正如在同一家庭中長大的同卵雙胞胎通常長大後會變得不同一樣，在相同環境中生長的相同細胞也經常表現出不同的特徵。這些差異是生化反應中隨機波動的結果。生物學家一直認為這種生化異常是缺陷，但最近的研究表明，細胞和細菌有時會利用這種隨機性來為自己謀利。
諸如細胞之類的小系統本質上對科學家稱為隨機性（或噪音）的隨機效應非常敏感，因為它們僅包含少量活性複製的單個蛋白質或核酸。例如，某些細胞成分水平的微小波動會影響特定基因是否開啟併產生蛋白質。這種噪音似乎表明細胞命運的某些方面是偶然的；缺乏控制迫使細胞進化出備用計劃，例如冗餘的生化途徑。
直到最近，科學家們在研究這種現象時還遇到了困難，因為這樣做需要能夠視覺化單個細胞和分子；對細胞群的行為進行平均會消除噪音的影響，就像從遠處觀看的織物看起來完美無瑕一樣。然而，在過去的十年中，一些新工具，包括與分子結合並在顯微鏡下發光的熒游標記，使科學家們能夠看到噪音的作用。研究人員發現的結果令人驚訝：細胞有時似乎利用噪音來幫助它們在不斷變化的環境中生存，並在發育過程中做出決策。“通常，生物體必須應對噪音，但有時它們會利用它，”哈佛大學的生物學家理查德·洛西克說，他於四月份與人合著了一篇關於《科學》雜誌上隨機性的文章。
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例如，枯草芽孢桿菌菌落中五分之一的細菌生活在一種稱為感受態的特殊狀態，在這種狀態下，它們停止生長並將環境中的 DNA 整合到其基因組中。細胞是否進入這種狀態是隨機決定的，儘管它有成本——感受態細胞不生長和分裂——但感受態被認為提供了一種進化優勢，因為它允許菌落擴大其基因工具箱。洛西克評論說，感受態細胞最有可能“為了獲得新的基因序列而四處尋覓，這些序列可以提高它們在未來變化的環境中的適應性”。
更復雜的生物體也利用噪音來發揮自己的優勢。普通果蠅黑腹果蠅的眼睛由較小的單元組成，每個單元由八個細胞組成。當每個細胞發育時，它會根據調節蛋白的存在與否做出選擇。這種蛋白質僅在細胞的隨機子集中變得活躍，並且它的出現決定了細胞是否會對特定色調的紫外線做出反應。這種調節蛋白的隨機表達確保了兩種細胞型別在整個眼睛中隨機分配，從而避免了可能限制果蠅整體視覺的重複模式。渥太華大學的系統生物學家馬茲·卡恩說，即使細胞“處於相同的環境中，並且都來自相同的祖先，它們也會獲得不同的表型”，或身體特徵。
儘管噪音在細胞的命運中起著重要作用，但關於這種噪音的來源以及它在多大程度上影響細胞和其他生物（包括人類）仍有許多東西需要學習。“我們知道一些[機制]，但有很多證據表明還有更多，”紐約大學的生物物理學家江戶·庫塞爾指出。另一個艱鉅的任務將是破譯它們的生物學相關性。例如，推測細菌為何變得有感受態很容易，但證明這種推測幾乎是不可能的。“我們能否找到一種方法來證明特定的隨機機制確實已經過進化調整？我們如何最終證明這一點？”庫塞爾問道。
隨著科學家們專注於單個細胞和分子的行為，另一個問題也隨之出現：在不影響過程的情況下觀察過程變得困難。“我們必須對細胞做一些事情才能分析它，但我們真的不知道這些操作會如何影響它，”卡恩說。
因此，理解噪音將涉及克服許多技術障礙，但沒有人懷疑這項努力是值得的。噪音可能對許多領域產生重要影響，包括醫學：如果細胞和細菌隨機做出許多決定，那麼科學家可能需要了解噪音才能開發新的抗生素並最佳化基於細胞的治療方法，例如干細胞療法。“我們需要了解噪音如何在網路環境中工作；生物體如何利用它，”卡恩說。“這是一個非常令人興奮的領域——但有時也有點令人困惑。”
注意：這個故事最初以標題“引入噪音”釋出。
