系統(tǒng)生物學哲學基礎

前言

　　系統(tǒng)生物學是近幾年產生和發(fā)展的一門新興學科。系統(tǒng)生物學最簡單通俗的定義就是在系統(tǒng)層次上理解生物的現(xiàn)象、功能和機制。它的目標是理解生物體的功能屬性與行為是如何通過其各組成部分的相互作用實現(xiàn)的。系統(tǒng)生物學是一門充滿活力并不斷發(fā)展的學科，它將生物學與其他眾多不同門類的學科相結合，并在應用這些學科的同時拓展和延伸它們，由此，系統(tǒng)生物學已經得出許多新的科學認識。可以說在一定的程度上系統(tǒng)生物學將會超越這些自然科學，因此，關于其哲學基礎本質的問題產生了。系統(tǒng)生物學的前提假設是，生物系統(tǒng)中存在著有待挖掘和發(fā)現(xiàn)的東西，也就是說，生命系統(tǒng)具有的一些功能屬性，單單通過傳統(tǒng)分子生物學是不能發(fā)現(xiàn)或理解的，因為這些功能屬性并不存在于單個分子之中，而是蘊藏于整個系統(tǒng)之中。　　《系統(tǒng)生物學：哲學基礎（Systems Biology：Philosophical Foundations）》是現(xiàn)已出版的第一本有關系統(tǒng)生物學哲學基礎的著作，這本書以一個全新的視角來講述系統(tǒng)生物學，即通過討論構成系統(tǒng)生物學的哲學基礎來理解系統(tǒng)生物學的內涵和本質。對系統(tǒng)生物學的科學哲學進行深入的開放式討論，詳細闡明那些涉及系統(tǒng)生物學基礎的各種哲學問題，以及是什么使得它與分子生物學如此之不同。作者在書中開展了許多富有啟發(fā)和成果性的討論，引導讀者思考系統(tǒng)生物學哲學的核心概念。這些對于系統(tǒng)生物學的學習和研究都是非常有益的。　　本書的翻譯工作是清華大學生物科學與技術系生物信息學教育部重點實驗室?guī)熒w共同完成的。參加本書翻譯校對工作的有蘇煜博士、周云博士、陳虎博士、鐘山、夏雪峰、劉珂、張松、李碩、李文婷、張婷、羅潔等。全書由孫之榮教授主譯、審校。感謝科學出版社孫紅梅和李小汀兩位編輯為本書的出版所付出的努力。我們希望這本書的翻譯出版，可以促進讀者對這一新學科的學習和理解，并對系統(tǒng)生物學的科學研究及研究人才的培養(yǎng)提供良好的幫助和促進作用?！　∮捎跁r間有限，對文中某些深奧的英文表達沒有作仔細的推敲，書中難免會有一些不確切的中文表達，懇請廣大讀者指正，以期再版時加以更正。

內容概要

　　《系統(tǒng)生物學哲學基礎》以一個全新的視角來講述系統(tǒng)生物學，即通過討論構成系統(tǒng)生物學的哲學基礎來理解系統(tǒng)生物學的內涵和本質。對系統(tǒng)生物學的科學哲學進行深入的開放式討論，詳細闡明那些涉及系統(tǒng)生物學基礎的各種哲學問題，以及是什么使得它與分子生物學如此之不同。作者在書中開展了許多富有啟發(fā)和成果性的討論，引導讀者思考系統(tǒng)生物學哲學的核心概念。這些對于系統(tǒng)生物學的學習和研究都是非常有益的。

作者簡介

　　William Bechtel是美國加州大學圣地亞哥分校（University of California，San Diego）哲學系及認知科學與科學研究跨學科專業(yè)的教授。他近期的研究主要針對生物學和認知科學領域中，機制的本質與解釋。其新近著作：《細胞機制發(fā)現(xiàn)（Discovering Cell Mechanisms）》（Cambridge，2006）從發(fā)展機制性說明所面臨的挑戰(zhàn)的角度，回顧了細胞生物學作為一個獨立的生物學學科在二十世紀中葉的發(fā)展。最近，他已完成《精神機制（Mental Mechanisms）》一書的寫作，并將由Lawrence Erlbaum出版社出版。在書中，他將機制性解釋的框架應用于當代認知科學和認知神經學的研究。他是《發(fā)現(xiàn)復雜性（Discovering Complexity）》（與Robert Richardson合著，Princeton，1993）以及《聯(lián)系論與大腦（Connectionism and the Mind）》（與Adele Abrahamsen合著，Blackwell，2002）的共同作者。此外，他還是《認知科學伴讀（A Companion toCognitive Science）》（Blackwell，1998）和《哲學與神經科學（Philosophy and the Neurosciences）》（Blackwell，2001）以及《哲學心理學（Philosophical Psychology）》雜志的合作編輯?！　red C．Boogerd是荷蘭阿姆斯特丹自由大學分子細胞生理學系的助理教授。他于1979年獲得化學碩士學位（優(yōu)等畢業(yè)生），1984年在阿姆斯特丹自由大學獲得博士學位。他在荷蘭的Leiden大學和Delft科技大學做了幾年博士后工作，隨后在丹麥哥本哈根的丹麥技術大學進行游學訪問。他對生理學，特別是對去硝酸鹽化、錳氧化、煤的脫硫、固氮作用、琥珀酸鹽轉運以及銨吸收作用中的微生物過程很感興趣。近來，他對系統(tǒng)生物學及其哲學，特別是有關生物學中的還原論、涌現(xiàn)現(xiàn)象、解釋和機制等問題產生了濃厚的興趣?！　rank J．Bruggeman是曼徹斯特跨學科生物中心系統(tǒng)生物學組的講師（英國曼徹斯特大學化學工程和分析科學系物理科學教員），同時也是荷蘭阿姆斯特丹自由大學分子細胞生理學系的博士后。他于1999年在Leiden大學獲得生物學碩士學位（優(yōu)等畢業(yè)生），2005年在阿姆斯特丹自由大學獲得博士學位。他感興趣的問題包括：生物學中的哲學問題（復雜系統(tǒng)、涌現(xiàn)現(xiàn)象、還原論、機械論解釋、模塊化），細胞生理的調節(jié)和適應，以及（動力學系統(tǒng)和控制）理論在（實驗）分析細胞現(xiàn)象中的應用。他曾在哲學（機械論解釋和涌現(xiàn)現(xiàn)象）和系統(tǒng)生物學（模塊響應分析，對大腸桿菌的銨吸收過程、MAPK信號通路、肌肉pH值穩(wěn)態(tài)、魯棒性和植物生長素的運輸過程進行建模）領域從事過研究工作?！　avid Fell是牛津布魯克斯大學生物化學教授和生物學與分子科學學院助理院長。在牛津大學學習生物化學并在酵母丙酮酸激酶的物理生物化學研究領域獲得博士學位后，他開始在牛津布魯克斯，即現(xiàn)在的牛津布魯克斯大學任教。他的研究方向從酶學轉移到了對代謝過程進行計算機模擬和理論分析，并撰寫了在代謝控制分析方面的唯一一本教材：《理解代謝控制（Understanding the Conttrol of Metabolism）》。最近，他正在分析代謝網絡結構并將他的計算機建模方法擴展到信號轉導通路和細胞周期領域。他的工作可應用于代謝工程和藥物作用建模。2001年，他開始在Physiomics公司任兼職科學主管，運用計算機仿真模擬細胞系統(tǒng)為制藥工業(yè)進行治療策略的研發(fā)和分析工作?！　an-Hendrik S．Hofmeyr是南非Stellenbosch大學生物化學系教授。他與Henrik Kacser（代謝控制分析的奠基人之一）和酶學家Athel Cornish-Bowden合作后，于1986年在stellenbosch大學獲得博士學位。他與同事Jacky Snoep，Johann Rohwer組成的分子細胞生理學研究組運用理論方法、計算機建模和實驗手段對細胞過程的控制和調節(jié)進行了研究。他在代謝控制分析和計算細胞生物學領域做出了許多基礎性的貢獻，并與Athel Cornish-Bowden一起發(fā)展了作為理解代謝調節(jié)基礎的共響應分析和供給需求分析。他最近的興趣是尋找一種正式的表達方式，從分子構造理論的角度對細胞的功能組織進行表述，這將可能成為系統(tǒng)生物學和納米技術的基礎。他獲得了國家科研基金的A級評定，并且是南非科學院成員和南非皇家協(xié)會的會員。他目前是系統(tǒng)生物學國際研究組（BTK-ISSB）的主席。他還在2002年和2003年分別獲得Harry Oppenheimer Fellowship獎和南非生物化學協(xié)會Beckman金質獎章。

書籍目錄

譯中序作者簡介前言第一篇　引論1　面向系統(tǒng)生物學的哲學基礎：引言1.1　系統(tǒng)生物學：一門旨在探尋方法學與哲學基礎的新科學1.2　系統(tǒng)生物學1.3　面向系統(tǒng)生物學的哲學1.4　對幾個系統(tǒng)生物學哲學問題的介紹1.5　本書的目標和概況參考文獻第二篇　系統(tǒng)生物學的研究程序2　系統(tǒng)生物學的方法論2.1　自然科學各學科的方法論與哲學基礎2.2　生物化學和分子生物學科學地位的局限2.3　突破限制2.4　系統(tǒng)生物學之方法學致謝參考文獻3　哲學的思想：方法論3.1　引言3.2　通過代謝和系統(tǒng)生理學理解復雜的疾病——糖尿病3.3　MRS和MCA構建了成功的系統(tǒng)生物學方法論3.4　結論參考文獻4　我們怎樣理解新陳代謝4.1　引言4.2　傳統(tǒng)的新陳代謝原理4.3　新陳代謝系統(tǒng)分析的興起4.4　我們能像期望的那樣去理解新陳代謝嗎？4.5　一個細胞的新陳代謝通過模擬就能理解嗎？參考文獻5　基于不可靠的數(shù)據(jù)構建可靠的模型：用進化和發(fā)育的觀點解讀新系統(tǒng)生物學(NSB)5.1　引言5.2　新系統(tǒng)生物學和進化發(fā)育生物學(evoo-devo)5.3　在分析大型系統(tǒng)時數(shù)據(jù)的可靠性問題5.4　數(shù)據(jù)錯誤和“摩爾系統(tǒng)”(molar system)屬性5.5　魯棒性和不確定因素的控制5.6　內生固守性參考文獻第三篇　理論與模型6　系統(tǒng)生物學的機制和機械論解釋6.1　引言：機械論解釋和還原論6.2　組織的層次與分辨率尺度6.3　乳糖操縱子作為機制模型的發(fā)展6.4　機制與突現(xiàn)6.5　結論：機械論解釋與系統(tǒng)生物學參考文獻7　系統(tǒng)生物學的理論，模型和方程7.1　引言：生物學的理論結構7.2　動作電位的Hodgkin-Huxley巨型烏賊模型，作為經典的系統(tǒng)生物學的例子7.3　Hodgkin-Huxeley模型的意義和他們的方法論7.4　從神經科學的角度考慮線蟲的行為7.5　Ferree和Lockery模型在線蟲趨化性中的應用7.6　兩個范例為系統(tǒng)生物學提供的八則啟示參考文獻8　所有的模型都有缺陷8.1　引言8.2　建模和建模過程8.3　解析建模8.4　綜合建模8.5　綜合建模VS.解析建模8.6　動力學通路建模8.7　所有的模型都有缺陷致謝參考文獻9　沒有模型的數(shù)據(jù)與沒有數(shù)據(jù)的模型的融合9.1　引言9.2　本領域的基本情況9.3　系統(tǒng)生物學的第一個根源：代謝和信號轉導途徑的模型9.4　系統(tǒng)生物學的第二個根源：生物控制論和數(shù)學系統(tǒng)分析9.5　系統(tǒng)生物學的第三個根源：“組學”9.6　系統(tǒng)生物學的分支：不同根源的融合者9.7　本領域的結構9.8　關于自上而下的系統(tǒng)生物學的認識論和存在論問題9.9　結論參考文獻第四篇　生物系統(tǒng)中的組織10　一個自我合成的生物化學工廠：細胞體的系統(tǒng)生物學角度概述10.1　如何成為一個系統(tǒng)生物學家10.2　自我生成的細胞：細胞生物學中的關聯(lián)10.3　物質系統(tǒng)的自主性：對特殊催化的需要10.4　生命的裝配和邏輯10.5　如何建立一個自我合成的工廠10.6　生命系統(tǒng)的自我裝配10.7　貢獻致謝參考文獻11　生物體起源的系統(tǒng)生物學方法11.1　引言11.2　組織觀點11.3　起點：非平凡的自我維持11.4　NTSM組織和自主性11.5　歷史一集合維度的出現(xiàn)11.6　達爾文進化的開放結構11.7　總結致謝參考文獻12　生物學機制：用于維持自治的組織12.1　引言12.2　機制的基本概念12.3　活力論者的挑戰(zhàn)12.4　第一階段：Bernard，Cannon和控制論的關系12.5　循環(huán)組織和Ganti的化學子(chemoton)12.6　從Ganti的化學子到自治系統(tǒng)12.7　結束語：超越基本自治參考文獻13　功能從“自組織系統(tǒng)”的消失參考文獻第五篇　結語14　對系統(tǒng)生物學基礎的深入思考14.1　系統(tǒng)生物學是功能和機制生物學，而不是進化生物學14.2　系統(tǒng)生物學的解釋往往是機械論的解釋14.3　其他解釋的類型對系統(tǒng)生物學來說也很重要14.4　利用模型的分子機制描述14.5　模型和生命系統(tǒng)的非平衡組織方式14.6　涌現(xiàn)屬性14.7　系統(tǒng)生物學中的理論和定理14.8　解釋多元論：不同層次的理論14.9　生命是什么？14.10　結束語參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1．3 面向系統(tǒng)生物學的哲學　　1．3．1 分子生物學的哲學體系已經得到詳細的闡述　　生物化學和分子生物學分別在20世紀30年代和50年代興起，并在20世紀下半葉取得了驚人的成果，研究者們幾乎毫無疑義地認為還原論方法構成了這些學科的基礎。研究單個（大）分子（或其集合）是一項充滿回報的工作。這種占統(tǒng)治地位的方法學認為：各部分組成整體，并由此決定了整體的性質，所以通過分解系統(tǒng)，并研究系統(tǒng)各部分的性質就能理解整個系統(tǒng)。這種還原論的思維模式提供了強大的研究方法、用于指導知識獲取的認識論式的清晰原則、評判論文和基金申請書質量的有效策略，以及協(xié)調一致的世界觀。這些策略和在它們指導下所取得的成就是如此顯著，以至于進一步的哲學探討似乎已經沒有必要?！　∥覀儜斦驹谀莻€時代的視角上來看待這些問題。有人曾經提出，對生物體或者只是活細胞進行哪怕最輕微的分解，也基本上去除了其與生命相關的所有性質（現(xiàn)在我們知道這是由于干擾了能量代謝和信息交流，耗盡了酶和輔酶，或者依賴于生物體幾乎所有成分的任何物質）。因此，只從分子層面上研究顯然無法幫助我們理解生命。但是，那種只關注完整生物體的整體論哲學也有其局限性。不對生物體進行分解，我們只能從表象模型的層面上描述實驗數(shù)據(jù)或觀察其行為，這些數(shù)據(jù)或模型的組分（例如生長速率）缺乏物理／物質的實體對象。因此，即便在明確定義的實驗條件下，行為與組分之間并不存在特異的依賴關系。例如，細胞的能量狀態(tài)對其生長速率的依賴關系。在經驗觀察的基礎上，一個表象模型會用某種方式描述這種依賴關系。依據(jù)物理學的哲學基礎，我們應該能對此描述進行證實或證偽。譬如根據(jù)我們現(xiàn)在已知的分子生物學和系統(tǒng)生物學知識，當一種分解代謝酶被激活時，我們期望這種“依賴關系”是正相關的，而當核糖體被激活以加速生長時，我們期望它是負相關的。然而對于整體論者，他們的研究方法無法知道究竟是哪一個被激活了。因此，模型被證偽，“非分子生物學”（如果這真是一門科學的話）獲得了些許“無法預測的科學”的名聲?！　∠喾?，在將系統(tǒng)完全分解（還原）以后，我們可以用物理實體的形式定義系統(tǒng)，而這些實體（例如，mRNA的濃度）在體外只能以一種方式進行調節(jié)。由于這種還原論策略，可重復的科研策略成為可能。有誰會質疑還原論者作為分子生物學贏家的心情？有了這本書，這就是我們想要做的。的確，還原論者的方法已經完美運作了差不多五十年，但這種方法能否在21世紀繼續(xù)讓他們保持勝利者的心情，則未嘗可知。

編輯推薦

　　系統(tǒng)生物學通過研究生物體所有組成成分的相互關系，來解釋生物體的組織形式和功能實現(xiàn)?！断到y(tǒng)生物學哲學基礎》涉及哲學基礎、方法論、模型和組織形式等諸多內容，既有對生物學實際問題的研究，也有對哲學領域艱深內容的討論。適合生物學、系統(tǒng)生物學、自然科學哲學等相關專業(yè)的高年級本科生、研究生、教師及科研工作者閱讀。

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