Най-значителното нарастване на сложността в историята на еволюцията на живота на Земята е появата на еукариотната клетка. Върху това наскоро хвърля светлина ново изследване на международно сътрудничество между четирима учени от Майнц, Валенсия, Мадрид и Цюрих публикува в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В групата на еукариотите са всички животни, растения, гъби и протисти, въобще организми, чиито клетки имат ядра, за разлика от по-простите едноклетъчни организми на прокариотите, чиито клетки липсва оградено с мембрана ядро.
Въпреки че хипотезата за ендосимбиозата е общоприетото схващане за възникването на еукариотите, милиардите години, изминали от сливането на архея и бактерия, са довели до липса на еволюционни междинни продукти във филогенетичното дърво до появата на еукариотната клетка. Това е празнина в нашите знания, която авторът на статията в сайта на университета Йоханес Гутенберг Майнц нарича "черна дупка в сърцето на биологията".
Хипотезата за едносимбиозата.
"Новото изследване е смесица от теоретични и наблюдателни подходи, които количествено разбират как генетичната архитектура на живота е била трансформирана, за да позволи такова увеличаване на сложността", заявява д-р Енрике Муро (Enrique Muro), представител на университета Йоханес Гутенберг Майнц (JGU) в този проект.
Протеините и гените, кодиращи протеини, се увеличават по дължина
Статията в PNAS демонстрира, че разпределенията на дължините на протеините и съответните им гени следват логнормални разпределения в цялото дърво на живота.
За целта са анализирани 9 913 различни протеома (съвкупността от протеини, експресирани в даден тип клетка или организъм) и 33 627 генома. Логнормалните разпределения обикновено възникват в резултат на мултипликативни процеси.
Следвайки принципа на "Бръснача на Окам", изследователите моделират еволюцията на разпределението на генната дължина като мултипликативни стохастични процеси. Всъщност те моделират яз действието на всички генетични оператори, комбинирани по отношение на дължината на последователността.
Започвайки от LUCA, т.е. хипотетичният последен универсален общ предшественик, от който произлизат трите империи (домейна) на живота – бактериите, археите и еукариотите – изследователите откриват теоретично и наблюдателно, че средната дължина на гена е еволюирала експоненциално през еволюционното време при различни видове. Освен това, те откриват непроменящ се при мащабиране механизъм на растеж на ген в цялото дърво на живота, където вариацията директно зависи от средната дължина на протеина.
Чрез представянето на всички видове, уловени в 33 627 генома, екипът успява да провери прогнозите чрез наблюдение и освен това да покаже, че средната дължина на гена е много добър заместител на сложността на организма.
"От познаването на средната дължина на гените, кодиращи протеини в даден вид, можем да изчислим цялото разпределение на дължината на гена в този вид", добавя д-р Бартоло Луке (Bartolo Luque) от Политехническия университет в Мадрид, за когото това е чисто упражнение по количествената биология
Когато се представя еволюцията на средните дължини на протеините спрямо съответните им дължини на гените в различни видове, се наблюдава, че те се развиват едновременно в прокариотите, тъй като в техните гени почти няма некодиращи последователности. Въпреки това, след като средната дължина на гена достигне 1500 нуклеотида, протеините се отделят от мултипликативния процес на растеж на гена и средната дължина на протеина се стабилизира след началото на еукариотната клетка при около 500 аминокиселини в ясен праг, маркирайки появата на еукариотната клетка.
От този момент нататък и за разлика от това, което се случва с протеините, средната дължина на гена продължава да се увеличава, както се е случило при прокариотите, поради наличието на некодиращи последователности.
Еволюция на разпределението на дължината на гена, кодиращ протеина, през еволюционното време. Кредит: Fernando J. Ballesteros
Алгоритмичен фазов преход
Анализът на критичните явления заключава, че фазовият преход, добре проучен във физиката на магнитните материали, е настъпил при критична генна дължина от 1500 нуклеотида. Това бележи еукариогенезата и разделя еволюцията на живота на две отделни фази: кодираща фаза (прокария) и некодираща фаза (еукария).
Освен това се наблюдават характерни явления на тези преходи, като критично забавяне, където динамиката на системата се улавя в много метастабилни състояния около критичната точка.
"Това е потвърдено при ранните протисти и гъбички“, заявява д-р Фернандо Балестерос (Fernando Ballesteros) от Университета на Валенсия.
Освен това "фазовият преход е бил алгоритмичен", добавя професор Джорди Баскомпте (Jordi Bascompte) от Университета в Цюрих. Във фазата на кодиране, в сценарий, близък до LUCA, с къси протеини, увеличаването на дължината на протеините и съответните им гени е изчислително проста процедура. Но с нарастването на дължините на протеините, търсенето на по-дълги протеини става неосъществимо.
Това напрежение, предизвикано от гените, които продължават да растат със същата скорост, както преди, докато протеините не могат, се е освобождавало непрекъснато, но внезапно с включването на некодиращи последователности в гените.
Благодарение на това нововъведение алгоритъмът за търсене на нови протеини бързо намалява изчислителната си сложност, ставайки нелинеен чрез сплайсозомата и ядрото, които отделят транскрипцията (една от стъпките по пътя на синтезиране на белтък, кодиран от ДНК) и сплайсинга от транслацията (производството на протеини с помощта на РНК молекули като шаблони). Това се е случило в критичната точка на фазовия преход, която това изследване датира преди 2,6 милиарда години.
Изследването не само отговаря на основни въпроси, но е интердисциплинарно, съчетаващо изчислителна биология, еволюционна биология и физика.
"То има потенциала да заинтересува широка аудитория в много дисциплини и да служи като основа за други групи за изследване на различни изследователски пътища, като енергийна или информационна теория", подчерта д-р Муро от Института по организмова и молекулярна еволюция към университета в Майнц.
Еукариотната клетка, най-значителното нарастване на сложността в историята на еволюцията на живота на Земята, се появява като фазов преход и отключва пътя към други големи преходи - като многоклетъчност, сексуалност и общителност - които оформиха живота на нашата планета такъв, какъвто го познаваме днес.
Справка: Enrique M. Muro et al, The emergence of eukaryotes as an evolutionary algorithmic phase transition, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2422968122
Източник: An evolutionary algorithmic phase transition 2.6 billion years ago may have sparked the emergence of eukaryotic cells, Kathrin Voigt, Johannes Gutenberg University Mainz
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Бешката
Трогателна среща в Москва на командирите на Союз и Аполо 40 години след скачването
dolivo
Нова храна за медоносните пчели, заместваща прашеца, дава надежда за оцеляването им
dolivo
Психеделици, сексуалност и себепознание: Какво разкрива първото проучване
dolivo
Полетът на Starliner до МКС през 2024 г. е бил много по-драматичен, отколкото знаем (видео)