Teoretisk fysiker gentænker, hvordan vi differentierer organismer på den mikrobielle skala

Selv Charles Darwin, forfatteren til "Arternes oprindelse", havde et problem med arter.

"Jeg blev meget slået over, hvor fuldstændig vag og vilkårlig forskellen mellem arter og sorter er, "Darwin skrev i sit fornemme værk fra 1859.

Kategorisering af arter kan blive særlig diset i små, mikrobielle skalaer. Trods alt, den klassiske definition af arter som indavlsindivider med seksuelt levedygtige afkom gælder ikke for aseksuelle organismer. Undersøgelse af delt DNA hjælper heller ikke:i fællesskab E coli bakterier har kun 20 procent af generne til fælles. Klassificeringsprocessen bliver endnu vanskeligere, da mange mikrober arbejder så tæt, at det er uklart, hvad man skal kalde separate organismer, endsige adskilte arter.

Klassificeringens problemer genererer omstridte debatter i biologisamfundet. Men, for postdoktor Mikhail Tikhonov, et felts omstridte debat er et andet teoretisk legeplads. I ny forskning, han spørger:Kan organismenes interaktioner beskrives uden overhovedet at nævne arter?

"Artspørgsmålet er en spændende udfordring for teoretisk fysik, "sagde Tikhonov, der for nylig forlod Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) for en stilling ved Stanford University. "Intuitivt, indførelse af en vis klassificering synes uundgåelig, og alternativer er svære at forestille sig. Men teoretisk fysik er virkelig god til at bruge matematik til at gå ud over det, der virker intuitivt. "

I et papir udgivet i Physics Review E , Tikhonov skitserer en ramme for nytænkning af sproget i artsklassificering. Klassiske biologimodeller tager udgangspunkt i antagelsen om, at forskellene mellem arter er, for det meste, klart defineret, og at de tilfælde, hvor forskellene ikke er så klare, kan afgøres senere.

Lån en idé fra kondenseret fysik, Tikhonov tager den modsatte tilgang, der starter med fuldstændig uorden og gradvist tilføjer små mængder struktur.

"I stedet for at tænke på arter, hvad nu hvis vi forestillede os et mikrobielt samfund som en gratis-for-alle organisme-suppe og tilføjer struktur lidt efter lidt-ligesom dette gen har en tendens til at forbinde med det gen, "sagde Tikhonov." Ved at gøre det, vi kan stille spørgsmål om dynamikken i systemet som helhed. Vi kan spørge, hvordan virker evolution på strukturen i et fællesskab, snarere end på en art? "

Dette spørgsmål er ikke kun interessant på et teoretisk plan, men kan have virkelige konsekvenser for forståelse og behandling af menneskelig sygdom. Mens nogle sygdomme (som lungebetændelse eller meningitis) har specifikke syndere, mange andre (som fedme eller type II diabetes) synes at være forbundet med en dysfunktion på vores community på vores mikrobiom - de meget forskellige bakteriesamfund, der lever på og inde i vores kroppe. For at forstå disse sygdomme, forskere skal forstå, hvordan systemet fungerer som helhed.

"I din tarm, der er hundredvis af forskellige typer bakterier, der laver hundredvis af forskellige ting, og vi kan ikke skrive en differentialligning for dem alle, "sagde Tikhonov." Selv i tilfælde, hvor vi ved, hvad alle gør individuelt, vi ser kollektive effekter, som du ville være hårdt presset til at forudsige ud fra individuel adfærd. Udover, hver person har en anden sammensætning af mikrober, så hvis vi nogensinde kommer til at forstå eller manipulere disse systemer, vi er nødt til at tænke på helheden, frem for delene. "

Der er stadig et stykke vej at gå, men teoretisk fysik og anvendt matematik kan spille en rolle i afviklingen af ​​denne mangeårige biologiske debat. På nogle måder, det mikrobielle liv er som partikelfysikkens kvanteverden:ingen af ​​dem er direkte tilgængelige for vores sanser, og derfor behøver ingen af ​​dem at tilpasse sig den intuition, der stammer fra vores daglige oplevelser. Når intuitionen fejler, matematik viser vejen.

"Det er svært at forstå, hvordan i kvantemekanik, en partikel kan både være en ental enhed og en spredt bølge. Bakterieverdenen har ingen grunde til at være mindre overraskende, "sagde Tikhonov.