Эволюционный алгоритмический фазовый переход 2,6 млрд лет назад мог запустить возникновение эукариотических клеток
Международная коллаборация учёных из Майнца, Валенсии, Мадрида и Цюриха опубликовала в Proceedings of the National Academy of Sciences исследование, проливающее свет на самое значительное увеличение сложности в истории эволюции жизни на Земле — происхождение эукариотической клетки.
Хотя теория эндосимбиоза широко принята, миллиарды лет, прошедшие после слияния археи и бактерии, привели к отсутствию эволюционных промежуточных форм в филогенетическом дереве вплоть до появления эукариотической клетки. Этот пробел в знаниях называют чёрной дырой в сердце биологии.
Белки и кодирующие их гены увеличиваются в длине
Анализ 9 913 протеомов и 33 627 геномов показал, что распределения длин белков и их генов по всему древу жизни следуют логнормальным распределениям, которые возникают в результате мультипликативных процессов.
Исходя из гипотетического последнего универсального общего предка (LUCA), исследователи обнаружили, что средняя длина генов экспоненциально эволюционировала во времени у разных видов. Они также выявили масштабно-инвариантный механизм роста генов, при котором дисперсия напрямую зависит от средней длины белка.
Средняя длина гена оказалась хорошим показателем сложности организма. При длине гена в 1500 нуклеотидов белки отделяются от мультипликативного процесса роста генов, и их средняя длина стабилизируется на уровне около 500 аминокислот. Это чёткий порог, отмечающий появление эукариотической клетки. После этого средняя длина гена продолжает расти, как у прокариот, из-за появления некодирующих последовательностей.
Алгоритмический фазовый переход
Анализ критических явлений показал, что фазовый переход, хорошо изученный в физике магнитных материалов, произошёл при критической длине гена в 1500 нуклеотидов. Это событие — эукариогенез — делит эволюцию жизни на две фазы: кодирующую (прокариоты) и некодирующую (эукариоты).
Наблюдаются характерные для таких переходов явления, например, критическое замедление, когда динамика системы застревает во многих метастабильных состояниях около критической точки. «Это подтверждается у ранних протистов и грибов», — отметил доктор Фернандо Бальестерос.
«Фазовый переход был алгоритмическим», — добавил профессор Жорди Баскомпте. В кодирующей фазе, близкой к LUCA, увеличение длины коротких белков и генов было вычислительно простым. Однако по мере роста длины белков поиск более длинных белков становился невыполнимым.
Это напряжение, вызванное генами, которые росли с прежней скоростью, в то время как белки — нет, было разрешено непрерывно, но резко, за счёт включения некодирующих последовательностей в гены.
Благодаря этой инновации алгоритм поиска новых белков резко снизил свою вычислительную сложность, став нелинейным благодаря сплайсосоме и ядру, которые разделили транскрипцию и сплайсинг от трансляции. Это произошло в критической точке фазового перехода, который данное исследование датирует 2,6 миллиардами лет назад.
Эукариотическая клетка, возникшая как фазовый переход, открыла путь к другим крупным переходам — многоклеточности, половому размножению и социальности, — которые сформировали жизнь на нашей планете.