基因是如何通过单细胞层级上的编程实现生物电网络的形态发生的？
2024-11-19 阅读 10
更新于 2024年11月21日
相关研究还在进行中。
这问题展示的图片是青蛙早期胚胎，不同的颜色代表不同的电位。Michael Levin 博士在 2020 年的 TED 演讲[1]里使用相关图片，提出这些图片反映电流“软件”在由基因组定义的细胞“硬件”上执行，这些生物电构成过去未被人们注意到的“生物电层”。
Michael Levin 认为，生物电是所有细胞接收和发射的电压梯度、离子流和电场携带的信号，是细胞集体做出（关于生长和形式的）决策的计算介质，生物电模式来自离子通道和间隙连接打开与关闭的复杂动力学相互作用[2]。
间隙连接/Gap junction 是细胞连接的一种，神经细胞间的间隙连接又称电突触/Electrical synapse。间隙连接允许多种小分子、离子、电信号有选择性地通过。看起来，在特定的分子梯度、力学条件、温度、酸碱度、氧合程度等条件下，细胞内进行的多种生化反应会有不同的表现（例如空间分布不均匀、时间有先后、速率不一），这会改变若干分子的分布、一些细胞器的分布、一些细胞骨架和分子机器的行为，诸如此类。离子通道蛋白、离子、电子等可以参与产生电位梯度，其分布和流动可以产生多种模式。
喜欢的话，读者大概可以说，如此产生的模式是“自组织”的、“涌现”的。Michael Levin 认为这不是简单的涌现，生物的发育模式可以承受一定范围内的扰动。我认为这种稳定性是进化的结果。
称这为“单细胞层级上的编程”可能不妥。多细胞生物的生物电模式需要大量的细胞参与。
Michael Levin 指出，我们无法从基因组中预测解剖结构——除了通过作弊：与已知基因组进行比较——而且，我们无法通过 frogolotl（青蛙细胞与蝾螈细胞组成的混合胚胎）具有青蛙和蝾螈的基因组来提前判断它是否会有腿[2]。
在上述 TED 演讲里，Levin 提到了用电改变涡虫的再生模式后该模式可长期维持的案例、改变离子通道蛋白表达让蝌蚪长出额外器官的案例、Xenobot 的案例，支持他的以下观点：
基因并不真正决定生物体的最终形态。有兴趣的读者可以看看上述 TED 演讲（CC BY -- NC -- ND 4.0 International）：
