隨機(jī)過(guò)程通常以隨機(jī)的方式呈現(xiàn)，即不可預(yù)測(cè)的事件。這種框架模糊了這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，即隨機(jī)過(guò)程雖然在個(gè)別事件層面上或多或少是不可預(yù)測(cè)的，但在人口層面表現(xiàn)良好。它還模糊了隨機(jī)過(guò)程在各種可預(yù)測(cè)現(xiàn)象中的作用; 例如，在原子系統(tǒng)中，未知因素決定了特定不穩(wěn)定原子的放射性衰變的時(shí)間，同時(shí)放射性衰變的速率在足夠大的人口中是高度可預(yù)測(cè)的。類(lèi)似地，在經(jīng)典的雙縫實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)光子，電子或C60分子的通過(guò)是不可預(yù)測(cè)的，而更大的人口的行為是完全可預(yù)測(cè)的。布朗運(yùn)動(dòng)的宏觀可預(yù)測(cè)性(隨機(jī)過(guò)程)使愛(ài)因斯坦能夠爭(zhēng)論原子的現(xiàn)實(shí)。類(lèi)似地，分子復(fù)合物的解離或由熱碰撞驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生是隨機(jī)過(guò)程，而解離常數(shù)和反應(yīng)速率是可預(yù)測(cè)的。事實(shí)上，與真正隨機(jī)的，即不可預(yù)測(cè)的行為相比，這種類(lèi)型的個(gè)人層面的不可預(yù)測(cè)性和人口層面的可預(yù)測(cè)性是隨機(jī)性的標(biāo)志。

單細(xì)胞和單分子研究越來(lái)越多地提供了從進(jìn)化到認(rèn)知和致病機(jī)制的一系列生物過(guò)程的機(jī)制見(jiàn)解。隨機(jī)事件的影響因生物系統(tǒng)的發(fā)展和適應(yīng)性而變得復(fù)雜，并且似乎受到遺傳背景的影響。在某些情況下，穩(wěn)態(tài)(反饋)機(jī)制使系統(tǒng)返回其原始狀態(tài)。在其他情況下，特定基因(或一組基因)的隨機(jī)表達(dá)(或突變)會(huì)導(dǎo)致一系列下游效應(yīng)改變系統(tǒng)，使后續(xù)事件或多或少變得可能，最近的實(shí)時(shí)過(guò)程很好地說(shuō)明了這一過(guò)程。關(guān)于細(xì)菌抗生素耐藥性進(jìn)展的研究(圖。1)。最近，EXAC系統(tǒng)使用了突變的隨機(jī)(分子鐘)性質(zhì)，以顯示選擇性和非適應(yīng)性效應(yīng)對(duì)人類(lèi)基因的影響。

教學(xué)研究

“K12科學(xué)教育框架”完全忽略了隨機(jī)過(guò)程，而“本科生物教育中的愿景與變化”文件中包含了一個(gè)要求“將隨機(jī)性納入生物模型”的單一觀點(diǎn)(第17頁(yè))，但忽略了這一點(diǎn)的細(xì)節(jié)。實(shí)踐意味著人們(甚至學(xué)者)經(jīng)常難以準(zhǔn)確理解隨機(jī)過(guò)程。未能理解隨機(jī)過(guò)程一直是接受達(dá)爾文進(jìn)化論的一個(gè)障礙。從這個(gè)角度來(lái)看，重新思考似乎已經(jīng)過(guò)去了。隨機(jī)過(guò)程在生物(以及化學(xué)和物理)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)作用，以及如何通過(guò)連貫的課程敘述和輔助材料最好地將這些過(guò)程引入學(xué)生。

許多研究表明學(xué)生要求確定性模型來(lái)解釋一系列隨機(jī)過(guò)程。通過(guò)明顯確定性的描述，通常將學(xué)生介紹給細(xì)胞和分子水平生物系統(tǒng)的行為這一事實(shí)無(wú)助于這種情況。例如，在大多數(shù)教學(xué)視頻中，分子似乎知道他們正在前進(jìn)并有目的地移動(dòng)到那里。類(lèi)似地，多肽的折疊通常被描述為確定性過(guò)程，盡管基于模型的模擬的增殖提供了更真實(shí)的描述(參見(jiàn)下文)。大分子通常被描述為剛性的而不是動(dòng)態(tài)的; 例如，很少說(shuō)明DNA雙螺旋的熱驅(qū)動(dòng)打開(kāi)和關(guān)閉(分子間相互作用弱的結(jié)果)。分子彼此認(rèn)識(shí)并且(顯然)永遠(yuǎn)地保持在彼此的擁抱中; 熱碰撞在驅(qū)動(dòng)分子解離(和結(jié)合特異性)中的作用在大多數(shù)教科書(shū)中很少被考慮，并且可能在使用這些書(shū)的類(lèi)中很少考慮。此外，即使在完成傳統(tǒng)的大學(xué)水平化學(xué)課程之后，通常也很難理解涉及分子間相互作用的因素。確定酶特異性和反應(yīng)速率以及轉(zhuǎn)錄因子與其靶DNA序列結(jié)合的能量因子，以及突變對(duì)這些和其他過(guò)程的影響，往往沒(méi)有被評(píng)論。目前尚不清楚學(xué)生是否認(rèn)識(shí)到熱碰撞是造成分子相互作用逆轉(zhuǎn)的原因，或者它們是否能提供反應(yīng)的活化能。隱含地預(yù)期具有相同基因型的細(xì)胞以相同的方式表現(xiàn)(顯示相同的表型)，與直接觀察不一致的情況以及涉及細(xì)胞分化和社會(huì)行為的一般過(guò)程。表型外顯率和表現(xiàn)力也涉及隨機(jī)行為。當(dāng)教師在Hardy-Weinberg模型的背景下引入隨機(jī)過(guò)程(例如遺傳漂變)時(shí)，這肯定沒(méi)有幫助，這種情況不會(huì)發(fā)生遺傳漂移; 事實(shí)上，這樣的陳述似乎增加了學(xué)生的困惑。

我們的印象是，典型的教學(xué)方法是根據(jù)以確定性方式表現(xiàn)的大量分子來(lái)呈現(xiàn)分子水平過(guò)程。考慮一下細(xì)菌大腸桿菌的lac操縱子，這是一組在現(xiàn)代分子生物學(xué)中起作用的基因，也是一種通過(guò)它來(lái)表達(dá)基因表達(dá)調(diào)控的共同背景。lac操縱子的表達(dá)導(dǎo)致兩種蛋白質(zhì)(乳糖通透酶和β-半乳糖苷酶)的合成，這使得乳糖能夠進(jìn)入細(xì)胞并將乳糖轉(zhuǎn)化為單糖葡萄糖和半乳糖(可以進(jìn)一步代謝)和烯醇內(nèi)酯，其結(jié)合于抑制lac阻遏蛋白與DNA的結(jié)合，從而允許lac操縱子的表達(dá)。當(dāng)分析細(xì)菌培養(yǎng)物的大量行為時(shí)，隨著時(shí)間的推移(沒(méi)有其他能量源)，lac操縱子的表達(dá)隨著平滑函數(shù)而增加(圖2)。結(jié)果是乳糖代謝所需的蛋白質(zhì)的表達(dá)局限于存在乳糖的情況。

在我們能夠辨別的情況下很少被明確考慮的機(jī)械窘境是，lac操縱子怎樣才能“開(kāi)啟”，也就是說(shuō)，當(dāng)乳糖進(jìn)入細(xì)胞時(shí)，lac操縱子怎么能從抑制中表達(dá)出來(lái)? lac阻遏蛋白的失活都取決于操縱子的表達(dá)?一旦我們考慮到單個(gè)細(xì)胞的行為，情況就會(huì)變得清晰; LacZ表達(dá)以隨機(jī)方式從關(guān)閉到完全開(kāi)啟(圖2)。鑒于每個(gè)細(xì)胞有~5個(gè)lac阻遏物分子和一個(gè)到兩個(gè)拷貝的lac操縱子，當(dāng)操縱子不含結(jié)合的阻遏物時(shí)，可以表達(dá)lac操縱子。如果在培養(yǎng)基中存在乳糖時(shí)發(fā)生這樣的“嘈雜”事件，則lac操縱子的表達(dá)允許乳糖進(jìn)入細(xì)胞，乳糖轉(zhuǎn)化為烯內(nèi)酯，lac阻遏物的失活，以及l(fā)ac操縱子的穩(wěn)定表達(dá)。該系統(tǒng)的隨機(jī)行為使得個(gè)體細(xì)胞能夠?qū)ζ洵h(huán)境進(jìn)行采樣并在存在有用的代謝物時(shí)作出響應(yīng)，同時(shí)最小化不必要的代謝費(fèi)用(無(wú)關(guān)多肽的合成)。類(lèi)似的邏輯涉及群體感應(yīng)的社會(huì)過(guò)程和許多其他過(guò)程，例如光的發(fā)射(通過(guò)熒光素酶系統(tǒng))和DNA攝取系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

什么是生物教育工作者?

反思教育設(shè)計(jì)師和開(kāi)明教師面臨的問(wèn)題是他們的課程應(yīng)該如何解決生物系統(tǒng)中隨機(jī)過(guò)程的多重作用?我有一些簡(jiǎn)短的建議，我認(rèn)為設(shè)計(jì)師和教師都可能要考慮這些建議; 許多已被納入課程設(shè)計(jì)的持續(xù)努力中。首先，應(yīng)該明確承認(rèn)(并傳達(dá)給學(xué)生)隨機(jī)過(guò)程難以理解，見(jiàn)證了賭徒謬論和“熱手”的共同信念; 學(xué)生需要有足夠的時(shí)間來(lái)處理，并對(duì)隨機(jī)系統(tǒng)的行為給予適當(dāng)?shù)姆答?。其次，很明顯，教師應(yīng)該說(shuō)明和闡明隨機(jī)過(guò)程在生物系統(tǒng)范圍內(nèi)的作用，從表型變異和進(jìn)化事件，包括突變和各種非適應(yīng)性過(guò)程(如遺傳漂變)對(duì)基因表達(dá)，藥物 - 靶標(biāo)相互作用和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。最后，應(yīng)準(zhǔn)確，明確地說(shuō)明隨機(jī)行為。這可以來(lái)自呈現(xiàn)分子(和細(xì)胞)水平過(guò)程的表示的模擬。在目前可用的例子中，有一些例子說(shuō)明了水分子通過(guò)水通道蛋白分子或通過(guò)它自身的運(yùn)動(dòng)，以及一個(gè)PhET小程序，它說(shuō)明了Elowitz等人對(duì)大腸桿菌中隨機(jī)GFP表達(dá)的研究。 (并允許學(xué)生操縱關(guān)鍵的監(jiān)管參數(shù))。

通過(guò)使用各種有針對(duì)性的評(píng)估工具，可以向教師(及其學(xué)生)揭示學(xué)生對(duì)隨機(jī)過(guò)程的理解。例如，可以要求學(xué)生繪制反映宏觀射彈(圖3A)與分子(微觀)物體(圖3B)的運(yùn)動(dòng)的圖表; 這樣的任務(wù)可以揭示學(xué)生是否可以從表現(xiàn)良好(確定性)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)性。繪圖(和解釋)已廣泛用于分析學(xué)生對(duì)CLUE項(xiàng)目背景的理解。類(lèi)似地，可以向?qū)W生呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)，包括驅(qū)動(dòng)細(xì)胞水平分歧的級(jí)聯(lián)效應(yīng)以及限制噪聲影響和產(chǎn)生各種結(jié)果(細(xì)胞分化)所涉及的反饋和調(diào)節(jié)相互作用?？梢钥紤]隨機(jī)事件在社會(huì)系統(tǒng)中的作用，包括對(duì)各種異常行為(社交作弊，癌癥)和社會(huì)反饋機(jī)制(細(xì)胞凋亡，正反饋和細(xì)胞分化的側(cè)向抑制)的反應(yīng)，以及在干細(xì)胞分裂和分化所涉及的決定。通過(guò)向?qū)W生介紹隨機(jī)過(guò)程在生物系統(tǒng)中的作用和影響，我們可以幫助他們對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性而非完全確定性的本質(zhì)進(jìn)行連貫的理解。橫向抑制細(xì)胞分化)和干細(xì)胞分裂和分化決策的背景。通過(guò)向?qū)W生介紹隨機(jī)過(guò)程在生物系統(tǒng)中的作用和影響，我們可以幫助他們對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性而非完全確定性的本質(zhì)進(jìn)行連貫的理解。橫向抑制細(xì)胞分化)和干細(xì)胞分裂和分化決策的背景。通過(guò)向?qū)W生介紹隨機(jī)過(guò)程在生物系統(tǒng)中的作用和影響，我們可以幫助他們對(duì)這類(lèi)系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性而非完全確定性的本質(zhì)進(jìn)行連貫的理解。