PRX Life速递：新证据基于72种现有模型，驳斥细胞过程处于混沌边缘

关键词：复杂生命系统，混沌边缘，细胞过程，动力学

论文题目：Models of Cell Processes are Far from the Edge of Chaos

期刊来源：PRX Life

论文地址：https://link.aps.org/doi/10.1103/PRXLife.1.023009
混沌边缘词如其意，指自适应性系统向介于有序与无序之间的动态机制演化趋势。复杂的生命系统传统上被认为处于“混沌边缘”，将稳健功能的有序动力学与快速环境适应的无序动力学分隔开来。

例如，酵母细胞必须能够调整其新陈代谢表型，以响应氧气供应等外部信号变化。同时，酵母细胞也不能因外部条件的微小波动或内部调控过程中的噪音而在不同代谢途径之间随意切换。

然而，对生物体是否处在混沌边缘，存在争议，详见推文《再探“混沌边缘”：自然系统与人工系统中的计算原理》的第三部分。

近期发表于PRX Life的这项研究探讨了 72 个实验支持的细胞过程（包括多种类型，如癌症，药物反应，细胞周期，代谢等）离散动力学模型，发现在长时间尺度上的有序性，表明这些系统的刚性（regidity）比以前推测的更强。

图1：对比细胞在不同扰动状态下的反应，统计扰动前后系统的差异

图2：系统在扰动前后差异的分布，大部分情况都接近0，说明系统不受到扰动影响，这与处于混沌边缘的预测相反

研究发现，内部扰动的传播在大多数情况下都是瞬时的，即使大扰动级联持续存在，其表型也不会改变。级联效应持续存在时，其表型效应往往微乎其微。此外，研究证据还表明，随机性和非同步化可导致从调节性扰动级联中恢复的程度提高。在“稳健”状态下（左下象限）的短期和长期响应都低于 1，这表明扰动消失，是有序动力学的特征。在“敏感”系统（右上象限）中，短期和长期响应均高于 1。这表明扰动增长，在极端情况下是无序或混沌动力学的特征。其他两个象限表示短期和长期响应不一致的情况。

图3：短期扰动与长期扰动的影响，左图为源节点可变。右图为源节点固定时的情况。

该分析依赖于量化扰动在离散动态系统中扩散趋势的新指标。使用现有方法计算这些指标是不可行的；为此开发了一种基于 CUDA 的多用途模拟工具，并将其作为开源 Python 库 CUBEWALKERS。基于新的测量方法和模拟，该结果表明，与当前理论相反，细胞过程是有序的，并且远离混沌边缘。

这项工作并不是完全否定了“混沌边缘”假说。相反，它表明生命系统并没有在功能模块的尺度上表现出临界行为。这就为临界行为在更大尺度上的出现留出了足够的空间，通过各种功能模块的耦合，生命系统可能在更大尺度上出现临界行为。

编译｜郭瑞东

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