Ново правило на биологията: Нестабилността е двигателят на еволюцията и живота

В света на науката не всеки ден се появява ново "правило на биологията". Тези правила или биологични закони описват проверена закономерност за живите същества.

Едно такова правило е правилото на Алън, което обяснява защо животните в по-студен климат имат по-къси крайници от своите събратя в по-топлите региони.

Сега Джон Тауър (John Tower), професор по биологични науки в Университет на Южна Калифорния Дорнсъфей, предлага ново правило, което се противопоставя нашето разбиране за това как функционира животът. То описва модели на стабилност и нестабилност, които се проявяват закономерно в биологията.

Изгодна за естествения подбор нестабилност на живота

Правилото на Тауър се върти около концепция, наречена "изгодна за естествения подбор нестабилност" или SAI (selectively advantageous instability). Тази концепция предполага, че определено ниво на нестабилност в биологичните компоненти, като протеини и генетичен материал, всъщност може да бъде полезно за клетките.

Това може да изглежда нелогично. Често свързваме стабилността със здраве и дбро състояние. В крайна сметка стабилните системи изискват по-малко енергия и ресурси за поддръжка. Шестоъгълниците например са често срещана форма в природата, защото по своята същност са стабилни и ефективни.

Но Тауър твърди, че нестабилността е също толкова фундаментална за живота, колкото и стабилността.

"Дори най-простите клетки съдържат протеази и нуклеази и редовно разграждат и подменят нестабилни компоненти в своите протеини и РНК, което показва, че SAI е от съществено значение за живота", обяснява Тауър.

Еволюция, нестабилност и живот

И така, как нестабилността играе роля в схемата на живота? Тауър смята, че SAI е движеща сила в еволюцията.

Докато клетките изграждат и разграждат нестабилни компоненти, те по същество съществуват в две състояния: едно с наличен нестабилен компонент и едно без него. Естественият подбор може да действа различно върху тези две състояния.

Това може да доведе до ситуация, при която както нормален ген, така и мутирала версия на този ген се поддържат в една и съща популация, тъй като всеки ген може да бъде изгоден в различно състояние.

Това генетично разнообразие, водено от нестабилността, е това, което позволява на клетките и организмите да се адаптират и да се развиват с течение на времето в техния живот. Това е като постоянен танц между стабилност и нестабилност, където правилният баланс може да доведе до невероятна устойчивост и адаптивност.

Тъмната страна на нестабилността

Макар SAI да може да подобри адаптивността и еволюцията, нестабилността има и недостатъци. Процесът на постоянно създаване и подмяна на нестабилни компоненти в клетките изисква значителна енергия. Този енергиен разход може да натовари клетъчните ресурси, което потенциално води до неефективност с течение на времето.

Тауър предполага, че SAI може да бъде ключов фактор за стареенето.

"Създаването и след това подмяната на нестабилните компоненти в клетките идва с цената на материали и енергия. Разграждането му също може да изисква допълнителна енергия", отбелязва Тауър.

Освен това SAI позволява съвместното съществуване на нормални и мутирали гени в една и съща клетъчна популация. Въпреки че това генетично разнообразие може да бъде полезно, то крие и рискове.

Ако вреден мутирал ген продължава да съществува заедно с нормален ген, това може да има пагубни ефекти. Тези вредни мутации могат да допринесат за клетъчно увреждане и дисфункция, ускорявайки процеса на стареене.

С течение на времето натрупването на такива вредни мутации може да увреди клетъчната функция, което води до свързан с възрастта спад в тъканите и органните системи.

По този начин, докато SAI насърчава адаптивността и оцеляването в променящи се среди, той също въвежда уязвимости, които могат да повлияят на процеса на стареене и цялостното клетъчно здраве.

Отвъд еволюцията и стареенето

Последиците от SAI се простират далеч отвъд еволюцията и стареенето. Има потенциала да хвърли светлина върху широк спектър от биологични феномени, от теорията на хаоса и катастрофите до патерните на Тюринг и дори "клетъчното съзнание".

"Напоследък науката е вдъхновена от концепции като теорията на хаоса и катастрофите, патерните на Тюринг и "клетъчното съзнание", коментира Тауър. "Изследванията в областта показват, че SAI играе важна роля в създаването на всеки от тези феномени."

Тауър смята, че SAI е толкова широко разпространено в биологията и има толкова далечни последици, че може да се счита за ново правило на биологията. Това правило предизвиква нашия традиционен възглед за стабилността и показва колко e важна нестабилността за нашето разбиране за живота.

Нестабилността е искрата, която запалва еволюцията

Идеята, че нестабилността е от съществено значение за живота, може да изглежда парадоксална, но напомня, че животът е динамичен и непрекъснато променящ се процес. Това е постоянен танц между ред и хаос, стабилност и нестабилност. И именно този деликатен баланс позволява на живота да процъфтява и да се развива.

"Дори най-простите клетки съдържат протеази и нуклеази и редовно разграждат и заместват своите протеини и РНК, което показва, че SAI е от съществено значение за живота", отбелязва Тауър.

И така, докато стабилността може да изглежда като идеалното състояние, нестабилността е тази, която кара живота да върви напред. Това е искрата, която запалва еволюцията, двигателят, който движи адаптацията, и силата, която оформя многообразието на живота на Земята.

Справка: Selectively advantageous instability in biotic and pre-biotic systems and implications for evolution and aging; John Tower; Front. Aging, 16 May 2024; Sec. Genetics, Genomics and Epigenomics of Aging; Volume 5 - 2024 | https://doi.org/10.3389/fragi.2024.1376060 

Източник: A new ‘rule of biology’ may have come to light, expanding insight into evolution and aging, USC Dornsife

Уравнението на Фейгенбаум

Бифуркация (от лат. bifurcus – раздвоен) представлява процес на качествен фазов преход от състояние на равновесие към хаос чрез много малки извършвани последователно изменения.

При този процез се случва качествена промяна на свойствата на системата, или катастрофичен скок. Моментът на скока (раздвоението при бифуркацията) става в точката на бифуркация.

Митчел Фейгенбаум (Feigenbaum) е анализирал логистическото уравнение, което описва динамиката на развитието на популациите:

X_n+1=CX_n – С(Х_n)², където С е външен параметър.

Той открива, че при някои ограничения във всички подобни уравнения става преход от равновесно състояние към хаос.

Например популация с определена численост Xn живее изолирано. След година се появява потомство с численост Xn+1. Ръстът на популация се описва с първия член на дясната част от уравнението (СХn), където коефициента С определя скоростта на нарастването на популацията. Намаляването на животните (за сметка на пренаселеност, липса на храна и т.н.) се определя от втория, нелинеен член (С(Хn)²).

Минете с мишката през стойностите на C за да последите графиката, която има всички белези на фрактал.

C=0.7	C=1.5	C=2	C=2.5	C=3.1	C=3.5	C=3.6	C=3.826	C=3.85	C=3.9	C=4

Графиката е на Fractal Geometry-classes.yale.edu

Резултатът дава следните изводи:

• при С < 1 популацията с ръст n измира;
• в областта 1 < С < 3 числеността на популацията се приближава към постоянна стойност Хо = 1 – 1/С, което е област на стационарни, фиксирани решения.
• При стойност C = 3 точката на бифуркация става отблъскваща фиксирана точка. От този момент функцията вече никога не схожда към една точка, а дотогава точката е привличаща, фиксирана;
• в диапазона 3 < С < 3.57 започват да се появяват бифуркации и разклонения на всяка крива на две. Тук функцията (числеността на популацията) се колебае между две стойности, лежащи на тези разклонения;
• при C > 3.57 областта се покрива от различни решения и поведението на системата става хаотично.

Изводът е заключителното състояние на еволюциониращите физически системи е състоянието на динамичен хаос.

Още по темата

25/12/2023

Физика

Направете тези четири класически коктейла и станете експерт по динамика на флуидите (видео)

14/07/2023

Животът

Скритите закони на живота: Тайните правила на еволюцията и как работят те

21/02/2023

Математика

Ефектът на пеперудата: Tеорията на хаоса размива границата между математиката и изкуството

25/01/2015

Математика

Алън Тюринг за леопардовите петна и ивиците на зебрата