新的数据分析技术区分了细胞内的主动和被动波动

在每个活细胞内部，内部结构不断移动。在显微镜下，细胞器，如细胞核，线粒体，运输囊泡，甚至外部鞭毛摇摆和抽搐。这可能是自发发生的，因为这些微小的结构被动地推入细胞内。但这并不一定就是它的全部。细胞通常会在这些运动中投入额外的能量，以我们尚未理解的方式增强细胞功能。

在微观尺度上，流体或气体中的颗粒可以响应周围分子的轰击而移动。这种被动的，热诱导的运动通常很难与主动驱动的运动区分开来，并且仅通过观察单元内的特定运动是仅仅是热还是通过一些额外的能量输入来推动是不可能的。

现在，麻省理工学院，哥廷根大学，慕尼黑路德维希马克西米利安大学，阿姆斯特丹自由大学和耶鲁大学的科学家们已经开发出一种无创数据分析技术，可以辨别物体的随机运动是主动还是热驱动。在跟踪细胞或粒子内的结构在移动时经过的构象或位置，并观察粒子如何在这些状态之间来回转换之后，研究人员应用统计物理学的基本原理来确定随机运动是否是活跃或热。

麻省理工学院物理系助理教授Nikta Fakhri表示，这一结果将有助于科学家发现“隐藏的”活跃过程，这些过程可以驱使细胞成分以看似随机的方式移动。

“我们希望看看生命系统中的特定动力学 - 那些细胞或组织或整个生物体 - 乍看起来像随机热运动确实是积极驱动的，”Fakhri说，他是该论文的第一位合着者。“这很重要，因为如果细胞在其上花费能量，必须有与该过程相关的重要功能。我们的工作提供了一种实用的实验方法，用于识别生物系统观察中的活跃，非平衡过程。”

Fakhri和她的同事今天在“ 科学 ”杂志上发表了他们的研究结果。

振作起来

对微观粒子运动的观察可以追溯到1827年，当时苏格兰植物学家罗伯特·布朗正在通过显微镜观察水中的花粉粒。他注意到谷物中含有微小的颗粒，它们剧烈地摇晃起来，乍一看他们认为它们的运动意味着颗粒在某种程度上是活着的，并且是自己移动的。最终，当他观察到来自岩石的惰性粒子的同样摇晃时，布朗退出了这个理论，意识到只是看到粒子移动并不一定意味着它是活着的。

科学家现在知道，这些粒子被更小的水分子推开，水分子本身就是摇晃的。在高温下，水分子具有动能并且可以永远保持不安。在微观尺度上，这些微小的分子和原子可以“轰击”其他更大的粒子。这种现象现在称为布朗运动。今天的科学家们已经习惯于看到布朗运动，他们常常认为以随机方式运动的粒子很可能处于热平衡状态 - 一个系统没有消耗任何能量，因此无生命的状态。

当然，在活细胞中，许多细胞器或颗粒倾向于以“弹道”方式移动，穿过一定距离，具有明显定向或振荡的轨迹。Fakhri说，这些类型的动作代表了一个必须失去平衡的动画状态，需要一个系统来消耗能量。然而，有趣的是，粒子随机抖动并且看起来处于平衡状态，但实际上是在积极地移动。

一帧一帧

Fakhri和她的同事着手开发一种统计物理技术，使他们能够通过对粒子成像来判断其随机运动是自然的还是热的。

使用视频显微镜，他们逐帧研究了衣藻藻类的鞭毛的振荡运动。他们将鞭毛的骨架解构为一系列形状，从而在完成振荡循环时形成鞭毛穿过的状态的相空间。然后他们计算了状态之间的转换。在热平衡中，必须平衡所有状态之间的来回转换。然而，他们观察到这些过渡中的明显不平衡，证实了已知的事实，即鞭毛为这种主动振荡运动消耗能量。

接下来，他们分析了肾细胞纤毛的运动 - 一种类似天线的附属物，乍一看似乎是被动地来回摇晃。通过跟踪纤毛的方向和曲率，并计算状态之间的转换，他们观察到转变中的轻微不平衡，指向驱动纤毛的意外活动过程，尽管其被动外观。

Fakhri说，这种新方法将帮助科学家发现细胞耗散能量的新方法 - 这最终是维持生命的关键。毕竟，正如奥地利物理学家欧文·薛定谔所指出的那样，“生命物质可以避免衰变到热平衡。”

“差不多一个世纪之后，通过这次合作的工作，我们现在可以更进一步，找出细胞如何预算能量，特别是为什么他们经常花费大量精力来创造这些明显的随机动作，”Fakhri说。