В біології існує фундаментальне питання:

Як 2 мільярди років тому прості клітини (прокаріоти), такі як бактерії, дали початок складним (еукаріотам), необхідним для розвитку багатоклітинних організмів?

Дослідники з Іспанії знайшли відповідь і математичну формулу, яка це демонструє. Вони виявили, що обмеження у збільшенні розміру білків призвело до зміни стратегії, яка використала генетику для унікальної, різкої та вирішальної зміни в житті.

Жорді Баскомпте:

Професор екології Цюрихського університету, згадує, як біохімік Нік Лейн визнавав, що невідомі еволюційні посередники між простими прокаріотами та складним спільним предком еукаріотів. Дослідження проливає світло на цю темну зону, щоб зрозуміти, що і чому ми є.

Стратегія ускладнення клітин:

До певного моменту клітини могли ускладнюватися, подовжуючи білки, але ця стратегія була обмежена. Раптово, проста клітина почала використовувати частини ДНК, які не кодують білки, такі як інтрони, для регулювання генетичної інформації.

Теорія ендосимбіозу:

Теорія ендосимбіозу передбачає, що дві прості клітини об'єдналися у симбіотичні відносини, що дозволило розвинути мітохондрії. Дослідження Баскомпте пояснює, як після симбіозу клітина змогла організувати цю складність за допомогою нової форми регулювання генетики.

Генетична регуляція та обмеження:

Обмеження у збільшенні довжини білків призвело до того, що еволюція використала генетичну регуляцію, використовуючи некодуючі ділянки ДНК (інтрони) для збільшення кількості можливих рішень і розвитку більшої складності.

Модель мультиплікативного росту генів:

Для демонстрації своєї пропозиції команда розробила модель мультиплікативного росту генів, яка пояснює біологічні закономірності і робить ряд прогнозів щодо розподілу довжин генів і білків.

Значення дослідження:

Робота не тільки дає рішення однієї з найбільших загадок біології, але і кристалізує співпрацю між вченими різних галузей, які поділяли прагнення до відповідей.

Обмеження дослідження:

Баскомпте визнає, що робота має обмеження, такі як відсутність організмів 2000 мільйонів років тому, і необхідність виводити еволюційний крок з сучасних бактерій і грибів.

Попри це обмеження, вони вважають, що знайшли відповідь на те, що сталося 2000 мільйони років тому, а й як.

Баскомпте згадує, як його «великий вчитель [Рамон] Маргалеф говорив, що в біології мало фундаментальних законів, і в будь-якому випадку всі вони типу заборонено проходити». Цей тип обмеження полягав у тому, що життя зіткнулося з неможливістю продовжувати подовжувати білки, і рішення було раптовим, без проміжних фаз. «Будь-яка альтернативна форма була б нестабільним рішенням, яке не змогло б пережити потрясіння», — пояснює він. І робить висновок: «Можливість узгодити випадковість еволюції та універсальність фізики дозволяє вам по-справжньому зрозуміти красу життя».

Думка біохінолога:

Біохінолог Сезар де ла Фуенте з Університету Пенсільванії вважає «захоплюючою» роботу, опубліковану PNAS, за «інноваційний підхід до однієї з найбільших таємниць біології».

«Автори проаналізували понад 33 000 різних геномів і виявили, що існує універсальний і математично чіткий зв’язок між середньою довжиною генів і їх мінливістю, який зберігається від найпростіших бактерій до таких складних організмів, як хребетні», — підкреслює Де ла Фуенте, не беручи участі в дослідженні.

«Що мене найбільше вражає, – додає дослідник, – це те, як дослідження поєднує це біологічне спостереження з концептуальною основою, характерною для інформатики та математики. Вони припускають, що поява еукаріотичних клітин могла бути свого роду алгоритмічним «фазовим переходом», порівнянним з тим, коли вода переходить з рідкого стану в твердий».

«Особисто я вважаю дуже цікавою цю аналогію між біологічною еволюцією та обчислювальними алгоритмами. Цей підхід дозволяє робити конкретні прогнози, наприклад, оцінити, що перші еукаріотичні клітини з’явилися приблизно 2,6 мільярда років тому, або що існує критична довжина генів (близько 1500 пар основ), на якій відбувся цей еволюційний стрибок. Я думаю, що ця робота дає нам унікальний погляд на те, як певні фізичні та обчислювальні обмеження глибоко вплинули на нашу еволюційну історію. Це допомагає пояснити, як життя досягло складності, необхідної для забезпечення існування багатоклітинних організмів, включаючи рослини, тварин і, звичайно, нас самих», — підсумовує він.