2,6 milyar yıl önce gerçekleşen evrimsel algoritmik faz geçişi ökaryotik hücrelerin ortaya çıkışını tetiklemiş olabilir

[™ Admin]

2,6 milyar yıl önce gerçekleşen evrimsel algoritmik faz geçişi ökaryotik hücrelerin ortaya çıkışını tetiklemiş olabilir

Mainz, Valensiya, Madrid ve Zürih'ten dört bilim insanının uluslararası işbirliği, Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri'nde yeni bir araştırma yayınladı ve Dünya'daki yaşamın evrim tarihindeki en önemli karmaşıklık artışına ışık tuttu: ökaryotik hücrenin kökeni.

Endosimbiyotik teori yaygın olarak kabul görse de, bir arkea ve bir bakterinin birleşmesinden bu yana geçen milyarlarca yıl, ökaryotik hücrenin ortaya çıkışına kadar filogenetik ağaçta evrimsel ara ürünlerin eksikliğine yol açtı. Bu, biyolojinin kalbindeki kara delik olarak adlandırılan, bilgimizdeki bir boşluktur.

"Yeni çalışma, yaşamın genetik mimarisinin karmaşıklıkta böyle bir artışa izin verecek şekilde nasıl dönüştürüldüğünü nicel olarak anlayan teorik ve gözlemsel yaklaşımların bir karışımıdır," diyor Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz (JGU) temsilcisi Dr. Enrique M. Muro bu projede.

Proteinler ve protein kodlayan genler uzunluk olarak artar

PNAS'taki makale, protein uzunluklarının ve bunlara karşılık gelen genlerin dağılımlarının tüm yaşam ağacı boyunca log-normal dağılımları izlediğini göstermektedir. Bunu yapmak için 9.913 farklı proteom ve 33.627 genom analiz edildi. Log-normal dağılımlar genellikle çarpımsal süreçlerin bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Ockham'ın usturası ilkesini izleyen araştırmacılar, gen uzunluğu dağılımlarının evrimini çarpımsal stokastik süreçler olarak modellediler. Aslında, tüm genetik operatörlerin dizi uzunluğuna göre birleştirilmiş eylemini modellediler.

LUCA'dan, yani yaşamın üç alanının (bakteriler, arkeler ve ökaryotlar) ortaya çıktığı varsayılan son evrensel ortak atadan başlayarak, araştırmacılar hem teorik hem de gözlemsel olarak ortalama gen uzunluklarının farklı türler arasında evrimsel zaman içinde üssel olarak evrimleştiğini buldular. Dahası, varyansın doğrudan ortalama protein uzunluğuna bağlı olduğu, tüm yaşam ağacı boyunca ölçeklenebilir değişmez bir gen büyüme mekanizması keşfettiler.

33.627 genomda yakalanan tüm türleri temsil ederek, ekip tahminleri gözlemsel olarak doğrulayabildi ve dahası, ortalama gen uzunluğunun organizma karmaşıklığı için çok iyi bir vekil olduğunu gösterdi. Madrid Politeknik Üniversitesi'nden Dr. Bartolo Luque, saf bir nicel biyoloji egzersizi olarak, "Bir türdeki protein kodlayan genlerin ortalama uzunluğunu bildiğimizde, o tür içindeki gen uzunluğunun tüm dağılımını hesaplayabiliriz." diye ekledi.

Farklı türler arasında ortalama protein uzunluklarının karşılık gelen gen uzunluklarına göre evrimini temsil ederken, genlerinde neredeyse hiç kodlamayan dizi olmadığından prokaryotlarda eş zamanlı olarak evrimleştikleri gözlemlenmiştir. Ancak, ortalama gen uzunluğu 1.500 nükleotide ulaştığında, proteinler gen büyümesinin çarpımsal sürecinden ayrılır ve ortalama protein uzunluğu, ökaryotik hücrenin başlangıcından sonra yaklaşık 500 amino asitte net bir eşikte sabitlenir ve ökaryotik hücrenin ortaya çıkışını işaretler.

O noktadan itibaren ve proteinlerde olanların aksine, ortalama gen uzunluğu, kodlamayan dizilerin varlığı nedeniyle prokaryotlarda olduğu gibi artmaya devam eder.

Algoritmik faz geçişi

Daha sonra kritik bir fenomen analizi, manyetik malzemelerin fiziğinde iyi incelenmiş bir faz geçişinin, 1.500 nükleotidlik kritik bir gen uzunluğunda meydana geldiği sonucuna vardı. Bu belirgin ökaryotogenez, yaşamın evrimini iki ayrı faza böler: kodlama fazı (prokarya) ve kodlamayan faz (eukarya).

Ek olarak, bu geçişlerin karakteristik fenomenleri, sistemin dinamiklerinin kritik noktanın etrafındaki birçok metastabil durumda sıkıştığı kritik yavaşlama gibi gözlemlenir. Valencia Üniversitesi'nden Dr. Fernando Ballesteros, "Bu, erken protistlerde ve mantarlarda doğrulanmıştır," dedi.

Dahası, Zürih Üniversitesi'nden Profesör Jordi Bascompte, "faz geçişi algoritmikti," diye ekledi. Kodlama fazında, LUCA'ya yakın bir senaryoda, kısa proteinlerle, proteinlerin ve bunlara karşılık gelen genlerin uzunluğunu artırmak hesaplama açısından basitti. Ancak, protein uzunlukları arttıkça, daha uzun proteinler için arama yapmak olanaksız hale geldi.

Daha önce olduğu gibi aynı oranda büyüyen genlerin neden olduğu bu gerginlik, proteinlerin büyüyememesiyle sürekli olarak değil, aniden genlere kodlamayan dizilerin dahil edilmesiyle çözüldü.

Kaynak: Phys