DNA是里面包含发育过程的完整逻辑吗?

如果以软体类比(实在找不出更合适的类比方式了),DNA是类似一个资料库的参数存储系统还是类似一个包含参数及逻辑的完整运行程序的软体?

什么机制在控制、调度细胞分裂生成功能不同的组织、器官?有一个中枢系统吗?

是先发育出一个中枢系统再由这个系统根据DNA调度各个系统的发育吗?

生物学都还给老师了,说的比较乱,见谅。


终于有人问了一个好问题……平时都邀请我回答些什么民科问的东西…… 我试著好好答一下。比较长,希望我写的阅读性强。通过问题我假设题主是个程序员,具备足够的逻辑概念,但我会尽量通俗易懂,不涉及太多专业术语(主要还是因为我不转攻发展生物学,这些名词学完用不上就忘了)。


首先说明一下,和 @xi ka 说的不同,生物学对个体发育现在研究得比较清楚,至少一个完整、有逻辑性的过程是有的。生物学中研究一个受精卵如何发育成为一个生物个体的领域叫做发展生物(developmental biology)。其中研究基因对发育影响的叫分子发展生物学,研究环境对生物影响的叫环境发展生物学。对于一个生物个体来说,分子(基因)和环境的影响都很重要,哪一个都不能被忽视。

解释几个词,

性状:一个个体表现出来的样子

基因:有功能性、可表达的DNA片段

表达:基因起到它规定的作用的过程

DNA是里面包含发育过程的完整逻辑吗?DNA是类似一个资料库的参数存储系统还是类似一个包含参数及逻辑的完整运行程序的软体?

我对编程一窍不通,所以我不能确定这里的「逻辑」该怎么理解。

如果理解为「基因的表达方式和表达顺序」的话,那答案比较模棱两可。一个受精卵的基因组包含了这个生物个体发育发展和生存所需要的一切基因,但基因在胚胎发育阶段的表达顺序并不完全受胚胎基因组的控制。这个地方先留一下,后面再解释。

什么机制在控制、调度细胞分裂生成功能不同的组织、器官?有一个中枢系统吗?

有,但这个「中枢系统」实际上是一个规律,不是细胞里的实体。这个规律由大自然最基本的能量消耗所支配,是大自然在最初几十亿年里的不断试错的结果。基因的表达是基因型和环境影响的共同结果,遵循的最基本的规则是中心法则

最基本的中心法则(Central Dogma)。出处:我用Photoshop做的。随便转,网上一搜一大把。

中心法则由华生和克里克在发现DNA之后提出,主要有来解释DNA是如何被表达的。在后期,中心法则被补充多次,补充内容主要与病毒有关,所以这里我就忽略了。

先打一个所有人都能懂得比方:假如一个生物个体是一个房子,那DNA就是这个房子的设计蓝图。RNA就是房子的模型和建筑师对图纸的理解,各种蛋白质就是砖瓦。最后房子完工后什么样可能会因为环境、资金、客户需求等等而改变,但房子再怎么变,如果工程师和建筑队都合格的话,完工的建筑都不会与图纸相差太远。

受精卵首先需要自我复制并达到一定数量才能成为可发育成个体的胚胎。在受精卵分裂的过程中,DNA这张图纸会运用来自母体卵细泡里的各种酶进行自我复制并分配到各新细胞里(要不然新形成的细胞没图纸了咋建房子啊是不),这就是中心法则的第一个箭头,从DNA指向DNA。

当受精卵分裂到一定数量以后,细胞就可以分化了。细胞分化时需要DNA的表达。首先DNA需要有多个可以在细胞内被大量阅读的方式。因为一个细胞里只有一张图纸(一套基因组),而且为了保护这张图纸,它只能被关在一个限制通行的狭小的图书馆里(细胞核)。同时这张图纸并不是所有的部分都会在同一时刻被需要、起到作用,而且图纸上还有大量的、对最终表达结果没有任何作用的批注。所以要被大量并且高效地传阅,DNA就需要被审阅、转录。转录出来被各个工程师(核糖体)传阅利用的叫做RNA。这就是中心法则的第二个箭头,从DNA指向RNA。

工程师(核糖体)拿到图纸之后就可以造砖造瓦(蛋白质)了。这些砖瓦从最基本的泥土(氨基酸)造起,被按压成型后成为功能性单位,或被分配到细胞中各个部分,或被嵌入细胞膜,或被分泌到细胞外。这个由转录的RNA图纸成为砖瓦蛋白质的过程叫做翻译,翻译的过程也好理解:工程师核糖体拿著字典(tRNA)一个个对著RNA上的记录添加要用的氨基酸。这是中心法则的第三个箭头,从RNA指向蛋白质。

基因在胚胎发育阶段的表达顺序并不完全受胚胎基因组的控制?

这里的关键词是「胚胎基因组」。

胚胎发育最初的基因表达受到的是来自母体卵子的物质的控制。基因的表达永远不是自发的,一个图纸不会自己转录自己。触发DNA表达路径的是环境和其他基因。对于一个受精卵来说,最初复制的动力来自精子和卵子的结合瞬间。精子一头扎进卵子时会触发一系列化学反应,卵子内的各种物质也会因此重新分配,形成浓度梯度。一个常见的比喻就是一盆飘著油的水。往盆的一边滴一滴洗洁精,你会看到什么?油花跑向另一边。卵子内各种物质的重分配和这个差不多。

这个浓度梯度会影响到受精卵的分裂方向,从而影响到分裂后各个子细胞的基因表达,因为宏观上来看浓度梯度会在受精卵分裂后得到保持,每个细胞里的同一种物质的浓度会不同。子细胞里的基因会根据各个物质的浓度表达出不同的程度(主要是数量),有的物质还会抑制另一种物质对基因的作用,所以最终在各个细胞开始分化前,各个细胞内的成分已经开始不同了。这些不同成分细胞因此在继续发展过程中会向著不同的方向发展,这个过程叫分化

在分化过程中,胚胎依旧会受到著名的母体效应(maternal effect):子代的性状不由自己的基因和环境决定,而由母亲的基因和环境决定。

比较著名的是蝇类的bicoid蛋白质。这个基因如胚胎首尾分化有关,并遵守母体效应。虽然胚胎中会有这个基因,但胚胎所利用的bicoid RNA由母亲提供,从胚胎一端进入并扩散、翻译、表达产生作用。如果一个雌蝇个体bicoid基因变异了,那她依旧会有头部并活得很好,但她的后代就不一样了……没有这个雌蝇提供的的bicoid RNA,只能分化不出头部并死亡。

遵从母体效应的基因可以提供RNA,也可以提供蛋白质。这些物质被最终表达以后还会继续影响胚胎的其他基因表达,进一步形成其他表达产物的浓度梯度,从而影响胚胎个体的身体规划(body plan)和更多与身体规划有关的基因,促使各部分细胞分化形成器官。

那环境是怎么回事??

根据知乎著名语式,我关于进化形成的口头禅是「和进化有关的讨论,任何只讲基因不讲环境的都是耍流氓」。一个生物个体在发育发展过程中,环境对性状的影响比基因的影响深远得多,尽管并不是所有的影响都可遗传

环境对基因的影响表现为一个染色体的结构蛋白对基因的修饰。我们大多数都了解DNA的双螺旋结构,但很多人可能不了解染色体和DNA的关系(或者都还给生物老师了hhhh)。继续先前的比喻,DNA是蓝图,那染色体就是装著这张蓝图的书橱,一个染色体的结构蛋白(组织蛋白)就是这个书橱的一层层书架。虽然染色体的具体结构细节去年有文章出来修改,但整体而言没有巨大改动:

DNA、组织蛋白、染色体 来源:https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms/def/chromosome

不要怕英文,你只需要注意DNA和染色体之间的那一段就好。Histone(组织蛋白)就是我们说的书架,8个为一个单位,为DNA提供一个缠绕的落脚点,在细胞分裂时,DNA和组织蛋白构成的nucleosome(核小体)继续缠绕压缩成为染色体以方便分配。

环境对DNA的影响就作用于DNA的落脚点——组织蛋白。每个组织蛋白有一个尾巴,在特定环境下,这些尾巴会缠绕在DNA上,控制外界与DNA的接触,控制基因的表达。这种控制可以促进基因表达,也可以阻碍基因的表达。这种控制方式叫做基因标记,研究这类可遗传的表观修饰的领域叫表观基因学

表观基因修饰可遗传,是环境影响遗传的重要表现,但是!!!不影响基因型!!!不影响基因型!!!不影响基因型!!!表观基因修饰不是永久性修饰,可遗传若干代,但在环境改变后也会变化。这个不需要举什么牛逼模型生物的例子,看看人就行:

帅世民:饥荒过后:容易发胖的一代?

zhuanlan.zhihu.com图标

饥荒过后的新生代易发胖、长寿,就是基因标记的锅(但也别怪你爸妈……你的体型你决定)。

那环境对于胚胎/幼体的发育会有影响吗?

会的。水蚤是最著名的例子:

水蚤的不同头部 来源见图

一群基因型相同的水蚤幼体在天敌数量不同环境下会有不同的头部。天敌少的时候,发育完全的水蚤会像右边一样有一个圆的头,而在天敌多的时候,同样基因型的水蚤会长出尖头用来防御。这不是因为水蚤自主改变身体构造的结果,而是环境中天敌分泌的化学物质对水蚤基因表达的影响

和胚胎有关的例子很简单:怀孕和药。众多药物说明书上都会有一句「孕妇请遵循医嘱」或者「孕妇慎用」,这是因为很多药物成分会对基因有影响。外来的化学物质一旦进入细胞核会直接改变基因,就像一把火烧了一个图书馆之后,如果缺少原本,再修复也会很麻烦;即使有原本,大量的修复工作量也导致错误发生。在DNA上犯错就是常说的基因突变,而基因突变在很多情况下表达产生的是没有功能性或功能残缺的蛋白质,有的甚至连转录都不可能。已发育完全的个体在数量上可能可以对这些影响形成抵抗,但遇到更危险、作用更大的化学物质也会沦陷、癌变。一个胚胎的细胞数量远远不够,这时候的影响会更深远,比如发育后畸形甚至直接停止发育,死亡。

夹点私活就是吸烟喝酒的在孕妇身边长点心,当然,为了你们自己的命也长点心,最好的就是饮酒适度、别他妈的碰烟!


我能想到的就这些。我本科主攻生物和英语文学,对编程一窍不通,所以没有任何和编程有关的比方,但我希望我写的足够易读。

本科毕业,正在实验室打工准备申博,所以如果有大神发现我的回答的不足之处,请予以指正,谢啦!


我是学习生态学的本科生。看到这个问题,虽然学过遗传学,但是想想,还是很难回答,因为这个问题非常地接近源头(origin)。

这像是个「先有鸡还是先有蛋」的问题——是最上游的DNA先开启调控,使得受精卵开始分裂呢,还是受精卵的理化环境诱导了DNA最上游的调控开关开启?也许是两者的互作,「在有鸡蛋的时候,鸡几乎也产生了」。

DNA更像是一个资料库 和 下指令的。

DNA像资料库是因为存储了大量遗传信息。

DNA像一个下指令的,是因为DNA双螺旋中有一些序列构成「启动子」,是开启接下来的一系列、有各种各样产物的总开关;DNA还能和根据细胞环境让特定的启动子开启转录。比如说,在昆虫的受精卵中,受精卵发育的早期,整个一团细胞哪边发育成头,哪边发育成胸、腹,是依据细胞里某种化学物质的浓度来分辨的。这种化学物质越多,就是越靠近头。这样,DNA就能根据细胞环境里这种化学物质的浓度,调控「头」相关的启动子开始工作。

这个问题属于遗传学发育生物学的范畴,建议题主换一换问题分类……「基因」、「分子生物学」离这个问题有点远。


其实我更好奇蛋生的脊椎动物,他们是怎么发育的


你千万不能拿软体去类比,那会让你完全懵逼。

软体是从一个明确的目标出发,为了实现某个功能,设计出来的。

基因是完全依赖随机的突变而形成,然后不利于生存者一世休,能够生存者继续繁衍。

也就是说它在演化的时候,不会思考,这完全不像写软体。

就好像你写一个只有一行的脚本,它能解决两个二进位的整型变数的加法运算,然后编译成二进位可执行文件,再打出来,变成一大堆0和1。然后你找一万只猴子,每个猴子蒙上眼睛,随意地对这个文件进行一些修改,成为一万份新文件。你试著运行它们,看看哪一个比旧文件的功能强了一点,把它复制一万次,打出来,再交给瞎猴子去改,再运行,再挑选,再让瞎猴子去改。重复很多次以后,这个东西被瞎猴子们改成了阿尔法狗。

然后你发现这个软体好神奇啊,决定反编译一下。你想想反编译这个东西有多难,你就明白生物学家的研究有多难了。


先挖坑。发育是一个非常精密有序的过程,在空间和时间上高度有序。这种有序性相当程度上依赖于受精卵自身携带的来源于精子和卵子的已有RNA。题主可以自行先看看果蝇发育的内容,其余的我回头写哈。


chemotaxis + molecular/cell cycle clock+ genetic circuits


不用搞那么复杂的名词学术引用。来猜想是否遗传信息,在适应环境下,按照进化这久的规律的必然?如熟知各种分子结构性能,然后进行复杂的交换形成一个个系统,平衡而又开放交换著。最底层的遗传信息固定了会不停走向最后的表达体。到成长固定,老化。或许可以用数学和数据来描述和推演。需要庞大的数据来AI学习。最终建立模型和标准化。如分析得出黑洞照片一样。思路可行否?


如果类比软体,DNA是一个早期的程序,数据和代码不分家那种机构的。

具体的发育过程的逻辑,据我所知,目前还没研究明白。 祖师爷图灵大人研究过,但是那个时代太早期 ,科技水平决定了没有什么大成果。


这个问题太大了,要一两本书来回答详细,而且很多都是假说,需要不断被证实和证伪

简单直接的回答你的问句,问句:

DNA是里面包含发育过程的完整逻辑吗?个人认为包含完整逻辑。但是需要一些外部辅助,早期需要受精卵里的蛋白质,RNA和其它营养物质,对于胎生哺乳动物,胚胎后期需要子宫的环境,最重要的就是胎盘的形成。

如果以软体类比(实在找不出更合适的类比方式了),DNA是类似一个资料库的参数存储系统还是类似一个包含参数及逻辑的完整运行程序的软体?个人认为是软体。不懂编程,这个和上个问句的区别在哪里?请教一下。软体是包含一个参数库和一个运行逻辑库吗,然后根据逻辑进行运算的时候去调用参数?

什么机制在控制、调度细胞分裂生成功能不同的组织、器官?有一个中枢系统吗?这个问题远远未知,假说阶段。是先发育出一个中枢系统再由这个系统根据DNA调度各个系统的发育吗?

生物学都还给老师了,说的比较乱,见谅。不用不好意思,你的中学,大学老师都不知道,远远未知。


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