Японские учёные раскрыли универсальный механизм, объясняющий замедление роста при избытке питательных веществ

Исследователи из Института наук о Земле и жизни в Японии представили новую концепцию, поясняющую, почему при чрезмерном поступлении ресурсов рост организмов замедляется. Статья с результатами работы опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Открытие претендует на объяснение феномена, который обращает на себя внимание биологов с середины XX века, когда французский микробиолог Жак Моно впервые описал зависимость скорости размножения бактерий от концентрации питательных веществ.

Долгое время считалось, что после начального подъёма рост стабилизируется из‑за нехватки какого‑то одного ключевого элемента — к примеру, азота или фосфора. Группа японских учёных предложила иной, более общий взгляд: замедление связано не с отдельным дефицитом, а с совокупностью внутренних ограничений клетки, которые перестраиваются по мере изменения доступности ресурсов. Эта идея получила рабочее название принципа глобального ограничения роста (global constraint principle).

Авторы объединили в единую схему классические представления: закон Либиха о минимуме и уравнение Моно, описывающее зависимость роста бактерий от питательных концентраций. Новая модель, которую исследователи окрестили «ступенчатым бочкообразным» механизмом, демонстрирует, что при усилении насыщения среды одним веществом на первый план выходят другие лимитирующие параметры — количество доступных ферментов, площадь мембраны, вместимость цитоплазмы и т.д. По мере увеличения питательности клетки вынуждены перераспределять внутренние ресурсы, и это перераспределение формирует характер кривой роста.

Для проверки концепции команда использовала детализированные вычислительные модели Escherichia coli, учитывающие синтез белков, организацию внутренних структур и пропускную способность мембран. Симуляции подтвердили: при росте поступления питательных веществ скорость прироста биомассы сначала увеличивается, затем замедляется из‑за возникновения новых ограничений, при этом важную роль играют баланс кислорода, азота и внутриклеточные ресурсы.

По словам доцента Тэцухиро Хатакэяма, форма наблюдаемой зависимости является следствием перераспределения ресурсов внутри клетки, а не простым проявлением одной химической реакции. Соавтор Дзюмпэй Ямагиси отмечает, что предложенный принцип связывает наблюдения на уровнях от микробов до целых экосистем и может лечь в основу универсальных законов роста.

Практические применения открытия включают более точную диагностику лимитирующих факторов в сельском хозяйстве, оптимизацию микробных биотехнологий и улучшение прогнозов реакции экосистем на климатические изменения. Ранее учёные из России также сообщали об открытии фундаментального закона, регламентирующего жизнедеятельность клеток.