«——【·摘要·】——»
尽管它们极其复杂，活细胞显示出高度的内部机械和功能组织，这在很大程度上可归因于细胞内生物聚合物支架，即细胞骨架。 作为一个远离热力学平衡的非常复杂的系统，细胞骨架的组织能力同时具有挑战性和吸引力。
大量频繁相互作用的细胞构件及其固有的多功能性允许高度适应性的行为，并阻碍了纯粹的简化方法。然而，物理学方法已经被证明在揭示细胞骨架组织和行为的非常基本的概念方面非常成功。这篇综述旨在介绍从单个生物聚合物细丝到多细胞生物的细胞骨架的物理学。
在这一广泛的现象中，焦点集中在不同物理尺度的交织本质上，这些尺度通过自组织或自组装产生了许多涌现的特性。
«——【·介绍·】——»
我们感觉到的“我们生活的世界”的大部分由许多交织的层次或尺度组成，导致了难以置信的复杂性。尤其是我们所谓的“生命”存在于远离热力学平衡的地方，由几乎不可计数的相互作用的元素组成。
这可能解释了为什么物理学家如此长时间地远离柔软的，尤其是有生命的物质。直到20世纪中叶，物理学取得的令人难以置信的成功似乎不可能在生物有机体的情况下重复。似乎纯粹的还原论方法无法完全研究软物质。
二十世纪早期物理学的巨大成就并没有告诉我们如何处理复杂的系统，然而“我们生活的世界”似乎只是一个复杂的系统。 最基本的生命实体，细胞，在物理尺度上主要由静电相互作用和熵来控制。
大量的相互作用的元素使得我们不可能从基本的静电学中推导出细胞是如何组织其内部的。尽管有许多组件，电池仍保持高度组织化状态，并通过永久能量耗散避免热力学平衡的限制。
显然，我们需要全新的方法和概念来应对这种复杂性，这是我们与许多不同学科共有的需求。这伴随着这个术语的某种模糊性复杂系统它可以与从几个分子到宏观经济学的任何东西联系起来。幸运的是，事实证明，为解决复杂系统而开发的分析工具是高度通用的。
«——【·讨论·】——»
直到20世纪40年代，人们才下大力气研究复杂系统，从而产生了全新的科学领域，如控制论、混沌理论或非线性动力学。随之而来的是，越来越多的人意识到，复杂性是我们这个世界的一个基本属性，是我们必须要应对的。
在这方面，以下概念出现，以及自组织和自己组装的变得越来越受欢迎，并普遍应用于许多科学学科。不足为奇的是，这些概念在生物物理学中引起了特别广泛的兴趣，因为它们引起了从简单元素到复杂结构的形成。
经典的例子是在从分子水平到植物和动物的众多生物系统中形成美丽、规则的模式，以及集体或群体行为。 但不仅仅是秩序或集体行为可以浮现。这一概念也适用于单一成分水平上不存在的新材料特性的出现。一个重要的例子是聚合物溶液和网络的力学。
在这篇综述中，我们将重点讨论细胞骨架，即活细胞的生物大分子支架。细胞骨架组织自身的能力对于细胞形态学、其机械特性以及生物关键过程如细胞分裂、神经可塑性、伤口愈合和转移是绝对必要的。
正如其重要的生物学相关性所反映的那样，细胞骨架及其涌现的组织位于生命物质的结构和功能组织的核心。在下面的章节中，我们系统地沿着不同层次的复杂性前进，从形成细胞水平基础的单个细丝视角开始，直到多细胞体中整个相互作用的细胞骨架。
在这些范围内，我们的主要关注点在于有序性和新兴机械性能。基于细胞骨架元素的复杂组织的两个例子。 (a)在亚细胞水平上，具有分子肌球蛋白马达的肌动蛋白丝重构系统形成由聚集的肌动蛋白中心连接的网络。
使用荧光显微镜拍摄图像，肌动蛋白用罗丹明染料标记。 (b)在多细胞水平上，神经元样PC12细胞形成富含MT的神经突的广泛网络。使用相差显微镜拍摄图像，并将细胞培养在层粘连蛋白包被的表面上。
细胞骨架是一种跨越细胞内部的基于聚合物纤维的支架，除了其生物学重要性之外，它还特别令人着迷，这要归功于两个关键特征。首先，细胞骨架系统是高度动态的，能够快速适应组织，但它们仍然保持有序。这只有在永久能量耗散的情况下才有可能。
第二， 尽管每个动物细胞的基本构件几乎相同，但它们的细胞骨架诱导的形态却有很大不同。 在单细胞中发现了同样极端的可变性，其中细胞骨架局部组织成许多不同的结构。因此，不同的功能模块可以由反映基本细胞骨架成分多功能性的相似成分组构建而成。
基本构建模块是三种不同的生物聚合物材料，肌动蛋白、微管和中间丝，所有这些都形成微米长的纤维或丝，由许多单独的单体组成。细丝内部结构的差异导致其弯曲刚度的大范围变化。机器翻译系统是非常坚硬的聚合物管，通常表现为单独的纤维。
通常与细胞内运输、有丝分裂和细胞器定位有关。肌动蛋白丝半柔性聚合物以各种交联网络的形式出现。 肌动蛋白丝形成所有细胞骨架结构中最动态的，因此肌动蛋白网络能够经历快速变化。它们决定细胞的形状，对细胞迁移至关重要。
可安装文件系统是一类更不均匀的生物聚合物，形成延伸的网络，对活细胞的机械性能有实质性的贡献。2D基底上爬行细胞的示意图，显示了三种细胞骨架生物聚合物的最显著位置。MTs通常在中心体成核，跨越细胞的大部分。
IFs最常见于细胞核周围，而肌动蛋白丝在细胞膜附近形成密集的网络。在迁移细胞的前沿发现了特别密集和动态的肌动蛋白网络。 这三种聚合物材料的组织和动力学很大程度上由与许多辅助蛋白的复杂相互作用决定，这些辅助蛋白可以成核、切断、交联、弱化、强化或运输单个细丝。
尽管有各种不同的细胞骨架反应，但只有两个基本过程以耗散方式驱动细胞骨架，由三磷酸腺苷或三磷酸鸟苷提供燃料:水解驱动的细丝解聚和分子马达驱动的细丝/马达运输。肌动蛋白丝是螺旋极性结构，有一个正端和一个负端，由肌动蛋白单体构成。
已经发现了辅助蛋白如何改变肌动蛋白丝动力学的各种方式。在这张草图中，代表性的辅助蛋白根据其功能分为三类:“成核调节”、“交联”或“聚合调节”。肌动蛋白和肌动蛋白是极性结构，有一个正端和一个负端。
ATP或GTP水解在两端提供了不同的临界浓度，导致不对称聚合和解聚动力学。跑步机是一个积极的过程，因此反映了内在的不平衡状态。 此外，它能使细丝产生巨大的推力。另一方面，分子马达以定向的方式沿着极性细丝移动。
定向和持续的运动只有在ATP水解的情况下才是可能的，并且可以用于运输货物，也可以用于移动或拉动细丝。肌动蛋白丝周转和分子运动动力学是生物物质中的永久过程，并且由于大多数细胞的高肌动蛋白含量及其快速周转动力学，导致大量的能量消耗。
在哺乳动物细胞中，这可以达到总ATP消耗的50%。这表明最小的能量消耗可能不是最主要的进化因素。除了分子马达，所有其他肌动蛋白辅助蛋白都影响细丝或网络的性质，而不消耗ATP或GTP。它们的调节功能可以粗略地分类为聚合动力学、交联或细丝成核的改变。
所有这三种类型的聚合物都会随着单体或低聚物的增减而增长和收缩。因此，长度是动态可调的，并且通常受到永久随机波动的影响。 大自然发现了许多方法通过辅助蛋白可用单体的浓度是调节聚合的重要因素，通常由特定的螯合蛋白控制。
一些蛋白质能够直接削弱或稳定细丝，而另一些则阻断聚合或解聚末端。另一类辅助蛋白是将细丝结合在一起的交联剂。交联剂可以永久或暂时结合，并且可以暗示或支持不同的结合几何形状。自然地，交联会显著影响细胞骨架的机械性质。
新丝的成核在细胞中从两侧受到严格控制。隔离抑制自发成核，特定的可寻址成核剂允许对细丝产生进行空间和时间控制。只有当额外的反馈环和信号级联控制该系统的部分时，通过使用辅助蛋白对细胞骨架进行适当的调节才是可能的。
通常功能单位拥有一个或几个生化上可转换的关键元件，并具有活性和非活性状态，如Arp2/3，一种常见的肌动蛋白成核剂。这些元素被纳入一个信号链，允许触发。然而，一旦被激活，这些功能单元倾向于自主工作，无需进一步的外部调节。
着眼于数百种不同蛋白质的持续、合作功能，人们往往倾向于认为细胞是高度复杂的机器，正如一些作者指出的那样，这可能会产生误导。一台机器被设计来完成一个特定的任务，而一个有机的系统设计自己。机器是造出来的，有机体是自己造出来的。
这正是让生命变得强健和可能的原因。 尽管我们说话的方式听起来不同，但细胞并不控制每一个细节，同样，它们也不依赖于这些细节。即使阻断了它们的分子马达，细胞仍继续迁移。在许多情况下，重要细胞蛋白质的敲除或敲除仍然导致几乎不变的行为。
在重组的自下而上系统中，差异变得尤为显著。当若干相互作用的元素被简单地“扔在一起”时，在没有任何理性设计的情况下，高度组织化的合作行为突然出现。自组织、涌现和复杂性是今天从气体到社会经济系统、从粒子到星系都在使用的术语。
在过去的几十年里，不仅关于什么是复杂性和生命的哲学辩论取得了进展，而且与计算和实验技术的快速发展密不可分的科学手段也取得了进展。 由于涉及许多不同的学科和领域的新颖性，许多重要的术语或概念以不同的方式使用，因此精确的跨学科术语尚未建立。
对于如何从提供大量数据的过于复杂的系统中获取知识也没有任何共识。在接下来的章节中，给出了本文结构中的关键术语的解释和定义。虽然科学家们普遍认为，世界的本质是由基本物理定律组成的。
尽管从物理学的角度来看，基本的材料特性今天已经令人惊讶地广为人知，但当我们想知道如何氧化给定的物质时，我们仍然会向化学家寻求帮助，当我们生病时，我们仍然会向医生咨询。
在这一点上，我们不想进入在哲学和科学中进行的关于整个世界是否至少可以“原则上”根据基础物理学来描述的激烈辩论。 如果新的、速度快几个数量级的计算机有助于从量子力学对气体建模，那么唯一需要学习的是，发现的基本定律足以获得在更大尺度上观察到的东西。
根据我们的理解，通过引入描述气体的量温度、压力和体积来浓缩统计行为，可以获得更重要的知识。过于复杂的系统*制抵**直观的理解，并抑制系统的进一步抽象。然而，这两个步骤对于物理学家的方法都是必不可少的。
聚电解质和分子拥挤效应的现有实验数据强烈表明对细胞骨架行为有非常大的影响。已知聚电解质效应会在高抗衡离子浓度下诱导细丝集束而且强烈影响远低于如此高密度的细丝溶液。
最近发现抗衡离子已经可以诱导规则的aster网络的形成说明了它们对生物聚合物网络形成的广泛潜在影响。普通细丝粘性的结合可以证明是理论上解释这种效应的一种可能性。分子拥挤可以有非常相似的*绑捆**效应。
此外还引起反应动力学的剧烈变化。例如肌动蛋白的聚合速率。迄今为止，分子拥挤效应既没有在大多数理论模型中被考虑，也没有被有意地包含在重构的实验系统中。然而，未来的研究将需要进一步整合这些影响，以便将亚细胞水平与细胞水平恰当地联系起来。
«——【·结论·】——»
对亚细胞细胞骨架的研究仍然主要分为独立的群体，集中于肌动蛋白，MTs，或极少的IFs。 然而，在活细胞中，这三种生物聚合物自然地以各种方式相互作用，既有机械的也有生物化学的，因此显然需要对生物聚合物串扰有更好的基本理解。
«——【·参考文献·】——»
安德森，《科学》，纽约: 加兰科学，1972年。
拉夫林，《自然》，美利坚合众国，2000年。
薛定谔，《人生是什么？活细胞的物理方面》，剑桥: 剑桥大学出版社，1944年。
卡马嗪，《生物系统中的自组织》，普林斯顿大学出版社，2003年。