一個研究團隊，其中包括來自日本東京科學研究所地球生命科學研究所（ELSI）科學家，發現了一個生物學新原理，該原理從數學上解釋了為什麽當營養充足時，生物體的生長速度會減慢。這種眾所周知的現象被稱為“收益遞減規律”。
生物體如何響應營養條件的變化而生長，長期以來一直是生物學的核心問題之一。從微生物到植物和動物，所有生命形式的生長都依賴於營養物質、能量以及細胞內部機製的獲取。盡管科學家們已經研究了這些因素如何影響生長，但大多數研究都集中在單個營養物質或特定的生化途徑上。而真正尚未明確的是，當資源有限時，細胞內所有這些相互關聯的過程是如何協同作用來控製生長的。
一個統一生命係統的全球原則
為了探索這一奧秘，ELSI特聘副教授畠山哲弘（Tetsuhiro S. Hatakeyama）和理研特聘博士後研究員山岸淳平（Jumpei F. Yamagishi）發現了一個新的統一概念，它描述了所有活細胞如何在資源受限的情況下實現生長。他們的研究提出了他們所謂的微生物生長全球約束原則——這一框架有望重塑科學家對生物係統的理解。
自20世紀40年代以來，微生物學家一直依賴“莫諾方程”來描述微生物的生長。該模型表明，生長速率會隨著營養物質的增加而增加，直至趨於穩定。然而，莫諾方程假設每次隻有一種營養物質或生化反應限製生長。實際上，細胞會同時進行數千種化學過程，而這些過程必須共享有限的資源。
每個細胞內部的約束網絡
畠山哲弘和山岸淳平認為，傳統模型僅能解釋部分現象。細胞生長並非受單一瓶頸限製，而是由一係列複雜的限製因素相互作用，隨著營養物質的積累，這些限製因素會減緩細胞生長。全局約束原理解釋了，當某個限製因素（例如營養物質）得到緩解時，其他限製因素（例如酶的產生、細胞體積或膜空間）就會開始發揮作用。
研究團隊利用一種名為“基於約束的建模”的技術，模擬了細胞如何分配和管理內部資源。結果表明，雖然每增加一種營養物質都能促進微生物生長，但其益處會逐漸遞減——每一種營養物質的貢獻都比前一種要少。
“生長曲線的形狀直接源於細胞內部資源分配的物理機製，而不是取決於任何特定的生化反應，”畠山解釋道。
經典生物學定律的融合
這一新原理融合了生物學的兩條基本生長定律：莫諾方程和李比希最小定律。李比希定律指出，植物的生長受限於其中最稀缺的營養物質（例如氮或磷）。即使其他所有營養物質都很充足，植物的生長也隻能達到其中最稀缺營養物質所允許的程度。
研究人員將這兩個概念結合起來，創建了他們所謂的“階梯式桶”模型。在這個模型中，隨著營養物質供應的增加，新的限製因素會分階段出現。這解釋了為什麽從單細胞微生物到複雜植物等各種生物體，即使在看似理想的條件下，也會經曆生長收益遞減的現象，因為每個新的階段都會揭示出一個新的限製因素。
畠山將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，植物的生長受到最短桶板的限製，而桶板代表著最稀缺的資源。“在我們的模型中，桶板呈階梯狀展開，”他說道，“每一步都代表著一個新的限製因素，隨著細胞生長速度的加快，這些限製因素會逐漸活躍起來。”
為了驗證他們的假設，研究人員構建了大腸杆菌的大規模計算機模型。這些模型包含了細胞如何利用蛋白質、細胞內部的擁擠程度以及細胞膜的物理極限等細節信息。模擬結果準確預測了添加營養物質後觀察到的生長減緩現象，並展示了氧氣和氮水平如何影響結果。實驗室實驗證實，該模型的預測與真實的生物行為相符。
邁向生命生長的普遍規律
這項發現提供了一種理解生命如何生長的新方法，無需對每個分子或反應進行詳細建模。全局約束原理提供了一個統一生物學諸多方麵的框架。“我們的工作為生命生長的普遍規律奠定了基礎，”山岸說，“通過理解適用於所有生命係統的限製，我們可以更好地預測細胞、生態係統乃至整個生物圈如何應對不斷變化的環境。”
這一原理可能具有深遠的應用前景。它或許能夠帶來更高效的微生物培養。
https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251111005947.htm
