آموزش زیست شناسی سامانه ای – اصول طراحی مدارهای بیولوژیکی

در فیزیک یا رشته‌های مهندسی مثل: مکانیک و برق، معمولا با موضوعاتی رو به رو می‌شویم که از قوانین دقیق ریاضیاتی تبعیت می‌کنند. اما در زیست‌شناسی، سلول‌ها گویی در حال رقص هستند، ساختارهای مختلف خود به خود به یکدیگر متصل می‌شوند، عملیات دقیق بیوشیمیایی را انجام می‌دهند و وقتی کار انجام شد، بدون دردسر از بین می‌روند. مولکول‌ها با وجود اینکه تحت نویزهای شدید گرمایی قرار دارند، تقریبا بدون خطا، اطلاعات را پردازش می‌کنند. چطور چنین چیزی ممکن است؟ آیا قوانین طبیعی مشخصی وجود دارند که بر سیستم‌های بیولوژیکی حاکم باشند که به ما در فهم چرایی این همه تفاوت آن‌ها با مواد غیر زنده کمک کند؟ ما به دنبال قوانین طبیعی و اصول ساده‌کننده می‌گردیم، اما زیست‌شناسی به طور حیرت‌انگیزی پیچیده است. هر برهم‌‌کنش شیمیایی بسیار ماهرانه انجام می‌شود و سلول‌ها شامل شبکه‌ای از هزاران برهم‌کنش این چنینی هستند. این شبکه‌ها نتیجه تکامل بوده که با ایجاد تغییرات تصادفی و انتخاب ارگانیسمی که زنده می‌مانند، کار می‌کنند. بنابراین، ساختارهای پیدا شده توسط تکامل تا اندازه‌ای وابسته به شانس تاریخی بوده و جزئیات بیوشیمیایی بسیاری دارد که نیازمند تشریح خاص در هر مورد است. علی‌رغم این پیچیدگی، دانشمندان در طول تاریخ زیست‌شناسی به دنبال یافتن اصول قابل تعمیم بوده‌اند. این مهم، با پیشرفت‌های تکنولوژی آزمایشگاهی که اطلاعات دقیق و جامعی راجع به شبکه‌های برهم‌کنش‌های زیستی ارائه داده‌اند، ممکن شد. این مطالعات به این یافته منتج شد که می‌توان قوانین عمومی را برای شبکه‌های زیستی فرموله کرد. از آنجایی که این مدارهای زیستی تکامل پیدا کرده که عملیات مشخصی را انجام می‌دهند، نمی‌توانند همیشه کاملا تصادفی باشند. این مدارها، یک مدل دارند، مدلی از سیستم‌هایی که باید عملیاتی را انجام دهند. اگرچه تکامل با سرهم‌بندی تصادفی کار می‌کند، اما چندین و چندمرتبه به یک مجموعه‌ای تعریف شده از المان‌های مدار که از اصول طراحی کلی پیروی می‌کنند، همگرا می‌شوند. در این آموزش، ما بر روی برخی از اصول طراحی سیستم‌های بیولوژیکی تمرکز داریم و به دنبال ارائه یک چهارچوب ریاضیاتی هستیم که در آن، این اصول می‌توانند برای فهم شبکه‌های بیولوژیکی استفاده شوند. پیام اصلی این است که سیستم‌های بیولوژیکی شامل یک سادگی ذاتی و درونی هستند. اگرچه سلول‌ها برای انجام یک عملیات تکامل پیدا کرده‌اند، نه برای قابل درک بودن، اما اصول ساده‌کننده، طراحی بیولوژیکی را برای ما قابل فهم می‌کنند. این فرادرس، یک مسیر به سیستم بیولوژی را نشان می‌دهد که بر اساس اصول ریاضیاتی است و تمرکز کمی بر تکنولوژی‌های آزمایشگاهی دارد. خواهیم دید که چقدر مفید است اگر بپرسیم، چرا این سیستم به این ترتیب طراحی شده است و با مدل‌های ساده شده به دنبال پاسخ باشیم.

فرادرس

پژمان اقبالی شمس آبادی