|蛋白质兼具可塑与稳定性？从进化视角揭示生命复杂系统的内在平衡
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导语
在生命复杂系统中 ， 有的变量表现出稳定性 ， 而另外一些变量表现出可塑性 ， 它们之间存在微妙的平衡 。 近日东京大学综合文化研究科博士后、集智科学家傅渥成（唐乾元）等 ， 在Physical Review Research发表文章 ， 揭示蛋白质系统的功能敏感性和突变稳定性之前的定量关系 ， 加深了对蛋白质功能运动和突变进化之间的关系 。
1. 可塑性（plasticity）和稳定性（robustness）：矛盾还是互补？
生命系统常常表现出高度的“可塑性” ， 这种可塑性反映出系统随环境变化状态“可变”的一种特性 。 当生物来到了一个新的环境 ， 常常可以很快地适应新的环境 ， 这就是一种可塑性；再比如说 ， 我们的大脑可以不断学习新的知识 ， 这也是一种可塑性；通过选择与进化 ， 生物变得越来越适应某种环境 ， 这也可以看成是一种可塑性 。
与可塑性相反的一个概念是稳定性（robustness ， 平时也翻译为鲁棒性、稳健性等 ， 本文为简单起见 ， 统一称为“稳定性”） 。 例如 ， 恒温动物的体温在不同的环境下可以保持在相对稳定的范围内 ， 这体现的就是一种稳定性 。 稳定性所反映的是系统随环境变化状态“不变”的一种特性 。 可塑性与稳定性 ， 代表着复杂系统“可变”与“不变”这样一个基本矛盾 。
一个系统 ， 通常要么是具有可塑性 ， 要么是具有稳定性 ， 很难同时实现这二者 。 当然 ， 在复杂系统中 ， 通过一些精巧的平衡 ， 系统可以同时具有可塑性和稳定性——我们的大脑既可以学习崭新的知识（可塑） ， 又能保持那些古老的回忆（稳定） 。 更多的 ， 我们常常会看到 ， 在一个复杂系统中 ， 有的变量表现出稳定性 ， 而另外一些变量表现出可塑性 。
这种现象其实在经典的热力学中经常出现 。 热力学中有许多共轭的变量 ， 例如体积和压强 。 当两个变量互为共轭的时候 ， 增大其中一个量的可变性 ， 实际上就是在增大其共轭变量的稳定性 。 例如 ， 在一个化学反应中 ， 如果我们固定系统的压强（等温等压系综） ， 系统的体积则有可能会发生剧烈的变化 ， 反过来 ， 如果固定体积 ， 那么压强又会有剧烈的变化 。 总之 ， 体积的可变性跟压强的稳定性可以同时实现 ， 而压强的可变性跟体积的可变性也可以同时实现 。 从直观上来看 ， 看起来有点像量子力学的“不确定关系” 。
在生物系统的适应性等问题中 ， 这种类似的共轭关系也广泛存在 ， 举个例子 ， 在一个振动问题中 ， 相位和频率也有类似的共轭关系 ， 因此 ， 相位的可变性跟频率的稳定性是可以同时实现的 。 这很好理解 ， 当我们从一个时区移动到另一个时区 ， 我们很快便适应了这个新时区的生活 ， 这里 ， 我们所适应的 ， 其实就是新环境下的“相位” ， 而在新的时区 ， 仍然每天是24个小时 ， 即频率保持稳定 ， 相位可以调节[1] 。 试想在未来 ， 人类（或者其它生物）需要经常在昼夜时长不同的星球上生活 ， 到那时 ， 我们或许会更想要相位保持稳定、而频率保持可变的生物钟 。
总之 ， 尽管“可变”和“不变”无法同时实现 ， 但是在一个复杂系统中 ， 可塑性和稳定性未必总是矛盾的 ， 我们常常可以看到 ， 系统的某一部分具有强的可塑性 ， 而另外一部分变量保持高的稳定性 。 特别的 ， 当两组变量互为共轭的时候 ， 增强其中一部分变量的可塑性 ， 实际上可以帮助提高与之共轭的一部分变量的稳定性 ， 反正亦然 。 沿着这一思路 ， 我们近期在Physical Review Research 上发表了一篇理论研究的文章 ， 这篇文章描述了蛋白质的功能敏感性和突变稳定性之间的关系 ， 这一关系同样体现了可塑性与稳定性之间的互补性 。 在这篇文章里 ， 我将简要概述一下文章的主要思路 ， 如果你对相关的细节感兴趣 ， 可以直接阅读我们的论文[2] 。
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