基因相关概念引起的哲学和系统学分析

1、基因相关概念引起的哲学和系统学分析摘要：基因的概念自提出之日起就不是一成不变的，这符合提出发展成熟再发展的循环往复的概念发展规律。基因的概念引起了整体论和还原论的大讨论，这告诉我们基因已经变成了一个难以解释的东西了。它引起了关于决定性与非决定性、定域性与非定域性、整体与部分、协同与竞争、结构与功能、物质、信息、能量之间的关系。本文在先前的关于基因概念的已有讨论的基础上，结合系统科学的相关理论探讨一下几个哲学概念的相互关系。关键词：系统结构功能运动差异信息1，基因的概念演变史(如结构图所示，仅按时间顺序)基因最早的雏形称之为遗传因子(genetic factor),它是由孟德尔(Gregor M

2、endel)提出,用来指一种物质的单元或因子(anlage)作为发育出一性状的基础。从1856年到1864年孟德尔坚持以豌豆为材料进行植物杂交试验,并用统计学的方法推导出了基因分离定律和基因自由组合定律，奠定了遗传学的理论基础。1903年萨顿(W.S.Sutton18771916)和鲍维里(T.Boveri 18621915)两人注意到在杂交试验中遗传因子的行为与减数分裂和受精中染色体的行为非常吻合,他们作出遗传因子位于染色体上的萨顿-鲍维里假想。这种假想可以很好地解释孟德尔的两大规律,在以后的科学实验中也得到了证实,即被称为遗传的染色体理论。1909年丹麦遗传学家约翰逊(W.Johansen

3、 18591927)在精密遗传学原理一书中提出基因概念,以此来替代孟德尔假定的遗传因子。从此,基因一词一直伴随着遗传学发展至今。摩尔根(Thoman Hunt Morgan 18661945)和他的学生们利用果蝇作了大量的潜心研究。1926年他的巨著基因论出版,从而建立了著名的基因学说。1956年,麦克林托克(B.McClintock)在研究玉米籽粒的色素斑点时,首先提出了一个可在染色体上移动的控制因子,一个控制因子整合到一个基因位点上,可产生一种新的突变型。这些可移动的DNA片段,叫做跳跃基因。1957年法国遗传学家本滋尔(Benzer)以T4噬菌体作为研究材料分析了基因内部的精细结构,提出

4、了顺反子学说。1961年法国雅各布(F.Jacob)和莫诺(J.L.Monod)的研究成果,又大大扩大了人们关于基因功能的视野。他们在研究大肠杆菌乳糖代谢的调节机制中发现了有些基因不起合成蛋白质模板作用,只起调节或操纵作用,提出了操纵子学说。1977年,桑格(F.Sanger)在研究5x174噬菌体DNA的核苷酸序列时发现,它的同一部分DNA序列能够编码两种不同的蛋白质,即不同基因的核苷酸序列有时是可以共同的,它们的核苷酸序列彼此重叠,这样的基因称为重叠基因,它的发现修正了传统地认为各个基因的核苷酸链彼此分立的观念。1977年,杰奎(G.Jacq)等人根据对非洲爪蟾5SrRNA基因族(gene

5、 cluster)的研究,首次提出了假基因的概念。1978年,吉尔伯特(W.Gilbert)认为基因是一个嵌合体,它包含内含子(intron)与外显子(exon)两个区段,其中内含子能转录但不能翻译,能表达的外显子被不能表达的内含子一一隔开,故有断裂基因之称。1982年阮病毒的发现，证实了另一种基因的存在。第一个反转录基因(retron)是1987年由病毒学家Dhundale等在一种古老的细菌M yxococcusxanthus中通过一种叫msDNA的新型卫星DNA而发现的一个非常重要的原始反转录因子一retron(msDNA)。1991年,第一个印记基因IGF2在小鼠基因组中被发现。随后出现

6、的基因组等概念就不复述了。2，基因概念演变的分析从以上基因概念的演变史，我们可以看到一个概念的内涵和外延是如何在不断地变化的。原来基因是一个假设出来的某种非实体化的概念，直到1945年，Avery首次证明了基因存在于DNA，而非蛋白质上，这才使这个人类思维的产物找到了与经验相对应的客体。人们以为一切生命现象似乎都可以归结到基因上了，历史告诉我们这才刚刚打开了一个复杂世界的大门。后来沃森和克里克建立了DNA分子双螺旋结构模型，本泽尔提出了顺反子学说，认为在DNA上存在着顺反子、突变子、重组子，于是认为基因就是由碱基线性排列组成的。接下来人们发现基因既是它本身，又不是它本身，它不是一种粒子，不具有

7、连续性，也不是静止的，而是纠结的，是相互关联的，是结构与功能的统一体，是一个复杂的系统，于是人们从机械还原论回到了整体论上来，重新审视基因的概念。人们发现基因这个系统可以分为不同的层次，层次之间通过一定机制连接起来，同一层次之间存在着相互纠结的现象，似乎要将其一一分解开来，变得很有难度，可能一个小问题都要耗去你那短短的一生，基因将我们带入到了一个无穷的世界里来。现在我们对基因的定义是能够合成一定产物(蛋白质、RNA)的核苷酸序列。由于基因没有了固定的结构，可以突变，可以重组，可以运动，可以相互重叠，可以被分开，基因既具有定域性，又具有非定域性【5】，于是人们试图从功能上来给予其统一概念，其实单

8、独的核苷酸序列是不具有独立合成产物的功能的，它主要提供的是合成的模板，而剩余的过程还需要其他分子的参与，因此，到底基因是什么这个问题也许永远也不会有答案。基因为什么如此之复杂呢?在于基因原先提出的时候，基于的是一种还原论的统一思想，试图像物理学中的原子一样，将生物现象统一于基因，加上对与其物质客体的不确定性，因此不可避免的忽略了其复杂性。随着人们研究的深入，基因的方方面面都在不断被揭示出来，于是基因的概念不断的被修改，当人们提到基因的时候，感觉到不同的人的基因概念是不一样的，于是有人曾建议干脆去掉基因这个概念。哈佛大学的发育遗传学家William Gelbert说：我发现有时谈论基因时,很难理

9、解一些人的意思,因为我们双方的定义不一样。对于生物信息学家来说,没有一个清楚的基因定义也是很困难的。因为他们正试图用计算机程序来找出DNA上一个基因开始和结束的标记。但达成统一的定义基本也是不可能的。例如25个科学家花了两天时间开会,才找到一个大家都能同意的松散的基因定义：一个与调控区域、转录或功能序列相关联的,在基因组序列中可找到的,对应于一个遗传单位的区域。因此，我们没有必要为了一个上百年历史的概念讨论来讨论去，或许，这个概念就应该成为历史，我们应该从系统科学的角度去将遗传物质看作一个系统，对其每一个概念进行重新的审视和定义，因为基因已经不是一个简简单单的序列了，而是一个复杂的系统，这个系

10、统内部各要素之间的相互作用，相互关联，已经不是一个概念就可以解释清楚的。3，遗传物质与遗传信息遗传物质与信息之间建立联系是将信息论引入遗传学的结果。于是我们就片面的认为遗传物质的功能就是作为遗传信息的载体，因此，我们将信息的传递作为遗传学研究的主导方向，可是它本身忽略了遗传物质除了这个功能之外，还有其他的性质，简单点说，遗传信息不是遗传物质。细胞内的遗传物质是一个动态的开放系统，是由一系列生物大分子所组成的相互关联的统一体。而遗传信息的贮存仅是其功能之一，它本身还有诸如自身进化、运动、修复方面的功能。因此在此我们将细胞内的遗传物质称为遗传系统，以利用系统的分析方法对其进行考察。遗传信息是由遗传

11、系统内DNA上核苷酸的排列顺序所决定的，但是对于遗传系统而言，许多核苷酸序列仅仅作为潜在的遗传信息，处于失活状态，绝不存在一个遗传系统一下子将其所有遗传信息全部输出，表现为一个细胞表达所有的蛋白质，注意细胞全能性与此处的意义不同，全能细胞只是具有分化为各种细胞的潜能，而不是说其表达所有蛋白质。因此，如果我们忽视那些失活的核苷酸序列的信息，那么遗传系统就不是遗传信息的载体，就像我们人体的大脑可以对外界各种刺激作出反应，发出一定的指令一样，我们大脑里面事先是不存在所谓的信息的，而是通过神经元之间建立联系而发出指令的。同理，我们可以认为遗传系统预先也是不存在信息的，而是通过各个子系统之间建立联系才发

12、出指令的。正如我们所描述的，遗传系统是细胞的活动控制中心，这样我们就可以将特定输出的信息作为其指令，而mRNA成为了其指令的传送载体，而由核糖体、tRNA、ER(内质网)、GC(高尔基复合体)所组成的另一个系统就是其命令的对象，执行合成蛋白质的功能。这样遗传系统就成为了细胞这个大系统的核心系统，是细胞大系统渐进机构化的结果，这是实现系统高度有序性的物质基础。而分化的结果就使得一些细胞执行这一套指令，而另一些细胞执行另一套指令，从而出现了各种类型的组织细胞。问题就在于这些指令是如何被分配的，于是就进入了渐成论与决定论的讨论里面了。但是至少可以确定的是如果没有外界信号作用于细胞内遗传系统，那么遗传

13、系统是不可能独立的发出指令的，因此细胞分化必定需要外界的条件，而一旦出现了一些分化的细胞团体，那么问题就复杂起来了，不同的细胞团体之间必定存在协同与竞争，如有的细胞团体生长会抑制另一种细胞的生长，或者某一种细胞团体的生长会促进另一种细胞的生长。当出现的细胞类型很多的时候，细胞之间的作用就变得复杂起来，不是简单的因果链了，而是复杂的非线性关联，他们之间通过建立反应循环-催化循环-超循环的结构使得系统更能有效的利用能量，这使得我们无法建立合适的数学模型来对其进行解释。必须指出的是这里的关系包括了已分化细胞之间的关系，也包括已分化细胞与干细胞之间的关系，还有胚胎与母体之间的关系等。4，结构与功能往往

14、我们对于结构与功能的关系总是用结构决定功能来简单阐述，比如DNA的双螺旋结构决定了其作为遗传物质的功能，但是我们未考虑到功能对结构的影响，其实功能对结构的选择起到很重要的作用。功能其实是结构能否稳定存在于系统的关键因素，如果某种突变结构产生的某种功能与系统的某一功能是相抵触的，那么这个结构就会被系统所排斥，系统会通过其内部的识别机制识别出这个异常结构，从而通过一定机制清除(修复)这个结构。如果突变结构的功能是破坏系统某一结构，而使得系统功能紊乱，而不能存在于环境中，那么这个系统就会被环境所淘汰。两种情况都使得这种突变结构不被系统所选择，显然这里一种结构能否被选择，在于其功能对系统是有利还是有弊

15、，系统和环境分别作为选择压力对其进行选择。在长期的内外选择压力下，系统逐渐建立了具有一定协同功能的结构，使得系统不断向着复杂、有序、高级的方向演化。我们知道如果一个系统要进化，就必须要建立越来越复杂的结构，实现越来越高级的功能。因此，系统内部结构的改变必定会导致系统相应功能的质或量的改变，如果改变使得系统内部功能紊乱，或者使系统对外(环境或其他系统)关系发生不利变化，那么这样的改变就不会被系统或环境所选择。现在来分析功能的强弱与结构的关系。结构的差异主要体现在以下几个方面，一是其本身构成的基本元素(不是化学中的元素)，不同元素构成的系统的功能天差地别；二是构成元素的种类，种类不一样，系统功能不

16、一样；三是构成元素的的线性排列方式；四是这些元素构成系统的方式(主要是空间拓扑结构)，比如许多系统构成的方式是拓扑结构，例如网络结构。根据一般系统论，系统都具有明显的层次序列，而且各层次之间都具有一定的信息连接结构，各层次之间存在所属或并行关系，因此层次序列越清楚，分叉越细，各层之间的联系越紧密，那么系统的结构就越稳定，系统的有序性越强，组织性越高，功能相应的越强【11】。举两个例子，我们知道一般的蛋白质都具有四级结构，构成蛋白质的基本元素是氨基酸，由氨基酸的线性排列构成蛋白质的一级结构，显然，氨基酸的几个种类、排列方式决定了其一级结构，随后其一级结构的某些碳链骨干的空间排列方式就形成了其二级

17、结构，几个二级结构在空间紧密排列形成三级结构，然后几个三级结构形成其四级结构，在蛋白质的结构中，存在某些重要的功能结构比如模体、结构域等，其他结构对维持功能结构起到重要的作用。再比如一个国家的行政机构的构成，从上级到下一级都表现出严格的层次性，这是国家这个系统自然而然形成的，具有必然性。其他的像昆虫的某些社会也具有严密的组织性，在此不做详细阐述。5，结构与差异如果说世界上不存在两片完全相同的叶子是正确的，那么世界上不存在两个完全相同的结构就是正确的。因此，结构与差异性是分不开的，差异是结构的根本属性，而结构是物质的存在方式，没有结构就没有差异性，除非这个世界是绝对的均一和对称的。结构分为空间结

18、构、时空结构、思维结构等。时空结构就是我们所说的过程，过程是空间结构运动的总和。空间结构是过程的瞬时表征。因此，没有运动就没有时间，没有时间，就没有过程。那么运动与时间、空间之间具体的关系是什么呢?其实相对论已经给出了一定解释，时间、空间二者之间是相互关联的，时间是空间结构运动的反映。因此差异是DNA结构的根本属性，是其作为遗传物质的基础，没有差异，就没有多样性，就不可能成为解释生命的密码，正是DNA的不同区域的巨大差异性，使得其具有了产生不同信息的功能。而其差异性正是建立在DNA的结构上的。6，差异与运动运动是事物的根本属性，运动是物质的，物质必是运动的。物质的运动可以被感知，无论是量变，还

19、是质变，是渐变，还是突变都可以通过我们的意识所反映，但是是什么告诉我们物质在运动的呢?我们知道差异性可以分为时空结构(过程)上的差异和空间结构上的差异等，那么差异性又和运动有什么关系呢?事实上，我们对运动的感知是建立在任意时间间隔前的状态与该间隔后状态的对比上的，如果在任意取的时间间隔内，物质的前一状态与后一状态没有区别，那么我们就不可能感受到物质在运动，自然也就不能得出物质在运动的结论。因此，我们承认物质在运动，就承认了物质在时间轴上的状态的变化，即承认了物质在一段时间前后的状态差异。通过以上分析，我们知道时空结构上的差异是由运动产生的，但是运动并不一定引起差异，而空间结构的差异是时空结构在

20、某一时刻组成的集体表征，同样是由运动产生的。因此，差异性来源于运动，差异是运动的表征。因此，物质、运动、结构、差异的关系可以表示如下：物质结构运动差异差异是结构的根本属性，结构是物质的存在方式，运动是物质的根本属性，是结构的运动，而差异来源于物质的运动，或者说来源于结构的运动。细胞内的遗传系统在时间结构上和空间结构上都存在差异，其中基因突变、染色体畸变、基因互换重组、以及跳跃基因是稳定遗传系统差异的主要来源。复杂的结构差异性是结构多样性的来源，因此也是功能多样性的来源。所以说遗传系统内部的矛盾运动才是其进化的动力，而由新生结构产生的功能能否适应系统外界环境决定了这种结构能否被选择。遗传系统内部

21、的矛盾运动产生了差异，从自组织理论的角度来讲，其实这种差异是涨落的来源，涨落使得系统的状态在定态周围波动，如果某种形式的运动使得结构产生了突变，那么在系统内部各子系统之间的非线性作用下，以致这种结构减弱或失去了某种功能，或者过度增大某种功能，小涨落变为巨涨落，那么就会使系统进入到另一个新的定态【13】，比如使得成熟的细胞回到了其未分化状态，表现为这种细胞具有无限增值的功能，即细胞发生了癌变。癌变可以由于原癌基因突变、或者抑癌基因突变所致，因此，遗传系统至少存在两类性质的子系统，即原癌基因系统和抑癌基因系统，事实上还有促进凋亡的系统等，只要存在三个子系统，那么系统内部的作用就不是线性的，而是非线

22、性的，因此，整个系统的变化，不可能只由于一个子系统改变的缘故，而与其他子系统肯定有关系。比如在正常人体细胞，基因突变是正常的一种现象，但是它不会造成细胞的癌变，这是因为遗传系统本身存在一个自我修复子系统，只要发生突变，这个修复子系统就会去除突变，即使细胞癌变了，也会由体内存在的固有免疫细胞或淋巴细胞清除。总之，由于细胞遗传系统是由各个子系统相互作用，相互纠结组成的整体，因此，细胞的状态的突变才具有类似于经济学中的多米诺骨牌效应的特性。7，信息的特征信息成为了一个和物质、整个系统能量具有同等地位的概念是在二战之后，1948年申农创立了信息论，标志着信息时代的来临。信息在信息科学里被定义为不确定度

23、的减少，是一种负熵【12】。但是，在我们生命科学里，或医学里信息用上述概念则失去了其意义，这说明了信息定义的相对性，不同的领域对信息的理解是不同的，所重视的信息性质是不同的。信息之所以能够成为信息，必须具备两个条件：其一、系统属性。要成为信息必须要有系统属性，即信息只对于系统有意义，没有了系统，信息就失去了其意义，因为只有系统才具备信息识别的功能。其二、效用性。信息一旦被系统所识别，必定会产生一定的效用，如果信息表示了系统内外的状态的改变，那么系统就会采取相应的行为。信息的性质、数量是系统内外状态的表征。系统必须要通过一定的信息识别装置，不断获得信息，以维持自身的稳定。细胞内的遗传系统必须要通

24、过其表面的信号识别受体，不断识别胞外信号，以调节自身的状态。一旦遗传系统获得了复制或表达的信息，那么其相应的子系统就会发生活化，从而通过正反馈循环机制实现一定的功能，信号同样也受到信号调节，以使其不至于持续保持作用，引起疾病。应该说一个信号系统，同时还受到其高一级的信号系统的调节。这样通过层层控制，保持着相互制约，相互纠结的状态。因此，子系统之间信息联系的紧密性是系统组织性、有序性的表征。我认为与其将NDA上的核苷酸的排列顺序作为一种信息，不如将其作为一个系统，这个系统不仅仅包含着信息系统，还包含着信息调节系统等系统，而且这个系统具有严格的层次序列，不同层次的调控规律不同，发挥的作用不同，另外各层次的激活表现为严格的有序性，而不是杂乱无章的，这是通过系统各层次之间紧密的信息网络实现的。只有这样细胞的遗传系统才能维持自己高度的组织性和有序性。细胞的遗传系统是十分复杂的，它应该具有一般系统的基本特征，也应该具有自己