Новое исследование, по словам его авторов, помогает приоткрыть завесу над «черной дырой в центре биологии» — периодом, в котором отсутствуют какие-либо промежуточные эволюционные формы между простыми, доядерными клетками (прокариотами) и сложными эукариотами, у которых уже есть ядра.
Ключевым элементом исследования стало количественное понимание того, как изменялась генетическая архитектура жизни. Ученые проанализировали более 33 тысяч геномов и почти 10 тысяч протеомов и определили, что длины белков и кодирующих их генов во всех формах жизни подчиняются логнормальному распределению. Это позволило экспертам смоделировать эволюцию длины генов, начиная с гипотетического последнего общего предка (LUCA) всех ныне живущих организмов.
Полученные данные показали, что средняя длина генов со временем увеличивается экспоненциально, что сопровождается ростом сложности организмов. Причем это увеличение оказалось настолько устойчивым, что его можно использовано как надежный показатель общей сложности биологических систем. Ключевой поворот в этом процессе происходит при достижении генами средней длины в 1500 нуклеотидов — именно в этот момент белки перестают следовать тем же законам роста. Если до этого длина гена почти напрямую определяла длину белка, то после достижения этого порога происходит так называемое «раздвоение траекторий»: длина белков стабилизируется на уровне около 500 аминокислот, а длина генов продолжает расти за счет включения в их состав некодирующих последовательностей.
Очевидно, на ранних этапах, когда белки и гены были короткими, поиск новых функциональных белков в геноме был относительно прост. Но с увеличением длины белков вычислительная сложность этого процесса росла, и система подошла к пределу своей «алгоритмической эффективности». Решением стало внедрение некодирующих участков, а также появление сплайсосомы и ядра клетки, которые разделили процессы транскрипции, сплайсинга и трансляции, сделав синтез белков более гибким и энергоэффективным. По расчетам исследователей, это радикальное изменение — рождение эукариотической клетки — произошло около 2,6 миллиарда лет назад.
Таким образом, появление эукариот оказалось не случайной мутацией или серией изолированных изменений, а запланированным скачком, который вывел жизнь на принципиально новый уровень организации. Открытие ученых, ставшее возможным благодаря междисциплинарному подходу к решению задачи, закрывает один из важнейших пробелов в нашем понимании эволюции.
Ранее ученые раскрыли секрет женского органа, который больше века считался «бесполезным».
