生命系統會產生傳統機械物理學無法解釋的巨大成本。一個明顯的例子是維持某些生化過程所需的能量，例如光合作用所涉及的過程。同時，它可以防止其他化學反應。在經典力學中積極發生 如果沒有任何移動 表明尚未完成任何工作。這意味著阻止某些事情發生不需要任何能源成本。然而，更先進的熱力學計算表明，這種假設不適用於生命系統。這些隱性成本是真實存在的，而且可能大得驚人。
今天（1 月 6 日）發表的一項新研究 統計力學雜誌：理論與實驗（JSTAT） 引入熱力學框架，可以計算以前被忽視的能源成本。這種方法提供了一種新的方法來了解地球生命早期階段代謝途徑是如何選擇和優化的。
年輕人如何學習控制化學？
當簡單的有機分子形成將內部與周圍環境分開的邊界時，生命可能就開始了。第一層膜在內部和外部之間形成了清晰的分隔。從那時起，系統必須使用能量來維持這種分離。並限制內部可能發生的化學反應，而不是允許每種可能的反應。 最早的細胞只選擇了一小部分。可以使用來自“外部”的輸入材料來生產新的、有用的化合物的代謝途徑生命的出現與管理這些邊界和選擇的需要密不可分。
儘管新陳代謝具有與化學反應相關的明顯能量成本，但也存在與沿著特定途徑引導化學活動相關的額外成本。這種額外的努力可以防止反應分支到其他物理上可行的替代方案。從經典力學的角度來看，這些反應的邊界條件和限制條件應該不需要能量。這是因為它被認為是恆定的、外在的東西。事實上，它們有助於熵的產生並具有能量價格。
測量代謝效率的新方法
Praful Gagrani，東京大學研究員，該研究的主要作者。與同事 Nino Lauber（維也納大學）、Eric Smith（喬治亞理工學院和地球科學研究所）和 Christoph Flamm（維也納大學）合作開發了一種計算這些隱性成本的方法。他們的方法允許科學家根據代謝途徑所需的能量對它們進行排名。它們為生物效率和進化提供了寶貴的見解。
“這項新工作的靈感來源是合著者之一埃里克·史密斯（Eric Smith）使用了 Flamm 及其同事開發的軟件 MØD。以確定可以從二氧化碳開始‘製造’有機分子的所有可能途徑。”
加格拉尼提到了史密斯及其同事之前對卡爾文循環的研究，卡爾文循環是光合作用中將二氧化碳轉化為葡萄糖的一組反應。
“埃里克使用一種算法來識別所有可能導致與卡爾文循環相同的變化的路徑。然後，他使用我們在報告中所說的維護成本來對這些路徑進行排名。”
分析表明，自然界所採取的路徑屬於散射最少的選項。這意味著該路線比大多數替代路線需要更少的能源。 “很酷，對吧？”加格拉尼說道。
衡量可能性而不是能量的指標。
根據這一見解，研究小組開發了一種通用方法來系統地估計新陳代謝的熱力學成本。在該模型中，細胞被視為穩定流動的系統。一個分子（例如營養物質）和另一個分子（例如產品或廢物）進入的位置取決於所涉及的化學成分。科學家可以創造出將輸入與輸出連接起來的每一種可能的反應途徑。每條路徑都有自己的熱力學成本。
這種方法不是計算傳統意義上的能量，而是評估反應網絡以這種方式工作的可能性有多大？如果化學反應僅由自發過程驅動，則該行為越不可能，其可能性就越大。成本也會增加。
這種不可能的情況有兩個部分。首先是維護成本。這反映了在特定路線上保持一致的流量的難度。二是成本控制。它衡量抑制所有替代反應的難度。同時僅保持所需的路徑。
這些因素共同決定了代謝過程的總體成本。這使得研究人員能夠比較軌跡並確定細胞在沉默其他細胞的同時需要多少化學能。
為什麼大自然會選擇一條特定的道路？
研究人員發現了一些意想不到的模式。 “我們看到了意想不到的事情。但仔細想想，這是有道理的，”加格拉尼說。同時使用多條路線比僅使用一條路線便宜。打個比方：想像有四個人必須通過一條狹窄的隧道從 A 地前往 B 地。如果每個人都有自己的隧道 – 四個隧道 – 他們到達的速度比只有三個或更少的人更快。因為兩個或兩個以上的人會在同一條狹窄的道路上互相阻礙。 ”
但真正的生物系統通常依賴於單一的主導途徑。加格拉尼解釋了原因。 “這是事實。但在生物系統中，催化通常是一種干預，即促進分子和酶的作用，它可以加速反應並降低成本。這與擁有多個平行路徑達到了相同的結果。做出這種進化選擇是因為維持許多路徑可能會產生其他缺點，例如產生大量潛在有毒分子。”
研究生命起源的新工具
加格拉尼總結道：“我們的方法是研究生命起源和進化的有用工具。這是因為它使我們能夠估計選擇和維持特定代謝過程的成本。這有助於我們理解某些路徑是如何發生的。但解釋為什麼選擇這些路徑需要真正的多學科努力。”
