對於手機低語者、居住在高速公路、機場或火車附近的家庭、熱愛音樂的通勤者，甚至對於單個細胞來說，噪音都是生活中不可避免的事實。在日常的人類體驗中，這種干擾通常是可控的。隔音屏障和降噪耳機有助於從音樂或寂靜的甜美聲音中消除噪音。但是對於構成所有生物的細胞而言，噪音——指的是外部環境中的隨機變化，包括食物來源的波動、病原體和致命毒素，或者細胞內部的隨機過程——可能關乎生死存亡。
近年來，科學家發現細胞內部是一個出人意料的嘈雜場所，這顛覆了長期以來認為其內部運作有規律且可預測的假設。細胞內的分子隨機移動和相互作用，這意味著隨後的生化反應，例如 RNA 和蛋白質的產生（幾乎所有細胞活動都需要）也具有一定的隨機性。如果驅動這些機制的機器是一場分子騷亂，那麼細胞如何執行其工作——進食、分裂、分化？例如，胚胎的發育看起來像是一個精心程式設計的過程，由可預測的基因活動波協調，以產生特定的組織模式。它怎麼可能在如此普遍的噪音中出現？
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加州理工學院的一位物理學家轉為生物學家的邁克爾·埃洛維茨說：“我不知道細胞內部的噪音是多麼的廣泛和普遍。現在，我把噪音看作是觀察各種細胞行為的透鏡。”
早期研究噪音的大部分努力都集中在細胞如何處理這種內在的隨機性上，這種隨機性的副作用從令人煩惱到致命不等。但是隨著該領域的發展，越來越多的科學家開始探索細胞如何實際利用其內部噪音來應對不可預測的外部環境的噪音。那些隨機的分子活動爆發可以驅動各種細胞決策，甚至細胞選擇採取的身份。現在，科學家們越來越多地詢問噪音主要是一種細胞必須防範的危險敵人，還是有時是一種盟友，具有進化可以利用的潛在有益特徵。這兩種情況都可能是真的。“對於某些型別的細胞行為來說，噪音既可能是一種障礙，也可能對其他型別的細胞行為有用，”埃洛維茨說。
例如，在微生物中，基於噪音的方法可能有助於它們對沖風險。正如投資者分散投資組合以防範不可預測的市場一樣，細菌種群利用噪音來改變其處理變化無常的世界的方法。
許多研究表明，微生物基因的隨機波動會觸發一些微生物進入休眠的、抗藥性的狀態。這種被稱為細菌永續性的現象是一些感染難以根除的原因之一。在一個多樣化的細菌種群中，快速生長的微生物通常情況較好。但是當受到抗生素打擊時，倖存下來的恰恰是休眠的微生物。“這就像總統發表國情諮文時，他們會派一名內閣成員到一個秘密地點，”波士頓大學的生物工程師詹姆斯·柯林斯說。
隨著有益噪音的新例子出現，科學家們正在努力更好地瞭解其對細胞行為、進化和人類健康的影響。“噪音的功能性後果是什麼？”加州大學舊金山分校的生物物理學家利奧·溫伯格說。
確定噪音的影響對於開發治療感染，甚至可能是癌症的療法至關重要。“抗生素永續性就是一個很好的例子，噪音對傳染病有直接的影響，”埃洛維茨說。（永續性與抗生素耐藥性不同，抗生素耐藥性發生在微生物 DNA 發生突變時，而不是處於休眠狀態，使其能夠耐受藥物。）
瞭解噪音在細胞中如何工作也可以幫助科學家解釋遺傳學中一個令人困惑的現象，即一些潛在的有效突變並不影響所有攜帶這些突變的個體。研究表明，基因活動的隨機波動可以解釋這種現象的一些例項，這種現象被稱為部分外顯率，可能在某些人類疾病中發揮作用。
傳統上，噪音在生物學中很難研究，因為大多數生物技術，例如基因活動測量，會平均許多細胞的輸出，從而消除個體變異性。但是，能夠捕獲單個細胞的新型高解析度成像技術的發展最終使科學家能夠可靠地繪製此水平的噪音，並研究其如何影響行為。“我們正處於生物學革命之中，即從分析細胞平均值過渡到觀察單個細胞的特性，”埃洛維茨說。“這正在改變我們對許多事物的看法。”
一個轉折點出現在 2002 年，當時埃洛維茨和他的合作者首次繪製了單個細胞中隨機基因活動的圖譜。埃洛維茨的團隊一直試圖設計發光細菌，使其像聖誕燈一樣閃爍。這項工作成功了，但是閃爍是不規則的而不是有規律的——即使是相同的細胞也很快變得完全不同步，他說。意識到生物學家不知道細胞有多嘈雜，埃洛維茨著手瞭解更多。
研究人員從兩個基因副本開始，這兩個基因除了它們產生的熒光顏色（紅色或綠色）外都是相同的。如果基因活動以規則的、確定的方式控制，那麼基因應該產生等量的紅色和綠色光，這將結合起來使細胞發出黃色的光芒。但是，如果這是一個嘈雜的、隨機的過程，那麼兩個基因的活動會有所不同，一些細胞會產生大量的綠色，另一些細胞會產生大量的紅色，或者其他任何數量的變化。最終的結果，於 2002 年發表在《科學》雜誌的封面上，是所有三種顏色的節日組合。“這就是噪音的樣子，”埃洛維茨說。“你可以看到細胞是一臺不確定的機器。”
為了弄清楚噪音是否可能影響重要的細胞決策，埃洛維茨和他的合作者轉向了細菌，細菌偶爾會習慣於在環境中拾取外來 DNA 並將其整合到它們的基因組中。這是一項高風險的活動，但可能會有很高的回報。外來 DNA 可能包含可以殺死細胞的病毒基因，或者它可能包含使細胞對毒藥產生抗性的遺傳模組。研究人員推測，當受到環境災難（如抗生素）襲擊時，那些帶有額外 DNA 片段的細胞更有可能擁有生存的工具。再一次，細菌似乎在對沖風險。
在任何給定時間，只有一小部分細胞能夠拾取 DNA，這種狀態被稱為“感受態”，即使細胞在相同的條件下在遺傳上相同地生長也是如此。埃洛維茨和吉羅·蘇埃爾，當時是埃洛維茨實驗室的博士後研究員，發現變成感受態的決定受隨機基因活動控制，而隨機基因活動反過來又觸發了正反饋迴路。埃洛維茨將其比作晃動馬桶上的把手。輕輕地晃動把手有時會偶然啟動沖洗。“在細胞中，噪音不斷地‘晃動控制細胞命運決策的把手’，這會導致一些細胞——隨機地——改變命運，”他說。這項發表在《自然》雜誌上的研究是首次表明噪音可以發揮生物功能的研究之一。
2009 年，當時在德克薩斯大學領導自己的實驗室的蘇埃爾和埃洛維茨再次向前邁進，表明這種噪音會影響細胞的存活。他們設計了一個噪音較小的遺傳回路版本，該回路觸發了感受態，並比較了這兩種菌株。在各種條件下，具有更多噪音迴路的細菌更可能存活。
“當時，人們似乎普遍認為噪音是一種干擾，是生命的缺陷，至少與人造系統相比是這樣，”埃洛維茨說。“我來自物理學，在那裡人們設計巧妙的方法來減少噪音，甚至更巧妙的方法來利用噪音進行測量。因此，我認為物理學背景使我想知道細胞是否像物理學家一樣，也可能想出了利用噪音的方法。”
現在在加州大學聖地亞哥分校的蘇埃爾和他的合作者現在正試圖弄清楚噪音如何影響整個社群。“細胞是否知道彼此的噪音？如果一個細胞的鄰居非常嘈雜，那麼那個細胞也應該變得嘈雜嗎？”他問道。“細胞與細胞之間的關係以及細胞之間的影響，人們對此瞭解甚少。”
噪音的影響不僅限於微生物——噪音可能在包括人類在內的更復雜生物體的發育中也起著重要作用。胚胎利用多種機制從一團未分化的細胞發展成分化的組織。一些證據表明，不同基因的隨機表達可能發揮作用。Elowitz 的團隊現在正在研究隨機基因表達在幹細胞中的作用，幹細胞是產生我們身體不同組織的未分化細胞。這些細胞會自發地切換狀態，但科學家們尚不清楚是什麼觸發了這種決定。研究人員認為噪音可能起作用，因此他們將單分子分析與單個細胞的延時電影相結合，以追蹤當細胞切換狀態時許多不同基因中的隨機活動。
機會在我們的鼻子和眼睛的發育中也起著重要作用。我們眼睛中的感光細胞隨機選擇是檢測紅光還是綠光。儘管科學家們尚未弄清楚是如何實現的，但我們鼻子中的每個細胞都會隨機選擇只產生大約一千種不同的氣味檢測受體中的一種。其結果是產生了一系列能夠檢測數千種氣味的細胞。“細胞利用噪音來產生多樣性，而無需依賴複雜的系統，”紐約大學的生物學家 Claude Desplan 說。
然而，Desplan 認為噪音通常不會驅動發育。“我認為只有當需要以確定性方式無法實現的方式來增加多樣性時，才需要隨機選擇，”他說。例如，Desplan 的團隊研究了兩種不同的果蠅；其中一種果蠅眼睛中的感光分子分佈是隨機的，而另一種是確定性的（感光分子排列成規則的行），這表明自然界可以採用兩種方法。
Desplan 的矛盾果蠅說明了該領域的主要爭議之一。噪音有多重要？與使用噪音相反，自然界已經進化出強大的方法來控制噪音，例如即使在存在噪音的情況下仍然可靠工作的穩健電路。噪音可能是有益的，也可能是有害的，但哪種性質占主導地位？Desplan 更傾向於後者。“在大多數情況下，噪音是壞事，”他說。“但有時我們可以把壞事變成好事。”
根據貝勒醫學院的物理學家 Ido Golding 的說法，隨機性可能在微生物的發育和進化中發揮重要作用的觀點被過分誇大了。“我認為有一些例子，但存在過度解讀它們的危險，”他說。“我猜 99% 的時間裡，細胞都在對抗不必要的波動，或者在尋找方法來適應這些波動。” Golding 認為，其他科學家歸因於噪音的一些影響實際上是由於他們尚未能夠測量的確定性因素造成的。儘管很明視訊記憶體在一定程度的生化噪音，“每次看到細胞之間的差異都歸咎於噪音是非常危險的，”他說。
在 12 月發表在《科學》雜誌上的一篇綜述中，Golding 和哈佛大學研究酵母如何利用噪音的生物學家 Alvaro Sanchez 擱置了他們的分歧，探討了其核心問題。有噪音的基因表達是一種可以選擇的性狀，就像身高或眼睛顏色一樣，還是基因的固有屬性？“我們既可以一直不高興地拒絕對方的論文，也可以撰寫一篇綜述來解決分歧，”Golding 說。
如果噪音是編碼在基因序列中的性狀，那麼進化可能會對其進行微調，就像進化過程可能會使捕食者更快或使魚遊得更好一樣。酵母中的實驗表明情況確實如此。“你可以擁有噪音大或噪音小的基因，”Sanchez 說。科學家可以修改控制基因活性的 DNA 片段，不僅可以改變 RNA 的產生量，還可以改變其產生的噪音程度。這個問題在細菌中還沒有得到廣泛研究。然而，一些結果指向了相反的方向。Golding 的團隊已經表明，在大腸桿菌中，噪音與基因的活性水平有關，這表明它是基因組或相關細胞機制的固有屬性。
當兩位科學家共同審查文獻時，他們開始看到彼此的觀點。“我們論文的結論是，這仍然是一個懸而未決的問題，但我以前要頑固得多，”Golding 說。“現在我完全意識到存在相互矛盾的證據，這意味著我們中的一些人是錯誤的。”
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