Общие статистические принципы масштабирования в природе обнаружены и в человеческих клетках

Исследование, проведённое под руководством Департамента наук о Земле и планетах Университета Макгилла (Канада), показало, что клетки человека, по всей видимости, следуют паттерну гомеостаза размера и количества на уровне всего организма.

В статье «Количество и распределение по размерам человеческих клеток», опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи раскрывают загадку математической симметрии в различных типах тканей человека. Это указывает на неизвестный механизм развития, который, вероятно, следует структурированному пути, часто встречающемуся в природе.

Интригующее открытие — это обратная зависимость между размером клетки и её количеством. По мере увеличения размера клетки их количество уменьшается, и наоборот. В результате клетки в пределах данного логарифмического класса размеров вносят равный вклад в общую клеточную биомассу тела. Исследование показывает, что эта зависимость сохраняется для различных типов клеток и классов размеров, что указывает на компромисс между этими переменными.

Размер и количество клеток — ключевые факторы роста и функционирования человеческого организма. До сих пор ни одно исследование не изучало взаимосвязь между размером клетки и её количеством на уровне всего организма человека. Команда собрала всеобъемлющий набор данных о размере и количестве клеток основных типов, используя более 1500 опубликованных источников.

Данные показывают, что общее количество клеток в организме составляет примерно 36 триллионов для мужчины, 28 триллионов для женщины и 17 триллионов для десятилетнего ребёнка. Распределение клеточной биомассы в организме человека определяется мышечными и жировыми клетками, в то время как на количество клеток в основном влияют эритроциты, тромбоциты и лейкоциты. Каждый тип клеток обычно поддерживает характерный диапазон размеров, который остаётся неизменным на протяжении развития индивидуума, и то же самое справедливо для всех видов млекопитающих.

Авторы отмечают, что «...несмотря на единообразие размера любого данного типа клеток, размеры клеток варьируются в огромных семь порядков величины — от эритроцитов до самых крупных мышечных волокон. Это сопоставимо с соотношением массы землеройки и синего кита», причём различия превышают миллион раз.

Остаётся неясным, следует ли распределение размеров клеток по всему телу человека логнормальному распределению (как у отдельного типа клеток), или же предпочтительны другие распределения, и каким механизмом это контролируется.

Наблюдаемые паттерны обратной зависимости между размером клетки и её количеством аналогичны закону Ципфа и закону Тейлора — статистическим принципам масштабирования, которые постоянно встречаются в природе: от распределения бактерий в почве до популяции рыб в океане, и даже в использовании слов в языке и в музыке.

• Закон Ципфа описывает степенное распределение, при котором небольшое количество элементов составляет большинство случаев в наборе данных. Обратная зависимость между размером клетки и её количеством напоминает закон Ципфа, потому что небольшое количество очень крупных клеток составляет значительную часть клеточной биомассы, в то время как многочисленные мелкие клетки вносят вклад в общее количество клеток.
• Закон Тейлора гласит, что дисперсия количества особей (или другого измерения) в группе масштабируется со средним значением этого измерения, возведённым в определённую степень. Закон Тейлора наблюдается в отношении вариаций размера и количества в разных типах клеток. Исследование обнаруживает, что коэффициент вариации (CV) размера клеток остаётся приблизительно постоянным для разных типов клеток, что подразумевает, что дисперсия массы клеток масштабируется со средней массой клетки, возведённой в определённую степень.

Эти паттерны указывают на повторяющиеся принципы в организации и распределении размеров и количества клеток как в человеческом теле, так и в природных системах в целом. Авторы подчёркивают важность целостного, общеорганизменного подхода к пониманию типов человеческих клеток, особенно в контексте таких инициатив, как Атлас клеток человека (Human Cell Atlas).