یک راز بیولوژیکی ۸۰ ساله در مورد چگونگی رشد موجودات زنده برای اولین بار حل شد

به گزارش مجله خبری نگار،دانشمندان موسسه علوم زمین و حیات در ژاپن یک اصل اساسی جدید زیست‌شناسی را کشف کرده‌اند که توضیح می‌دهد چرا رشد موجودات زنده هنگامی که مواد مغذی بیش از حد فراوان می‌شوند، کند می‌شود. این کشف به حل یک راز بیولوژیکی کمک می‌کند که تقریباً ۸۰ سال است دانشمندان را گیج کرده است - از زمانی که ژاک مونود، میکروبیولوژیست فرانسوی، برای اولین بار وابستگی سرعت رشد باکتری‌ها به غلظت مواد مغذی را در دهه ۱۹۴۰ توصیف کرد. این کار در مجله مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده است.

رشد موجودات زنده - از باکتری‌ها گرفته تا گیاهان و جانوران - همیشه با در دسترس بودن منابع مرتبط است. دانشمندان مدت‌هاست می‌دانند که با افزایش سطح مواد مغذی، رشد در ابتدا شتاب می‌گیرد، اما سپس تثبیت می‌شود. با این حال، تاکنون تصور می‌شد که این امر به دلیل محدودیت یک عنصر خاص - به عنوان مثال، نیتروژن یا فسفر - است.

محققان ژاپنی توضیحی جهانی‌تر بر اساس قوانین فیزیک و مدل‌سازی ریاضی ارائه داده‌اند. این اصل جدید که اصل محدودیت جهانی نامیده می‌شود، نشان می‌دهد که نرخ رشد توسط شبکه‌ای از محدودیت‌های به هم پیوسته در داخل سلول تعیین می‌شود.

دانشیار تتسوهیرو هاتاکیاما توضیح داد: «ما نشان دادیم که شکل منحنی رشد نتیجه مستقیم توزیع مجدد منابع درون سلول است و نتیجه هیچ واکنش شیمیایی واحدی نیست.»

دانشمندان دو مفهوم کلاسیک بیولوژیکی را با هم ترکیب کردند: قانون حداقل لیبیگ، که بیان می‌کند رشد توسط کمیاب‌ترین عنصر محدود می‌شود، و معادله مونود، که رشد باکتری را با تغییر غلظت مواد مغذی توصیف می‌کند. مدل جدید آنها که "بشکه پله‌ای" لقب گرفته است، نشان می‌دهد که وقتی محیط با یک عنصر اشباع می‌شود، عوامل محدودکننده جدیدی ظاهر می‌شوند - برای مثال، مقدار آنزیم‌ها، مساحت غشای سلولی یا حجم سیتوپلاسم.

برای آزمایش این فرضیه، محققان از مدل‌های کامپیوتری باکتری اشریشیا کلی استفاده کردند و میزان استفاده از پروتئین، بسته‌بندی ساختار سلولی و نفوذپذیری غشا را در نظر گرفتند. شبیه‌سازی‌ها تأیید کردند که با افزایش مواد مغذی، رشد در واقع کند می‌شود و عوامل کلیدی، تعادل اکسیژن، نیتروژن و منابع درون سلولی هستند.

جونپی یاماگیشی، نویسنده و محقق همکار، گفت: «اصل ما مشاهدات را از میکروارگانیسم‌ها تا اکوسیستم‌ها متحد می‌کند و مبنایی برای قوانین رشد جهانی ایجاد می‌کند.»

این کشف می‌تواند کاربرد‌های عملی گسترده‌ای داشته باشد، از افزایش بازده محصولات کشاورزی با شناسایی دقیق عناصر محدودکننده گرفته تا بهینه‌سازی فرآیند‌های تولید میکروبی و پیش‌بینی پاسخ‌های اکوسیستم به تغییرات اقلیمی.