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寻找生命生长的普适规律一个多世纪以来，生物学家一直在探寻一个问题：为什么随着营养素变得更加丰富时，生物体的生长速度并不会无限加速，而是会减慢，呈现出一种“收益递减”的现象？这种现象在微生物、植物乃至动物中普遍存在，却始终缺乏一个统一的解释。
20世纪40年代，微生物学家莫诺（Jacques Monod）提出莫诺定律描述了这种现象。根据莫诺方程：微生物的生长速率会随营养素浓度增加而上升，最终趋于饱和。然而，这一定律是否具有“普适性”，一直存在争议。因为莫诺定律假设，限制生长的营养物或生化反应只有一种。而我们知道，细胞内部实则存在成千上万种相互作用的化学过程，它们都在竞争同样有限的资源。
全局限制原理的提出在一项于近期发表在《美国国家科学院院刊》上的研究中，一个研究团队给出了一个新的答案：他们表示莫诺方程只揭示了问题的一角，细胞生长并非由单一限制主导，而是由多个相互作用的限制网络共同塑造。
这一新提出的微生物的“全局限制原理”（global constraint principle），从数学上证明了当一种营养素变得充足时，其他因素——如酶的可利用性、细胞体积或膜容量——便会转而成为新的限制。
研究团队采用了一种名为“基于限制的建模”的方法来模拟细胞的资源管理过程，结果显示：虽然增加营养总能促进生长，但每增加一种营养素，其促进效果都会递减。
两大经典定律的结合这一新原理融合了两条经典的生物学定律，即描述微生物生长的莫诺方程，以及利比希最小因子定律。利比希小因子定律指出，植物的生长受最稀缺的营养素（如氮或磷）所限制。换言之，即使植物拥有充足的其他营养素，也只能在最短缺营养素允许的范围内生长。
通过结合这两种思想，研究人员提出了“台阶桶”模型。在这个模型中，桶的木板呈阶梯状展开，每一级台阶代表一个新的限制因素，它会随着细胞生长速度的提升而逐渐起作用。它代表随着营养素水平提高，不同的限制因素依次生效。这解释了为何无论是微生物还是高等生物，即使补充更多营养素，其生长仍会出现“收益递减”的现象，因为新的限制因素会随之成为主导。
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台阶状利比希桶：展示“全局限制原理”概念的可视化图像，其中不同资源的分配决定了细胞的生长动力学。（图/J.F. Yamagishi & T.S. Hatakeyama / PNAS）
为验证这一理论，研究团队使用了大规模的大肠杆菌（Escherichia coli）计算模型，模型中涵盖了细胞如何利用蛋白质、空间布局方式以及膜的容量限制。模拟结果表明，随着营养素物质增加，生长速率确实呈现出预测中的放缓趋势，并揭示了氧或氮的水平如何影响生长模式。这些结果与实验数据高度吻合，验证了模型的准确性。
迈向生命生长的普适理论这一发现为研究各种生命形式的生长提供了全新的视角。通过整合不同的原理，“全局限制原理”无需对每个分子进行详细建模，就能解释复杂的生物学行为。这为建立生命生长的普适规律奠定了基础。
这项研究的意义超越了基础生物学范畴。它不仅可能帮助提升工业中的微生物产量，还能通过识别限制性营养来提高作物产量，并为预测气候变化下生态系统的响应提供依据。
未来，研究人员计划将进一步探索这一原理如何适用于不同生物，以及多种营养元素如何协同作用。通过将微生物生物学与生态学理论相结合，这项研究向建立“生命生长极限”的普适理论迈出了重要一步。
#参考来源：
https://www.isct.ac.jp/en/news/h32imtc2txod
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2515031122
#图片来源：
封面图&首图：J.F. Yamagishi & T.S. Hatakeyama / PNAS
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