在生物体的复杂世界中，细胞必须通过不断地交换信息来保持生存。这种信息交换往往涉及到电流、分子扩散或声波等机制，然而，传递信号本质上是需要能量的。最近的一项研究进一步揭示了这种信号传递背后的能量成本，并对生命系统中能量与信息之间的关系做出了详细分析。耶鲁大学的两位物理学家通过研究提出了不同信号传递机制下，细胞传递一比特信息所需的最小能量。 能量-信息关系：从热力学出发 生物体的能量和信息处理紧密相连，因为生物体不仅需要消耗能量维持基本生命活动，还必须接收、处理和发送信息。为了更好地理解生物系统中能量和信息的关系，科学家通常采用两种不同的研究方法。 第一性原理方法 第一种方法是所谓的第一性原理方法（first-principles approach），基于热力学第一和第二定律，系统总能量不变但熵不断增加。这种方法被广泛应用于理解分子系统中的复制、感知等信息处理任务的能量需求。它假设较少，因而推导出的结果往往具有普适性。然而，由于没有考虑到生物体特有的物理和演化约束，计算出的能量需求可能低于细胞实际功能所需的能量。 基于模型的方法 第二种是基于模型的研究方法（model-based approach），使用已知系统的经验模型，并结合实验数据来进行计算。基于模型的方法通常能更准确地反映生物系统的能量需求，因为它考虑了生物体实际面临的约束条件。尽管这种方法的普适性较弱，但它对于生物系统来说更为真实，也因此得到了生物物理学家的广泛使用。 最新发现：三种信号传递机制下的能量成本 在这项新研究中，研究人员通过基于模型的方法，提出了三种不同的细胞内信号传递机制，并分析了这些机制下传递一比特信息所需的最小能量。这三种机制分别是：电流、分子扩散（在二维和三维空间）以及声波传递。 电流传输：发送者通过细胞膜上的离子通道调控电流，影响其他位置的接收者。分子扩散：发送者调控信使分子的局部浓度，这些分子扩散到接收者的区域，信息通过这种方式传播。声波传递：发送者产生压缩波，这些波携带信息并在细胞内传播到接收者。通过建立数学模型，研究人员推导出每种信号传递机制下，传递一比特信息的能量成本公式。这个公式涉及了四个关键参数：传输距离、发送者信号的振荡频率、发送者和接收者的物理尺寸。这一研究结果为理解生命系统中的能量信息交换提供了新的视角。 信号传递的效率与距离相关 研究表明，每种信号传递机制都有其最优的信号频率和特征尺度，超出这一尺度，能量成本会迅速增加。对于三维空间中的分子扩散，最优频率较低，传递距离较小。当信号频率达到1 kHz时，分子扩散的能量成本在超过1微米的距离时变得过高，这与原核细胞的典型尺寸相符。而声波传递则适合较长距离，1 kHz的声波传递在1厘米范围内仍具有能量上的可行性。 模型的启示与未来研究方向 尽管这项研究提供了关于信号传递能量成本的明确预测，但它仅仅是揭开了这个科学问题的冰山一角。理论结果还需要通过与生物体实际数据的对比来进一步验证，研究人员必须量化真实生物信号系统的效率，进而探讨生物体是否进化出了优化的信号传递机制。此外，这项研究也未考虑大脑中的神经元传递信号以及其他复杂的“主动”信号过程。因此，尽管这项研究提供了重要的理论框架，未来仍有许多有待探索的领域。 在生命系统中，能量与信息的交织决定了生命的本质。通过探索这种关系，科学家们不仅能揭示生命运作的基础，还能为未来的生物技术发展提供理论支撑。例如，在合成生物学、纳米技术等领域，了解信号传递的能量成本将有助于设计更加高效的生物系统。 结论：生物系统中的能量与信息交互 本次研究通过计算和模型，揭示了不同信号传递机制下，细胞传递一比特信息的最小能量成本，为理解生物系统中的能量-信息关系提供了新思路。无论是电流、分子扩散还是声波传递，每种机制都有其能量消耗的特点，且信号传递的距离和频率对能量成本有直接影响。虽然这项研究提供了明确的理论预测，但这些预测尚需通过实际数据的验证，并将为未来生物信号系统的优化提供重要参考。