由Phys的Ingrid Fadelli创作
（同organic）有机 要攀登营养物质的化学梯度
大肠杆菌需要不断决定是保持直线游泳还是改变游泳方向
耶鲁大学的研究人员最近表明，尽管E
大肠杆菌是在高度不确定情况下做出这一决定的，考虑到不确定性，他们几乎以理论上可能的最快速度爬升梯度
学分:耶鲁大学
生物根据从周围环境获得的信息来调整它们的行为和运动
但是通常这些信息是不完善的，有机体需要在不确定的情况下行动
那么，不完美的信息会限制生物体在特定任务中的表现吗？ 耶鲁大学的研究人员最近研究了这种可能性，特别是检查大肠杆菌的行为
大肠杆菌)
他们的发现发表在《自然物理》杂志上，表明
大肠杆菌从它们的环境中聚集，这限制了它们在趋化性方面的表现，趋化性是它们响应化学信号引导自身运动的过程
开展这项研究的研究人员亨利·马蒂利、凯塔·卡米诺、本杰明·马奇塔和蒂埃里·埃蒙内告诉《物理》杂志，“长期以来，人们一直认为细胞在面对噪音和不确定性时会发挥作用。”
通过电子邮件组织
“自从信息论在1950年左右首次被发明以来，研究人员已经认识到，它可能是理解生物体如何处理噪音的有力工具
" 过去的大多数研究都集中在细胞可以从环境中获取的信息量上
迄今为止收集到的测量数据表明，进化选择了生物系统来有效地传递信息，达到了物理学施加的基本限制
研究人员解释说:“然而，获取信息并不一定是生物学故事的结局:信息必须得到适当的处理。”
“我们想测试一个广泛的生物学假设:生物最好地利用它们获得的信息来执行行为和其他功能
为了研究这个，我们需要一个足够简单的行为，我们可以量化它需要多少信息和细菌E的趋化性
大肠杆菌就是这种行为的完美例子
" E
大肠杆菌利用生物传感器不断获取环境中化学信号的信息
然后，他们利用这些信息来调整自己的行为和导航化学梯度
如果E
大肠杆菌没有从它们周围的环境中收集信息，它们将无法识别它们是朝着营养物质还是远离有毒物质的方向发展
“实验工具现在可以用来测量这种行为，并探测连接细胞传感器和它用来导航的马达的化学路径的动力学，”该团队说
“将这些测量结果与它们行为的简单模型相结合，我们意识到我们可以测量细菌能够收集的信息量(以每秒比特数为单位)，同时也了解它们以观察到的速度导航需要多少信息
" 作者的主要目的是更好地了解他们的生物传感器的限制是否影响大肠杆菌的趋化性行为
大肠杆菌
为了实现这一点，他们首先开始计算理论性能极限，这是细菌在化学梯度中向上移动的最大速度，基于细菌获取化学信号信息的固定速度
研究人员解释说:“为了做到这一点，亨利模拟了细菌的游泳行为是如何对它所经历的信号做出反应的。”
“不同的应对策略有不同的‘信息成本’需要实施，但需要高信息成本的策略不一定会导致细胞快速爬坡
找到在固定信息成本下最大化梯度爬升速度的响应策略导致了性能限制
" 为了确定E
大肠杆菌细胞在趋化性过程中获取信息，研究小组必须了解它们如何将感知到的信号，以改变营养浓度的形式，转化为内部信号网络的活动
他们使用卡米诺开发的微流体方法实现了这一点
这种方法的工作原理是向细菌输送校准过的营养脉冲，同时测量细菌化学反应网络的活性
研究人员说:“使用相同的实验系统，Keita还测量了在没有信号的情况下，响应网络中自发噪声的大小。”
“通过这些测量，以及对游泳细胞在梯度中经历的典型信号的测量，我们估计了E
大肠杆菌将首次在自然梯度中从其化学环境中提取
" 作为最后的实验步骤，团队必须确定E的速度
大肠杆菌利用它们收集的信息爬上化学梯度
为了做到这一点，马蒂利在两个水库之间建立了浅层化学梯度，并跟踪细菌在梯度中的游动轨迹
在不同的坡度上观察了几个小时的轨迹后，研究人员可以确定他们爬坡的速度
“结合我们对信息获取和爬坡速度的测量，我们可以确定E
大肠杆菌利用信息相对于理论极限导航，”研究人员说
“我们发现，当攀登浅梯度E
大肠杆菌从环境中获得的信息很少，大约0
01位/秒
以这样的速度连接互联网，下载一部4K分辨率的典型故事片需要几千年的时间
" 马蒂利和他的同事发现，考虑到细菌感觉系统的局限性，细菌利用获得的少量信息以理论上可能的最快速度爬坡
这表明，为了生存，生物体应该有效地利用它们获得的信息来执行特定的任务
“0
01位/秒
研究人员说:“大肠杆菌需要并得到的数量级比细胞在随机选择新方向之前确定它是否在梯度上游动所需的每秒约1比特要少。”
“我们的研究首次使用信息论来限制生物在行为任务上的表现，将信号转导途径的保真度与其执行对其生存至关重要的功能的能力联系起来
" 这项工作为信息获取对英语学习的影响提供了有趣的新见解
大肠杆菌趋化性
未来，它可以为新的研究提供信息，这些研究旨在了解生物体处理环境中信号的能力和执行生存任务之间的联系
在接下来的研究中，马蒂利、卡米诺、马奇塔和埃蒙内特计划测量E
大肠杆菌的感知保真度，并将其与理论预测进行比较
这将使他们能够进一步检验生物系统的信息处理接近物理学限制的假设
“到目前为止，我们测量了多少信息E
大肠杆菌细胞在趋化性过程中获得的信息，以及它们利用这些信息的效率，但我们没有解决它们可能通过最佳传感器获得多少信息，”研究小组说
“E
大肠杆菌通过计数随机碰撞其表面的分子来感知环境中的化学物质，这限制了它的感知保真度
这是其他人考虑了很多的事情，但是到目前为止还没有将其与E进行比较
大肠杆菌的实际感知保真度
" E
大肠杆菌繁殖速度极快，30分钟内数量就翻了一番
它们的繁殖速度使它们成为在实验室环境中研究进化的理想候选者
在他们未来的工作中，研究人员也希望利用这种有利的品质来测试关于进化选择如何影响信息处理的假设
研究人员补充说:“最后，在更复杂的生物中，行为和信号处理的模型和测量可能会达到现在的地步，我们也可以应用同样的想法来研究它们的行为。”
“简单的E
大肠杆菌的趋化性使它成为一个理想的系统，但类似的想法可能适用于动物的行为
"
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