Как эволюция решила превратить одноклеточные организмы в многоклеточные, объяснил профессор кафедры физики Уральского федерального университета Алексей Мелких. Ученый предложил концепцию регулируемого симбиоза. В отличие от дарвиновской, предполагающей случайные мутации и естественный отбор, концепция Мелких предполагает, что эволюция носит не случайный характер, это управляемый запрограммированный процесс наподобие роста дерева. Суть концепции ученый описал в статье в журнале BioSystems.
Процесс изменения и жизнь в целом слишком сложны, чтобы сформироваться в результате случайностей и перебора мутаций, полагает физик. Даже одна клетка сама по себе — колоссально сложная система. А объединение двух и более клеток в единый организм — задача, которая требует согласованной перестройки генома, транспортных систем, иммунитета (распознавания «свое/чужое»), адгезии (сцепления клеток), регуляции деления и т. д.
«Клетки, образующие многоклеточный организм, являются частью системы управления, поэтому они обладают определенными свойствами. В частности, каждая клетка должна “понимать” свою роль в организме в целом, распознавать соседние клетки как свои собственные, даже если они выполняют разные функции. Гены каждой клетки должны “понимать” гены соседних клеток. Для этого недостаточно, чтобы клетки были идентичны. “Понимание”, основанное на распознавании, — это отдельный процесс, который должен быть запрограммирован независимо. Между клетками должна существовать сигнальная сеть маркеров со строгими требованиями к этим маркерам», — перечисляет особенности строения клеточной системы Алексей Мелких.
В качестве аналогии физик приводит интернет: простое соединение одинаковых компьютеров не образует сеть. Для того чтобы сеть заработала, необходимо запрограммировать компьютеры, чтобы они «понимали» друг друга и функционировали как единое целое. И эта «новая» функциональность компьютеров должна быть задана заранее. Подобный регулируемый симбиоз является также частью направленной эволюции жизни в целом, полагает ученый.
«Возникновение такой кооперативной системы требует значительной реструктуризации организма, которая методом перебора, проб и ошибок нереалистична», — добавляет Мелких и приводит в пример формирование морской губки.
Губки появились на Земле более 600 млн лет назад и, по мнению некоторых ученых, могут быть не полностью развитыми многоклеточными животными, поскольку у них отсутствуют четко дифференцированные ткани и органы. Геном губки содержит от 18 до 30 тыс. генов. В зависимости от вида и условий обитания губки живут от нескольких месяцев до 15 тыс. лет — в океане площадью около 361 млн км².
«Если предположить, что на каждый квадратный метр океана приходится одна губка, то общее число губок — порядка 360 трлн. За полмиллиарда лет при продолжительности жизни около года общее число когда-либо живших на Земле губок составит величину порядка 10²². Это число, конечно, приближенное (поскольку губки все разные), однако оно не идет ни в какое сравнение с числом вариантов генома. Сопоставим ее с числом структурных вариантов, потенциально реализуемых в ходе эволюции, и с количеством пространственных конфигураций биологически важных молекул. Нуклеотидов (геномных букв) четыре вида. Общее число вариантов генома можно посчитать, возведя четыре в степень количества нуклеотидов в геноме — около 300 млн. Отсюда понятно, что живших губок несопоставимо меньше, чем возможных вариантов перестройки геномов. То есть случайным перебором работающую комбинацию не найти», — объясняет Алексей Мелких.
Природа решает задачу эволюции не перебором случайностей, а целенаправленными действиями — в этом и состоит механизм эволюции. Симбиоз осуществляется посредством системы управления, работающей на основе внутренних, скрытых закономерностей формообразования, полагает ученый.
«Даже LUCA (последний универсальный общий предок) возник не в результате исчерпывающего отбора или случайных мутаций, а как часть единого запрограммированного процесса — эволюции жизни на Земле. И в целом можно сказать, что эволюция — а в более широком смысле и жизнь — это крайне сложная целеустремленная адаптивная система», — заключает Алексей Мелких.
Информация предоставлена Департаментом по связям с общественностью УрФУ
Источник фото: 123rf.com
