Математика взломала код жизни: Раскрыт механизм появления сложных клеток 2.6 млрд лет назад

Знаете, история жизни на Земле полна поворотов и загадок. Мы вроде бы неплохо представляем себе общую картину: от простых одноклеточных к динозаврам, а потом и к нам с вами. Но есть в этой истории моменты, которые до сих пор заставляют ученых чесать затылки. Один из таких моментов — пожалуй, самый грандиозный скачок в сложности за всю историю — это появление эукариотической клетки. Той самой, из которых состоим мы, животные, растения, грибы… в общем, почти всё, что крупнее бактерии.

Долгое время загадка её происхождения напоминала эдакую «черную дыру» в биологии. Мы знаем про эндосимбиоз — теорию о том, как одна древняя клетка (архея) «поглотила» другую (бактерию), и та стала её энергетической станцией (митохондрией). Звучит логично. Но вот незадача: между простыми клетками прокариот (бактерий и архей) и уже готовыми, сложными эукариотами — зияющая пустота в миллиарды лет! Где же переходные формы? Как именно произошёл этот невероятный апгрейд?

Следы в коде: когда гены и белки рассказывают истории

И вот тут на сцену выходит нечто неожиданное — математика и статистика! Международная команда ученых из разных уголков Европы решила подойти к вопросу с другой стороны. Вместо того чтобы искать недостающие ископаемые звенья (что крайне сложно спустя миллиарды лет), они взялись за анализ того, что у нас есть в изобилии — генетической информации современных организмов.

Представьте себе: они проанализировали данные почти 10 000 протеомов (полных наборов белков) и более 33 000 геномов (полных наборов генов) самых разных существ, от бактерий до сложных организмов. И что же они увидели? Нечто любопытное в длине белков и кодирующих их генов. Оказалось, что распределение этих длин по всему древу жизни подчиняется так называемому логнормальному закону. Не пугайтесь термина! Если по-простому, такие распределения часто возникают там, где работает принцип умножения: одно изменение как бы тянет за собой другое, приводя к экспоненциальному росту со временем.

Ученые предположили: а что, если эволюция длины генов — это как раз такой процесс, где случайные изменения (мутации, вставки, делеции) действуют мультипликативно? Они построили математическую модель, и — о чудо! — она совпала с тем, что они наблюдали в реальных данных. Выяснилось, что, начиная от нашего гипотетического общего предка LUCA, средняя длина генов действительно росла экспоненциально. Более того, обнаружился универсальный механизм: чем длиннее в среднем белки у вида, тем больше и разброс их длин. Всё сходилось!

Момент истины: когда пути разошлись

А теперь самое интересное. Когда исследователи сравнили, как менялась длина генов и соответствующих им белков у разных групп организмов, они наткнулись на ключевой момент. У простых прокариот всё шло синхронно: росли гены — росли и белки. Логично, ведь у них гены — это почти сплошная инструкция по сборке белка, без лишних «пробелов».

Но потом случилось нечто странное. Когда средняя длина гена у предков эукариот достигла определенного порога — примерно 1500 «букв"-нуклеотидов — белки вдруг перестали расти! Их средняя длина стабилизировалась на отметке около 500 аминокислот. А вот гены… гены продолжили свой рост как ни в чем не бывало! Как так?

А не фазовый ли это переход?

В этот момент исследователи вспомнили о физике, а конкретно — о фазовых переходах. Знаете, как вода при 0°C вдруг превращается в лёд, или при 100°C — в пар? Свойства вещества резко меняются при достижении критической точки. Ученые предположили, что нечто похожее произошло и с эволюцией генома!

Вот эта отметка в 1500 нуклеотидов — это и была та самая «критическая точка». До неё жизнь развивалась в одной «фазе» — кодирующей, где гены и белки росли вместе. А после неё — перешла в другую, «некодирующую» фазу, характерную уже для эукариот.

Так в чем же был «хак»?

Но почему белки «замерли» в росте, а гены — нет? И как это связано со скачком сложности? Исследователи считают, что дело было в «вычислительной» сложности. Представьте, что эволюция — это такой алгоритм поиска лучших решений. Пока белки были короткими, находить удачные, более длинные варианты было относительно просто. Но чем длиннее становилась белковая цепочка, тем сложнее, «дороже» с точки зрения вероятности и ресурсов становился поиск функциональных, стабильных структур. Эволюция как будто уперлась в стену.

И тогда жизнь нашла гениальный «обходной путь», своего рода алгоритмический хак. В генах стали появляться и накапливаться участки, не кодирующие белок напрямую — те самые интроны, которые мы когда-то даже считали «мусорной ДНК». Зачем? А затем, что это позволило генам продолжать расти (что, видимо, было важно для каких-то других процессов), но при этом «развязало руки» белкам.

Появился сложный механизм сплайсинга — «вырезания» интронов перед синтезом белка. Появилось ядро, которое физически отделило процесс чтения гена (транскрипцию) и его «редактирования» (сплайсинг) от процесса сборки белка (трансляции). Это резко изменило правила игры! Теперь эволюция белков могла идти по-другому, нелинейно, комбинируя разные участки гена (экзоны) — это оказалось гораздо более эффективным способом создавать новые белковые структуры, чем простое удлинение старых.

Точка отсчета новой эры

Этот «фазовый переход», этот алгоритмический скачок, по расчетам ученых, произошел примерно 2,6 миллиарда лет назад. Именно тогда, похоже, и зародилась первая эукариотическая клетка со всеми её «наворотами». Это было не просто очередное изменение — это был фундаментальный сдвиг, который открыл дорогу к совершенно новым уровням сложности: многоклеточности, половому размножению, формированию сложных экосистем и, в конечном итоге, к появлению нас с вами.

Так что же мы имеем? Удивительное сочетание биологии, физики и информатики, которое позволило по-новому взглянуть на один из самых таинственных моментов в истории жизни. Оказывается, даже в таком хаотичном, на первый взгляд, процессе, как эволюция, действуют свои строгие закономерности, которые можно описать языком математики. И иногда, чтобы совершить гигантский скачок вперед, нужно не просто идти дальше, а найти совершенно новый, хитроумный способ решения старой проблемы. Прямо как наша жизнь, не так ли?