科技日报记者 王禹涵
从单细胞到人类，生命为何能变得越来越复杂？无数细胞如何做到精密分工、各司其职？4月21日，西安交通大学叶凯教授团队在《细胞》杂志发表论文，通过对跨越38亿年、涵盖1025个物种的基因组数据分析，首次从“系统构架”的视角回答了这些长期悬而未决的核心谜题。
一个被忽略的维度
生物学有一条基本信条：结构决定功能。但长期以来，科学家主要关注基因序列本身，却忽略了一个关键维度——基因在细胞核内是如何折叠的。如果把基因组比作一张“设计图”，那么这张图在三维空间中的折叠方式，直接决定了哪些基因被读取、哪些被沉默。正是这种肉眼看不见的物理结构，支撑着细胞的分工与协同。
然而，一个根本问题始终没有答案：基因组的三维结构本身是如何演化的？它凭什么支撑了生命从简单到复杂的系统跃升？
要回答这个问题，研究团队面临巨大挑战。他们需要从海量、异质的跨物种数据中，提取出普适规律。这无异于大海捞针。为此，西安交通大学自动化学院教授叶凯带领团队提出了一个大胆的想法：把线性的基因序列“图像化”升维，将复杂的三维互作数据转化为计算机视觉可以识别的特征图像，然后让AI来帮助寻找规律。
但数据中的噪声和异质性是一大难题。西安交通大学数学与统计学院孟德宇教授团队为此构建了数学底层模型，核心是稀疏表示与双层优化算法。简单来说，这个模型能把每个物种看似杂乱的三维基因组图谱“拆解”开来，再“重构”成少数几个本质构架模板的组合。
“就像一套高精度的降噪和特征提取系统。”西安交通大学自动化学院博士生车一卓解释说，正是这种“知识—数据双驱动”的研究范式，让大尺度发现成为可能。
两套不同的“构架”
有了这套方法，团队首次清晰定义了两类核心的基因组高阶构架。
第一类叫“全局折叠”，即染色体在细胞核内的整体空间排布，好比建筑的承重结构。研究发现，这个构架在生命界普遍存在，但其强弱与生物复杂性无关。有趣的是，植物普遍强化了这一稳定构架。车一卓认为，这可能有助于植物应对固着生存带来的环境压力。
第二类叫“棋盘格局”，反映活跃与抑制的基因组区域在三维空间中的分隔程度，好比城市的功能区规划。研究揭示了一个关键规律：棋盘格局越强，生物复杂性越高。也就是说，生命体越复杂，其基因组三维组织就越趋向于精细的“分区化管理”。
进一步分析发现，动物和植物在演化中走上了两条不同的道路。动物弱化了“全局折叠”的刚性约束，为“棋盘格局”腾出发展空间，从而支撑了高度分化的细胞类型和复杂行为。植物则倾向于加固“全局折叠”这一硬件骨架，更多依赖基因簇等其他调控方式。两者在相似的复杂性水平上，演化出了截然不同的内部调控策略。
令人惊叹的是，这一跨越38亿年的演化规律，在人类胚胎早期发育中得到了印证。人类胚胎发育同样经历了一个从强“全局折叠”向强“棋盘格局”的构架转换，且与细胞从全能性向多能性、再向特异功能分化的关键时期同步。
“从稳定骨架到动态分区，这个构架转换可能是生命系统实现从同质化向异质化跃升的共通法则。”叶凯说。
在叶凯看来，这项研究的意义不止于回答了“是什么”，更在于展示了“怎么做”。“我们将生命体视为一个动态的、自组织的复杂系统，运用系统建模、信号处理和人工智能等方法，对其核心构架进行逆向解析。”叶凯说，这为理解生命的设计逻辑提供了全新的视角和工具。
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