正如在同一家庭中长大的同卵双胞胎通常长大后会变得不同一样，在相同环境中生长的相同细胞也经常表现出不同的特征。这些差异是生化反应中随机波动的结果。生物学家一直认为这种生化异常是缺陷，但最近的研究表明，细胞和细菌有时会利用这种随机性来为自己谋利。
诸如细胞之类的小系统本质上对科学家称为随机性（或噪音）的随机效应非常敏感，因为它们仅包含少量活性拷贝的单个蛋白质或核酸。例如，某些细胞成分水平的微小波动会影响特定基因是否开启并产生蛋白质。这种噪音似乎表明细胞命运的某些方面是偶然的；缺乏控制迫使细胞进化出备用计划，例如冗余的生化途径。
直到最近，科学家们在研究这种现象时还遇到了困难，因为这样做需要能够可视化单个细胞和分子；对细胞群的行为进行平均会消除噪音的影响，就像从远处观看的织物看起来完美无瑕一样。然而，在过去的十年中，一些新工具，包括与分子结合并在显微镜下发光的荧光标记，使科学家们能够看到噪音的作用。研究人员发现的结果令人惊讶：细胞有时似乎利用噪音来帮助它们在不断变化的环境中生存，并在发育过程中做出决策。“通常，生物体必须应对噪音，但有时它们会利用它，”哈佛大学的生物学家理查德·洛西克说，他于四月份与人合着了一篇关于《科学》杂志上随机性的文章。
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例如，枯草芽孢杆菌菌落中五分之一的细菌生活在一种称为感受态的特殊状态，在这种状态下，它们停止生长并将环境中的 DNA 整合到其基因组中。细胞是否进入这种状态是随机决定的，尽管它有成本——感受态细胞不生长和分裂——但感受态被认为提供了一种进化优势，因为它允许菌落扩大其基因工具箱。洛西克评论说，感受态细胞最有可能“为了获得新的基因序列而四处寻觅，这些序列可以提高它们在未来变化的环境中的适应性”。
更复杂的生物体也利用噪音来发挥自己的优势。普通果蝇黑腹果蝇的眼睛由较小的单元组成，每个单元由八个细胞组成。当每个细胞发育时，它会根据调节蛋白的存在与否做出选择。这种蛋白质仅在细胞的随机子集中变得活跃，并且它的出现决定了细胞是否会对特定色调的紫外线做出反应。这种调节蛋白的随机表达确保了两种细胞类型在整个眼睛中随机分配，从而避免了可能限制果蝇整体视觉的重复模式。渥太华大学的系统生物学家马兹·卡恩说，即使细胞“处于相同的环境中，并且都来自相同的祖先，它们也会获得不同的表型”，或身体特征。
尽管噪音在细胞的命运中起着重要作用，但关于这种噪音的来源以及它在多大程度上影响细胞和其他生物（包括人类）仍有许多东西需要学习。“我们知道一些[机制]，但有很多证据表明还有更多，”纽约大学的生物物理学家江户·库塞尔指出。另一个艰巨的任务将是破译它们的生物学相关性。例如，推测细菌为何变得有感受态很容易，但证明这种推测几乎是不可能的。“我们能否找到一种方法来证明特定的随机机制确实已经过进化调整？我们如何最终证明这一点？”库塞尔问道。
随着科学家们专注于单个细胞和分子的行为，另一个问题也随之出现：在不影响过程的情况下观察过程变得困难。“我们必须对细胞做一些事情才能分析它，但我们真的不知道这些操作会如何影响它，”卡恩说。
因此，理解噪音将涉及克服许多技术障碍，但没有人怀疑这项努力是值得的。噪音可能对许多领域产生重要影响，包括医学：如果细胞和细菌随机做出许多决定，那么科学家可能需要了解噪音才能开发新的抗生素并优化基于细胞的治疗方法，例如干细胞疗法。“我们需要了解噪音如何在网络环境中工作；生物体如何利用它，”卡恩说。“这是一个非常令人兴奋的领域——但有时也有点令人困惑。”
注意：这个故事最初以标题“引入噪音”发布。
