Моделирование показало, что жизнь может быть менее хаотичной, чем принято считать

Согласно одной из давних теорий, жизнь существует на грани хаоса, то есть она достаточно чувствительна, чтобы реагировать на мельчайшие изменения окружающей среды. Однако анализ процессов, происходящих внутри клеток, ставит эту идею под сомнение.Моделирование биологических процессов протекающих в клетках кишечной палочки (Escherichia coli) говорит о том, что жизнь не так уж хаотична, как ученые думали раньше. (Journals.aps.org Ezume Images/Shutterstock)

В конце концов, жизнь может существовать не только на "границе хаоса". Это давнее убеждение удалось опровергнуть с помощью компьютерного моделирования десятков внутриклеточных процессов.

Отличительной чертой хаотических систем является то, что небольшое вмешательство может привести к колоссальному эффекту. Классическим примером является знаменитый эффект бабочки, согласно которому взмах крыльев насекомого может вызвать непредсказуемые последствия, например ураган или цунами, в том числе на расстоянии многих километров. С конца 80-х годов прошлого века исследователи считали, что жизнь эволюционировала, чтобы существовать на краю хаоса в процессе поиска золотой середины между приспособляемостью к окружающей среде и стабильностью, достаточной для выживания.

Грань хаоса - критическая точка в системе, в которой незначительное изменение может либо привести к хаотическому поведению системы, либо заблокировать ее в статичном состоянии.

"Идея грани хаоса заключается в том, что клетки стремятся к максимальной чувствительности, не переходя при этом в хаотический режим, при котором от малейшего дуновения ветерка клетка разваливается на части", - говорит Джордан Розум из Бингемтонского университета в Нью-Йорке. "Долгое время люди считали, что этот феномен грани хаоса происходит не только на уровне целых клеток или организмов, но также, если вы обратите внимание, во время конкретной работы, которую должна выполнять клетка".

Проверка этой идеи проводилась с помощью математических моделей, разделяющих клеточные процессы, в том числе Регуляция экспрессии генов, на сетевые взаимодействия. Однако такие модели не всегда подтверждались в экспериментах с живыми клетками. Поэтому Розум и его коллеги решили проверить идею о грани хаоса с помощью десятков моделей, которые имеют исключительно биологическую природу.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Эксперты отобрали 72 экспериментальные модели, представляющие различные процессы - от клеточной смерти до регуляции генов в бактерии кишечной палочки (Escherichia coli). Все модели были взяты из базы данных Cell Collective.  Это интерактивная, открытая и коллективная платформа моделирования биологических сетей для научных работников, студентов и преподавателей по всему миру.

Затем Розум и его коллеги провели компьютерное моделирование, в рамках которого каждая модель подвергалась возмущениям - например, слегка изменялось время взаимодействия между двумя белками или двумя генами. Цель исследования - выяснить, насколько сильно будет реагировать модель. Если реакция будет "сильной", то гипотеза подтверждается - жизнь действительно балансирует на грани хаоса. Но если реакция будет "слабой", то жизнь не так уж близка к хаосу, как принято считать.

Следует отметить, что исследование было довольно сложным с вычислительной точки зрения, поскольку ученым необходимо было выполнять моделирование в течение достаточно длительного времени, с тем чтобы зафиксировать полный ответ на возмущение, а не только переходную реакцию. "Применение графических процессоров (GPU), подобных тем, что используются в видеоиграх, помогло нам смоделировать и проанализировать множество статистически значимых точек данных", - говорит Розум.

Вывод для всех моделей был единым: жизнь умеет прекрасно приспосабливаться к возмущениям, чего не случилось бы, если бы она существовала исключительно на границах хаоса.

Профессор Кристоф Теушер из Портлендского государственного университета (штат Орегон, США) говорит, что новая вычислительная методика является интересным инструментом, а выводы, к которым она привела, значительно расширяют рамки дискуссии о том, что именно представляют собой "границы хаоса".

Хотя до сих пор модели, тщательно разработанные на основе лабораторных исследований, не изучались так подробно, новый эксперимент по-прежнему охватывает слишком мало из них, чтобы обобщать его выводы на все живое, считает он. Нет сомнений в том, что живые организмы существуют в "сладких точках" (золотая середина) между порядком и хаосом, но остается открытым вопрос, насколько похожи эти точки для всех форм жизни и всех жизненных процессов, говорит Теушер.

Для Розума новое исследование не явилось последним "гвоздем в крышку гроба" гипотезы о грани хаоса, а послужило стимулом к тому, чтобы лучше ее охарактеризовать. Хотя он и его коллеги показали, что многие клеточные процессы сами по себе далеки от края хаоса, все же может оказаться, что, когда все они объединяются, клетка в целом приближается к этому состоянию, говорит он. В дальнейшем исследователи планируют изучить эту идею, используя еще более сложные компьютерные симуляции.

Порядок против беспорядка, аналогия Инь-Ян Джордана Петерсона и 4 класса клеточных автоматов Стивена Вольфрама. Грань хаоса - это зона фазового перехода между порядком и беспорядком, которая встречается в широком спектре сложных систем.

Ранее сообщалось, что с помощью моделирования ученые выяснили, что пролетающая мимо звезда может  выбросить Землю из Солнечной системы. Если другая звезда пролетит близко к нашей Солнечной системе, есть вероятность, что Земля столкнется с другой планетой или будет "украдена" этой звездой или даже выброшена в облако Оорта. Подобная участь может постигнуть и другие планеты Солнечной системы — в частности, Меркурий может упасть на Солнце. Подробнее...