根据单细胞分子研究进行生物学教育

随机过程通常以随机的方式呈现，即不可预测的事件。这种框架模糊了这样一个现实，即随机过程虽然在个别事件层面上或多或少是不可预测的，但在人口层面表现良好。它还模糊了随机过程在各种可预测现象中的作用; 例如，在原子系统中，未知因素决定了特定不稳定原子的放射性衰变的时间，同时放射性衰变的速率在足够大的人口中是高度可预测的。类似地，在经典的双缝实验中，单个光子，电子或C60分子的通过是不可预测的，而更大的人口的行为是完全可预测的。布朗运动的宏观可预测性(随机过程)使爱因斯坦能够争论原子的现实。类似地，分子复合物的解离或由热碰撞驱动的化学反应的发生是随机过程，而解离常数和反应速率是可预测的。事实上，与真正随机的，即不可预测的行为相比，这种类型的个人层面的不可预测性和人口层面的可预测性是随机性的标志。

单细胞和单分子研究越来越多地提供了从进化到认知和致病机制的一系列生物过程的机制见解。随机事件的影响因生物系统的发展和适应性而变得复杂，并且似乎受到遗传背景的影响。在某些情况下，稳态(反馈)机制使系统返回其原始状态。在其他情况下，特定基因(或一组基因)的随机表达(或突变)会导致一系列下游效应改变系统，使后续事件或多或少变得可能，最近的实时过程很好地说明了这一过程。关于细菌抗生素耐药性进展的研究(图。1)。最近，EXAC系统使用了突变的随机(分子钟)性质，以显示选择性和非适应性效应对人类基因的影响。

教学研究

“K12科学教育框架”完全忽略了随机过程，而“本科生物教育中的愿景与变化”文件中包含了一个要求“将随机性纳入生物模型”的单一观点(第17页)，但忽略了这一点的细节。实践意味着人们(甚至学者)经常难以准确理解随机过程。未能理解随机过程一直是接受达尔文进化论的一个障碍。从这个角度来看，重新思考似乎已经过去了。随机过程在生物(以及化学和物理)系统中的基础作用，以及如何通过连贯的课程叙述和辅助材料最好地将这些过程引入学生。

许多研究表明学生要求确定性模型来解释一系列随机过程。通过明显确定性的描述，通常将学生介绍给细胞和分子水平生物系统的行为这一事实无助于这种情况。例如，在大多数教学视频中，分子似乎知道他们正在前进并有目的地移动到那里。类似地，多肽的折叠通常被描述为确定性过程，尽管基于模型的模拟的增殖提供了更真实的描述(参见下文)。大分子通常被描述为刚性的而不是动态的; 例如，很少说明DNA双螺旋的热驱动打开和关闭(分子间相互作用弱的结果)。分子彼此认识并且(显然)永远地保持在彼此的拥抱中; 热碰撞在驱动分子解离(和结合特异性)中的作用在大多数教科书中很少被考虑，并且可能在使用这些书的类中很少考虑。此外，即使在完成传统的大学水平化学课程之后，通常也很难理解涉及分子间相互作用的因素。确定酶特异性和反应速率以及转录因子与其靶DNA序列结合的能量因子，以及突变对这些和其他过程的影响，往往没有被评论。目前尚不清楚学生是否认识到热碰撞是造成分子相互作用逆转的原因，或者它们是否能提供反应的活化能。隐含地预期具有相同基因型的细胞以相同的方式表现(显示相同的表型)，与直接观察不一致的情况以及涉及细胞分化和社会行为的一般过程。表型外显率和表现力也涉及随机行为。当教师在Hardy-Weinberg模型的背景下引入随机过程(例如遗传漂变)时，这肯定没有帮助，这种情况不会发生遗传漂移; 事实上，这样的陈述似乎增加了学生的困惑。

我们的印象是，典型的教学方法是根据以确定性方式表现的大量分子来呈现分子水平过程。考虑一下细菌大肠杆菌的lac操纵子，这是一组在现代分子生物学中起作用的基因，也是一种通过它来表达基因表达调控的共同背景。lac操纵子的表达导致两种蛋白质(乳糖通透酶和β-半乳糖苷酶)的合成，这使得乳糖能够进入细胞并将乳糖转化为单糖葡萄糖和半乳糖(可以进一步代谢)和烯醇内酯，其结合于抑制lac阻遏蛋白与DNA的结合，从而允许lac操纵子的表达。当分析细菌培养物的大量行为时，随着时间的推移(没有其他能量源)，lac操纵子的表达随着平滑函数而增加(图2)。结果是乳糖代谢所需的蛋白质的表达局限于存在乳糖的情况。

在我们能够辨别的情况下很少被明确考虑的机械窘境是，lac操纵子怎样才能“开启”，也就是说，当乳糖进入细胞时，lac操纵子怎么能从抑制中表达出来? lac阻遏蛋白的失活都取决于操纵子的表达?一旦我们考虑到单个细胞的行为，情况就会变得清晰; LacZ表达以随机方式从关闭到完全开启(图2)。鉴于每个细胞有~5个lac阻遏物分子和一个到两个拷贝的lac操纵子，当操纵子不含结合的阻遏物时，可以表达lac操纵子。如果在培养基中存在乳糖时发生这样的“嘈杂”事件，则lac操纵子的表达允许乳糖进入细胞，乳糖转化为烯内酯，lac阻遏物的失活，以及lac操纵子的稳定表达。该系统的随机行为使得个体细胞能够对其环境进行采样并在存在有用的代谢物时作出响应，同时最小化不必要的代谢费用(无关多肽的合成)。类似的逻辑涉及群体感应的社会过程和许多其他过程，例如光的发射(通过荧光素酶系统)和DNA摄取系统的调节。

什么是生物教育工作者?

反思教育设计师和开明教师面临的问题是他们的课程应该如何解决生物系统中随机过程的多重作用?我有一些简短的建议，我认为设计师和教师都可能要考虑这些建议; 许多已被纳入课程设计的持续努力中。首先，应该明确承认(并传达给学生)随机过程难以理解，见证了赌徒谬论和“热手”的共同信念; 学生需要有足够的时间来处理，并对随机系统的行为给予适当的反馈。其次，很明显，教师应该说明和阐明随机过程在生物系统范围内的作用，从表型变异和进化事件，包括突变和各种非适应性过程(如遗传漂变)对基因表达，药物 - 靶标相互作用和反应动力学的影响。最后，应准确，明确地说明随机行为。这可以来自呈现分子(和细胞)水平过程的表示的模拟。在目前可用的例子中，有一些例子说明了水分子通过水通道蛋白分子或通过它自身的运动，以及一个PhET小程序，它说明了Elowitz等人对大肠杆菌中随机GFP表达的研究。 (并允许学生操纵关键的监管参数)。

通过使用各种有针对性的评估工具，可以向教师(及其学生)揭示学生对随机过程的理解。例如，可以要求学生绘制反映宏观射弹(图3A)与分子(微观)物体(图3B)的运动的图表; 这样的任务可以揭示学生是否可以从表现良好(确定性)转变为随机性。绘图(和解释)已广泛用于分析学生对CLUE项目背景的理解。类似地，可以向学生呈现网络动态，包括驱动细胞水平分歧的级联效应以及限制噪声影响和产生各种结果(细胞分化)所涉及的反馈和调节相互作用。可以考虑随机事件在社会系统中的作用，包括对各种异常行为(社交作弊，癌症)和社会反馈机制(细胞凋亡，正反馈和细胞分化的侧向抑制)的反应，以及在干细胞分裂和分化所涉及的决定。通过向学生介绍随机过程在生物系统中的作用和影响，我们可以帮助他们对这类系统的可预测性而非完全确定性的本质进行连贯的理解。横向抑制细胞分化)和干细胞分裂和分化决策的背景。通过向学生介绍随机过程在生物系统中的作用和影响，我们可以帮助他们对这类系统的可预测性而非完全确定性的本质进行连贯的理解。横向抑制细胞分化)和干细胞分裂和分化决策的背景。通过向学生介绍随机过程在生物系统中的作用和影响，我们可以帮助他们对这类系统的可预测性而非完全确定性的本质进行连贯的理解。