微观经济学理论用于预测生物系统如何应对环境变化

东京大学的一个团队将经济理论与生物学相结合，以了解自然系统如何应对变化。研究人员注意到消费者的购物行为与代谢系统的行为之间存在相似之处，代谢系统将食物转化为我们体内的能量。该团队专注于通过使用称为斯卢茨基方程的经济工具来预测不同的代谢系统如何响应环境变化。他们的计算表明，非常不同的代谢系统实际上具有以前未知的通用特性，并且可以使用其他学术领域的工具来理解。代谢过程用于药物开发、生物工程、食品生产和其他行业，因此能够预测此类系统将如何响应变化可以带来很多好处。

你从哪里获得能量?也许是一夜长眠，还是一顿丰盛的早餐和一些锻炼?这些活动都可以提供帮助，因为它们支持健康的新陈代谢，即我们的身体将食物和饮料转化为能量的化学过程。了解个体代谢反应的行为方式并预测它们在不同情况下可能如何变化是一个巨大的挑战。有成千上万种不同的反应使我们能够行动、思考、成长——简而言之，就是生活。近年来，通过数值模拟预测一些反应已经成为可能，但这需要大量数据。然而，东京大学的研究人员通过将微观经济学理论应用于他们的数据，得出了代谢系统以前未知的普遍特性。

“在这项研究之前，我们认为代谢系统在物种和细胞类型之间差异很大，以至于它们之间没有共同的特性，”艺术与科学研究生院的助理教授 Tetsuhiro Hatakeyama 解释道。“然而，我们非常兴奋地证明所有代谢系统都具有普遍特性，并且这些特性可以通过非常简单的定律来表达。” 研究人员表示，该理论不需要像其他方法那样收集详细的背景数据。无论您是试图了解细胞中所有代谢过程的行为，还是只关注某一部分(例如，它使用了多少氧气)，它都可以有效地应用。

生物物理学家畠山在查看一些代谢系统图时，发现与经济学中使用的图有惊人的相似之处。这种认识激励他尝试跨学科方法，并将他短暂学习过的经济理论应用到他的生物学研究中。他与合著者山岸纯平(同一实验室的研究生)决定探索消费者和细胞如何优化其“支出”以最大化收益：当我们作为消费者花钱时，细胞“消耗”营养物质。他们推断，如果以这种方式存在相似之处，那么也许用于识别不断变化的财务状况下消费者行为模式的相同理论也可以识别不断变化的环境下细胞代谢行为的模式。

更具体地说，研究人员重点研究了斯卢茨基方程，该方程用于了解消费者需求的变化。特别是，它用于理解所谓的吉芬商品，当价格上涨时，吉芬商品的需求量会增加，而当价格下降时，需求量会下降。根据 Hatakeyama 的说法，这类似于细胞响应干扰的代谢行为。例如，与直觉相反，癌细胞的呼吸需求(在本例中为吉芬产品)随着药物剂量(“价格”)的增加而增加，尽管这不利于癌症的生长速度。结果是，该团队发现了代谢系统如何应对变化的普遍规律。

该定律的主要好处之一是它可以用来理解细节很少的代谢系统。“代谢系统的紊乱会导致多种疾病，我们的研究可用于为尚未完全了解治疗方法的疾病提出新的治疗策略，”畠山说。“此外，许多食品和药物都是利用生物体的代谢系统制成的。通过应用本研究中发现的简单方程，我们可以知道如何增加使用这些系统制造的产品的产量。” 畠山希望通过进一步的跨学科研究，可能会发现更普遍的定律，从而带来各种有用的应用。