对于手机低语者、居住在高速公路、机场或火车附近的家庭、热爱音乐的通勤者，甚至对于单个细胞来说，噪音都是生活中不可避免的事实。在日常的人类体验中，这种干扰通常是可控的。隔音屏障和降噪耳机有助于从音乐或寂静的甜美声音中消除噪音。但是对于构成所有生物的细胞而言，噪音——指的是外部环境中的随机变化，包括食物来源的波动、病原体和致命毒素，或者细胞内部的随机过程——可能关乎生死存亡。
近年来，科学家发现细胞内部是一个出人意料的嘈杂场所，这颠覆了长期以来认为其内部运作有规律且可预测的假设。细胞内的分子随机移动和相互作用，这意味着随后的生化反应，例如 RNA 和蛋白质的产生（几乎所有细胞活动都需要）也具有一定的随机性。如果驱动这些机制的机器是一场分子骚乱，那么细胞如何执行其工作——进食、分裂、分化？例如，胚胎的发育看起来像是一个精心编程的过程，由可预测的基因活动波协调，以产生特定的组织模式。它怎么可能在如此普遍的噪音中出现？
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加州理工学院的一位物理学家转为生物学家的迈克尔·埃洛维茨说：“我不知道细胞内部的噪音是多么的广泛和普遍。现在，我把噪音看作是观察各种细胞行为的透镜。”
早期研究噪音的大部分努力都集中在细胞如何处理这种内在的随机性上，这种随机性的副作用从令人烦恼到致命不等。但是随着该领域的发展，越来越多的科学家开始探索细胞如何实际利用其内部噪音来应对不可预测的外部环境的噪音。那些随机的分子活动爆发可以驱动各种细胞决策，甚至细胞选择采取的身份。现在，科学家们越来越多地询问噪音主要是一种细胞必须防范的危险敌人，还是有时是一种盟友，具有进化可以利用的潜在有益特征。这两种情况都可能是真的。“对于某些类型的细胞行为来说，噪音既可能是一种障碍，也可能对其他类型的细胞行为有用，”埃洛维茨说。
例如，在微生物中，基于噪音的方法可能有助于它们对冲风险。正如投资者分散投资组合以防范不可预测的市场一样，细菌种群利用噪音来改变其处理变化无常的世界的方法。
许多研究表明，微生物基因的随机波动会触发一些微生物进入休眠的、抗药性的状态。这种被称为细菌持久性的现象是一些感染难以根除的原因之一。在一个多样化的细菌种群中，快速生长的微生物通常情况较好。但是当受到抗生素打击时，幸存下来的恰恰是休眠的微生物。“这就像总统发表国情咨文时，他们会派一名内阁成员到一个秘密地点，”波士顿大学的生物工程师詹姆斯·柯林斯说。
随着有益噪音的新例子出现，科学家们正在努力更好地了解其对细胞行为、进化和人类健康的影响。“噪音的功能性后果是什么？”加州大学旧金山分校的生物物理学家利奥·温伯格说。
确定噪音的影响对于开发治疗感染，甚至可能是癌症的疗法至关重要。“抗生素持久性就是一个很好的例子，噪音对传染病有直接的影响，”埃洛维茨说。（持久性与抗生素耐药性不同，抗生素耐药性发生在微生物 DNA 发生突变时，而不是处于休眠状态，使其能够耐受药物。）
了解噪音在细胞中如何工作也可以帮助科学家解释遗传学中一个令人困惑的现象，即一些潜在的有效突变并不影响所有携带这些突变的个体。研究表明，基因活动的随机波动可以解释这种现象的一些实例，这种现象被称为部分外显率，可能在某些人类疾病中发挥作用。
传统上，噪音在生物学中很难研究，因为大多数生物技术，例如基因活动测量，会平均许多细胞的输出，从而消除个体变异性。但是，能够捕获单个细胞的新型高分辨率成像技术的发展最终使科学家能够可靠地绘制此水平的噪音，并研究其如何影响行为。“我们正处于生物学革命之中，即从分析细胞平均值过渡到观察单个细胞的特性，”埃洛维茨说。“这正在改变我们对许多事物的看法。”
一个转折点出现在 2002 年，当时埃洛维茨和他的合作者首次绘制了单个细胞中随机基因活动的图谱。埃洛维茨的团队一直试图设计发光细菌，使其像圣诞灯一样闪烁。这项工作成功了，但是闪烁是不规则的而不是有规律的——即使是相同的细胞也很快变得完全不同步，他说。意识到生物学家不知道细胞有多嘈杂，埃洛维茨着手了解更多。
研究人员从两个基因副本开始，这两个基因除了它们产生的荧光颜色（红色或绿色）外都是相同的。如果基因活动以规则的、确定的方式控制，那么基因应该产生等量的红色和绿色光，这将结合起来使细胞发出黄色的光芒。但是，如果这是一个嘈杂的、随机的过程，那么两个基因的活动会有所不同，一些细胞会产生大量的绿色，另一些细胞会产生大量的红色，或者其他任何数量的变化。最终的结果，于 2002 年发表在《科学》杂志的封面上，是所有三种颜色的节日组合。“这就是噪音的样子，”埃洛维茨说。“你可以看到细胞是一台不确定的机器。”
为了弄清楚噪音是否可能影响重要的细胞决策，埃洛维茨和他的合作者转向了细菌，细菌偶尔会习惯于在环境中拾取外来 DNA 并将其整合到它们的基因组中。这是一项高风险的活动，但可能会有很高的回报。外来 DNA 可能包含可以杀死细胞的病毒基因，或者它可能包含使细胞对毒药产生抗性的遗传模块。研究人员推测，当受到环境灾难（如抗生素）袭击时，那些带有额外 DNA 片段的细胞更有可能拥有生存的工具。再一次，细菌似乎在对冲风险。
在任何给定时间，只有一小部分细胞能够拾取 DNA，这种状态被称为“感受态”，即使细胞在相同的条件下在遗传上相同地生长也是如此。埃洛维茨和吉罗·苏埃尔，当时是埃洛维茨实验室的博士后研究员，发现变成感受态的决定受随机基因活动控制，而随机基因活动反过来又触发了正反馈回路。埃洛维茨将其比作晃动马桶上的把手。轻轻地晃动把手有时会偶然启动冲洗。“在细胞中，噪音不断地‘晃动控制细胞命运决策的把手’，这会导致一些细胞——随机地——改变命运，”他说。这项发表在《自然》杂志上的研究是首次表明噪音可以发挥生物功能的研究之一。
2009 年，当时在德克萨斯大学领导自己的实验室的苏埃尔和埃洛维茨再次向前迈进，表明这种噪音会影响细胞的存活。他们设计了一个噪音较小的遗传回路版本，该回路触发了感受态，并比较了这两种菌株。在各种条件下，具有更多噪音回路的细菌更可能存活。
“当时，人们似乎普遍认为噪音是一种干扰，是生命的缺陷，至少与人造系统相比是这样，”埃洛维茨说。“我来自物理学，在那里人们设计巧妙的方法来减少噪音，甚至更巧妙的方法来利用噪音进行测量。因此，我认为物理学背景使我想知道细胞是否像物理学家一样，也可能想出了利用噪音的方法。”
现在在加州大学圣地亚哥分校的苏埃尔和他的合作者现在正试图弄清楚噪音如何影响整个社区。“细胞是否知道彼此的噪音？如果一个细胞的邻居非常嘈杂，那么那个细胞也应该变得嘈杂吗？”他问道。“细胞与细胞之间的关系以及细胞之间的影响，人们对此了解甚少。”
噪音的影响不仅限于微生物——噪音可能在包括人类在内的更复杂生物体的发育中也起着重要作用。胚胎利用多种机制从一团未分化的细胞发展成分化的组织。一些证据表明，不同基因的随机表达可能发挥作用。Elowitz 的团队现在正在研究随机基因表达在干细胞中的作用，干细胞是产生我们身体不同组织的未分化细胞。这些细胞会自发地切换状态，但科学家们尚不清楚是什么触发了这种决定。研究人员认为噪音可能起作用，因此他们将单分子分析与单个细胞的延时电影相结合，以追踪当细胞切换状态时许多不同基因中的随机活动。
机会在我们的鼻子和眼睛的发育中也起着重要作用。我们眼睛中的感光细胞随机选择是检测红光还是绿光。尽管科学家们尚未弄清楚是如何实现的，但我们鼻子中的每个细胞都会随机选择只产生大约一千种不同的气味检测受体中的一种。其结果是产生了一系列能够检测数千种气味的细胞。“细胞利用噪音来产生多样性，而无需依赖复杂的系统，”纽约大学的生物学家 Claude Desplan 说。
然而，Desplan 认为噪音通常不会驱动发育。“我认为只有当需要以确定性方式无法实现的方式来增加多样性时，才需要随机选择，”他说。例如，Desplan 的团队研究了两种不同的果蝇；其中一种果蝇眼睛中的感光分子分布是随机的，而另一种是确定性的（感光分子排列成规则的行），这表明自然界可以采用两种方法。
Desplan 的矛盾果蝇说明了该领域的主要争议之一。噪音有多重要？与使用噪音相反，自然界已经进化出强大的方法来控制噪音，例如即使在存在噪音的情况下仍然可靠工作的稳健电路。噪音可能是有益的，也可能是有害的，但哪种性质占主导地位？Desplan 更倾向于后者。“在大多数情况下，噪音是坏事，”他说。“但有时我们可以把坏事变成好事。”
根据贝勒医学院的物理学家 Ido Golding 的说法，随机性可能在微生物的发育和进化中发挥重要作用的观点被过分夸大了。“我认为有一些例子，但存在过度解读它们的危险，”他说。“我猜 99% 的时间里，细胞都在对抗不必要的波动，或者在寻找方法来适应这些波动。” Golding 认为，其他科学家归因于噪音的一些影响实际上是由于他们尚未能够测量的确定性因素造成的。尽管很明显存在一定程度的生化噪音，“每次看到细胞之间的差异都归咎于噪音是非常危险的，”他说。
在 12 月发表在《科学》杂志上的一篇综述中，Golding 和哈佛大学研究酵母如何利用噪音的生物学家 Alvaro Sanchez 搁置了他们的分歧，探讨了其核心问题。有噪音的基因表达是一种可以选择的性状，就像身高或眼睛颜色一样，还是基因的固有属性？“我们既可以一直不高兴地拒绝对方的论文，也可以撰写一篇综述来解决分歧，”Golding 说。
如果噪音是编码在基因序列中的性状，那么进化可能会对其进行微调，就像进化过程可能会使捕食者更快或使鱼游得更好一样。酵母中的实验表明情况确实如此。“你可以拥有噪音大或噪音小的基因，”Sanchez 说。科学家可以修改控制基因活性的 DNA 片段，不仅可以改变 RNA 的产生量，还可以改变其产生的噪音程度。这个问题在细菌中还没有得到广泛研究。然而，一些结果指向了相反的方向。Golding 的团队已经表明，在大肠杆菌中，噪音与基因的活性水平有关，这表明它是基因组或相关细胞机制的固有属性。
当两位科学家共同审查文献时，他们开始看到彼此的观点。“我们论文的结论是，这仍然是一个悬而未决的问题，但我以前要顽固得多，”Golding 说。“现在我完全意识到存在相互矛盾的证据，这意味着我们中的一些人是错误的。”
经Quanta 杂志许可转载，该杂志是 SimonsFoundation.org 的一个编辑独立部门，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究发展和趋势来增进公众对科学的理解。