#! (ink pub (T i) (attr (type Topic)) (edge (supset 4.2 思维工具))) 关键词：结构、功能、形式、内容

结构与功能

结构决定功能、形式决定内容，或者反过来说功能塑造了结构、内容塑造了形式。不仅是生物信息学，这亦是一个放之四海而皆准的普世真理，亦是物理、化学等其他诸多学科的一个基本原理，从宏观到微观，处处无不透露着该原理的光芒。

我们的大自然，从宏观到微观，“结构决定功能”的例子比比皆是。让我们看看鹰、鸭和鸽子的爪子。鹰的爪子长弯而尖利，令其能够刺穿并控制猎物；鸭子的爪子扁平有蹼，令其长于游泳，而弱于树枝攀爬；鸽子的爪子直长，决定着它善于走路和攀住枝条。辨别方位和声源物性质对于动物来说至关重要，对此，我们人类靠双耳时间差和双耳能量差判别，而对于声源的高度靠耳朵的褶皱；而对于靠双耳侦测低处猎物的猫头鹰来说，精准判断声源高度至关重要，其双耳高度有显著差异（图1），因此靠双耳时间差和双耳强度差判断垂直高度。

图1.猫头鹰双耳高度有显著差异

再往微观看，肠道细胞表面有许多小绒毛，这种结构极大的扩大了细胞表面积，从而帮助肠道最大程度的吸收食物营养；神经元高度分支化的结构让它可以和很多其他神经元能够相互作用，从而实现高效的信号传递；红细胞呈双面微凹的圆盘状，无细胞核，运输氧气的功能相适应，这样的特点可以令其携带更多的氧气。又是结构决定功能！或者功能塑造了结构。让我们继续往微观走，来到分子和原子的世界。我们地球生物大分子是以碳原子为骨架（backbone or skeleton）连起来的，且以水作为溶剂的。原因何在？前者是因为碳原子的独特性质和结构。碳原子最独特的结构是它是化合价为4的最小的原子，因此可和其他原子形成4个化学键，多样性大，又因为它原子量最小，因此它形成的化学稳定性高。其次，碳原子的外层电子结构决定它极容易和氧、氢、氮等原子形成共价键，并且它们是能够形成共价键的最轻的原子，使它们形成的分子特别稳定。总结来说就是碳原子独特的高化合价和低原子量使它具有了独特的性质能够形成多样性大和稳定性高的化学分子。碳是构成生命分子骨架的原子，那么这些生命分子则是一个由水组成的环境中，比如水占细胞重量的75-85%，水是生命分子的溶剂。那么，是什么原因让水承担了这一重要使命？这要从水分子的结构说起，水分子由1个氧原子和2个氢原子组成，如图所示，水分子不是线性的而是弯曲的，两个氢原子和氧原子形成的键其键角为104.5度而不是180度，就是这一弯曲，使水分子上的电荷分布不均衡，头部带负电而末端带正电，产生了极性（polar）。而正是极性这一特性使水分子进而具备了其他特性，如内聚性（cohesive）、高的温度稳定能力（high temperature-stabilizing capacity）、以及溶解能力等（The World of the Cell(7e). 科学出版社 2012）。

同理，形式决定内容。图2所示是miR-122这一分子在人体各正常组织的表达谱，每一个条代表一种组织，条的高度代表该基因在相应组织的表达水平。由图可知，该基因是高度肝脏特异的，它主要在肝脏表达，而在其他组织表达量很低甚至不表达，“存在即合理”、“形式决定内容”，我们有理由高度相信该基因一定密切参与了肝脏的生理功能，也一定和肝脏疾病有密切关系。10多年过去了，这一miRNA和肝脏功能与疾病的密切关系已获得公认。我们看到，这些预测高度精准，甚至不需要什么复杂的算法。 图2. miR-122在人体各组织的表达谱。每一条bar代表一种组中，总坐标表示该miRNA在相应组织中的表达量。可知miR-122是高度肝脏特异的。

虽然一谈到“结构”，大家最容易想到的两要素是“形状”（shape）和“大小”（size），但是其它要素，如“材质”等，亦是必不可少的。如形状和大小完全相同的锹，塑料材质的和钢铁材质的，则一个可能是用来做玩具挖一挖细沙，另一个则是真刀实枪用来干活的工具。

与“相似度原理”一样，“结构决定功能原理”的应用亦需要小心谨慎，一则结构同源的东西，也很可能功能不同，二则结构的细小不同都可能造成功能的很大差异。在此举两例说明。如图3，这个看起来很像麻雀的鸟“既能在水面浮游，又能在水下潜泳”，虽然它的爪子和鸡爪子也差不多，至少不比麻雀的爪子更适合游泳，它何德何能？它叫河乌，它的秘密武器是用翅膀而不是爪子划水。

图3. 河乌的爪虽无蹼但可用翅膀游泳、潜水

结构决定功能、形式决定内容，或者反过来说功能塑造了结构、内容塑造了形式。

我们知道两种完全同的物质在一起有可能产生化学反应，完全相同的物体在一起或许是物理现象