Математика раскрывает тайны эндосимбиоза

Эндосимбиоз — тесные и долгосрочные отношения, при которых один организм живёт внутри другого, — краеугольный камень жизни и ключ к возникновению сложных форм жизни на Земле. Многие его загадки трудно разгадать, используя только эмпирические подходы.

В недавнем эссе, опубликованном в PLOS Biology, исследователи из Университета Умео описывают, как математические модели могут продвинуть изучение эндосимбиоза.

Эндосимбионты повсюду: в наших клетках митохондрии вырабатывают большую часть энергии, растения полагаются на хлоропласты для фотосинтеза, а многие насекомые не могут размножаться без своих эндосимбионтов. Однако это лишь вершина айсберга.

"Эндосимбиотические отношения невероятно разнообразны и сложны. Например, новые исследования показали, что эндосимбионты могут определять, сформируется ли эмбрион успешно, и даже направлять его развитие", — говорит Лукас Сантана Соуза, соавтор статьи.

Несмотря на повсеместность, эндосимбиозы сложно изучать.

"Рассмотрим происхождение митохондрий. Это был отдельный организм, но в результате эндосимбиоза, случившегося сотни миллионов лет назад, он стал crucial частью всей сложной жизни. Мы не можем изучить это древнее и редкое событие, воспроизведя его в лаборатории. Нам нужны другие способы, и математические модели — отличный инструмент", — говорит Эрик Либби.

Математические модели помогают понять, как разные факторы влияют на взаимодействие эндосимбионтов и их хозяев. В эссе авторы показывают, как эти модели могут генерировать идеи и дополнять реальные исследования.

Пример с кораллами

Один из примеров связан с кораллами и их эндосимбионтами, что особенно актуально сейчас, когда из-за волн тепла учащаются случаи обесцвечивания кораллов. При этом коралл изгоняет эндосимбионтов и теряет способность производить пищу, что может привести к его гибели.

Интересно, что кораллы могут менять своих эндосимбионтов на тех, которые повышают их устойчивость к тепловым волнам. Этой областью исследований особенно интересуется соавтор работы Адриано Бонфорти.

"Загадка в том, чтобы понять, когда кораллам следует изменить своё эндосимбиотическое сообщество, чтобы один тип эндосимбионта стал доминировать над другими, изменив реакцию коралла на стресс. Математические модели могут предложить вероятные причины, когда и как кораллы должны переключаться. Результаты этих теоретических подходов могут затем помочь направить будущие экспериментальные исследования", — говорит он.

Призыв к сотрудничеству

Авторы также выступают за усиление сотрудничества между исследователями эндосимбиоза. Они проводят параллели между эндосимбиотическими отношениями и взаимодействием математиков-модельеров и экспериментаторов. У них разные подходы и опыт, но результат их сотрудничества может быть чрезвычайно плодотворным.

"Думайте о модельерах как о полезных партнёрах, черпающих вдохновение и задающих интригующие вопросы из богатых эмпирических открытий. В этом контексте модельеры вносят вклад, упрощая сложные концепции, раскрывая фундаментальные процессы и открывая новые пути для исследований. С этим эссе мы надеемся построить более прочный мост между обеими областями", — говорит Лукас Сантана Соуза.