传递一比特信息的能量成本是多少？细胞内通信的物理约束｜PRL速递

原创 集智编辑部 集智俱乐部

关键词：非平衡系统，生物信息处理，能量约束，能量-信息关系，细胞网络功能

论文题目：Physical Constraints in Intracellular Signaling: The Cost of Sending a Bit
论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.068401

细胞为了保持生存，不同部分必须能够交换信号。而传递信号会消耗能量，对此每个细胞只有有限的能量供应。最近耶鲁大学的两位物理学家推导出了细胞通过电流、分子扩散或声波等方式传递内部信号所需的最小能量。计算表明，最有效的信号传递机制取决于多个因素，包括信号需要传播的距离。这一发现与人类进行日常交流的经验相符：如果我们与同一房间内的人交谈，声波即足够，而跨越大陆的讨论则需要电磁波。

图1. 细胞内的信号传输。

从能量角度来看，生物体是非平衡系统，其存在取决于与环境的能量不断交换。因此，生物体与某些非生物非平衡系统，包括飓风和火灾具有相似性。但与这些非生物系统不同，生物体还必须发送和接收信息以求生存。这些信息可能是关于其内部状态或外部环境的信息。因此，生命物质的一个定义性特征，是存在相互交织的能量和信息流。这项研究在分子系统中探索了这种能量-信息关系。

在研究生物学中能量和信息之间的联系时，人们通常使用两种方法。第一种方法可以称之为第一性原理方法（first-principles approach），以热力学第一和第二定律为基础，这些定律认为系统的总能量随时间保持不变，而熵始终增加。第一性原理方法被用于理解分子系统中复制和感知的能量要求，以及其他信息处理任务。该方法只涉及少量假设，因此由此推导出的结果往往具有普遍性。然而，它未考虑生物体面临的许多特定物理和演化约束，比如细胞由软物质组成，暴露于大量的热噪声和机械扰动。因此，使用这种方法计算出的能量约束可能会明显低估细胞执行某些功能所需的实际能量。

第二种方法可以称之为基于模型的方法（model-based approach），从已有的系统经验模型入手，研究人员可以输入实验数据。例如，研究关于基因表达的能量成本及其演化后果，基于模型的方法可能使用与转录和翻译这两个基因表达过程中的ATP消耗值。基于模型的方法得出的结果往往不如第一性原理方法的结果具有普遍性，但它们通常更准确，因为考虑了真实生物系统的约束。因此，这种方法更经常被生物物理学家和理论生物学家使用。

尽管研究生物系统中能量-信息关系的研究人员通常使用第一性原理方法，这项最新研究采用的是基于模型的方法来理解细胞信号传递的能量成本。他们开发了三种不同的模型，每种涉及不同的信号传递方法：电流，分子扩散（在二维和三维空间中），还有声波。这些模型考虑了细胞用于发送和接收信息的机制的物理原理。

对于电流传输，发送者控制通过细胞膜上离子通道的电流量，这会影响到位于膜上其他位置的接收者的电荷（图2c）。

对于分子扩散模型，发送者控制信使分子的局部浓度，然后这些分子扩散到接收者所在的区域（图2d）。

对于声波模型，发送者产生携带信号的压缩波，然后这些波通过细胞内部传播到接收者。

图2. 细胞通信机制。（a）细胞将信息从发送者 I 发送到接收者 O 的示意图。（b）通信能量成本的计算。（c）膜中两个离子通道之间的电信号传输。（d）嵌入细胞膜中的两个蛋白质之间的二维扩散信号传递。发送者（蓝色）调节信号分子（红色）的浓度，这些分子通过细胞扩散到接收者（黄色）。

通过进行一些优雅的简化近似，并将发送者的信号视为混合的振荡波，这项研究推导出了对于每种模型，发送一比特信息的最小能量成本的公式。能量成本方程以比特为单位表示，每个方程包括四个关键参数：传输距离、发送者信号的振荡频率，以及发送者和接收者的物理尺寸。

这些方程表明，每种机制都有一个最优信号频率，和一个特征空间尺度，一旦超过这一特征尺度，发送一比特信息的能量成本将变得过高。对于三维扩散，最优频率较低，最大距离较小。例如传输 1 kHz 信号的能量成本在超过1微米的距离上变得过高——这是原核细胞的典型尺寸。对于声波，频率较高，最大距离较大，1 kHz 的声学传输在1厘米距离内在能量上仍然是可行的。

图3. 四种信号传递机制的能量成本示例图：2D 扩散信号传递（紫色）、3D 扩散信号传递（红色）、电信号-细胞膜信号传递（蓝色），以及盐水中的声学信号传递（黄色）。（a）最优相图；（b）每种信号机制的特征长度；（c）传输信息的能量成本。

虽然这项研究提供了明确的预测，但这些结果仅仅标志着整个科学故事的开端，而不是终点。例如，理论预测尚未与真实生物体的数据进行比较。研究人员需要这一步骤来量化实际生物信号系统的效率，然后研究生物是否进化出优化的信号传递机制。此外，这项研究并未考虑在可兴奋的生物系统中发生的“主动”信号传递过程，如大脑中的神经元或发育卵细胞的膜。尽管如此，这项研究为探索各种生物信号系统的效率提供了一个有前景的途径，这对于充分理解能量和信息如何融合产生生命物质至关重要。

本文翻译自：https://physics.aps.org/articles/v16/133

编译｜梁金

原标题：《传递一比特信息的能量成本是多少？细胞内通信的物理约束｜PRL 速递》

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