Эукариотогенез случился неожиданно. К нему привело напряжение, связанное с увеличением длины гена и ограничения при выработке более длинных белков.
Международное сотрудничество четырёх специалистов из Майнца, Валенсии, Мадрида и Цюриха привело к публикации прорывного исследования в журнале PNAS, проливающего свет на наиболее значимое усложнение в истории эволюции жизни на Земле. Речь о происхождении эукариотической клетки.
Большинство учёных на данный момент поддерживают эндосимбиотическую теорию, но миллиарды лет, которые минули с момента гипотетического слияния архей и бактерий, скрывают важные промежуточные
эволюционные звенья в филогенетическом древе до появления клетки-эукариота. Этот печальный пробел в знаниях даже называют чёрной дырой в самом сердце биологии.
«Это исследование — смесь теоретического и наблюдательного подходов, дающая количественное понимание того, как трансформировалось генетическая архитектура жизни, чтобы это усложнение смогло произойти», — утверждает д-р Энрике М. Муро, представляющий Университет им. Иоганна Гутенберга в Майнце (УИГ).
Увеличение длины белков и кодирующих белки генов
Статья в PNAS демонстрирует, что распределение длин белков и соответствующих им генов следует логарифмически нормальному распределению по всему древу жизни. Чтобы прийти к такому выводу, потребовалось проанализировать 9913 различных протеомов и 33627 геномов.
Логарифмически нормальные распределения обычно возникают в результате мультипликативных процессов. Следуя принципу бритвы Оккама, исследователи смоделировали эволюцию распределения генов как мультипликативных стохастических процессов. Фактически, они смоделировали действие всех генетических операторов вместе относительно длин последовательностей. Начав с LUCA (аббрев. last universal
common ancestor), т.е. с последнего универсального общего предка, с которого берут начало все три домена жизни — бактерии, археи и эукариоты, исследователи обнаружили, как теоретически, так и методом наблюдения, что средние длины генов в течение эволюционного времени по различным видам развивались экспоненциально. Более того, они обнаружили механизм масштабной инвариантности роста генов по всему древу жизни, там, где вариативность напрямую зависит от средней длины белка. Представив все виды, зафиксированные в 33627 геномах, группа смогла методом наблюдения подтвердить предсказания и, более того, показать, что средняя длина гена — очень хороший биомаркер сложности организма.
Доктор Бартоло Люк, специалист в области количественной биологии из Мадридского политехнического университета добавляет: «Зная среднюю длину кодирующих белки генов некоего вида мы можем вычислить полное распределение длины гена у этого вида».
При представлении эволюции средних длин белков по сравнению с их соответствующими длинами у разных видов, наблюдается, что у прокариотов они эволюционируют одновременно, поскольку в их генах почти нет некодирующих последовательностей.
Однако, как только средняя длина гена достигает 1500 нуклеотидов, белки выходят из мультипликативного процесса роста генов, и средняя длина белка стабилизируется после возникновения клетки-эукариота на приблизительно 500 аминокислотах в чистом пороговом значении, отмечая появление клетки-эукариота. Начиная с этого момента, и в отличие от того, что происходит с белками, средняя длина гена продолжает увеличиваться, как это происходило у прокариотов, в силу наличия некодирующих последовательностей.
Алгоритмический фазовый переход
Затем с помощью анализа критических явлений было сделано заключение, что фазовый переход, хорошо изученный в физике магнитных материалов, произошёл при критической длине гена в 1500 нуклеотидов. Это ознаменовало эукариогенез, и разделило эволюцию жизни на две обособленные фазы: кодирующую фазу (Prokarya) и некодирующую фазу (Eukarya). Кроме того, наблюдаются характерные для этих переходов явления, такие как критическое замедление, где динамика системы фиксируется многими метаустойчивыми состояниями около критической точки.
«Это подтверждается ранними простейшими и грибами», — говорит д-р Фернандо Баллестерос из Университета Валенсии.
Более того, «фазовый переход был алгоритмическим», — добавляет профессор Джорди Баскромпте из Цюрихского университета. В кодирующую фазу, при сценарии близком к LUCA, где участвуют короткие белки, увеличение длины белков и соответствующих им генов было в вычислительном отношении простым. Однако, с ростом длины белков поиск более длинных белков стал практически невозможным. Это напряжение, вызванное генами, которые продолжали расти с прежней скоростью, в то время как белки не были на это способны, устранялось безостановочно, но неожиданно, за счёт внедрения в гены некодирующих последовательностей. Благодаря этой инновации алгоритм поиска новых белков быстро снизил свою вычислительную сложность, став нелинейным благодаря сплайсосоме и ядру, которые отделили транскрипцию и сплайсинг от трансляции. Это произошло в критический момент фазового перехода, который датируется данным исследованием 2,6 миллиардами лет назад.
Данное исследование не только отвечает на ключевые вопросы, но также представляет собой междисциплинарную работу, совместившую в себе вычислительную биологию, эволюционную биологию и физику.
«Это может потенциально заинтересовать широкий круг учёных из многих дисциплин и послужить для других исследовательских групп основанием для изучения различных подходов к таким областям, как энергетика или информатика», — подчёркивает д-р Энрике Муро из Института эволюции организмов и молекул Университета Майнца.
Клетка-эукариот, самое существенное увеличение сложноструктурности в истории эволюции на Земле, появилась как фазовый переход и открыла путь другим крупным переходам, таким как многоклеточность, раздельнополость и социабельность, которые сформировали жизнь на нашей планете такой, как мы её знаем сегодня.
Ссылка на статью:
Enrique M. Muro, Fernando J. Ballesteros, Bartolo Luque, Jordi Bascompte. The emergence of eukaryotes as an evolutionary algorithmic phase transition. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; 122 (13) DOI: 10.1073/pnas.2422968122
