细菌细胞不会在某天早上醒来，然后决定成为父母。但是在它们的细胞周期中有一个点——在充分生长并复制它们的基因组之后——当它们分裂成两半，产生新的细胞，然后重复这个过程。是什么告诉细菌是时候分裂了?科学家们在这个问题上存在分歧。
在过去的几年里，当试图揭示决定细菌何时分裂的生物信号时，科学家们依赖于最近开发的一项技术，该技术使他们能够追踪单个细菌细胞及其所有后代数百代的生命周期。问题是，使用这个系统的实验产生了相互矛盾的模型，每个模型都将细胞分裂的时间归因于不同的因素。
在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，由魏茨曼科学研究所的研究人员领导的一个小组使用统计推理来揭示哪种细胞分裂模型最合理。这种方法的优点是直接触及关键问题——确定分裂的原因——而不必暴露所涉及的确切生物学机制。
在之前的研究中，追踪细菌细胞分裂的科学家观察到，从DNA复制到细胞分裂，细胞以完全相同的体积生长。由此，他们推断，告诉细胞它应该分裂成两半的过程开始于遗传物质复制的阶段。
然而，研究也表明，细胞从出生到分裂的那一刻，生长的体积完全相同。这一观察结果导致了一个相互矛盾的模型的发展，在这个模型中，细胞分裂的倒计时从细胞诞生时开始。根据这种方法，一种调节蛋白质从一开始就开始在细胞中积累，当这种蛋白质的水平达到一定程度时，就会设置一种滴答作响的闹钟。
为了解决这一矛盾，第三种模型将两者结合起来，提出了调节蛋白和基因复制的参与。
这些模型都基于相关性:科学家注意到，细菌细胞周期某些部分的生长极限似乎与细胞分裂同步。但是，任何一个科学专业的大一新生都会告诉你，相关性不是因果关系。也就是说，蛋白质积累或DNA复制可能与分裂信号同时发生，而与该信号没有因果关系。
为了在两种细胞分裂模式之间做出决定，魏兹曼复杂系统物理系的Ariel Amir教授和一个国际科学家团队使用了条件独立测试，这是一种由犹太裔美国科学家Judea Pearl开发的统计工具，他因在这种方法中所涉及的技术工作而获得图灵奖。
研究人员将这种测试应用于与田纳西大学合作收集的数据，这些数据来自数百种不同批次的不同大肠杆菌的生长。一些细胞被赋予了允许它们快速分裂的条件，而另一些细胞则在生长速度较慢的条件下生长。这些数据包括细胞生命周期中不同阶段的时间，以及每个阶段细胞的大小。
条件独立性测试提出了“如果-那么”的问题，可以揭示出哪种相关性只是一种不涉及因果关系的巧合。在哈佛大学研究生普拉希塔·卡尔(Prathitha Kar)领导的研究中，研究小组比较了在DNA复制阶段大小相似、但出生时大小不同的细菌细胞群。
如果声称细胞分裂的时间完全取决于DNA复制的模型是正确的，那么复制时大小相似的细胞将在相似的时间分裂，而不考虑它们出生时的大小。然而，如果这个模型是错误的，是出生时蛋白质的积累决定了细胞何时分裂，那么出生时大小不同的细胞在不同的时间分裂，那么出生时的大小和分裂时的大小之间就存在相关性。
研究人员惊讶地发现，这两种模型都是有效的，但不是以第三种“混合”模型提出的方式。当细菌细胞以缓慢的速度生长时，DNA复制过程本身就决定了细胞何时分裂。然而，当细胞的生长速度加快时，情况变得更加复杂，研究人员发现，出生时开始的过程和DNA复制结合在一起，决定了细胞何时分裂。
最后，研究人员揭示了一个视觉线索，即细胞分裂已经达到了不可逆转的地步:当一个细胞的中心开始形成一个环时，它注定要分裂成两个细胞。
科学家们还使用条件独立性测试来反驳一个普遍持有的理论，即一代DNA复制的时间严格地决定了下一代的时间。相反，他们表明，在母体细胞DNA复制已经开始之后发生的过程，会影响子细胞开始复制自身遗传物质的时间。
阿米尔说:“使用统计方法来确认因果关系，使我们更好地了解细菌细胞的生长和分裂过程。”“条件独立性测试通常用于流行病学、经济学等领域。我相信，描述多种病原体生长和繁殖过程的能力将为未来开发更有效的抗生素铺平道路。”
