سیستم بیولوژی چیست؟

اشتیاق پی بردن به راز حیات به آغاز پیدایش خودآگاهی در انسان باز می گردد. از میان همه روش های کسب دانش، روش علمی در پاسخ به این سوال موفق تر بوده است و امید می رود که علم در نهایت انسان را به پاسخ این سوال برساند. دلیل این موفقیت آن است که بر خلاف بسیار دیگر از رویکرد های معرفت شناسی، علم وقتی مسیر را اشتباه می بیند خودش را اصلاح می کند. در علم مدرن، بیولوژی رسالت درک منشاء و ماهیت حیات را بر عهده گرفته است. با این وجود روش های مرسوم و سنتی در بیولوژی علی رغم بهبود عظیم آگاهی ما در باره مکانیسم های زیستی هنوز توصیف کاملی از ماهیت حیات ارائه نکرده اند. در چنین مواردی جامعه علمی روش های سنتی اکتشاف و پژوهش را مورد نقد قرار داده و آنها را برای قئرت پاسخ گویی به سوالات بزرگ اصلاح می کند. سیستم بیولوژی نام رمز یکی از اصلاحات بزرگ در فلسفه زیست شناسی برای توانمند شدن این علم در پاسخ به این سوال اساسی است که: حیات چیست؟ در ادامه با تاریخچه و ماهیت این تحول آشنا می شویم.

*        *        *

اگر مطابق با نظر سنتی تاریخ دانان آغاز تاریخ را مقارن با پیدایش خط بدانیم آثار جستجو برای راز حیات در ابتدایی ترین سنگ نوشته های انسان قابل مشاهده است. اشتیاق برای یافتن راز حیات سر منشاء داستان ها و اسطوره های فراوانی بوده که از کهن ترین تمدن ها همچون سومر و بابل و مصر آغاز شده و تا دوران مدرن ادامه یافته است. جمع بندی تمام این کنکاش های فکری دو رویکرد فلسفی متفاوت پیش روی انسان گذاشته است یکی رویکرد اصلالت حیات (وایتالیسم) که بر این باور است که حیات حتی در کوچکترین واحد سازنده منشائی مجرد از اجزاء سازنده آن دارد و دیگری رویکرد علمی که پدیده حیات را برآمده از اجزاء سازنده موجود زنده می داند.

تاریخ معرفت شناسی انسان نشان میدهد در طول تاریخ تکامل فکری انسان، رویکرد غالب و مسلط در پرداختن به ماهیت حیات رویکرد وایتالیسم بوده است. با این وجود همزمان با تولد رویکرد مدرن علمی مبتنی بر چرخه مشاهده-ایجاد فرضیه-آزمون فرضیه-نتیجه گیری در چند سده اخیر و توفیق این رویکرد در توضیح بسیاری از پدیده های پیچیده پارادایم علمی اعتبار فزاینده ای به عنوان رویکرد غالب در پاسخ به سوال چیستی حیات پیدا کرد.

علی رغم این، پیچیدگی بیش از حد پدیده ای مثل حیات و فقدان نظریه جامع علمی برای توضیح این پدیده گفتمان وایتالیستی را به عنوان رقیب رویکرد علمی فعال نگه داشت. این گفتمان همچنان به طور جدی ادامه یافت تا زمانی که داروین موفق شد مکانیسم علمیی برای تنوع گونه های زیستی پیشنهاد دهد. هر چند سوال اصلی داروین چرایی تنوع گونه های بود اما نظریه او حاوی عناصری بود که به منشاءحیات هم اشاره داشت. آن عاملی که منشاء انتقال صفات از والد به فرزند بود (ژن) نه تنها در ویژگی ها بلکه باید در خود حیات والد و فرزند هم نقش داشته باشد. پس از تلاش های مندل و داروین زیست شناسان دیگر اطمینان داشتند چیزی به نام ژن هست که خصوصیات بیولوژیکی را از والد به فرزند منتقل می کند اما نمی دانستند چیست…؟ تا زمانی که پیشرفت های بیوفیزیک و بیوشیمی امکان مشاهده و دسترسی به مولکول های زیستی را فراهم کرد و متوجه شدیم سلول های زنده یک مولکول بزرگ و اسرار آمیز به نام DNA دارند. از آن پس بود که DNA به عنوان رمز کننده حیات و انتقال آن از والد به فرزند شناخته شد. با آنکه هنوز راه درازی بود تا مکانیسم تولد حیات از دامن DNA را درکنیم، پیشرفت های حاصله علم را روز به روز در جایگاه قوی تری در درک به ماهیت حیات قرار می داد. یک نقطه عطف در این تحول کشف ساختار DNA توسط کریک و واتسون بود که منجر به تولد بیولوژی مولکولی شد. مطالعات سال های بعد در بیولوژی مولکولی مکانیسم رمزگشایی فعالیت های حیاتی از روی DNA را آشکار کرد که شامل نسخه نویسی DNA به RNA و ترجمه RNA به پروتئین بود. این مکانیسم آنچنان مستند و نقش آن در حیات چنان کلیدی بود که به عنوان اصلی مرکزی بیولوژی (Central Dogma) پذیرفته شد.

اکنون علم بیولوژی در جایگاه قدرتمندی برای توضیح حیات قرار گرفته بود. ما می دانستیم ویژگی های حیاتی در مولکول بزرگی به نام DNA رمزگذاری شده و می دانستیم فعالیت های سلول زنده چگونه بر اساس کد های DNA برنامه ریزی می شود. اما آیا این به معنی درک حیات بود؟ اگردر چنین شرایطی از دانشمندان بیولوژی مولکولی سوال میشد حیات چیست پاسخ چه بود؟ یک شاخص خوب برای فهمیدن کامل یک پدیده وجود دارد: وقتی پدیده ای را کاملا فهمیده باشیم باید بتوانیم خود ایجادش کنیم یا دست کم نحوه ایجاد شدنش را توضیح دهیم. اما هنوز سوالات زیادی در بیولوژی مولکولی بی پاسخ مانده بود: فنوتیپ های حیاتی از اول چگونه در ژنوتیپ (DNA) رمز گذاری شده است؟ آیا فرایند رمزگذاری خودش هم در DNA رمزینه شده است؟ آیا اگر روزی همه کد های DNA را بدانیم می توانیم حیات را از اول (de novo) و بدون مکانیسم توارث ایجاد کنیم؟ تا زمانی که پاسخ این سوالات روشن نباشد نمی توانیم حیات را شناخته شده فرض کنیم. بعد از کشف Central Dogma زیست شناسان تلاش هایشان را برای درک بهتر ماهیت حیات ادامه دادند در حالیکه این سوالات بر سر تا سر تاریخ تکوین بیولوژی مولکولی سایه انداخته بود. هر ماه و هر سال مولکول های بیشتری که در حیات سهم داشتند شناسایی می شدند و اهمیت آنها مورد بررسی قرار می گرفت. متوجه شدیم DNA تعداد ژنهایی بسیار بیشتر از آنچه ابتدا تصور می کردیم را حمل می کند و این ژنها پروتئین های بسیاری را رمزینه می کنند و آن پروتئین ها واکنش های زیستی فراوانی را کاتالیز می کنند. روند فزاینده کشف ژنها و مولکول های جدید رفته رفته این نگرش را در جریان اصلی بیولوژی مولکولی ایجاد کرد که توصیف حیات وابسته به در اختیار داشتن فهرست کامل همه مولکول های دخیل در حیات شامل کلیه ژن ها، پروتئین ها، و مولکول های متابولیکی (متابولایت ها) است. بینش جدید این بود که اگر روزی موفق شویم سلول را به همه مولکول های سازنده اش تجزیه کنیم و همه این مولکول ها و نقش هر یک در فرایند های سلولی را بشناسیم آن روز می توانیم توصیف کاملی از حیات ارائه دهیم. به این رویکرد چنانچه از توصیف آن پیدا است به عنوان تقلیل گرایی (Reductionism) در بیولوژی شناخته می شود که بهمعنی شناخت کل از روی ویژگی های اجزاء است (شکل ۳).

هدف دستیابی به کاتالوگ کامل مولکول های زیستی حتی اگر شده برای یک تک سلولی باکتریایی به آرزوی زیست شناسان تبدیل شد و مکتب جدید را در بیولوژی مولکولی به نام زیست شناسی کل نگر ایجاد کرد. فرضیه اصلی زیست شناسی کل نگر این بود که درک حیات وابسته به درک همه اجزاء سازنده آن است پس تلاش ها باید بر شناسایی یکایک مولکول های مشارکت کنند در حیات متمرکز شود. این نگرش در فلسفه زیست شناسی، در علم بیولوژی با عنوان امیک (Omics) دنبال شد (به ریشه مشترک واژه های “همه” و “ome” توجه کنید). اهمیت این موضوع برای جامعه بیولوژی تلاش های جهانی را در چارچوب پروژه های ژنوم (Genome) سازماندهی کرد پروژه هایی که هدفشان دستیابی به توالی کامل کد های ژنتیکی بر روی کروموزوم بود. پس از سالها تلاش نظری و عملی و توسعه فناوری های بدیع برای نیل با این هدف، نگاه ها معطوف به پایان قرن بیستم بود که تکمیل اولین پروژه های ژنوم را نوید می داد. طی سال های ۱۹۹۸-۲۰۰۰ ژنوم کامل شناخته شده ترین گونه باکتریایی (E. coli) و گونه یوکاریوتی (S. cereviase) منتشر شد و این موفقیت با توالی کامل ژنوم انسان در سال ۲۰۰۱ به اوج رسید. اکنون انسان بر قله تاریخ بیولوژی قرار داشت.

امروز نه تنها مکانیسم رمزگشایی فعالیت های سلولی از روی DNA را میدانستیم بلکه همه آن رمز ها را هم در اختیار داشتیم. گام بعد این بود که بر اساس این دانش همه مولکول های دخیل در حیات را از روی ژنهای سازنده شان شناسایی کنیم تا به هدف تهیه فهرست کامل ملکول های زیستی دست یابیم. برای نیل به این هدف قرن ۲۱ را با پروژه های پروتئومیک، متابولومیک، رآکتومیک، لیپیدومیک و امیک های متعدد دیگری را آغاز کردیم و بانک های اطلاعاتی عظیمی را برای ذخیره و مدیریت انبوه داده های امیک ساماندهی کردیم.

مسیر را فراموش نکنیم… همه اینها برای پاسخ به یک سوال کلیدی بود: حیات چیست؟ قرار بود اگر روزی سلول را به همه اجزاء سازنده آن تجزیه کردیم و آن اجزا را شناختیم همانا حیات را شناخته باشیم. در حال حاضر در آستانه گذشت ۲۰ سال از تکمیل اولین پروژه ژنوم هستیم و خوشبین از این که به نظر میرسد پاسخ به پرسش ماهیت حیات را از حوزه فلسفه به دامن علم آورده ایم. اما هنوز زیست شناسان به راحتی فیلسوفان درباره ماهیت حیات صحبت نمی کنند. بی تکلف تر بگوییم: هنوز نمی دانیم حیات چیست !

چرا…؟ در جستجوی علت کمی به گذشته بر گردیم… علی رغم شیفتگی جریان مرکزی زیست شناسی به دکترین امیک در دو دهه پایانی قرن بیستم، این رویکرد از سوی همه زیست شناسان به عنوان رویکرد کاندید برای درک حیات مورد پذیرش نبود و از سوی فیلسوفان علم مورد انتقاد جدی قرار می گرفت. فیلسوفان علم علی رغم اینکه مرز مشخصی را با وایتالیسم در معرفت شناسی حیات حفظ می کردند اما معتقد بودند بسیاری از ویژگی های حیات در روش شناسی امیک مورد اشاره قرار نمی گیرد و لذا توفیق این روش در ارائه درک جامعی از حیات بعید می نماید. بعضی از ویژگی های منحصر به فرد حیات نسبت به سایر پدیده های جهان فیزیکی که مورد توجه زیست شناسان نظری و فیلسوفان زیست شناسی قرار گرفته شامل موارد زیر است:

• موجودات زنده از باکتری گرفته رفتار هدفمند دارند و به بیان ارسطویی یک علت غایی را دنبال می کنند. صرف نظر از اینکه سیستم های کلاسیک فیزیکی و شیمیایی چندان از ویژگی دنبال کردن هدف برخوردار نیستند علم کلاسیک جای چندانی برای علیت غایی ندارد.
• در سیستم های زنده نظیر سلول ها اجزائی که کل را تشکیل می دهند خود از کل به وجود می آیند. به عبارت دیگر بر خلاف سیستم های فیزیکی که از علیت خطی پیروی می کنند سیستم های زنده دارای علیت مدور هستند و این واقعیت اعمال رویکرد علمی بر شناخت حیات را دشوار می کند زیرا علم کلاسیک بر علیت خطی استوار است.
• سیستم های حیاتی راه های متعددی برای رسیدن به هدف خود دارند. به عبارت دیگر یک فنوتیپ بیولوژی می تواند با ژنوتیپ ها و مکانیسم های بیومولکولی متنوع و متکثری پدید آیند. این ویژگی مطالعه سیستم های زیستی با رویکرد علمی را چالش آمیز می کند زیرا برای یک پدیده واحد زیستی می تواند چندین علت موازی وجود داشته باشد. در حالیکه سیستم های فیزیکی به ویژه سیستم ها نیوتونی رابطه علت و معلول قالبا یک به یک است.
• در سیستم های زیستی علیت توزیع شده است یعنی یک پدیده خاص از برایند ارتباط میان هزاران مولکول زیستی ایجاد می شود که هریک نقش جزیی خود را در ظهور آن پدیده ایفا می کند. در عین حال آن پدیده قابل تقلیل به عناصر ایجاد کننده خود نیست. این موضوع در علم با مفهوم “پیدایش” (Emergence) توصیف می شود. پردختن به پدیده های “پیدایشی” یکی از چالش های اصلی علم است که برای آن تئوری ها و روش های ویژه ای توسعه داده شده که در ادامه مقاله ذکر می شود.
• سیستم های بیولوژی دارای رفتار هوشمند هستند. این سیستم ها نسبت به محرک های محیطی به گونه ای پاسخ می دهند که بیشترین منفعا را برای بقایشان داشته باشد. این هوشمندی لزوما به معنی هشیاری حیات سلولی نیست بلکه عمدتا از حافظه اپی ژنتیک نشات میگیرد که در طول تکامل کسب شده است. این هوشمندی ذخیره شده در مدارهای ژنتیکی موجب می شود موجود زنده بدون در نظر گرفتن عوامل محیطی خود بر رفتار خود تاثیر بگذارد که به آن رفتار خود مختارانه (Autonomous) گفته می شود. سیستم های فیزیکی خودمختار نیستند و متدولوژی علمی در بررسی سیستم های خودمختار با چالش رو به رو است.
• سیستم های بیولوژیکی توانایی نوعی محاسبه گری را نشان می دهند. برای مثال سرعت واکنش های بیوشیمیایی برای رشد بهینه سلول با قواعد ریاضی و محاسبه مشخص می شود. اما ماهیت این محاسبه کامپیوتری نیست و مطالعات نشان می دهد سیستم های زیستی کامپیوتر نیستند. این در حالی است که علم انفورماتیک به طور عمده بر محاسبه گری الگوریتمی (Computing) استوار است.

با در نظر گرفت این ویژگی های توصیف کننده حیات فیلسوفان بیولوژی رویکرد امیک را تنها یکی از الزامات شناخت حیات به شمار می آورند و در کنار آن بر لزوم توسعه روش های علمی که سایر ویژگی های حیات را از بستر فلسفه به بستر علم منتقل کند تاکید می کنند. چکیده انتقادات چند دهه ای فیلسوفان علم نسبت به جریان اصلی بیولوژی مولکولی به شیوایی در کلام بیولوژیست و فیلسوف بزرگ Olaf Wolkenhauer و یکی از پایه گذاران سیستم بیولوژی منعکس می شود که می گوید: حیات سوپی از مواد شیمیایی نیست. شما اگر همه مولکول های سازنده باکتری را داشته باشید و آنها را در یک ظرف آزمایش بریزید شاهد تولد باکتری و رشد و تکثیر آن نخواهید بود. در حقیقت مولکول های زیستی هیچ کدام زنده نیستند بلکه چیز دیگری وابسته به مولکول ها هست که حیات را ایجاد می کند. برای یافتن آن عامل حیات بخش باید کجا را جستجو کنیم؟ آیا همچون وایتالیست ها باید معترف به عاملی خارج از سلول شویم؟ شاید نه… مولکول ها در آنجا هستند اما زنده نیستند. اگر بنا باشد حیات از چیزی میان همین مولکول های غیر زنده بروز کند آن چه چیزی می تواند باشد؟ اولین و شاید آخرین پاسخ مبتنی بر مشاهده که به ذهن می رسد یک چیز است: ارتباط میان مولکول ها. در حقیقت نوع خاصی از ارتباط میان مولکول های زیستی حیات را متولد می کند. بنابر این درک ارتباط میان مولکول ها برای ما به معنی درک حیات خواهد بود.

با پذیرش این بینش جدید بی واسطه سوالی مطرح می شود که حال چگونه می توانیم ارتباط و میانکنش مولکول های بیولوزیکی را مطالعه کنیم و رویکر علمی مناسب برای این هدف چیست؟. این سوال دهه ها از سوی زیست شناسان منتقد و نواندیش مورد کنکاش قرار گرفته و جستجویی خستگی ناپذیر برای آن در جریان بوده است. رویکرد چند رشته ای در علم این فرصت را برای زیست شناسان فرا-اندیش فراهم کرد تا نگاهی به سایر حوزه های علمی بیندازند و از روش های آنها برای توسعه رویکردهای نوین در زیست شناسی الهام گیرند. یکی از شاخه های علم که بستر های مناسبی برای بررسی مطالعه ارتباط میان اجزا را ایجاد کرده علوم فیزیکی و مهندسی است. فیزیک دانان و مهندسان بر خلاف زیست شناسان سنتی پدیده های پیچیده را نه در سطح اجزاء و نه حتی دانش همه اجزاء بلکه در سطح ارتباط میان اجزاء جستجو می کنند. برای مثال به هواپیما نگاه کنیم. هواپیما محصولی متشکل از هزاران قطعه است که هیچ یک به تنهایی قادر به پرواز نیستند بلکه تنها حضور همه آنها در جای مشخص خود و ارتباط منظم و دقیق اجزاء با یکدیگر است که امکان پرواز را فراهم می کند. مهندسان نحوه ارتباط میان اجزاء هواپیما را از پرندگان الهام گرفتند. آنها به تعامل اجزاء بدن یک پرنده نگاه می کنند و با استخراج اصول حاکم و پیاده سازی آنها بر روی آلومینیوم به این فلز امکان پرواز در آسمان می دهند. هرچند در حوزه های دیگر علم نظیر علوم اجتماعی هم موضوع ارتباطات به شدت مورد توجه قرار گرفته است اما تنها در فیزیک و مهندسی است که علم ارتباط میان اجزاء آنقدر محکم و قوی توسعه یافته که منشاء تمام اختراعات و فناوری های عظیم جهان مدرن شده است. زیست شناسان فرا-اندیش که عموما منتقد جریان اصلی بیولوژی مولکولی هستند دهه ها است که دستاورد های نظری و عملی علوم فیزیکی و مهندسی را زیر نظر گرفته و تلاش کرده اند که اصول علمی توسعه یافته در این حوزه ها را به بیولوژی منتقل کنند. یکی از بنیان های اصلی فیزیک و مهندسی نظریه سیستم های دینامیکی است. به جرات می توان گفت هیچ پیشرفت کلیدی در فناوری های مدرن در خارج از بستر نظریه سیستم ها صورت نگرفته است. در عنوان این نظریه واژه کلیدی “سیستم” خود نمایی می کند. سیستم به طور رسمی به عنوان مجموعه ای از اجزاء و ارتباط میان آنها تعریف می شود. یک بار دیگر تعریف سیستم را بخوانید… درست است… مجموعه ای از اجزاء و ارتباط میان آنها… آیا این شبیه همان بینشی نیست که در باره حیات به دست آورده بودیم؟ تفکر عمیق بر روی ویژگی های حیات توجه ما را معطوف کرد که حیات برآمده از مجموعه ای از مولکول ها و ارتباط میان آنها است. به این ترتیب زیست شناسان پیشرو متوجه شدند مفهوم سیستم می تواند چارچوب نظری لازم برای مطالعه ارتباط مولکول ها را به بیولوژی منتقل کند. آنها نام این رویکرد جدید را Systems Biology گذاشتند. بر اساس این نگرش سلول یک سیستم است به همان معنا که هواپیما یک سیستم است. بنابراین سیستم بیولوژی به معنی نگرشی در بیولوژی است که بر ارتباط میان مولکول های زیستی به عنوان تنها راه منتهی به درک حیات تاکید می کند. اما این همه ماجرا نیست… و ماهیت سیستم بیولوژی تنها به ارائه یک چارچوب مفهومی خلاصه نمی شود. واژه سیستم در Systems Biology از نظریه سیستم های دینامیکی اقتباس شده. همانطور که قبلا اشاره شد، این نظریه سنگ بنای فیزیکی و مهندسی است و روش های علمی این علوم که منشاء فناوری های پیچیده کنونی هستند در بستر این تئوری توسعه یافته است. بنابراین انتقال مفهوم سیستم از نظریه سیستم ها به بیولوژی تنها اقتباس یک چارچوب مفهومی نیست بلکه به همراه خود زمینه انتقال روش های علمی قدرتمند علوم فیزیکی و مهندسی به زیست شناسی و بومی سازی آنها را فراهم می کند. اقتباس روش های سیستمی در بیولوژی این امید را ایجاد می کند که همانطور که فیزیک دانان با تمرکز بر ارتباط میان اجزاء (فرض کنید ارتباطات کوانتومی اجزاء زیر اتمی) توانستند توصیفی دقیق و جامع از جهان هستی در قالب نظریه “همه چیز” ارائه دهند و همانطور که مهندسان با تکیه بر ارتباط میان اجزاء می توانند سفینه ای را در زمان مشخص بر روی شهاب سنگی در حال حرکت فرود آورند زیست شناسان هم با تکیه بر رویکرد سیستمی در نهایت قادر خواهند بود حیات را به شکل جامعی شناخته و سلول های زنده را به صورت دقیق مهندسی کنند. در حقیقت سیستم بیولوژی حوزه ای میان رشته ای را در فصل مشترک زیست شناسی، فیزیک، و مهندسی می گشاید و زبان مشترکی را میان این علوم ایجاد می کند تا در بستر این تعامل زیست شناسی از یک علم نرم (Soft Science) به تدریج به یک علم محکم (Hard Science) با قواعد علمی تخلخل ناپذیر و  مبتنی بر ریاضیات تبدیل شود. به علاوه تعامل فوق زمینه را برای اینکه زیست شناسی همچون فیزیک به یک علم دقیق تبدیل شود را فراهم می کند، چیزی که با توجه به انطاف پذیری و عدم قطعیت بالای سیستم های زیستی به آن نیاز مبرم داریم.

الهام گیری سیستم بیولوژی از نظریه سیستم های دینامیکی ناظر بر نکته کلیدی دیگری هم هست و آن مفهوم “دینامیسم” (پویایی) در این نظریه است. بر اساس نظریه سیستم های دینامیکی رفتار یک سیستم نه تنها برآمده از ارتباط میان اجزاء است بلکه در نظر گرفتن پویایی ارتباط اجزاء نیز در درک عملکرد سیستم ضروری است. در حقیقت ارتباط میان اجزاء ماهیتا ارتباطی پویا است و و وقتی از ارتباط سخن می گوییم دینامیک آن را هم در نظر می گیریم. این موضوع به ویژه در حوزه بیولوژی مشهود است… اجزاء سازنده سلول ها دائما در حال تحرک و تغییر هستند و فعالیت آنها از یک برنامه زمانی انعطاف پذیر پیروی می کند. از این ملموس تر آنکه در زیست شناسی اساسا حیات سلول با رشد آن توصیف می شود… که به معنی تغییر تعداد سلول ها در واحد زمان است. با توجه به اینکه حیات ذاتا پدیده ای پویا است سیستم بیولوژی با تکیه بر نظریه سیستم های دینامیکی این پویایی را در مرکز توجه قرار می دهد و مجددا این چیزی است که برای درک حیات به آن نیاز مبرم داریم.

یا این وجود، آنچه بیان شد به این معنا نیست که سیستم بیولوژی به دستاورد های کنونی بیولوژی مولکولی و سایر زیرشاخه های زیست شناسی سنتی بی اعتنا است. برای مثال به جایگاه دکترین امیک در سیستم بیولوژی توجه کنیم. هنگامی که در سیستم بیولوژی از ارتباطات مولکولی صحبت می شود به طور ایده آل مقصود همه ارتباطات میان مولکولی است. بنابر این هر قدر اطلاعات بیشتری از اجزاء مشارکت کننده در حیات و ارتباط میان آنها داشته باشیم سیستم بیولوژی موفق تر عمل می کند. بنابر این سیستم بیولوژی روش ها و دستاورد های زیست شناسی کل نگر که در رویکرد امیک به ظهور می رسد را در آغوش می گیرد و بستری فراهم می کند که از داده های امیک بیشترین اطلاعات ممکن استخراج شود.

از طرف دیگر داده های امیک داده های بزرگ مقیاسی هستند. برای مثال اگر ارتباط میان اجزاء را در نظر نگیریم تنها در پروتئومیک E. coli با بیش از چهار هزار و در انسان با بیش از سی هزار داده پروتئینی رو به رو هستیم. حال اگر ارتباط پروتئین ها را که مورد تاکید سیستم بیولوژی است لحاظ کنیم مقیاس داده ها در باکتری به میلیارد ها و در انسان به تریلیون ها واحد داده میرسد. و این تنها در حالی است که در سطح پروتئومیک مشغول مطالعه باشیم و نه کل سلول. بدیهی است که در اینجا رویکرد سیستم بیولوژی که بر مطالعه همزمان همه ارتباطات مولکولی تکیه دارد برای ذهن بشر قابل اجرا نیست بلکه به بهره گیری از سیستم های کامپیوتری و محاسباتی نیاز دارد. در اینجا است که دستاورد های بیوانفورماتیک در مدیریت، پردازش و تحلیل داده های زیستی به ویژه داده های امیک به شدت مورد استقبال سیستم بیولوژی قرار می گیرد. در حقیقت بیوانفورماتیک که امروز علمی توسعه یافته و پیشرو در علوم زیستی است یکی از اهرم های کلیدی پیاده سازی پاردایم سیستم بیولوژی محسوب می شود. با این وجود تکیه سیستم بیولوژی بر رویکرد ها و الگوریتم های محاسباتی تنها به روش های بیوانفورماتیک کلاسیک محدود نمی شود. چنانکه قبلا بیان شد، سیستم بیولوژی نه تنها روح و مفهوم “سیستم” و “دینامیسم” بلکه روش های علمی فیزیک و مهندسی که عمدتا بر ریاضیات و محاسبات مبتنی هستند را نیز از این علوم به زیست شناسی منتقل می کند. این روش های علمی که در طول دهه ها در علوم فیزیک و مهندسی پخته شده و به بلوغ رسیده اند عموما پیچیده تر از رویکرد های محاسباتی بیوانفورماتیک کلاسیک هستند و امکان استخراج اطلاعات عمیق تری از داده های بزرگ مقیاس زیستی را فراهم می کنند. این روش های اقتباس شده از علوم فیزیکی و مهندسی به تدریج در بستر زیست شناسی بومی شده و حتی به طور اختصاصی برای بیولوژی توسعه داده می شوند و به این ترتیب در کنار نگرش سیستمی و دینامیکی هویت مستقل سیستم بیولوژی را تشکیل می دهند.

وقت آن است که به بعضی از این روش ها نگاهی بیندازیم. چنانکه گفته شد ماهیت سیستم بیولوژی بر ارتباط اجزاء سازنده حیات (مولکول ها) استوار است. اما ارتباط یک مفهوم ذهنی است. چگونه می توان آنرا به صورت یک مفهوم عینی و علمی تعین بخشید و بر روی آن مطالعه انجام داد؟ در بسیاری از علوم مهندسی مفهوم “شبکه” نقش محوری و بنیادی دارد. برای مثال در مهندسی برق یک مدار الکترونیک در واقع شبکه ای از عملگر های های الکترونیکی است که جریان الکتریسیته را به شکل برنامه ریزی شده ای مدیریت می کند. همچنین در علوم کامپیوتر شبکه شامل مجموعه ای از سیستم های کامپیوتری متصل به یکدیگر است که اطلاعات را در قالب پروتوکول های معین با هم تبادل می کنند. در حقیقت شبکه خود متشکل از مجموعه از اجزاء و ارتباط میان آنها است و این همان مفهوم سیستم است که سیستم بیولوژی آنرا از نظریه سیستمها الهام می گیرد (بالا را ببینید).

بنابراین اگر در سیستم بیولوژی بر ارتباط میان مولکول ها تمرکز داریم مفهوم شبکه امکان تعین بخشیدن و مصور کردن “ارتباط میان مولکول ها” را فراهم می کند. به عبارت دیگر ما در سیستم بیولوژی ارتباط بیولوژیک بین مولکول های فعال در حیات را به صورت شبکه بازسازی می کنیم. این بازسازی در واقع یک مدل و الگوی عینی از ارتباطات درون سلولی مولکول های زیستی است و بنابر این ما ارتباطات میان مولکول های زیستی را به صورت یک شبکه مدلسازی می کنیم. اهمیت شبکه در سیستم بیولوژی به حدی است که گاهی از “بیولوژی شبکه ای” به عنوان نام دوم این رشته علمی استفاده می شود. مجدا، در اینجا نیز مفهوم شبکه تنها انتقال یک مفهوم از حوزه مهندسی به زیست شناسی نیست. در علوم فنی روش های فراوان و موثری برای تحلیل شبکه ها توسعه یافته و انتقال مفهوم شبکه به بیولوژی آن روش های تحلیلی را نیز همراه خود به حوزه زیست شناسی وارد می کند. یکی از این روش ها نظریه گراف است که امکان استخراج اطلاعات عمیقی از ساختار و ویژگی های یک شبکه بیومولکولی را فراهم می کند.

در سیستم بیولوژی گره های یک شبکه مولکول ها هستند و ضلع های شبکه (یال ها)  ارتباطات میان مولکول ها هستند.  این ارتباط ها می توانند انتقال سیگنال بین دو پروتئین یا واکنش شیمیایی بین دو متابولایت (مولکول متابولیکی) باشد. اندازه شبکه بسته به حجم اطلاعات مولکولی می تواند متفاوت باشد. شبکه بیولوژیکی می تواند بر اساس داده های امیک ساخته شود که در آن صورت گره های شبکه شامل همه بیومولکول ها و ضلع های شبکه شامل همه ارتباطات مولکولی خواهند بود. اگر شبکه ای را بر اساس داده های امیک همه سطوح زیستی شامل ژنومیک، ترانسکریپتومیک، پروتئومیک، متابولومیک، و رآکتومیک یک سلول ایجاد کنیم در واقع کل بیولوژی مولکولی سلول را به صورت یک شبکه عظیم مدلسازی کرده ایم. با وجود انبوه داده های امیک امروزه ساخت چنین شبکه هایی برای گونه های مختلف زیستی از باکتری گرفته تا سلول های بدن انسان امکان پذیر است و این شبکه ها در واقع مدل ریاضی سلول مورد نظر هستند.

بدیهی است به دلیل حجم زیاد اطلاعات سازماندهی شده در این مدل ها تحلیل آنها به استفاده از کامپیوتر نیازمند است. با انتقال این شبکه های جامع به کامپیوتر در واقع نسخه کامپیوتری سلول زنده را به دست می آوریم که در کنار مطالعات in vitro (برون تن) و in vivo (درون تن) امکان نوع جدیدی از مطالعات بیولوژی به نام in silico (در کامپیوتر) را فراهم می کند. مدل های سلولی in silico در واقع “ارگانیسم هایی در کامپیوتر” هستند که به طور ایده آل همه ارتباطات موکولی درون سلول که حیات از میان آنها پدید می آید را به طور منسجم در بر دارند. لذا تحلیل این مدل ها با روش های سیستم بیولوژی دانش سطح بالایی از بیولوژی سلول مورد نظر به دست می دهد که با هیچ روش بیولوژیکی دیگری قابل حصول نیست. آنالیز این مدل ها در واقع دانشی سیستمی از مکانیسم های بنیادی حیات سلول ارائه می کند که یک پارچه سازی قطعات این دانش به طور بالقوه می تواند به درک کل حیات سلول منجر شود… همان هدفی که رسالت علم بیولوژی است.

شبکه ها حرف های فراوانی برای گفتن دارند و اسرار زیادی در خود پنهان کرده اند. اسراری از دو راز بزرگ پیش روی بشر: “حیات” و “ادراک”.  هردوی این پدیده ها از شبکه ها به وجود می آیند… حیات از شبکه ارتباطات بیومولکولی و ادارک هم از شبکه ارتباطات بیومولکولی و هم شبکه ارتباطات عصبی. این شبکه ها هستند که زنده می شوند… شبکه ها هستند که آگاه می شوند… و سیستم بیولوژی از شبکه ها آغاز می کند.

کار سیستم بیولوژی مدلسازی حیات به صورت شبکه های زیستی و توسعه روش هایی برای رمز گشایی از اسرار نهفته در آنها است. بر اساس آنچه بیان شد به نظر میرسد اگر ماموریت بیولوژی درک ماهیت حیات است سیستم بیولوژی این علم را در مسیر صحیح برای نیل به هدف خود قرار می دهد. در بخش اول مقاله “سیستم بیولوژی چیست؟” هدف ما معرفی خاستگاه، تکامل، و ماهیت علم سیستم بیولوژی بود. در بخش های بعدی مقاله مطالب نسبتا فشرده در بخش اول به طور مبسوط تر مورد بحث قرار گرفته و اطلاعات جامع تری در خصوص جوانب مختلف این علم، جایگاه آن در حال و آینده زیست شناسی، و کاربرد های آن در صنعت و سلامت و بهبود کیفیت زندگی ارائه خواهد شد.