Впервые разгадана 80 летняя биологическая загадка роста организмов

Ученые из Института наук о Земле и жизни в Японии открыли новый фундаментальный принцип биологии, объясняющий, почему рост живых организмов замедляется, когда питательных веществ становится слишком много. Открытие помогает разгадать биологическую загадку, над которой ученые бьются уже почти 80 лет - с момента, когда в 1940-х годах французский микробиолог Жак Моно впервые описал зависимость скорости роста бактерий от концентрации питательных веществ.

Как передает Day.Az, работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Рост живых существ - от бактерий до растений и животных - всегда связан с доступностью ресурсов. Ученые давно знали, что при увеличении количества питательных веществ рост сначала ускоряется, но затем стабилизируется. Однако до сих пор считалось, что это связано с ограничением одного конкретного элемента - например, азота или фосфора.

Исследователи из Японии предложили более универсальное объяснение, основанное на законах физики и математическом моделировании. Новый принцип, получивший название глобальное ограничение роста (global constraint principle), показывает, что скорость роста определяется сетью взаимосвязанных ограничений внутри клетки.

"Мы показали, что форма кривой роста - это прямое следствие перераспределения ресурсов внутри клетки, а не результат действия какой-то отдельной химической реакции", - объяснил доцент Тэцухиро Хатакэяма.

Ученые соединили две классические биологические концепции - закон Либиха о минимуме, согласно которому рост ограничен самым дефицитным элементом, и уравнение Моно, описывающее рост бактерий при изменении концентрации питательных веществ. Их новая модель, получившая название "ступенчатая бочка", показывает, что при насыщении среды одним элементом на первый план выходят новые лимитирующие факторы - например, количество ферментов, площадь клеточной мембраны или объем цитоплазмы.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи использовали компьютерные модели бактерии Escherichia coli, учитывающие использование белков, упаковку клеточных структур и пропускную способность мембран. Симуляции подтвердили: по мере увеличения количества питательных веществ рост действительно замедляется, а ключевыми факторами оказываются баланс кислорода, азота и внутриклеточных ресурсов.

"Наш принцип объединяет наблюдения от микроорганизмов до экосистем, создавая основу для универсальных законов роста", - отметил соавтор работы, исследователь Дзюмпэй Ямагиси.

Открытие может иметь широкие практические применения - от повышения урожайности культур за счет точного определения лимитирующих элементов до оптимизации микробных производственных процессов и прогнозирования реакции экосистем на изменение климата.