Разделение труда и функциональная специализация клеток проявляются на разных уровнях организации жизни. Уже у простых многоклеточных организмов (цианобактерий, микобактерий, многоклеточных дрожжей) можно наблюдать специализацию двух типов: соматическую, когда клетки выполняют функцию жизнеобеспечения, и репродуктивную, когда клетки отвечают только за размножение. На вопрос, как именно происходит специализация клеток, пытаются ответить не только биологи, но и математики, которые строят модели биологических процессов. Однако, многие модели специализации, предлагаемые в эволюционной биологии для описания процессов, происходящих в самых простых многоклеточных организмах, имеют ряд недостатков. Например, они не учитывают влияние окружающей среды на систему.
Ученые ВШЭ и университета Квебека в Монреале в статье Modeling functional specialization of a cell colony under different fecundity and viability rates and resource constraint предложили модель, которая объясняет, при каких условиях возникает клеточная специализация под действием ресурсных ограничений.
Одна из самых распространённых сегодня моделей принадлежит Ричарду Мишо. Она предполагает, что в клетках с одинаковой силой проявляется и функция размножения, и функция жизнеобеспечения. «Такое идеальное распределение клеток поровну в живых системах сложно себе представить. К тому же система не может существовать в изолированном пространстве, она всегда испытывает влияние со стороны окружающей среды», — считает профессор ВШЭ Фуад Алескеров. — Наша модель показывает, что в условиях ресурсных ограничений специализация идет таким образом, чтобы помочь всему организму быть более эффективным при текущих параметрах среды».
Исследователи рассмотрели модель, в которой для выполнения соматической и репродуктивной функций требуется различное количество ресурсов (для упрощения будем понимать под ресурсом солнечный свет).
— Допустим, для того чтобы выполнять соматическую функцию, организму необходим 1 джоуль (Дж). А для выполнения репродуктивной функции — 5 Дж. Всего из внешней среды поступает 4 Дж. В такой ситуации специализация клеток пойдет таким образом, чтобы вся система работала эффективно — увеличится количество клеток, отвечающих за жизнеобеспечение, так как им необходимо меньше энергии, — поясняют ученые. — Насколько эта модель соответствует действительности, должны проверить биологи.
— Кроме рассмотрения общего ресурсного ограничения, предложенная модель учитывает и другие аспекты биологии простейших многоклеточных организмов, — рассказывает аспирант ВШЭ Денис Тверской. В частности, в модели рассматриваются параметры важности репродуктивной и соматической функции для эффективности организмов. Биологические эксперименты показывают, что в некоторых типах сред соматическая функция может быть более важной, чем в других. Кроме того, в модели учитывается возможность первоначальной дифференциации клеток, возникающей еще на этапе эмбрионального развития в результате работы специальных регуляторных генов или внешних химических стимулов.