生命的（代谢）成本

生命存在着一些机械物理学无法计算的“成本”。一个清晰的例子是：为了让特定的生化过程保持活跃——例如构成光合作用的过程（类似的例子不胜枚举）——并同时阻止其他过程发生，系统必须消耗能量。在力学中，没有位移就意味着零功，简单地说，阻止事情发生并不需要能量。然而，严谨的随机热力学计算表明，这些成本确实存在，而且往往相当可观。

发表于JSTAT的一篇新论文从热力学视角提出了一种计算这些成本的方法，从而为理解生命起源层面代谢通路的选择与演化提供了一种新工具。

在远古的海洋中，当少量有机分子形成了一道外部边界——最早的细胞膜——内与外之间首次出现了明确的区分。从那一刻起，这个原始系统就必须投入能量来维持这种分隔，并在众多可能发生的化学反应中，只选择少数能够利用来自“外部”的有价值物质并将其转化为新产物的代谢通路。生命正是在这种分隔与选择的努力中诞生的。

代谢过程本身具有直接的能量成本，但还需要额外的“附加成本”，以持续将化学反应流引导到某一优选通路，而不是任其分散到所有在物理上可能的替代反应中。然而，从经典力学的角度看，分隔与反应选择——即施加在系统边界上的“约束”——不应产生任何成本，因为它们被视为固定的外部条件，不会对熵产生作出贡献。

东京大学研究员、本研究第一作者 Praful Gagrani 与其合作者——维也纳大学的 Nino Lauber、佐治亚理工学院与地球—生命科学研究所的 Eric Smith，以及维也纳大学的 Christoph Flamm——共同开发了一种方法，用于计算这些以往被忽略的成本，并据此对代谢通路进行排序。这使研究人员能够评估通路的生物学效率，为探索生命在地球上如何起源的演化研究提供了重要信息。

“这项工作的灵感来源于合作者 Eric Smith 使用由 Flamm 及其同事开发的软件 MØD，枚举从二氧化碳（CO₂）出发‘构建’有机分子的所有可能通路。”Gagrani 说道。

他提到 Smith 等人此前关于卡尔文循环的研究——这是光合作用中将二氧化碳转化为葡萄糖的一组化学反应。“Eric 使用该算法枚举了所有能够实现与卡尔文循环相同转化的通路，然后用我们在本文中称为‘维持成本’的指标对这些通路进行了排序。”

通过这种方式，Smith 等人表明，自然界所采用的循环位于耗散最低、能量成本最小的通路之列。“很棒，不是吗？”Gagrani 评论道。

受 Smith 工作的启发，Gagrani 及其同事提出了一种系统性估算代谢过程热力学成本的通用方法。在他们的框架中，细胞被视为一个存在恒定通量的系统，例如一种分子（营养物）进入，另一种分子（产物或废物）离开。在已知底层化学反应的情况下，可以生成所有在化学上可能将输入转化为输出的通路。每一条通路都有其自身的“热力学成本”。该方法并不以经典意义上的能量计算为核心，而是估计在一个仅由自发化学反应驱动的世界中，这样一个反应网络（即将输入转化为输出的一组分子与反应）以特定方式运行的“不可能性”。

这种不可能性包含两个部分：第一是维持成本，即维持某条通路上恒定通量的难度；第二是限制成本，用于衡量在保持目标通路活跃的同时，阻断网络中所有其他替代反应的难度。

计算得到的不可能性代表了该过程的成本，可用于根据细胞维持某一通路并抑制其他通路所需付出的“代价”对代谢通路进行分类。

“我们看到了一些出乎意料、但仔细想想又合情合理的结果，”Gagrani 解释道。“例如，同时使用多条通路比只使用一条通路的成本更低。可以打个比方：想象四个人需要从 A 点到 B 点，途中是狭窄的隧道。如果每个人都有自己的隧道——四条隧道——他们会比只有三条或更少隧道时更快到达，因为在同一条狭窄通道中，两个人或更多人会互相阻碍。”

然而，在自然界中，我们通常看到的是某一过程被优先选择，而非多条过程并行。如何解释这一点？“确实如此，但在生物系统中，催化作用往往会介入——也就是促进反应的分子，如酶——它们加速反应并降低成本，从而达到类似多通路并行的效果。这种演化选择之所以发生，是因为维持多条通路可能带来其他弊端，例如生成多种潜在有毒的分子。”

“我们的方法，”Gagrani 总结道，“是研究生命起源与演化的一个有用工具，因为它使我们能够评估选择和维持特定代谢过程的成本。它有助于我们理解某些通路是如何出现的——但要解释为何最终选择了那些特定通路，则需要真正的多学科努力。”