系统生物科学的创立

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系统生物科学，最初开创于贝塔郎菲的一般系统理论与理论生物学。艾根的超循环理论发展了细胞、生物化学与分子层次的系统论。1924～1928年贝塔郎菲(L.Von.Bertalanffy)多次发表一般系统论的文章，阐述生物学中有机体概念，提出把有机体当作一个整体或系统来研究，1950年发表《物理学和生物学中的开放系统理论》。最早在1958年Parry J.B.有关个性心理学的工业文述中出现“systems psychology”名词，还1929年发表了Edward B. Titchener的系统心理学（systematic psychology）文稿。1993年Zieglgansberger W和Tolle TR发表神经系统疾病研究的论文中系统生物学（Systems Biology）词汇 可检索于美国NIH的Pub-Med文献数据库。1968年系统论与生物学（systems theory and biology）国际会议召开，1979年Joël de Rosnay的著作《The Macroscope》有非常明晰与现代的论述应用系统方法的生物学研究 。1989年在美国召开的生物化学系统论与生物数学国际会议探讨了计算生物学模型研究。第10届国际分子系统生物学会议，确立贝塔郎菲为系统生物学先驱，贝塔郎菲开创的生物系统模型至今仍然很现代。

19世纪是实验生物学（生态、生理与遗传）和实验医学、生物技术的学科形成，20世纪是实验生物学的迅速发展和系统生物学的形成，自20世纪60年代，系统生态学（systems ecology, Van Dyne GM.1966）、系统生理学(systems physiology, Sagawa K.1973)，以及系统生物医学(system biomedicine, Kamada T.1992、系统医学(systems medicine & pharmacy, Zeng BJ.1992年4月-1995年11月)、系统生物工程（system bio-engineering, Zeng BJ.1994年6月）与系统遗传学（system genetics, Zeng BJ.1994年11月提出概念与中英文词汇）的概念先后发表。总称为系统生物科学或简称系统生物学 - 21世纪伊始重新提出而迅速兴起成为了主流科学。

系统生物学的钥匙

生物工程，是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科，90年代诞生了基于系统论的生物工程，即系统生物工程的概念。

所谓生物工程，一般认为是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超 远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。1994年系统生物工程（中科院Zeng BJ）的概念提出，基于系统生物学的生物工程技术成为了21世纪的前沿技术。?

生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益 和社会效益。

生物工程的应用领域非常广泛，包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等。它必将对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生巨大的影响，为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景。

主要课程：无机化学与化学分析、有机化学、生物化学、化工原理、生化工程、微生物学、细胞生物学、遗传学、分子生物学、基因工程、细胞工程、微生物工程、生物工程下游技术、发酵工程设备等。

系统生物学的学科年表

——干涉

系统生物学一方面要了解生物系统的结构组成，另一方面是要揭示系统的行为方式。相比之下，后一个任务更为重要。也就是说，系统生物学研究的并非一种静态的结构，而是要在人为控制的状态下，揭示出特定的生命系统在不同的条件下和不同的时间里具有什么样的动力学特征。

凡是实验科学都有这样一种特征：人为地设定某种或某些条件去作用于被实验的对象，从而达到实验的目的。这种对实验对象的人为影响就是干涉 (perturbation）。传统生物学采用非干涉方法如形态观察或分类研究生物体。20 世纪形成的分子生物学等实验生物学的特点就是，科学家可以在实验室内利用各种手段干涉生物学材料，如通过诱导基因突变或修饰蛋白质，由此研究其性质和功能。系统生物学同样也是一门实验性科学，也离不开干涉这一重要的工具。

系统生物学中的干涉有这样一些特点。首先，这些干涉应该是有系统性的。例如人为诱导基因突变，过去大多是随机的；而在进行系统生物学研究时，应该采用的是定向的突变技术。果蝇从受精开始到形成成熟个体一共有 66 个典型的发育阶段，80年代诺奖获得者Christiane Nslein-Volhard等开展了系统的基因突变与规模的筛选，不久前科学家利用基因芯片技术，对每一个发育阶段的基因表达谱进行了系统的研究。上面所提到的对酵母的系统生物学研究，胡德等人就是把已知的参与果糖代谢的 9 个基因逐一进行突变，研究在每一个基因突变下的系统变化。这也是一类系统性的干涉方式。其次，系统生物学需要高通量的干涉能力，如高通量的遗传变异。现有技术已经能做到在短时间内，把酵母的全部 6000 多个基因逐一进行突变。对于较为复杂的多细胞生物，可以通过 RNA 干涉新技术来实现大规模的基因定向突变。随着研究技术的发展，一定还会有许多新的干涉技术应用于系统生物学。

需要提请人们注意的是，以测定基因组全序列或全部蛋白质组成的基因组研究或蛋白质组研究等“规模型大科学”，并不属于经典的实验科学。这类工作中并不需要干涉，其目标只是把系统的全部元素测定清楚，以便得到一个含有所有信息的数据库。胡德把这种类型的研究称为“发现的科学” (discovery science），而把上述依赖于干涉的实验科学称为“假设驱动的科学” (hypothesis-driven science），因为选择干涉就是在做出假设。系统生物学不同于一般的实验生物学就在于，它既需要“发现的科学”，也需要“假设驱动的科学”。首先要选择一种条件（干涉），然后利用“发现的科学”的方法，对系统在该条件下的所有元素进行测定和分析；在此基础上做出新的假设，然后再利用“发现的科学”研究手段进行新研究。这两种不同研究策略和方法的互动和整合，是系统生物学成功的保证。

笔者还要再强调一点，在注重这两类研究手段的同时，不应该忽略系统生物学的另一个特点——对理论的依赖和建立模型的需求。在本文一开始介绍系统生物学的概况时，特别指出过，系统生物学的理想就是要得到一个尽可能接近真正生物系统的理论模型；建模过程贯穿在系统生物学研究的每一个阶段。1999 年初系统生物科学与工程网 (genbrain biosystem network) 表述生物系统的研究方法为基于系统论的实验、计算机与工程等方法。离开了数学和计算机科学，就不会有系统生物学。也许正是基于这一考虑，科学家把系统生物学分为“湿”的实验部分（实验室内的研究）和“干”的实验部分（计算机模拟和理论分析）。“湿”、“干”实验的完美整合 - 也就是1999年曾邦哲倡导的实验生物学家和计算生物学家合作研究，才是真正的系统生物学。随着化学生物学、计算生物学、合成生物学的发展，高通量生物芯片、计算机数学建模和基因人工合成等构成了系统生物学的技术基础。

从某种意义上说，系统生物学在中国有很好的基础。1990 年代中西医学与哲学、系统学探讨中，已经提出了系统医学 (Zeng BJ,1992) 等概念。我们的传统医学就是把人体视为一个系统，通过测定和改变系统的输入和输出来调节系统的状态。传统科学的缺点在于，它只能进行“黑箱操作”，不能解释系统的内部组成成分和动力学过程。而系统生物学则把生物系统化为“白箱”，不仅要了解系统的结构和功能，而且还要揭示出系统内部各组成成分的相互作用和运行规律。

20 世纪中贝塔朗菲 (L. Von. Bertalanffy) 创立了一般系统论和理论生物学，并阐述了抗体系统论和系统、整体方法和计算机方法数学建模的方法研究生物开放系统的“机体生物学”概念。1929发表了Edward B. Titchener 的“systematic psychology”（系统心理学），最早出现“systems psychology”名词是1958 年Parry J. B.有关个性心理学的工业文稿，Maelzer DA. 在“Environment,semantics,and system theory in ecology”（J Theor Biol. 1965 May;8⑶：395-402）阐述应用系统论方法研究生态学。

一、基础学科：1）、系统生物学 (systems biology,Zieglgansberger W,Tolle TR. 1993年提出以前的systems biology方法可用于神经疾病研究，最早systems biology的提出是1968年美国召开的学术会议论文集 - 见WolkenhauerO.的2004年论著）；2）、系统生态学 (systems ecology,Van Dyne GM. 1966）；3）、系统生理学 (systems physiology,Sagawa K. 1973）；4）、系统遗传学* (system genetics,Zeng BJ. 1994 年）。

二、应用学科：5）、系统生物医学 (system biomedicine,Kamada T.,1992) 或系统医药学* (systems medicine & pharmacy,Zeng BJ. 1992 年）；6）、系统生物工程* (system bio-engineering/biotechnology,Zeng BJ. 1994 年）。

三、学科总论：1994 -1996 年中科院《转基因动物通讯》转载了1994 年5 月曾（杰）邦哲 (Zeng BJ）的“结构论-泛进化论”（又称自组织系统结构理论）。1995-2000年组织和筹备国际会议与协会时期，曾邦哲阐述了生物系统的结构论和实验、计算与工程方法整合的生物系统与人工生物系统研究 - 提出从分子、细胞到器官、生态的生物系统层次研究，总称以上各学科为系统生物科学（包括biosystem medicine,engineering of biosystem等），1999 年元月（其实始于1998年10月以色列）在德国创建了系统生物科学与工程网（genbrain biosystem network）等并刊登于国际刊物和互联网媒体。2000-2003年 国际学术界迅速兴起并终于形成了细胞、分子层次生物系统（biosystem）的系统论和实验、计算方法整合研究的现代系统生物学与合成生物学（即artificial biosystem和engineering of biosystem）等概念。

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