在每個(gè)活細(xì)胞內(nèi)部，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷移動(dòng)。在顯微鏡下，細(xì)胞器，如細(xì)胞核，線粒體，運(yùn)輸囊泡，甚至外部鞭毛搖擺和抽搐。這可能是自發(fā)發(fā)生的，因?yàn)檫@些微小的結(jié)構(gòu)被動(dòng)地推入細(xì)胞內(nèi)。但這并不一定就是它的全部。細(xì)胞通常會(huì)在這些運(yùn)動(dòng)中投入額外的能量，以我們尚未理解的方式增強(qiáng)細(xì)胞功能。

在微觀尺度上，流體或氣體中的顆粒可以響應(yīng)周圍分子的轟擊而移動(dòng)。這種被動(dòng)的，熱誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)通常很難與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)區(qū)分開來，并且僅通過觀察單元內(nèi)的特定運(yùn)動(dòng)是僅僅是熱還是通過一些額外的能量輸入來推動(dòng)是不可能的。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院，哥廷根大學(xué)，慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)，阿姆斯特丹自由大學(xué)和耶魯大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種無創(chuàng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以辨別物體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是主動(dòng)還是熱驅(qū)動(dòng)。在跟蹤細(xì)胞或粒子內(nèi)的結(jié)構(gòu)在移動(dòng)時(shí)經(jīng)過的構(gòu)象或位置，并觀察粒子如何在這些狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換之后，研究人員應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基本原理來確定隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是否是活躍或熱。

麻省理工學(xué)院物理系助理教授Nikta Fakhri表示，這一結(jié)果將有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“隱藏的”活躍過程，這些過程可以驅(qū)使細(xì)胞成分以看似隨機(jī)的方式移動(dòng)。

“我們希望看看生命系統(tǒng)中的特定動(dòng)力學(xué) - 那些細(xì)胞或組織或整個(gè)生物體 - 乍看起來像隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)確實(shí)是積極驅(qū)動(dòng)的，”Fakhri說，他是該論文的第一位合著者。“這很重要，因?yàn)槿绻?xì)胞在其上花費(fèi)能量，必須有與該過程相關(guān)的重要功能。我們的工作提供了一種實(shí)用的實(shí)驗(yàn)方法，用于識(shí)別生物系統(tǒng)觀察中的活躍，非平衡過程。”

Fakhri和她的同事今天在“ 科學(xué) ”雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

振作起來

對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的觀察可以追溯到1827年，當(dāng)時(shí)蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗正在通過顯微鏡觀察水中的花粉粒。他注意到谷物中含有微小的顆粒，它們劇烈地?fù)u晃起來，乍一看他們認(rèn)為它們的運(yùn)動(dòng)意味著顆粒在某種程度上是活著的，并且是自己移動(dòng)的。最終，當(dāng)他觀察到來自巖石的惰性粒子的同樣搖晃時(shí)，布朗退出了這個(gè)理論，意識(shí)到只是看到粒子移動(dòng)并不一定意味著它是活著的。

科學(xué)家現(xiàn)在知道，這些粒子被更小的水分子推開，水分子本身就是搖晃的。在高溫下，水分子具有動(dòng)能并且可以永遠(yuǎn)保持不安。在微觀尺度上，這些微小的分子和原子可以“轟擊”其他更大的粒子。這種現(xiàn)象現(xiàn)在稱為布朗運(yùn)動(dòng)。今天的科學(xué)家們已經(jīng)習(xí)慣于看到布朗運(yùn)動(dòng)，他們常常認(rèn)為以隨機(jī)方式運(yùn)動(dòng)的粒子很可能處于熱平衡狀態(tài) - 一個(gè)系統(tǒng)沒有消耗任何能量，因此無生命的狀態(tài)。

當(dāng)然，在活細(xì)胞中，許多細(xì)胞器或顆粒傾向于以“彈道”方式移動(dòng)，穿過一定距離，具有明顯定向或振蕩的軌跡。Fakhri說，這些類型的動(dòng)作代表了一個(gè)必須失去平衡的動(dòng)畫狀態(tài)，需要一個(gè)系統(tǒng)來消耗能量。然而，有趣的是，粒子隨機(jī)抖動(dòng)并且看起來處于平衡狀態(tài)，但實(shí)際上是在積極地移動(dòng)。

一幀一幀

Fakhri和她的同事著手開發(fā)一種統(tǒng)計(jì)物理技術(shù)，使他們能夠通過對(duì)粒子成像來判斷其隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是自然的還是熱的。

使用視頻顯微鏡，他們逐幀研究了衣藻藻類的鞭毛的振蕩運(yùn)動(dòng)。他們將鞭毛的骨架解構(gòu)為一系列形狀，從而在完成振蕩循環(huán)時(shí)形成鞭毛穿過的狀態(tài)的相空間。然后他們計(jì)算了狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在熱平衡中，必須平衡所有狀態(tài)之間的來回轉(zhuǎn)換。然而，他們觀察到這些過渡中的明顯不平衡，證實(shí)了已知的事實(shí)，即鞭毛為這種主動(dòng)振蕩運(yùn)動(dòng)消耗能量。

接下來，他們分析了腎細(xì)胞纖毛的運(yùn)動(dòng) - 一種類似天線的附屬物，乍一看似乎是被動(dòng)地來回?fù)u晃。通過跟蹤纖毛的方向和曲率，并計(jì)算狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，他們觀察到轉(zhuǎn)變中的輕微不平衡，指向驅(qū)動(dòng)纖毛的意外活動(dòng)過程，盡管其被動(dòng)外觀。

Fakhri說，這種新方法將幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)細(xì)胞耗散能量的新方法 - 這最終是維持生命的關(guān)鍵。畢竟，正如奧地利物理學(xué)家歐文·薛定諤所指出的那樣，“生命物質(zhì)可以避免衰變到熱平衡。”

“差不多一個(gè)世紀(jì)之后，通過這次合作的工作，我們現(xiàn)在可以更進(jìn)一步，找出細(xì)胞如何預(yù)算能量，特別是為什么他們經(jīng)?；ㄙM(fèi)大量精力來創(chuàng)造這些明顯的隨機(jī)動(dòng)作，”Fakhri說。