Когда мы думаем о жизни на Земле, мы можем думать об отдельных примерах, начиная от животных и заканчивая бактериями. Однако когда астробиологи изучают жизнь, им приходится рассматривать не только отдельные организмы, но и экосистемы, и биосферу в целом.
В астробиологии растет интерес к тому, является ли жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, причудой конкретной эволюционной истории Земли или, наоборот, жизнью можно управлять более общими организующими принципами.
Если существуют общие принципы, которые могут объяснить свойства, общие для всей жизни на Земле, предполагают ученые, то они могут быть универсальными для всей жизни, даже для жизни на других планетах. Если бы «универсальная биология» существовала, это имело бы важные последствия для поиска жизни за пределами Земли, для разработки синтетической жизни в лаборатории и для решения вопроса о происхождении жизни, позволяя ученым предсказывать по крайней мере некоторые свойства внеземной жизни.
Предыдущие исследования в этой области в основном были сосредоточены на определенных уровнях организации в рамках биологии, таких как отдельные организмы или экологические сообщества. Эти уровни образуют иерархию, в которой индивидуумы состоят из взаимодействующих молекул, а экосистемы состоят из взаимодействующих индивидуумов.
Междисциплинарная группа исследователей из Аризонского государственного университета (ASU) вышла за рамки изучения отдельных уровней в этой иерархии, чтобы изучить саму иерархию, сосредоточив внимание на биосфере в целом. Результаты их исследования были недавно опубликованы Science Advances.
«Чтобы понять общие принципы, управляющие биологией, мы должны понять, как живые системы организуются на разных уровнях, а не только в пределах определенного уровня», - говорит ведущий автор Хюнджу Ким из Центра за пределами АГУ и Школы исследования Земли и космоса.
В ходе этого исследования команда обнаружила, что биохимия, как на уровне организмов, так и на уровне экосистем, регулируется общими принципами организации. «Это означает, что в организации биохимии планетарного масштаба есть логика», - говорит соавтор Харрисон Смит из Школы исследования Земли и космоса при АГУ. «Ученые давно говорят об этом типе логики, но до сих пор они изо всех сил пытались дать ее количественную оценку. Ее количественная оценка может помочь нам ограничить способ возникновения жизни на планете».
Для этого исследования команда создала биохимические сети, используя глобальную базу данных из 28 146 аннотированных геномов и метагеномов и 8 658 каталогизированных биохимических реакций. При этом они обнаружили законы масштабирования, управляющие биохимическим разнообразием и сетевой структурой, которые являются общими для всех уровней организации, от индивидуумов до экосистем и биосферы в целом.
«Количественное определение общих принципов жизни - не ограничиваясь областью на древе жизни или конкретной экосистемой - является сложной задачей», - говорит Смит.«Мы смогли сделать это, объединив инструменты сетевой науки и теории масштабирования, одновременно используя большие наборы геномных данных, которые исследователи каталогизировали».
Исследовательская группа, возглавляемая Кимом и Смитом под руководством Сары Уокер из Школы исследования Земли и космоса АГУ и Центра запредельного, также включает Коула Матиса из Центра запредельного и факультета физики АГУ (сейчас в Университет Глазго) и Джейсон Рэймонд из Школы исследования Земли и космоса.
«Понимание организационных принципов биохимии в глобальном масштабе позволяет нам лучше понять, как жизнь работает как планетарный процесс», - говорит Уокер. «Возможность более строго определять универсальные свойства жизни на Земле также предоставит астробиологам новые количественные инструменты для поиска инопланетной жизни - как в лаборатории, так и в других мирах».