维持生命不崩溃的隐形能量消耗

今日（1月6日）发表在《统计力学杂志：理论与实验》（JSTAT）上的一项新研究，提出了一种热力学框架，能够计算这些此前被忽视的能量消耗。该方法为理解地球生命早期阶段代谢途径是如何被选择和优化提供了新视角。

早期生命如何学会控制化学反应
生命很可能起源于简单有机分子形成边界，将内部与周围环境分隔开来。这层最初的细胞膜明确区分了内外。从那时起，这个系统就必须消耗能量来维持这种分离，并限制哪些化学反应能在内部发生。早期细胞没有让所有可能的反应都发生，而是只选择了一小部分代谢途径，这些途径能利用来自“外部”的物质生成有用的新化合物。生命的出现与这种管理边界和选择的需求密不可分。

虽然代谢过程中化学反应本身有明显的能量消耗，但引导化学反应沿着特定途径进行还存在额外成本。这种额外的“努力”能防止反应分支成其他所有物理上可能的替代途径。从经典力学的角度看，这些边界条件和反应约束不应需要能量，因为它们被视为固定的外部因素。但实际上，它们会导致熵产生，并带来能量代价。

测量代谢效率的新方法
东京大学研究员、该研究的主要作者普拉富尔·加格拉尼（Praful Gagrani）与同事尼诺·劳伯（维也纳大学）、埃里克·史密斯（佐治亚理工学院和地球生命科学研究所）以及克里斯托夫·弗拉姆（维也纳大学）合作，开发了一种计算这些隐藏成本的方法。他们的方法能让科学家根据代谢途径的能量需求对其进行排序，为理解生物效率和进化提供了宝贵见解。

“这项新研究的灵感来源于合著者之一埃里克·史密斯，他使用弗拉姆及其同事开发的软件MØD，枚举了所有从二氧化碳开始‘构建’有机分子的可能途径。”

加格拉尼提到了史密斯及其同事关于卡尔文循环的早期研究——卡尔文循环是光合作用中将二氧化碳转化为葡萄糖的一系列反应。

“埃里克用该算法枚举了所有能实现卡尔文循环相同转化的途径，然后用我们论文中现在称为‘维持成本’的指标对它们进行排序。”

分析显示，自然界使用的途径属于能耗最低的选项之一，这意味着它比大多数替代途径需要更少的能量。“很棒，对吧？”加格拉尼说。

测量不可能性而非能量
基于这一见解，研究团队开发了一种通用方法来系统估算代谢的热力学成本。在他们的模型中，细胞被视为一个具有稳定流动的系统：一种分子（如营养物）进入，另一种分子（如产物或废物）排出。根据涉及的化学过程，科学家可以生成连接输入和输出的所有可能反应途径。每条途径都有其自身的热力学成本。

该方法并非按传统方式计算能量，而是评估如果化学反应仅由自发过程驱动，特定反应网络以这种精确方式运行的不可能性有多大。行为越不可能，其成本就越高。

这种不可能性包含两部分。第一部分是维持成本，反映维持特定途径稳定流动的难度。第二部分是限制成本，衡量在保持所需途径活跃的同时抑制所有替代反应的难度。

这些因素共同定义了代谢过程的总体成本。这使研究人员能够比较不同途径，并确定细胞偏爱某条化学路径同时抑制其他路径的能量需求有多大。

自然界为何选择特定途径
研究人员发现了一些意想不到的模式。“我们看到了一些始料未及但细想之下又合乎情理的现象，”加格拉尼说。“例如，同时使用多条途径比只使用一条成本更低。打个比方：假设有四个人需要通过狭窄的隧道从A地到B地。如果每个人都有自己的隧道——四条隧道——他们到达的速度会比只有三条或更少隧道快，因为两三个人在同一条狭窄通道里会相互阻碍。”

然而，真实的生物系统通常依赖单一主导途径。加格拉尼解释了原因：“确实如此，但在生物系统中，催化作用——即促进分子（酶）的作用——常常会介入，它能加速反应并降低成本，达到与并行使用多条途径相同的效果。这种进化选择的发生是因为维持多条途径可能存在其他缺点，例如会产生许多潜在有毒的分子。”

研究生命起源的新工具
“我们的方法，”加格拉尼总结道，“是研究生命起源和进化的有用工具，因为它能让我们评估选择和维持特定代谢过程的成本。它帮助我们理解某些途径是如何产生的——但解释为什么选择这些特定途径则需要真正的多学科努力。”