复杂混合物中的多数决定

人们认为地球上的第一个生命是从“原始细胞”——许多不同类型分子的液体混合物——发展而来的。哥廷根大学的研究人员现已证明，在此类混合物中，不同类型分子数量的微小不平衡可能会产生意想不到的效果。复杂的相互作用模式令人惊讶地相互作用，强烈放大了这种不平衡——这意味着一种仅占少数的分子几乎可以完全从其他分子中分离出来。这些基本发现指出了一种适用于许多复杂混合物的新机制。例如，这将是细胞通过微调不同分子浓度来控制结构形成的一种方式。该研究发表在 《物理评论快报》上。

当活细胞首次出现时，结构通过液体分离成不同的区域而形成，这一过程称为“相分离”。就像油醋汁(醋和油的混合物)在搅拌后静置后会分离成液滴一样，相分离在细胞中产生了结构，这些结构进化成为当今活细胞中所谓的“无膜细胞器”。研究人员使用数学模型来分析混合物中许多不同类型分子之间的复杂相互作用。他们的模型包含了成分信息，即混合物中每种成分的含量。他们应用热力学定律来确定液体混合物是否会发生相分离以及会形成什么样的结构。过去，由于问题的复杂性，假设每种类型的分子数量相等，则只能研究均匀的成分。哥廷根大学的研究人员开发了一种更复杂的方法来考虑这一点，并发现成分中的微小不平衡(即与均匀成分的微小偏差)可以通过热力学不稳定性产生很大的差异。这可能导致少量混合物组分驱动新相的形成。

“令人惊讶的是，即使成分中非常小的不平衡也会被强烈放大。对于简单的相互作用，可以通过创建相似组成的新相来最大化熵。但在这里，即使 100 种不同分子的混合物中只有 2% 的一种成分，该成分在开始分离的液滴中也能以 70% 的浓度存在，”主要作者、博士研究员 Filipe Thewes 评论道。哥廷根大学理论物理研究所。这种放大可以为细胞提供一种调节相分离并从而形成结构的机制，只需对其组成进行微小的改变即可。哥廷根大学理论物理研究所的资深作者 Peter Sollich 教授补充道：“由于我们的数学方法可以普遍应用于许多不同的情况，因此这些结果为相关模型的应用提供了令人兴奋的潜力。例如，这种机制可以在一系列不同的领域发挥作用——从活细胞到市场经济或许多物种的生态网络。”

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