前沿综述：描述生物系统涌现行为的景观和流理

作者：杨超月

导语

生物物理杂志（Journal of Biological Physics）2022年初发布特刊《景观理论对生物学的革命性影响》以庆祝生物物理先驱Hans Frauenfelder的100岁诞辰，其中收录了美国纽约州立大学石溪分校汪劲教授的综述文章。文章对平衡生物系统的景观理论和非平衡生物系统的景观和流理论（landscape and flux theory）作为全局驱动力进行了综述。在该文中，行为的涌现、熵与自由能相关的热力学，以及速率和路径的动力学，都得到定量论证。文章还讨论了层级化组织结构。作者通过图示说明了理论在各个生物学领域的应用，涵盖蛋白质折叠、生物分子识别、特异性、生物分子演化和平衡系统设计、细胞周期、分化与发育、癌症、神经网络和脑功能、非平衡系统的演化、基因组结构动力学的跨尺度研究、景观和流的实验量化和验证等。总体而言，这为景观和流理论视角的生物系统行为、动力学与功能，提供了一个全局的、物理的和定量的图景。以下是对该综述文章中重要章节的摘录翻译和整理。

研究领域：非平衡物理学，景观和流理论，生物物理，系统生物学，涌现

汪劲 | 作者

梁金、刘培源 | 编译

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Perspectives on the landscape and flux theory for describing emergent behaviors of the biological systems

论文地址：

https://link.springer.com/article/10.1007/s10867-021-09586-5

一、导论

二、平衡景观

1. 蛋白质折叠

2. 特异性和药物发现

3. 蛋白质演化与设计

三、非平衡系统的景观和流理论

1. 非平衡景观和流作为一般动力学的驱动力

2. 状态之间的主要路径和动力学

3. 一般网络的非平衡热力学、熵和自由能

四、非平衡景观和流的例子

1. 细胞周期

2. 细胞分化

3. 癌症

4. 神经网络和大脑的功能

5. 进化

五、交叉尺度的例子

1. 基因组动力学

2. 不同尺度的层级组织

六、景观和流的实验量化

七、展望

一、导论

我们周围的世界由大量的原子和分子组成。虽然我们理解了支配这些粒子如何运动的基本定律，但这并不能自动保证，我们理解世界在具有大量基本元素的介观和宏观尺度上如何工作。例如，我们不（完全）理解生命是如何运作的，或者大气是如何运行的。P.W. Anderson 指出，多者异也（more is different）。整体的行为可能与个体行为截然不同。事实上，许多新的特征可以从区别于个体的更底层元素之间的相互作用中涌现。因此，人们预期自然法则是依赖于尺度（scale）的。不同尺度上可以有不同规律。正是在这个意义上，万物理论必须包括不同尺度上的所有法则，而不仅仅是最微观层面上的法则。从这个角度看，我们已经付出大量努力，来理解物理学、天文学、化学、生物学、地质学、经济学和社会学等不同尺度上的基本规律和机制。理解相关的复杂系统与现象所面临的巨大挑战，既有概念上的，也有数量上的。一方面，我们需要发展概念来指导理解。另一方面，我们需要开发定量方法和工具来探索和理解这些复杂系统。[1-6]

Hans Frauenfelder 教授是研究跨尺度基本规律的先驱[7-10]。他与合作者专注于生命的基本功能单元蛋白质，并试图探索结构与动力学之间的关系，以了解蛋白质如何发挥其功能。蛋白质是由成千上万个原子组成的复杂系统。即使一个人对单个原子有很好的了解，但对蛋白质作为一个整体的理解仍然非常具有挑战性。请注意，通常很难跟踪每个原子的动力学来了解整个蛋白质行为[7-10]。因此，我们应该寻找统计方法来理解这个复杂的系统，类似于从统计力学而非牛顿力学来理解液体和气体现象。

Frauenfelder 教授发展了能量景观和层级结构的概念，利用配体-血红素蛋白结合（肌红蛋白和血红蛋白）的例子来解释蛋白质的不同动力学行为[7-10]。能量景观是由单个原子之间的相互作用形成的，这些相互作用通常从微观物理学中了解到。因此这改变了研究复杂系统的概念——从追踪个体轨迹到关注系统状态的演化。系统作为一个整体可以用不同权重的状态来描述，每种状态的权重根据其底层景观的深度来确定。不同能量山谷或盆地（valley or basins）代表了蛋白质可能的功能状态，这些功能状态的重要程度则取决于其相关权重[7-10]。