Учёные научились считать «стоимость жизни» для метаболических путей

Исследователи из Токийского университета и других научных центров разработали метод для количественной оценки скрытых энергетических затрат, необходимых для поддержания конкретных метаболических процессов в живых системах. Эти затраты, которые классическая механика не учитывает, играют ключевую роль в понимании эволюции и отбора биохимических путей.

В новой работе, опубликованной в Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, предлагается рассматривать клетку как систему с постоянным потоком веществ. Метод оценивает, насколько маловероятно было бы в мире спонтанной химии наблюдать именно выбранный путь превращения питательного вещества в продукт, блокируя все альтернативные реакции.

«Мы увидели вещи, которых не ожидали, но которые имеют смысл, если о них подумать. Например, одновременное использование нескольких путей оказывается менее затратным, чем использование всего одного», — объясняет ведущий автор исследования Прафул Гагран.

Расчётная «маловероятность» складывается из двух компонентов: стоимости поддержания постоянного потока через путь и стоимости блокировки всех альтернативных реакций. Этот инструмент уже помог показать, что естественный цикл Кальвина в фотосинтезе находится среди наименее энергозатратных из всех возможных путей превращения CO₂ в глюкозу.

Метод предоставляет новый инструмент для изучения происхождения жизни, позволяя оценить, почему эволюция могла выбрать те или иные метаболические пути, и какие компромиссы между эффективностью, стоимостью и сложностью при этом совершались.

Чёрный курильщик на глубине 2980 метров в районе Срединно-Атлантического хребта. Некоторые гипотезы предполагают, что подобные гидротермальные источники могли создать благоприятные условия для возникновения ранних форм жизни. Автор изображения: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen.