Японські вчені відкрили новий біологічний закон, що може змінити підхід до аналізу форм життя

Міжнародна команда науковців, серед яких дослідники з Інституту наук про Землю та життя (ELSI) Токійського наукового інституту, оголосила про відкриття нового фундаментального біологічного принципу. Він пояснює, чому ріст клітин сповільнюється зі збільшенням кількості поживних речовин. Це явище, відоме як «закон спадної віддачі», тепер отримало математичне обґрунтування, яке може застосовуватися до будь-яких живих систем — від бактерій до рослин і тварин.

Автори роботи, професор Тецухіро С. Хатакеяма (ELSI) та дослідник RIKEN Дзюмпей Ф. Ямагісі, сформулювали «принцип глобального обмеження росту». Він описує, як клітини розподіляють внутрішні ресурси — енергію, білки, об’єм і ферменти — залежно від умов живлення. Коли один із ресурсів стає доступнішим, інші фактори, наприклад рівень ферментів чи місткість мембран, починають обмежувати швидкість росту.

Протягом майже восьми десятиліть біологи користувалися рівнянням Моно, створеним у 1940‑х роках, щоб описувати ріст мікроорганізмів залежно від концентрації поживних речовин. Це рівняння враховує лише один лімітний фактор. Нове дослідження показало, що ріст насправді контролюється одночасно кількома обмеженнями, і саме їхня взаємодія призводить до сповільнення навіть за умов надлишку поживних елементів.

Терасована бочка Лібіга: візуалізація концепції глобального принципу обмеження, згідно з яким розподіл різноманітних ресурсів визначає кінетику росту клітин. Джерело: J.F. Yam­ag­ishi та T.S. Hatakeya­ma, PNAS (2025)

Хатакеяма та Ямагісі поєднали рівняння Моно із законом мінімуму Лібіха, який стверджує, що ріст визначається найдефіцитнішим елементом. Вони запропонували концепцію «терасованої бочки Лібіха»: коли додаються нові ресурси, обмеження поступово зміщуються до інших факторів. У результаті ріст триває, але кожен додатковий ресурс дає менший приріст, ніж попередній.

Для перевірки моделі вчені використали симуляції росту бактерій Escherichia coli, які враховували використання білків, просторову структуру клітин і роботу мембран. Результати збіглися з лабораторними даними. Це відкриття може змінити підхід до аналізу біологічних систем, допомогти у підвищенні врожайності культур, оптимізувати промислове виробництво мікроорганізмів і прогнозувати реакції екосистем на зміни клімату.