انقلاب در درک انرژی؛ بازنویسی میراث ۸۰ سالهی زیستشناسان
پژوهشی تازه با ارائه «اصل محدودیت جهانی» نشان میدهد رشد سلولها حاصل تعامل چندین عامل محدودکننده پیاپی است و نه صرفاً کمبود یک ماده مغذی.
فرارو- دو دانشمند ژاپنی با بازنگری در معادله کلاسیک مونو و ترکیب آن با قانون حداقل لیبیگ، چارچوبی نو برای درک قوانین بنیادین رشد در همه موجودات زنده ارائه کردهاند.
به گزارش فرارو به نقل از پاپیولر مکانیکس، پژوهشی تازه با ترکیب دو قانون کلاسیک زیستشناسی، تصویری جامعتر از چگونگی رشد سلولها ارائه داده و نشان میدهد محدودیتهای رشد موجودات زنده بسیار پیچیدهتر از آن چیزی است که پیشتر تصور میشد.
حیات روی زمین با وجود تنوع خیرهکنندهاش، از باکتریهای میکروسکوپی گرفته تا گیاهان غولپیکر و انسان، بر مجموعهای از اصول بنیادین مشترک استوار است: دسترسی به مواد مغذی، انرژی و سازوکارهای سلولی. دانشمندان دهههاست میدانند که رشد سلولی با افزایش مواد مغذی تا حدی سرعت میگیرد، اما پس از نقطهای مشخص، آهنگ رشد کاهش یافته و به حالت اشباع میرسد؛ پدیدهای که شباهت زیادی به «قانون بازده نزولی» در اقتصاد دارد. بر اساس این قانون، افزودن یک عامل ورودی در ابتدا بهرهوری را بهسرعت افزایش میدهد، اما در نهایت این روند متوقف میشود.
در زیستشناسی، چارچوب اصلی برای توضیح این محدودیت رشد، معادلهای موسوم به «معادله مونو» بوده است؛ مدلی که به نام ژاک مونو، شیمیدان و برنده جایزه نوبل، نامگذاری شده و نشان میدهد میکروبها چگونه در واکنش به یک ماده مغذی محدودکننده رشد میکنند. در این مدل، تمرکز بر یک ماده خاص است که کمبود آن مانع ادامه رشد میشود.
اما اکنون دو دانشمند ژاپنی به نامهای جومپی یاماگیشی از دانشگاه توکیو و تتسوهیرو هاتاکهیاما از مؤسسه علوم توکیو در پژوهشی تازه تلاش کردهاند این دیدگاه تکعاملی را گسترش دهند و تصویری جامعتر از رشد میکروبی ارائه کنند. آنها نظریهای با عنوان «اصل محدودیت جهانی» مطرح کردهاند که نتیجه آن در نشریه معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است.
به باور این پژوهشگران، معادله مونو تنها بخشی از یک سامانه بسیار گستردهتر را توصیف میکند؛ سامانهای که در واقع هزاران فرآیند شیمیایی را در بر میگیرد. برای تکمیل این تصویر، آنها معادله مونو را با «قانون حداقل لیبیگ» ترکیب کردهاند. قانونی که بیان میکند رشد گیاهان توسط کمیابترین منبع، مانند فسفر یا نیتروژن، محدود میشود. این مفهوم معمولاً با استعاره یک بشکه توضیح داده میشود: کوتاهترین دیواره بشکه تعیین میکند سطح آب تا چه ارتفاعی میتواند بالا بیاید.
با این حال، یاماگیشی و هاتاکهیاما این استعاره را بازطراحی کردهاند و آن را «بشکه پلکانی» نامیدهاند. در این مدل، عوامل محدودکننده بهصورت مرحلهای و پشت سر هم فعال میشوند. به بیان دیگر، با افزایش سرعت رشد سلول، محدودیتهای جدیدی یکی پس از دیگری ظاهر میشوند. همین پدیده میتواند توضیح دهد که چرا رشد همه موجودات زنده از باکتریها گرفته تا انسان در نهایت به سطحی پایدار میرسد.
هاتاکهیاما در بیانیهای اعلام کرد: «شکل منحنیهای رشد مستقیماً از فیزیک تخصیص منابع درون سلولها ناشی میشود، نه از یک واکنش بیوشیمیایی خاص.» به گفته او، در این مدل جدید، هر پله از بشکه نشاندهنده یک محدودیت تازه است که با افزایش سرعت رشد سلول فعال میشود.
برای آزمودن این نظریه، پژوهشگران از یک مدل رایانهای باکتری E. coli استفاده کردند. آنها بررسی کردند که این باکتری چگونه از پروتئینها بهره میبرد، این مولکولها چگونه در فضای سلولی سازماندهی میشوند و ظرفیت غشاهای سلولی تا چه اندازه است. نتایج نشان داد محدودیت رشد نه حاصل یک عامل منفرد، بلکه نتیجه تعامل پیچیده میان تخصیص منابع، فضا و انرژی درون سلول است.
یاماگیشی میگوید: «کار ما پایهگذار قوانین جهانی رشد است. اگر بتوانیم محدودیتهایی را که برای همه سامانههای زنده صدق میکند درک کنیم، قادر خواهیم بود واکنش سلولها، اکوسیستمها و حتی کل زیستکره را به تغییرات محیطی بهتر پیشبینی کنیم.»
پیامدهای عملی این یافتهها نیز قابل توجه است. شناسایی دقیق مواد مغذی محدودکننده میتواند به صنایع وابسته به تولید میکروبی کمک کند؛ از تولید پروبیوتیکها و کودهای زیستی گرفته تا طراحی آنزیمهای پیشرفتهای که توانایی تجزیه پلاستیکهای دورریختنی را دارند. در جهانی که با بحرانهای زیستمحیطی و نیاز روزافزون به فناوریهای پایدار روبهروست، چنین درکی میتواند نقشی کلیدی ایفا کند.
اگرچه شبکه حیات پیچیده و گسترده به نظر میرسد، این پژوهش نشان میدهد که در سطح سلولی، نظمی بنیادین و اصولی ساده اما عمیق حاکم است. بازنویسی یک قانون ۸۰ ساله زیستشناسی نه تنها درک ما از رشد موجودات زنده را تغییر میدهد، بلکه چشمانداز تازهای برای مطالعه پویایی حیات در مقیاسهای بزرگتر فراهم میآورد؛ از آزمایشگاههای میکروبی گرفته تا کل سیاره زمین.
