统计物理学揭示的进化极限

日本研究人员说,自然进化的可能性和不可能通过理论物理学的模型和计算来解释。

从理论上讲,所有活生物体的每个细胞中每种化学物质的每种成分都可以独立于所有其他生物体而变化,这种情况被研究人员称为高维。实际上,进化不会产生所有可能的结果。

专家始终如一地注意到,生物似乎只限于较低的维数,这意味着它们的基本组成部分似乎相互联系在一起。例如,如果A增加,则B总是减少。

Kanehiko Kaneko教授说:“细菌具有成千上万种蛋白质,因此从理论上讲,它们可能是成千上万个不同环境中的维数点。但是,我们看到这种变化适合一维曲线或低维表面,而与环境无关。”是东京大学复杂系统生物学研究中心的理论生物学专家,也是近期研究出版物的作者。

为了解释这种低维度,研究人员简化了自然世界以适应理想的物理模型,并在生物学复杂性内寻找任何数学结构。

研究人员长期以来一直使用统计物理学模型来表征某些材料从非磁性状态到磁性状态的转变。这些模型使用磁体中旋转电子的简化表示。如果自旋对齐,则自旋的合奏将显示有序和磁性排列。当自旋失去对准时,将过渡到无序且无磁性的状态。在研究人员的生物学模型中,基因可能不是活跃的,而是活跃的或无效的。

东京统计数学研究所副教授kata田彩香说:“我们在实验中采用了相同的方法,以观察从无序的高维状态变为有序的低维状态所必需的条件。”研究出版物的第一作者。

这些统计物理模型的一个重要组成部分是背景噪声,这是一种固有的不可预测性,它可能是安静的,几乎不存在的,或者是响亮的并且完全过压。对于活生物体,噪声代表微小的环境变化,可以改变基因的表达方式,甚至在具有相同基因的生物体之间也产生不同的基因表达模式,例如双胞胎或通过克隆繁殖的植物。

在研究人员的数学模型中,改变环境噪声的数量会改变进化复杂性的维数。

在低水平的环境噪声下,计算机模拟了数百个基因的进化导致了高维度,基因表达以多种方式变化而没有组织的变化。在高水平环境噪声下模拟进化还导致基因表达随机变化的高可变性,这意味着基因表达没有组织或功能状态。

Kaneko说:“我们可以想象,处于那些极端噪声条件下的生物都不适合进化-它们将灭绝,因为它们无法对环境的变化做出反应。”

当噪声水平适中时,计算机模拟的数百个基因的进化形成了一个模型,其中基因表达的变化遵循一维曲线,如在现实生活中所见。

Kaneko说:“有了适当的环境噪声水平,对环境既强大又敏感的生物体可以进化。”

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