他山之石，可以攻玉——数学和生物学跨学科案例研究

跨学科研究具有很多优势，它不仅能够在一定程度上解决研究复杂性带来的桎梏，还能调动每个涉及到领域的知识储备，发挥各自领域的专长。这种更换研究领域，使科学家能够运用他们原有的观察技术和推理能力，以新的眼光来对待旧的和困难的问题。这也验证了中国“他山之石，可以攻玉”的名言。真正比较好的跨学科研究就是某一个学科存在的不能充分解决的紧迫问题，能在另外一个学科找到解决问题的方法和思路。

近日，生物学家和数学家联手开展了一项研究，他们以数学作为工具协助攻克了生物学研究中的难点，这是4月10日在iScience期刊上发表的论文“Mean-Independent Noise Control of Cell Fates via Intermediate States”的幕后故事。

在发育过程中，细胞从其周围环境中得到“启示”以决定其生命轨迹，但在所有正在发生的遗传和分子活动中“倾听” 到相关信息并非总是易事。 细胞会平息这种噪音，以便就如何行为发出准确指令。

使用斑马鱼后脑作为试验场，加州大学欧文分校（UCI）的三位科学家——应用数学家Christopher Rackauckas（现在麻省理工学院就职）、生物学家Thomas Schilling和数学生物学家Qing Nie，发现了一种“中间态细胞用来控制平息噪音”的策略。 他们的论文展现了“特定细胞蛋白如何将噪音降低到发育活动所需水平”，并是该领域研究的首批例子之一。

这项工作的核心成果是证明了对各种信号网络模型的（参数独立的）均值独立的噪音控制。问题是所述的证明是用随机微分方程语言编写的，这是一个非常专业的数学分支，但这些成果必须转化为可用的生物学解释。经过几次实验室会议和双方之间的多次讨论，双方共同提出一种方法，将数学表述视为生物实验，即：不是以数学风格去说明和证明某个单一事实，而是遵循提问-答辩-发现法，抽丝剥茧地开展工作。最终，通过呈现出一种简化的模型来进行最后的发表工作。

跨学科生物建模似乎与“纯粹的”数学生物学建模大相径庭，所以每次讨论都有一位系统专家在场，从而促使研究语言能够被双方理解。 “我们希望最终结果更多地是建立相互作用中噪声的经验法则和直觉推理知识，这样生物学家就可以说出“我预期蛋白质A会增加蛋白质B浓度的随机性”这样的结论。”因此，论文出版的过程中是以数学细节作为数值实验的补充，这就体现出这种效应的灵活性，即将重点放在对生物学结果的关注，而不是用于解释的方法。 由于数学生物学期刊喜欢将数学结果视为前沿和中心，而完全数学化解释模式则不适合标准生物学期刊，或甚至许多系统生物学期刊，因此这就给论文的出版带来诸多制约。

跨学科案例研究系列重点强调研究团队如何克服近邻性、学术语言、方法、管理、出版以及基金相关的障碍，而最终以开放的心态将两个或多个不相关领域的研究人员聚集在一起。所以iScience作为细胞出版社旗下跨学科领域的高质量期刊，为这类研究成果的发表提供了一个有效的平台。

相关论文信息：

原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下跨学科开放获取期刊iScience上，点击“阅读原文”查看。

论文标题：

Interdisciplinary Case Study: How Mathematicians and Biologists Found Order in Cellular Noise

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(18)30161-5

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.isci.2018.10.002

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