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尋找生命生長的普適規律
一個多世紀以來,生物學家一直在探尋一個問題:為什么隨著營養素變得更加豐富時,生物體的生長速度并不會無限加速,而是會減慢,呈現出一種“收益遞減”的現象?這種現象在微生物、植物乃至動物中普遍存在,卻始終缺乏一個統一的解釋。
20世紀40年代,微生物學家莫諾(Jacques Monod)提出莫諾定律描述了這種現象。根據莫諾方程:微生物的生長速率會隨營養素濃度增加而上升,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,限制生長的營養物或生化反應只有一種。而我們知道,細胞內部實則存在成千上萬種相互作用的化學過程,它們都在競爭同樣有限的資源。
全局限制原理的提出
在一項于近期發表在《美國國家科學院院刊》上的研究中,一個研究團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,細胞生長并非由單一限制主導,而是由多個相互作用的限制網絡共同塑造。
這一新提出的微生物的“全局限制原理”(global constraint principle),從數學上證明了當一種營養素變得充足時,其他因素——如酶的可利用性、細胞體積或膜容量——便會轉而成為新的限制。
研究團隊采用了一種名為“基于限制的建模”的方法來模擬細胞的資源管理過程,結果顯示:雖然增加營養總能促進生長,但每增加一種營養素,其促進效果都會遞減。
兩大經典定律的結合
這一新原理融合了兩條經典的生物學定律,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素(如氮或磷)所限制。換言之,即使植物擁有充足的其他營養素,也只能在最短缺營養素允許的范圍內生長。
通過結合這兩種思想,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,它會隨著細胞生長速度的提升而逐漸起作用。它代表隨著營養素水平提高,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,即使補充更多營養素,其生長仍會出現“收益遞減”的現象,因為新的限制因素會隨之成為主導。
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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胞的生長動力學。(圖/J.F. Yamagishi & T.S. Hatakeyama / PNAS)
為驗證這一理論,研究團隊使用了大規模的大腸桿菌(
Escherichia coli)計算模型,模型中涵蓋了細胞如何利用蛋白質、空間布局方式以及膜的容量限制。模擬結果表明,隨著營養素物質增加, 生長速率確實呈現出預測中的放緩趨勢,并揭示了氧或氮的水平如何影響生長模式 。這些結果與實驗數據高度吻合,驗證了模型的準確性。
邁向生命生長的普適理論
這一發現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”無需對每個分子進行詳細建模,就能解釋復雜的生物學行為。這為建立生命生長的普適規律奠定了基礎。
這項研究的意義超越了基礎生物學范疇。它不僅可能幫助提升工業中的微生物產量,還能通過識別限制性營養來提高作物產量,并為預測氣候變化下生態系統的響應提供依據。
未來,研究人員計劃將進一步探索這一原理如何適用于不同生物,以及多種營養元素如何協同作用。通過將微生物生物學與生態學理論相結合,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
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