درک انرژی در زیستشناسی متحول شده و میراث ۸۰ ساله زیستشناسان در حال بازنگری است. تحقیقات جدید با معرفی «اصل محدودیت جهانی» نشان میدهد که رشد سلولی نتیجه تعامل پیوسته چندین عامل محدودکننده بوده، نه صرفاً فقدان یک ماده مغذی.
دو پژوهشگر ژاپنی، با تلفیق معادله کلاسیک مونو و قانون حداقل لیبیگ، چارچوبی نوین برای فهم قوانین اساسی رشد در تمام موجودات زنده ارائه دادهاند. این پژوهش، که در آن به نقل از Popular Mechanics آمده، با ترکیب دو قانون زیستشناسی کلاسیک، تصویری کاملتر از نحوه رشد سلولها ترسیم کرده و بیان میدارد که محدودیتهای رشد موجودات زنده بسیار پیچیدهتر از تصورات پیشین است.
حیات بر روی زمین، با وجود تنوع شگفتانگیز از باکتریهای ریز تا گیاهان عظیم و انسان، بر اصول بنیادینی چون دسترسی به مواد مغذی، انرژی و سازوکارهای سلولی استوار است. دانشمندان مدتهاست دریافتهاند که افزایش مواد مغذی، رشد سلولی را تا حدودی تسریع میکند، اما پس از نقطهای مشخص، سرعت رشد کاهش یافته و به حالت اشباع میرسد. این پدیده شبیه «قانون بازده نزولی» در اقتصاد بوده که طبق آن، افزودن یک عامل ورودی در ابتدا باعث افزایش بهرهوری میشود، اما در نهایت متوقف میگردد.
در زیستشناسی، «معادله مونو»، که به نام ژاک مونو، شیمیدان برنده نوبل، نامگذاری شده، چارچوب اصلی برای توضیح این محدودیت رشد بوده است. این مدل نشان میدهد که میکروبها چگونه در پاسخ به یک ماده مغذی محدودکننده رشد میکنند و بر کمبود یک ماده خاص تمرکز دارد که مانع ادامه رشد میشود.
اما اکنون، دو دانشمند ژاپنی، جومپی یاماگیشی از دانشگاه توکیو و تتسوهیرو هاتاکهیاما از موسسه علوم توکیو، با پژوهشی جدید، این دیدگاه تکعاملی را گسترش داده و تصویری جامعتر از رشد میکروبی ارائه کردهاند. آنها نظریهای به نام «اصل محدودیت جهانی» را مطرح کردهاند که نتایج آن در نشریه معتبر PNAS منتشر شده.
این پژوهشگران معتقدند معادله مونو تنها بخشی از یک سامانه بسیار وسیعتر را توصیف میکند که شامل هزاران فرآیند شیمیایی است. برای تکمیل این تصویر، آنها معادله مونو را با «قانون حداقل لیبیگ» ادغام کردهاند. این قانون بیان میکند که رشد گیاهان توسط کمیابترین منبع، مانند فسفر یا نیتروژن، محدود میشود. این مفهوم معمولاً با استعاره یک بشکه توضیح داده میشود که کوتاهترین دیواره آن، حداکثر ارتفاع آب را تعیین میکند.
با این حال، یاماگیشی و هاتاکهیاما این استعاره را با عنوان «بشکه پلکانی» بازطراحی کردهاند. در این مدل، عوامل محدودکننده به صورت مرحلهای و پشت سر هم عمل میکنند. به عبارت دیگر، با افزایش سرعت رشد سلول، محدودیتهای جدیدی به ترتیب ظاهر میشوند. این پدیده میتواند توضیح دهد که چرا رشد تمامی موجودات زنده، از باکتریها تا انسان، در نهایت به سطحی پایدار میرسد.
هاتاکهیاما اظهار داشت که شکل منحنیهای رشد مستقیماً از فیزیک تخصیص منابع در درون سلولها ناشی میشود، نه از یک واکنش بیوشیمیایی خاص. او افزود که در این مدل جدید، هر پله از بشکه نشاندهنده یک محدودیت جدید است که با افزایش سرعت رشد سلول فعال میشود.
برای آزمودن این نظریه، پژوهشگران از یک مدل رایانهای باکتری E. coli استفاده کردند. آنها نحوه بهرهبرداری این باکتری از پروتئینها، سازماندهی این مولکولها در فضای سلولی و ظرفیت غشاهای سلولی را بررسی کردند. نتایج نشان داد که محدودیت رشد، حاصل یک عامل واحد نیست، بلکه نتیجه تعامل پیچیدهای بین تخصیص منابع، فضا و انرژی درون سلول است.
یاماگیشی معتقد است که کار آنها پایهگذار قوانین جهانی رشد محسوب میشود. او بیان کرد که با درک محدودیتهایی که برای همه سامانههای زنده صدق میکند، میتوان واکنش سلولها، اکوسیستمها و حتی کل زیستکره را به تغییرات محیطی بهتر پیشبینی کرد.
دیدگاه ها