Невидимая энергетическая цена, которая не даёт жизни развалиться
Новая термодинамическая модель позволяет рассчитать скрытые затраты энергии, необходимые для поддержания конкретных метаболических путей и подавления альтернативных реакций, что проливает свет на эволюцию жизни
Short Summary
Международная команда учёных разработала новую термодинамическую модель, которая количественно оценивает «невидимые» энергетические затраты, которые несут живые клетки не только для протекания химических реакций, но и для поддержания конкретных метаболических путей и подавления всех остальных возможных альтернатив. Эти затраты, названные «стоимостью поддержания» и «стоимостью ограничения», можно рассчитать, оценивая, насколько маловероятно было бы существование данного реакционного пути в условиях спонтанной химии.
Метод позволяет сравнивать и ранжировать различные метаболические пути по их общей энергетической «стоимости». Применяя его к фотосинтезу, исследователи обнаружили, что используемый природой цикл Кальвина оказался одним из наименее энергозатратных (диссипативных) среди всех возможных путей преобразования CO2 в глюкозу. Это указывает на то, что эволюция отбирала пути, минимизирующие скрытые термодинамические издержки, несмотря на то что теоретически использование нескольких параллельных путей могло бы быть ещё эффективнее.
Модель предлагает мощный инструмент для изучения происхождения и эволюции жизни, поскольку позволяет оценить, насколько «дорого» было бы для первых клеток выбрать и поддерживать те или иные метаболические сети. Она подчёркивает, что возникновение жизни было неразрывно связано с управлением границами и выбором, требующими постоянных энергетических вложений, которые ранее игнорировались классической физикой.
Две компоненты скрытой стоимости
Общая энергетическая «цена» метаболического пути складывается из «стоимости поддержания» (поддержание стабильного потока) и «стоимости ограничения» (подавление всех альтернативных реакций), которые можно количественно оценить через вероятностную модель
Цикл Кальвина как оптимальный путь
Анализ всех возможных путей преобразования CO2 в глюкозу показал, что используемый в природе цикл Кальвина является одним из наименее диссипативных (энергозатратных), что объясняет его эволюционный выбор
Парадокс параллельных путей
Теоретически использование нескольких параллельных метаболических путей для одной цели может быть менее затратным, чем один путь, однако биологические системы часто полагаются на один доминирующий путь с ферментами-катализаторами, что достигает аналогичного эффекта ускорения без побочных токсичных продуктов
Инструмент для изучения происхождения жизни
Модель предоставляет новый способ оценить термодинамические затраты ранних метаболических сетей, помогая понять, как первые клетки могли выбирать и оптимизировать химические пути в условиях ограниченных ресурсов
Text generated using AI
