Метаболизм микробов: размер определяет, как мельчайшие организмы тратят энергию

Исследователи из MIT создали модель распределения энергии у самых маленьких и простых организмов на Земле — от одноклеточных бактерий до многоклеточных микробов. Модель делит возможное использование энергии организмом на две основные категории: рост и размножение и поддержание и ремонт. В зависимости от размера конкретного организма модель точно предсказывает, какая доля энергии расходуется на каждую категорию.

Результаты опубликованы в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 26 декабря.

Суть модели и ключевые выводы

• Модель основана на уравнениях, описывающих скорость роста микроба и общее количество пищи, которое организм может преобразовать в энергию.
• Анализ данных о массе различных микробов (от одноклеточных бактерий до крошечных многоклеточных ракообразных) в сочетании с уравнениями выявил четкие закономерности.
• Общая тенденция: чем крупнее и сложнее микроорганизм, тем больше энергии он тратит на «заботу о себе» (ремонт внутренних структур). Меньшие и более простые организмы сосредотачиваются на росте и размножении, полагаясь на огромное количество особей для выживания.
• Примеры:
  • Escherichia coli тратит почти всю энергию на размножение, непрерывно растет и делится.
  • Более сложные зеленые водоросли также в основном размножаются, перенаправляя энергию на поддержание клеточных механизмов лишь в самом конце жизни.
  • Крошечные ракообразные (размером в миллиметр) тратят большую часть жизни на поддержание сложных компонентов, прежде чем расходовать энергию на размножение.

Эволюционное значение

• Ученые предполагают, что эти тенденции могут отражать основные эволюционные переходы: от одноклеточных прокариот (например, E. coli) к более сложным эукариотам (зеленые водоросли) и простым многоклеточным организмам.
• Модель позволяет определить минимально возможный размер простейших организмов на основе их энергозатрат, а также размер, при котором возникает многоклеточность.
• «Эти эволюционные переходы в нашей модели происходят на очень предсказуемых этапах», — говорит Кристофер Кемпес, аспирант и соавтор работы. — «Эти переходы позволяют организму становиться больше, и в этом заключается история того, как жизнь стала такой сложной».

Практическое применение и перспективы

• Модель может быть использована для более точного моделирования роста и распространения популяций бактерий и других микробов в океанах и почве.
• Знание того, как отдельный организм распределяет энергию, поможет улучшить крупномасштабные экологические модели (например, модели фитопланктона в океане), которые сейчас не учитывают эту информацию.
• Как отмечает соавтор Мик Фоллоуз: «Вам нужно сделать [эти модели] лучше».