì)的法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯（Laplace PS）是科學(xué)史上倡導(dǎo)決定論的著名人物；他于1814年提出了“拉普拉斯妖”的假設(shè)：如果一個(gè)智者知道宇宙中每一個(gè)原子確切的位置和動(dòng)量，并能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就能夠用物理定律來(lái)展現(xiàn)宇宙中所有事件的全過(guò)程，從過(guò)去到未來(lái)。基于還原論的生物學(xué)可以比喻為“拉普拉斯妖”在生命研究領(lǐng)域的翻版——生命是一架?chē)?yán)格遵循物理化學(xué)規(guī)律的決定論機(jī)器，只要知道的信息足夠多、足夠精確，就可以認(rèn)識(shí)和控制生命的一切活動(dòng)，就能夠消滅危害人類(lèi)的所有疾病?？梢哉f(shuō)，在分子生物學(xué)基礎(chǔ)上搭建起來(lái)的現(xiàn)代生命科學(xué)“生活”在一個(gè)決定論的世界里面，研究的目的就是要找到生命現(xiàn)象背后的確定性。在生物學(xué)中通常把這種確定性稱(chēng)為“機(jī)制”（Mechanism）。
圖片來(lái)自ck12.org
但是，縱觀地球上生命的發(fā)展過(guò)程，卻是一部充滿(mǎn)了偶然性和創(chuàng)造性的演化史；生物體作為一個(gè)開(kāi)放的非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)不斷與充滿(mǎn)不確定性的環(huán)境進(jìn)行相互作用，從早期最簡(jiǎn)單的原核細(xì)胞形式涌現(xiàn)出了今天如此豐富多彩的生命樣式。從這個(gè)意義上說(shuō)，生物學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)是，來(lái)自研究者的決定論思維與生命的偶然性特征之間的沖突。
《生物學(xué)是什么》由吳家睿撰寫(xiě)，北京大學(xué)出版社出版
注：本文來(lái)自《生物學(xué)是什么》，圖片為編者所加。文章略有改動(dòng)，參考文獻(xiàn)略去，具體的文獻(xiàn)來(lái)源，請(qǐng)見(jiàn)書(shū)籍。
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