Живые системы несут энергетические затраты, которые не учитываются в традиционной механике. Ярким примером служит энергия, необходимая для поддержания определенных биохимических процессов, таких как фотосинтез, при одновременном активном подавлении других химических реакций. В классической физике, если нет движения, работа не совершается, а значит, остановка какого-либо процесса не требует затрат энергии. Однако более сложные термодинамические расчеты показывают, что для живых систем это правило не работает – эти скрытые издержки реальны и могут быть на удивление велики.
Новое исследование, опубликованное в журнале «Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment», представляет термодинамическую модель, позволяющую рассчитать эти ранее упускаемые из виду энергетические расходы. Такой подход открывает новый способ понять, как метаболические пути отбирались и совершенствовались на самых ранних этапах зарождения жизни на Земле.
Зарождение жизни началось, когда простые органические молекулы образовали границу, отделившую внутреннее содержимое от внешней среды. Эта первая клеточная мембрана создала четкое различие между «внутри» и «снаружи». С этого момента системе пришлось тратить энергию на поддержание этого разделения и ограничение химических реакций. Вместо того чтобы позволять всем возможным реакциям протекать хаотично, ранние клетки выбрали лишь небольшой набор метаболических путей, которые использовали поступающие извне вещества для производства полезных соединений. Появление жизни было неразрывно связано с необходимостью управлять границами и выбором.
Хотя метаболизм имеет очевидные энергетические затраты, связанные с самими химическими реакциями, существует и дополнительная стоимость, обусловленная направлением химической активности по определенным маршрутам. Это усилие предотвращает разветвление реакций на все другие физически возможные альтернативы. С точки зрения классической механики, такие ограничения не должны требовать энергии, поскольку считаются фиксированными. В реальности же они вносят вклад в производство энтропии и имеют свою энергетическую цену.
Прафул Гаграни, исследователь из Токийского университета и ведущий автор работы, совместно с коллегами разработал метод расчета этих скрытых затрат. Их подход позволяет ранжировать метаболические пути по их энергоемкости, предлагая ценное понимание биологической эффективности и эволюции. «Вдохновением для новой работы послужило то, что Эрик Смит, один из соавторов, использовал MØD – программное обеспечение, разработанное Кристофом Фламмом и его коллегами, – чтобы перечислить все возможные пути, которые могут „строить“ органические молекулы, начиная с CO2», – говорит Гаграни.
Исследователь указывает на более раннюю работу Смита, посвященную циклу Кальвина – серии реакций фотосинтеза, преобразующих углекислый газ в глюкозу. «Эрик использовал алгоритм для перечисления всех путей, способных совершить то же преобразование, что и цикл Кальвина, а затем применил то, что мы теперь называем „стоимостью поддержания“, для их ранжирования». Анализ показал, что путь, используемый природой, оказался одним из наименее диссипативных, то есть требующим меньше энергии, чем большинство альтернатив. «Потрясающе, не так ли?», – отмечает Гаграни.
Вместо того чтобы вычислять энергию в традиционном смысле, метод оценивает, насколько маловероятно, что определенная сеть реакций будет работать именно так, если бы химия управлялась только спонтанными процессами. Чем более невероятно поведение, тем выше его стоимость. Эта «невероятность» состоит из двух частей. Первая – это стоимость поддержания, отражающая, насколько сложно поддерживать стабильный поток веществ по определенному пути. Вторая – стоимость ограничения, которая измеряет, как трудно подавить все альтернативные реакции, оставив активным только желаемый маршрут. Вместе эти факторы определяют общую цену метаболического процесса.
Исследователи обнаружили некоторые неожиданные закономерности. «Мы увидели вещи, которых не ожидали, но которые имеют смысл, если задуматься, – говорит Гаграни. – Например, то, что использование нескольких путей одновременно обходится дешевле, чем одного. Представьте аналогию: четырем людям нужно пройти из точки А в точку Б по узким туннелям. Если у каждого будет свой туннель – четыре туннеля, – они доберутся быстрее, чем если туннелей будет три или меньше, потому что двое или более человек будут мешать друг другу в узком проходе».
Тем не менее реальные биологические системы часто полагаются на один доминирующий путь. Гаграни объясняет, почему так происходит: «Это правда, но в биологических системах часто вмешивается катализ – действие молекул-помощников, ферментов, – которые ускоряют реакции и делают их менее затратными, достигая того же эффекта, что и наличие нескольких параллельных путей. Этот эволюционный выбор происходит потому, что поддержание множества путей может иметь и другие недостатки, например, производство большого количества потенциально токсичных молекул».
«Наш метод, – заключает Гаграни, – является полезным инструментом для изучения происхождения и эволюции жизни, поскольку он позволяет нам оценить затраты на выбор и поддержание определенных метаболических процессов. Он помогает понять, как возникают те или иные пути, но объяснение того, почему были выбраны именно они, требует действительно междисциплинарных усилий».
