Forskere finder matematisk struktur i biologisk kompleksitet

Hvad der er og ikke er muligt for naturlig udvikling, kan forklares ved hjælp af modeller og beregninger fra teoretisk fysik, siger forskere i Japan.

Teoretisk set hver bestanddel af ethvert kemikalie i hver celle af alle levende organismer kunne variere uafhængigt af alle de andre, en situation, forskere omtaler som høj dimensionalitet. I virkeligheden, evolution skaber ikke alle mulige resultater.

Eksperter har konsekvent bemærket, at organismer synes at være begrænset til et lavt niveau af dimensionalitet, hvilket betyder, at deres væsentlige byggesten ser ud til at være knyttet til hinanden. For eksempel, hvis A stiger, så falder B altid.

"Bakterier har tusindvis af typer proteiner, så i teorien kunne det være tusindvis af dimensionelle punkter i forskellige miljøer. Imidlertid, vi ser variationen passer til en endimensionel kurve eller lavdimensionel overflade uanset miljøet, " sagde professor Kunihiko Kaneko, en teoretisk biologiekspert fra University of Tokyo Research Center for Complex Systems Biology og en forfatter til den nylige forskningspublikation.

For at forklare denne lave dimensionalitet, forskere forenklede den naturlige verden til at passe idealiserede fysikmodeller og søgte efter enhver matematisk struktur inden for biologisk kompleksitet.

Forskere har længe brugt statistiske fysikmodeller til at karakterisere visse materialers overgange fra ikke-magnetiske til magnetiske tilstande. Disse modeller bruger forenklede repræsentationer af de roterende elektroner i magneter. Hvis spins er justeret, ensemblet af spins viser ordnet og magnetisk arrangement. Når spins mister justering, der er en overgang til en uordnet og ikke-magnetisk tilstand. I forskernes biologiske model, i stedet for at et spin er op eller ned, et gen kan være aktivt eller inaktivt.

"Vi brugte den samme metode til dette eksperiment, at observere hvilke betingelser der var nødvendige for at gå fra en uorden, højdimensional tilstand til en bestilt, lav-dimensionalitet tilstand, " sagde lektor Ayaka Sakata fra Institute of Statistical Mathematics i Tokyo, første forfatter til forskningspublikationen.

En væsentlig komponent i disse statistiske fysikmodeller er baggrundsstøj, niveauet af iboende uforudsigelighed, der kan være stille og næsten ikke-eksisterende eller højlydt og totalt overvældende. For levende organismer, støj repræsenterer små miljøvariationer, der kan ændre, hvordan gener udtrykkes, forårsager forskellige genekspressionsmønstre selv mellem organismer med identiske gener, som tvillinger eller planter, der formerer sig ved kloning.

I forskernes matematiske modeller, ændring af mængden af ​​miljøstøj ændrede antallet af dimensioner i evolutionær kompleksitet.

Computersimuleret udvikling af hundredvis af gener under lave niveauer af miljøstøj førte til høj dimensionalitet, genekspression varierer på for mange måder uden organiserede ændringer. Simuleret evolution under høje niveauer af miljøstøj førte også til høj variabilitet, hvor genudtryk ændres tilfældigt, betyder ingen organisation eller funktionelle tilstande af genekspression.

"Vi kan forestille os, at organismer ved nogen af ​​disse ekstreme støjforhold ikke ville være evolutionært egnede - de ville uddø, fordi de ikke kunne reagere på ændringer i deres miljø, "sagde Kaneko.

Når støjniveauet var moderat, computersimuleret udvikling af hundredvis af gener førte til en model, hvor ændringen i genekspression fulgte en endimensionel kurve, som det ses i det virkelige liv.

"Med det passende miljømæssige støjniveau, en organisme, der er både robust og følsom over for sit miljø, kan udvikle sig, " sagde Kaneko.