DNA是裡麪包含發育過程的完整邏輯嗎?

如果以軟體類比(實在找不出更合適的類比方式了),DNA是類似一個資料庫的參數存儲系統還是類似一個包含參數及邏輯的完整運行程序的軟體?

什麼機制在控制、調度細胞分裂生成功能不同的組織、器官?有一個中樞系統嗎?

是先發育出一個中樞系統再由這個系統根據DNA調度各個系統的發育嗎?

生物學都還給老師了,說的比較亂,見諒。


終於有人問了一個好問題……平時都邀請我回答些什麼民科問的東西…… 我試著好好答一下。比較長,希望我寫的閱讀性強。通過問題我假設題主是個程序員,具備足夠的邏輯概念,但我會盡量通俗易懂,不涉及太多專業術語(主要還是因為我不轉攻發展生物學,這些名詞學完用不上就忘了)。


首先說明一下,和 @xi ka 說的不同,生物學對個體發育現在研究得比較清楚,至少一個完整、有邏輯性的過程是有的。生物學中研究一個受精卵如何發育成為一個生物個體的領域叫做發展生物(developmental biology)。其中研究基因對發育影響的叫分子發展生物學,研究環境對生物影響的叫環境發展生物學。對於一個生物個體來說,分子(基因)和環境的影響都很重要,哪一個都不能被忽視。

解釋幾個詞,

性狀:一個個體表現出來的樣子

基因:有功能性、可表達的DNA片段

表達:基因起到它規定的作用的過程

DNA是裡麪包含發育過程的完整邏輯嗎?DNA是類似一個資料庫的參數存儲系統還是類似一個包含參數及邏輯的完整運行程序的軟體?

我對編程一竅不通,所以我不能確定這裡的「邏輯」該怎麼理解。

如果理解為「基因的表達方式和表達順序」的話,那答案比較模稜兩可。一個受精卵的基因組包含了這個生物個體發育發展和生存所需要的一切基因,但基因在胚胎髮育階段的表達順序並不完全受胚胎基因組的控制。這個地方先留一下,後面再解釋。

什麼機制在控制、調度細胞分裂生成功能不同的組織、器官?有一個中樞系統嗎?

有,但這個「中樞系統」實際上是一個規律,不是細胞裏的實體。這個規律由大自然最基本的能量消耗所支配,是大自然在最初幾十億年裏的不斷試錯的結果。基因的表達是基因型和環境影響的共同結果,遵循的最基本的規則是中心法則

最基本的中心法則(Central Dogma)。出處:我用Photoshop做的。隨便轉,網上一搜一大把。

中心法則由華生和克里克在發現DNA之後提出,主要有來解釋DNA是如何被表達的。在後期,中心法則被補充多次,補充內容主要與病毒有關,所以這裡我就忽略了。

先打一個所有人都能懂得比方:假如一個生物個體是一個房子,那DNA就是這個房子的設計藍圖。RNA就是房子的模型和建築師對圖紙的理解,各種蛋白質就是磚瓦。最後房子完工後什麼樣可能會因為環境、資金、客戶需求等等而改變,但房子再怎麼變,如果工程師和建築隊都合格的話,完工的建築都不會與圖紙相差太遠。

受精卵首先需要自我複製並達到一定數量才能成為可發育成個體的胚胎。在受精卵分裂的過程中,DNA這張圖紙會運用來自母體卵細泡裏的各種酶進行自我複製並分配到各新細胞裏(要不然新形成的細胞沒圖紙了咋建房子啊是不),這就是中心法則的第一個箭頭,從DNA指向DNA。

當受精卵分裂到一定數量以後,細胞就可以分化了。細胞分化時需要DNA的表達。首先DNA需要有多個可以在細胞內被大量閱讀的方式。因為一個細胞裏只有一張圖紙(一套基因組),而且為了保護這張圖紙,它只能被關在一個限制通行的狹小的圖書館裡(細胞核)。同時這張圖紙並不是所有的部分都會在同一時刻被需要、起到作用,而且圖紙上還有大量的、對最終表達結果沒有任何作用的批註。所以要被大量並且高效地傳閱,DNA就需要被審閱、轉錄。轉錄出來被各個工程師(核糖體)傳閱利用的叫做RNA。這就是中心法則的第二個箭頭,從DNA指向RNA。

工程師(核糖體)拿到圖紙之後就可以造磚造瓦(蛋白質)了。這些磚瓦從最基本的泥土(氨基酸)造起,被按壓成型後成為功能性單位,或被分配到細胞中各個部分,或被嵌入細胞膜,或被分泌到細胞外。這個由轉錄的RNA圖紙成為磚瓦蛋白質的過程叫做翻譯,翻譯的過程也好理解:工程師核糖體拿著字典(tRNA)一個個對著RNA上的記錄添加要用的氨基酸。這是中心法則的第三個箭頭,從RNA指向蛋白質。

基因在胚胎髮育階段的表達順序並不完全受胚胎基因組的控制?

這裡的關鍵詞是「胚胎基因組」。

胚胎髮育最初的基因表達受到的是來自母體卵子的物質的控制。基因的表達永遠不是自發的,一個圖紙不會自己轉錄自己。觸發DNA表達路徑的是環境和其他基因。對於一個受精卵來說,最初複製的動力來自精子和卵子的結合瞬間。精子一頭扎進卵子時會觸發一系列化學反應,卵子內的各種物質也會因此重新分配,形成濃度梯度。一個常見的比喻就是一盆飄著油的水。往盆的一邊滴一滴洗潔精,你會看到什麼?油花跑向另一邊。卵子內各種物質的重分配和這個差不多。

這個濃度梯度會影響到受精卵的分裂方向,從而影響到分裂後各個子細胞的基因表達,因為宏觀上來看濃度梯度會在受精卵分裂後得到保持,每個細胞裏的同一種物質的濃度會不同。子細胞裏的基因會根據各個物質的濃度表達出不同的程度(主要是數量),有的物質還會抑制另一種物質對基因的作用,所以最終在各個細胞開始分化前,各個細胞內的成分已經開始不同了。這些不同成分細胞因此在繼續發展過程中會向著不同的方向發展,這個過程叫分化

在分化過程中,胚胎依舊會受到著名的母體效應(maternal effect):子代的性狀不由自己的基因和環境決定,而由母親的基因和環境決定。

比較著名的是蠅類的bicoid蛋白質。這個基因如胚胎首尾分化有關,並遵守母體效應。雖然胚胎中會有這個基因,但胚胎所利用的bicoid RNA由母親提供,從胚胎一端進入並擴散、翻譯、表達產生作用。如果一個雌蠅個體bicoid基因變異了,那她依舊會有頭部並活得很好,但她的後代就不一樣了……沒有這個雌蠅提供的的bicoid RNA,只能分化不出頭部並死亡。

遵從母體效應的基因可以提供RNA,也可以提供蛋白質。這些物質被最終表達以後還會繼續影響胚胎的其他基因表達,進一步形成其他表達產物的濃度梯度,從而影響胚胎個體的身體規劃(body plan)和更多與身體規劃有關的基因,促使各部分細胞分化形成器官。

那環境是怎麼回事??

根據知乎著名語式,我關於進化形成的口頭禪是「和進化有關的討論,任何只講基因不講環境的都是耍流氓」。一個生物個體在發育發展過程中,環境對性狀的影響比基因的影響深遠得多,儘管並不是所有的影響都可遺傳

環境對基因的影響表現為一個染色體的結構蛋白對基因的修飾。我們大多數都瞭解DNA的雙螺旋結構,但很多人可能不瞭解染色體和DNA的關係(或者都還給生物老師了hhhh)。繼續先前的比喻,DNA是藍圖,那染色體就是裝著這張藍圖的書櫥,一個染色體的結構蛋白(組織蛋白)就是這個書櫥的一層層書架。雖然染色體的具體結構細節去年有文章出來修改,但整體而言沒有巨大改動:

DNA、組織蛋白、染色體 來源:https://www.cancer.gov/publications/dictionaries/cancer-terms/def/chromosome

不要怕英文,你只需要注意DNA和染色體之間的那一段就好。Histone(組織蛋白)就是我們說的書架,8個為一個單位,為DNA提供一個纏繞的落腳點,在細胞分裂時,DNA和組織蛋白構成的nucleosome(核小體)繼續纏繞壓縮成為染色體以方便分配。

環境對DNA的影響就作用於DNA的落腳點——組織蛋白。每個組織蛋白有一個尾巴,在特定環境下,這些尾巴會纏繞在DNA上,控制外界與DNA的接觸,控制基因的表達。這種控制可以促進基因表達,也可以阻礙基因的表達。這種控制方式叫做基因標記,研究這類可遺傳的表觀修飾的領域叫表觀基因學

表觀基因修飾可遺傳,是環境影響遺傳的重要表現,但是!!!不影響基因型!!!不影響基因型!!!不影響基因型!!!表觀基因修飾不是永久性修飾,可遺傳若干代,但在環境改變後也會變化。這個不需要舉什麼牛逼模型生物的例子,看看人就行:

帥世民:饑荒過後:容易發胖的一代?

zhuanlan.zhihu.com圖標

饑荒過後的新生代易發胖、長壽,就是基因標記的鍋(但也別怪你爸媽……你的體型你決定)。

那環境對於胚胎/幼體的發育會有影響嗎?

會的。水蚤是最著名的例子:

水蚤的不同頭部 來源見圖

一羣基因型相同的水蚤幼體在天敵數量不同環境下會有不同的頭部。天敵少的時候,發育完全的水蚤會像右邊一樣有一個圓的頭,而在天敵多的時候,同樣基因型的水蚤會長出尖頭用來防禦。這不是因為水蚤自主改變身體構造的結果,而是環境中天敵分泌的化學物質對水蚤基因表達的影響

和胚胎有關的例子很簡單:懷孕和葯。眾多藥物說明書上都會有一句「孕婦請遵循醫囑」或者「孕婦慎用」,這是因為很多藥物成分會對基因有影響。外來的化學物質一旦進入細胞核會直接改變基因,就像一把火燒了一個圖書館之後,如果缺少原本,再修復也會很麻煩;即使有原本,大量的修復工作量也導致錯誤發生。在DNA上犯錯就是常說的基因突變,而基因突變在很多情況下表達產生的是沒有功能性或功能殘缺的蛋白質,有的甚至連轉錄都不可能。已發育完全的個體在數量上可能可以對這些影響形成抵抗,但遇到更危險、作用更大的化學物質也會淪陷、癌變。一個胚胎的細胞數量遠遠不夠,這時候的影響會更深遠,比如發育後畸形甚至直接停止發育,死亡。

夾點私活就是吸煙喝酒的在孕婦身邊長點心,當然,為了你們自己的命也長點心,最好的就是飲酒適度、別他媽的碰煙!


我能想到的就這些。我本科主攻生物和英語文學,對編程一竅不通,所以沒有任何和編程有關的比方,但我希望我寫的足夠易讀。

本科畢業,正在實驗室打工準備申博,所以如果有大神發現我的回答的不足之處,請予以指正,謝啦!


我是學習生態學的本科生。看到這個問題,雖然學過遺傳學,但是想想,還是很難回答,因為這個問題非常地接近源頭(origin)。

這像是個「先有雞還是先有蛋」的問題——是最上游的DNA先開啟調控,使得受精卵開始分裂呢,還是受精卵的理化環境誘導了DNA最上游的調控開關開啟?也許是兩者的互作,「在有雞蛋的時候,雞幾乎也產生了」。

DNA更像是一個資料庫 和 下指令的。

DNA像資料庫是因為存儲了大量遺傳信息。

DNA像一個下指令的,是因為DNA雙螺旋中有一些序列構成「啟動子」,是開啟接下來的一系列、有各種各樣產物的總開關;DNA還能和根據細胞環境讓特定的啟動子開啟轉錄。比如說,在昆蟲的受精卵中,受精卵發育的早期,整個一團細胞哪邊發育成頭,哪邊發育成胸、腹,是依據細胞裏某種化學物質的濃度來分辨的。這種化學物質越多,就是越靠近頭。這樣,DNA就能根據細胞環境裏這種化學物質的濃度,調控「頭」相關的啟動子開始工作。

這個問題屬於遺傳學發育生物學的範疇,建議題主換一換問題分類……「基因」、「分子生物學」離這個問題有點遠。


其實我更好奇蛋生的脊椎動物,他們是怎麼發育的


你千萬不能拿軟體去類比,那會讓你完全懵逼。

軟體是從一個明確的目標出發,為了實現某個功能,設計出來的。

基因是完全依賴隨機的突變而形成,然後不利於生存者一世休,能夠生存者繼續繁衍。

也就是說它在演化的時候,不會思考,這完全不像寫軟體。

就好像你寫一個只有一行的腳本,它能解決兩個二進位的整型變數的加法運算,然後編譯成二進位可執行文件,再打出來,變成一大堆0和1。然後你找一萬隻猴子,每個猴子蒙上眼睛,隨意地對這個文件進行一些修改,成為一萬份新文件。你試著運行它們,看看哪一個比舊文件的功能強了一點,把它複製一萬次,打出來,再交給瞎猴子去改,再運行,再挑選,再讓瞎猴子去改。重複很多次以後,這個東西被瞎猴子們改成了阿爾法狗。

然後你發現這個軟體好神奇啊,決定反編譯一下。你想想反編譯這個東西有多難,你就明白生物學家的研究有多難了。


先挖坑。發育是一個非常精密有序的過程,在空間和時間上高度有序。這種有序性相當程度上依賴於受精卵自身攜帶的來源於精子和卵子的已有RNA。題主可以自行先看看果蠅發育的內容,其餘的我回頭寫哈。


chemotaxis + molecular/cell cycle clock+ genetic circuits


不用搞那麼複雜的名詞學術引用。來猜想是否遺傳信息,在適應環境下,按照進化這久的規律的必然?如熟知各種分子結構性能,然後進行複雜的交換形成一個個系統,平衡而又開放交換著。最底層的遺傳信息固定了會不停走向最後的表達體。到成長固定,老化。或許可以用數學和數據來描述和推演。需要龐大的數據來AI學習。最終建立模型和標準化。如分析得出黑洞照片一樣。思路可行否?


如果類比軟體,DNA是一個早期的程序,數據和代碼不分家那種機構的。

具體的發育過程的邏輯,據我所知,目前還沒研究明白。 祖師爺圖靈大人研究過,但是那個時代太早期 ,科技水平決定了沒有什麼大成果。


這個問題太大了,要一兩本書來回答詳細,而且很多都是假說,需要不斷被證實和證偽

簡單直接的回答你的問句,問句:

DNA是裡麪包含發育過程的完整邏輯嗎?個人認為包含完整邏輯。但是需要一些外部輔助,早期需要受精卵裏的蛋白質,RNA和其它營養物質,對於胎生哺乳動物,胚胎後期需要子宮的環境,最重要的就是胎盤的形成。

如果以軟體類比(實在找不出更合適的類比方式了),DNA是類似一個資料庫的參數存儲系統還是類似一個包含參數及邏輯的完整運行程序的軟體?個人認為是軟體。不懂編程,這個和上個問句的區別在哪裡?請教一下。軟體是包含一個參數庫和一個運行邏輯庫嗎,然後根據邏輯進行運算的時候去調用參數?

什麼機制在控制、調度細胞分裂生成功能不同的組織、器官?有一個中樞系統嗎?這個問題遠遠未知,假說階段。是先發育出一個中樞系統再由這個系統根據DNA調度各個系統的發育嗎?

生物學都還給老師了,說的比較亂,見諒。不用不好意思,你的中學,大學老師都不知道,遠遠未知。


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