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 77
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）：
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参考^https://www.ted.com/talks/michael_levin_the_electrical_blueprints_that_orchestrate_life?utm_campaign=tedspread&utm_medium=referral&utm_source=tedcomshare^abhttps://drmichaellevin.org/resources/
这个问题现在还没有被充分研究，没有办法回答。
但是如果做一些不负责任的猜想来看，这些信息并没有存在在基因里，因为基因主要还是存储单细胞内部蛋白质的序列，这些微观的信息并没有方法反映在宏观的解剖学层面。
Levin其实打过一个比方，这个有点类似于“物理学的免费午餐”。这个怎么理解呢？我们世间万物，都天然受到物理规律的支配，如果我们拿一个重物从空中松手，我不需要把重力加速度编码在球里，这个球就天然的会摔向地面，它的重力加速度是确定的，只不过重力加速度没有编码在球里，我们无论怎么研究球也得不到重力加速度的大小。
这些细胞就是利用物理学的大师，它们不需要把这些信息存在DNA上，它们只需要制造出能够“揭示出物理规律的结构”，就可以了。就像汽车，就像cpu芯片，我们只制造了结构，大自然会自动的帮我们完成工作。我们不需要指导某一个电子跑多快，它自动会做到。
当然，细胞它们会更复杂。可能最开始，整个生物电网络只是随机扰动导致电场不均匀，但是随后，整个网络会迅速通信，抹平一些异常信号，并且在总体上呈现一种特殊的极化结构。但是这种极化的生物电也会反向通过电本身，或者离子浓度梯度等等原因影响细胞的DNA的表达，比如正极会表达A基因，负极就会表达B基因。基因的表达可能会促进生物电网络的目标状态发生改变，这就形成了一种正循环，最终，这个循环会在达到某种局部最优解结束，进入现有状态和目标状态完全重合的状态。这也是发育完成的标志。当然，这个过程中有基因的表达，他们翻译的蛋白质也会影响生物电的电位模式。这个过程会越来越精细，直到形成我们这个生物体。
同时，从信息的角度来看，我们的生长发育能够稳定的长出五个手指绝对有一套精密的通信系统不断的进行反馈调节。电信号也是所有物理化学信号中唯一一个能够做到无处不在，有清晰的空间信息，以及及其精密，达到毫米级别的分辨率，同时，电信号也天生有正负极，天生可以产生布尔逻辑，可以用作计算，你可不能指望浓度，压力这些信号可以有这么高的分辨率的同时进行计算。
所以说，细胞应该不需要通过单细胞层面基因的表达来实现生物电网络的形态发生，而是电场是大自然天然存在的物质，它通过指导不同细胞每个细胞的基因表达来持续的自我演化。想通过研究单个细胞的基因表达来搞明白整个器官，生物体的整体是不切实际的，就像通过研究一个三极管里面元素如何参杂，栅极长多宽多高去研究cpu是如何运作一样。从中肯定能够得到一些相关性，但是关键不在这儿，mosfet可以换成finfet，gaafet它们结构完全不一样，但是实现了同样的功能，可以相互替换。生物可能也是这样，细胞很重要，但是对于多细胞生物来说，主角可能不是细胞
基因在单细胞水平上的“编程”通过一系列复杂的分子和生物电信号来引导生物形态的发生。这种形态发生涉及细胞如何自组织成具有特定形状和功能的组织和器官，而这种过程不仅依赖基因序列本身，还依赖于基因如何调控细胞间的生物电信号。
以下是基因在生物电网络中起作用的几个关键机制：
离子通道和生物电信号：细胞膜上的离子通道由基因编码，这些通道调控细胞内外的离子流动，形成电压梯度。这种电压梯度在细胞群中建立起生物电信号网络，这一网络可以在细胞间传递信息，帮助决定哪些细胞群将分化成不同的组织类型。例如，在再生和胚胎发育过程中，生物电信号帮助细胞定位、极化和分化，从而产生不同形态的结构。基因调控和信号转导：基因表达调控了细胞膜上离子通道和连接蛋白（如间隙连接蛋白）的表达，允许细胞间的生物电通信。基因编码的信号分子（如钙离子和电压依赖性蛋白）帮助建立细胞的电信号状态，从而控制细胞的增殖、迁移和分化。例如，研究表明钙信号路径在不同的电压区域形成时会引导胚胎发育。生物电和形态发生的反馈调控：生物电模式可以通过反馈调控基因表达。细胞膜电位的变化会通过信号转导途径影响基因表达，形成正反馈或负反馈。例如，如果一组细胞通过电信号确认自己的位置偏差，基因可以调控这些细胞改变形态、增加增殖或进行凋亡，以纠正形态变化。生物电网络的空间信息编码：在形态发生的过程中，细胞会形成电场分布来“标记”不同的身体部位，使细胞可以根据它们在电场中的位置确定自己的角色。基因编码的离子通道调控这种空间电场分布，从而为细胞提供有关其位置的信息，影响其命运和行为。例如，实验发现胚胎在生长过程中的某些细胞群可根据特定的电场模式来决定它们是形成四肢还是其他器官。总之，基因在形态发生的过程中，通过调控离子通道和信号分子，控制细胞间的生物电网络，这种网络影响细胞的增殖、分化和空间定位，从而引导形成复杂的生物结构。这种机制是基因、细胞生物电学和信号转导共同作用的结果。
