日本新研究：一个生物学新原理，当营养充足时，生物体的生长速度会减慢

一个研究团队，其中包括来自日本东京科学研究所地球生命科学研究所（ELSI）科学家，发现了一个生物学新原理，该原理从数学上解释了为什么当营养充足时，生物体的生长速度会减慢。这种众所周知的现象被称为“收益递减规律”。

生物体如何响应营养条件的变化而生长，长期以来一直是生物学的核心问题之一。从微生物到植物和动物，所有生命形式的生长都依赖于营养物质、能量以及细胞内部机制的获取。尽管科学家们已经研究了这些因素如何影响生长，但大多数研究都集中在单个营养物质或特定的生化途径上。而真正尚未明确的是，当资源有限时，细胞内所有这些相互关联的过程是如何协同作用来控制生长的。

一个统一生命系统的全球原则

为了探索这一奥秘，ELSI特聘副教授畠山哲弘（Tetsuhiro S. Hatakeyama）和理研特聘博士后研究员山岸淳平（Jumpei F. Yamagishi）发现了一个新的统一概念，它描述了所有活细胞如何在资源受限的情况下实现生长。他们的研究提出了他们所谓的微生物生长全球约束原则——这一框架有望重塑科学家对生物系统的理解。

自20世纪40年代以来，微生物学家一直依赖“莫诺方程”来描述微生物的生长。该模型表明，生长速率会随着营养物质的增加而增加，直至趋于稳定。然而，莫诺方程假设每次只有一种营养物质或生化反应限制生长。实际上，细胞会同时进行数千种化学过程，而这些过程必须共享有限的资源。

每个细胞内部的约束网络

畠山哲弘和山岸淳平认为，传统模型仅能解释部分现象。细胞生长并非受单一瓶颈限制，而是由一系列复杂的限制因素相互作用，随着营养物质的积累，这些限制因素会减缓细胞生长。全局约束原理解释了，当某个限制因素（例如营养物质）得到缓解时，其他限制因素（例如酶的产生、细胞体积或膜空间）就会开始发挥作用。

研究团队利用一种名为“基于约束的建模”的技术，模拟了细胞如何分配和管理内部资源。结果表明，虽然每增加一种营养物质都能促进微生物生长，但其益处会逐渐递减——每一种营养物质的贡献都比前一种要少。

“生长曲线的形状直接源于细胞内部资源分配的物理机制，而不是取决于任何特定的生化反应，”畠山解释道。

经典生物学定律的融合

这一新原理融合了生物学的两条基本生长定律：莫诺方程和李比希最小定律。李比希定律指出，植物的生长受限于其中最稀缺的营养物质（例如氮或磷）。即使其他所有营养物质都很充足，植物的生长也只能达到其中最稀缺营养物质所允许的程度。

研究人员将这两个概念结合起来，创建了他们所谓的“阶梯式桶”模型。在这个模型中，随着营养物质供应的增加，新的限制因素会分阶段出现。这解释了为什么从单细胞微生物到复杂植物等各种生物体，即使在看似理想的条件下，也会经历生长收益递减的现象，因为每个新的阶段都会揭示出一个新的限制因素。

畠山将此比作李比希著名的桶模型的更新版本。在李比希的模型中，植物的生长受到最短桶板的限制，而桶板代表着最稀缺的资源。“在我们的模型中，桶板呈阶梯状展开，”他说道，“每一步都代表着一个新的限制因素，随着细胞生长速度的加快，这些限制因素会逐渐活跃起来。”

为了验证他们的假设，研究人员构建了大肠杆菌的大规模计算机模型。这些模型包含了细胞如何利用蛋白质、细胞内部的拥挤程度以及细胞膜的物理极限等细节信息。模拟结果准确预测了添加营养物质后观察到的生长减缓现象，并展示了氧气和氮水平如何影响结果。实验室实验证实，该模型的预测与真实的生物行为相符。

迈向生命生长的普遍规律

这项发现提供了一种理解生命如何生长的新方法，无需对每个分子或反应进行详细建模。全局约束原理提供了一个统一生物学诸多方面的框架。“我们的工作为生命生长的普遍规律奠定了基础，”山岸说，“通过理解适用于所有生命系统的限制，我们可以更好地预测细胞、生态系统乃至整个生物圈如何应对不断变化的环境。”

这一原理可能具有深远的应用前景。它或许能够带来更高效的微生物培养。

https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251111005947.htm