尋找生命生長的普適規(guī)律

一個多世紀(jì)以來，生物學(xué)家一直在探尋一個問題：為什么隨著營養(yǎng)素變得更加豐富時，生物體的生長速度并不會無限加速，而是會減慢，呈現(xiàn)出一種“收益遞減”的現(xiàn)象？這種現(xiàn)象在微生物、植物乃至動物中普遍存在，卻始終缺乏一個統(tǒng)一的解釋。

20世紀(jì)40年代，微生物學(xué)家莫諾（Jacques Monod）提出莫諾定律描述了這種現(xiàn)象。根據(jù)莫諾方程：微生物的生長速率會隨營養(yǎng)素濃度增加而上升，最終趨于飽和。然而，這一定律是否具有“普適性”，一直存在爭議。因為莫諾定律假設(shè)，限制生長的營養(yǎng)物或生化反應(yīng)只有一種。而我們知道，細(xì)胞內(nèi)部實則存在成千上萬種相互作用的化學(xué)過程，它們都在競爭同樣有限的資源。

全局限制原理的提出

在一項于近期發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的研究中，一個研究團(tuán)隊給出了一個新的答案：他們表示莫諾方程只揭示了問題的一角，細(xì)胞生長并非由單一限制主導(dǎo)，而是由多個相互作用的限制網(wǎng)絡(luò)共同塑造。

這一新提出的微生物的“全局限制原理”（global constraint principle），從數(shù)學(xué)上證明了當(dāng)一種營養(yǎng)素變得充足時，其他因素——如酶的可利用性、細(xì)胞體積或膜容量——便會轉(zhuǎn)而成為新的限制。

研究團(tuán)隊采用了一種名為“基于限制的建?！钡姆椒▉砟M細(xì)胞的資源管理過程，結(jié)果顯示：雖然增加營養(yǎng)總能促進(jìn)生長，但每增加一種營養(yǎng)素，其促進(jìn)效果都會遞減。

兩大經(jīng)典定律的結(jié)合

這一新原理融合了兩條經(jīng)典的生物學(xué)定律，即描述微生物生長的莫諾方程，以及利比希最小因子定律。利比希小因子定律指出，植物的生長受最稀缺的營養(yǎng)素（如氮或磷）所限制。換言之，即使植物擁有充足的其他營養(yǎng)素，也只能在最短缺營養(yǎng)素允許的范圍內(nèi)生長。

通過結(jié)合這兩種思想，研究人員提出了“臺階桶”模型。在這個模型中，桶的木板呈階梯狀展開，每一級臺階代表一個新的限制因素，它會隨著細(xì)胞生長速度的提升而逐漸起作用。它代表隨著營養(yǎng)素水平提高，不同的限制因素依次生效。這解釋了為何無論是微生物還是高等生物，即使補(bǔ)充更多營養(yǎng)素，其生長仍會出現(xiàn)“收益遞減”的現(xiàn)象，因為新的限制因素會隨之成為主導(dǎo)。

臺階狀利比希桶：展示“全局限制原理”概念的可視化圖像，其中不同資源的分配決定了細(xì)胞的生長動力學(xué)。（圖/J.F. Yamagishi & T.S. Hatakeyama / PNAS）

為驗證這一理論，研究團(tuán)隊使用了大規(guī)模的大腸桿菌（

Escherichia coli

邁向生命生長的普適理論

這一發(fā)現(xiàn)為研究各種生命形式的生長提供了全新的視角。通過整合不同的原理，“全局限制原理”無需對每個分子進(jìn)行詳細(xì)建模，就能解釋復(fù)雜的生物學(xué)行為。這為建立生命生長的普適規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

這項研究的意義超越了基礎(chǔ)生物學(xué)范疇。它不僅可能幫助提升工業(yè)中的微生物產(chǎn)量，還能通過識別限制性營養(yǎng)來提高作物產(chǎn)量，并為預(yù)測氣候變化下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)提供依據(jù)。

未來，研究人員計劃將進(jìn)一步探索這一原理如何適用于不同生物，以及多種營養(yǎng)元素如何協(xié)同作用。通過將微生物生物學(xué)與生態(tài)學(xué)理論相結(jié)合，這項研究向建立“生命生長極限”的普適理論邁出了重要一步。

#參考來源：

https://www.isct.ac.jp/en/news/h32imtc2txod

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2515031122

#圖片來源：

封面圖&首圖：J.F. Yamagishi & T.S. Hatakeyama / PNAS