Биологи обнаружили, что секрет удивительной силы и распространенности жизни на Земле в самых разных условиях, формах, размерах заключается в ее способности находить золотую середину между стабильностью и адаптивностью, - пишет sciencedaily.com со ссылкой на Physical Review Letters.
Биологи знают много о том, как работает жизнь, но все еще остаются неразрешенными некоторые вопросы: почему жизнь существует, почему она принимает различные формы и размеры, почему она способна поразительно приспосабливаться и заполнять каждый уголок на Земле.
На эти вопросы пыталась ответить междисциплинарная команда исследователей из Университета штата Аризона.
Важность стабильности
Ученые проанализировали, как компоненты 67 биологических систем взаимодействуют друг с другом, чтобы лучше понять корневые связи между ними. Биологические системы представляют собой совокупность отдельных компонентов (таких как белки и гены), которые взаимодействуют друг с другом для выполнения важных задач, таких как передача сигналов или решение судьбы клетки. Ученые имитировали поведение сетей и искали объяснение: что делает их такими особенными - живыми.
Чтобы выполнить свое исследование, они изучили данные из базы данных Cell Collective. Этот богатый ресурс демонстирует биологические процессы на протяжении всей жизни у людей, животных, растений, бактерий и вирусов. Количество компонентов в этих системах варьировалось от пяти узлов до 321 узла, включая 6500 различных биологических взаимодействий.
В этих узлах заключены многие ключевые элементы жизни - гены и белки, которые контролируют деление клеток, рост, смерть, а также коммуникацию.
Используя богатые молекулярные данные, ученые теперь могут изучать взаимодействия между строительными блоками с целью понять, как возникает жизнь.
«Мы хотели знать, были ли биологические системы особенными по сравнению со случайными системами, и если да, то в чем их особенность», - говорит Брайан Дэниелс из Центра биосоциальных сложных систем.
Ученые сосредоточились на поиске критической точки, в которой вся система может измениться в ответ на небольшое изменение. Такое изменение могло бы глубоко нарушить баланс жизни, создав одинаковую вероятность продолжения жизни или смерти организма.
«В стабильной системе организмы всегда возвращаются к своему первоначальному состоянию, - объясняет Дэниелс. - В нестабильной системе эффект небольшого изменения будет расти и приведет к тому, что вся система начнет вести себя по-другому».
Благодаря тщательной проверке 67 сетей команда обнаружила, что все они имеют особое свойство: существуют между двумя крайностями, избегая как излишней стабильности, так и сильной неуравновешенности.
Таким образом, команда обнаружила, что уязвимость, которая является мерой стабильности, была близка к особой точке, которую биологи называют «критичностью», предполагая, что сети могут быть эволюционно адаптированы к оптимальному сочетанию стабильности и нестабильности.
Жизнь в балансе
Предыдущие исследования показали, что небольшое количество биологических систем, от нейронов до колоний муравьев, лежит в этой средней точке критичности, а новое исследование расширяет список живых систем в этом состоянии.
Это может представлять особый интерес для астробиологов, таких как соавтор исследования Сара Уокер из Школы Земли и космических исследований, которые ищут жизнь на других планетах. Понимание того, как жизнь может принимать различные формы и почему она это делает, может помочь идентифицировать жизнь на других планетах и определить, как она может отличаться от жизни на Земле. Это также поможет ученым в поиске истоков жизни в лабораторных условиях.
«Мы по-прежнему не понимаем, что такое жизнь, - говорит Уокер, - и определяя качественные показатели, такие как критичность, которые лучше всего отличают жизнь от нежизни, мы делаем важный шаг к построению этого понимания на фундаментальном уровне. Это может помочь нам узнавать жизнь в других мирах или в наших экспериментах на Земле, даже если они выглядят абсолютно не так, как мы».
Полученные выводы могут быть полезны для количественной биологии, показывая, что критическая уязвимость является общим важным компонентом для живых организмов. Кроме того, исследование продвигает синтетическую биологию, позволяя ученым использовать строительные блоки для более точного построения биохимических сетей, похожих на живые системы.
«Каждая биологическая система имеет отличительные черты - от ее компонентов и размеров до функций и взаимодействия с окружающей средой», - объясняет соавтор Хенджу Ким из Школы Земли и космических исследований. - В этом исследовании мы впервые можем установить связь между теоретической гипотезой об универсальной тенденции к сохранению баланса в средней степени устойчивости и реальными экспериментальными данными, полученными на основе анализа 67 биологических моделей с различными характеристиками».
[Фото: sciencedaily.com]
