在最近發(fā)表的一篇論文中，印第安納大學(xué)的生物學(xué)家已經(jīng)計算了多種類型細(xì)胞的終生能量需求，以及在這些細(xì)胞中復(fù)制和表達(dá)基因所需的能量。“ 美國國家科學(xué)院院刊 ”報道的“基因的生物能量成本” 首次描述了構(gòu)建和維持細(xì)胞需要多少總能量，以及它如何隨細(xì)胞大小而變化。

“這項研究試圖系統(tǒng)地在多種物種中全面地繪制細(xì)胞的終生能量需求，以及維持和表達(dá)基因組的總成本，”IU生物學(xué)家邁克爾林奇說，他領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“它還以一種堅實的方式否定了復(fù)雜細(xì)胞在沒有能量產(chǎn)生線粒體的情況下永遠(yuǎn)不會進(jìn)化的共同論點(diǎn)。”

林奇是IU布盧明頓藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物系的杰出教授。生物學(xué)博士后研究員Georgi K. Marinov是該論文的共同作者。該研究是Lynch實驗室為計算細(xì)胞各部分(包括細(xì)胞膜和內(nèi)部細(xì)胞器)的精確能量成本而進(jìn)行的更大努力的一部分。

文章中報道的第一步描述了單個基因的總能量消耗，如DNA，RNA和蛋白質(zhì)水平所致。

為了進(jìn)行這項研究，Lynch和Marinov回顧了可追溯到20世紀(jì)60年代的論文，每篇論文都關(guān)注不同的生物，并應(yīng)用當(dāng)前關(guān)于代謝途徑和單細(xì)胞屬性的信息來確定每個細(xì)胞的終生能量需求。他們指出了“維持細(xì)胞所需的能量”和“構(gòu)建下一代后代細(xì)胞所需部分所需的能量”，林奇說。目標(biāo)是“找到分母”，或者將每個其他結(jié)構(gòu)的需求分成的總能量。

研究中使用的能量單位是ATP，或腺苷三磷酸腺苷，這是一種簡單的分子，通過磷酸鹽鍵斷裂，成為細(xì)胞中細(xì)胞能量的主要載體。就能量而言，當(dāng)這些鍵之一被破壞時，單個ATP分子產(chǎn)生大約十分之一的焦耳。

研究中最簡單的細(xì)胞，細(xì)菌，在其一生中需要大約1億個ATP能量分子。研究中最復(fù)雜的細(xì)胞，即真核細(xì)胞，在整個生命周期中需要超過1000倍。

在真核生物中，ATP主要由線粒體產(chǎn)生，線粒體是負(fù)責(zé)復(fù)雜真核細(xì)胞中大部分能量利用的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

因為它們具有獨(dú)立于其宿主細(xì)胞的基因組，所以已知線粒體起源于大約20億年前被吸收到早期單細(xì)胞生物中的古老細(xì)菌。

共生的術(shù)語用于描述在單細(xì)胞生物體吸收線粒體的細(xì)菌祖先后，沒有細(xì)胞核或細(xì)胞器 - 原核生物的細(xì)胞產(chǎn)生具有細(xì)胞核和細(xì)胞器 - 真核生物的更復(fù)雜細(xì)胞的概念。它被認(rèn)為是進(jìn)化史上最重要的事件之一。

然而，令人驚訝的是，IU科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著細(xì)胞變得越來越復(fù)雜，能量消耗隨細(xì)胞體積呈線性增長，而不是呈指數(shù)或逐步增長。因此，盡管真核細(xì)胞需要更多能量用于細(xì)胞繁殖，但與原核細(xì)胞相比，它們相對于細(xì)胞體積不會以更高的速率增加其能量需求。

“通過線粒體產(chǎn)生能量的增強(qiáng)能力通常被視為真核細(xì)胞特征進(jìn)化的先決條件，例如基因數(shù)量增加，蛋白質(zhì)長度，蛋白質(zhì)折疊，蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用和調(diào)節(jié)元件，”Lynch說。“但我們的觀察結(jié)果表明，與線粒體相關(guān)的能量增加不是基因組復(fù)雜性的先決條件。”

林奇說，研究人員項目的最終目標(biāo)類似于想知道建房成本的房主。

“如果你的預(yù)算有限，那么在你知道所有材料的成本之前就不能開始施工，”林奇說。同樣，進(jìn)化不是免費(fèi)的，構(gòu)建細(xì)胞的每個部分都需要可以在其他地方使用的成本。

了解這些成本與效益之間的關(guān)系將有助于闡明自然選擇等力量如何影響地球上發(fā)現(xiàn)的巨大細(xì)胞多樣性。

例如，如果構(gòu)建結(jié)構(gòu)的成本與獲得的效益大致相同，則從長遠(yuǎn)來看，沒有適應(yīng)性的凈收益或損失。

“這項工作與大量理論聯(lián)系在一起，概述了越來越合理的情景，復(fù)雜的特征可能通過自然選擇以外的機(jī)制出現(xiàn)，”林奇說。“我們再也不能簡單地假設(shè)有機(jī)體的所有特征都來自于自然選擇的促進(jìn)。”

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