統計物理學揭示的進化極限
日本研究人員說，自然進化的可能性和不可能通過理論物理學的模型和計算來解釋。
從理論上講，所有活生物體的每個細胞中每種化學物質的每種成分都可以獨立於所有其他生物體而變化，這種情況被研究人員稱為高維。實際上，進化不會產生所有可能的結果。
專家始終如一地注意到，生物似乎只限於較低的維數，這意味著它們的基本組成部分似乎相互聯繫在一起。例如，如果A增加，則B總是減少。
Kanehiko Kaneko教授說：「細菌具有成千上萬種蛋白質，因此從理論上講，它們可能是成千上萬個不同環境中的維數點。但是，我們看到這種變化適合一維曲線或低維表面，而與環境無關。」是東京大學複雜系統生物學研究中心的理論生物學專家，也是近期研究出版物的作者。
為了解釋這種低維度，研究人員簡化了自然世界以適應理想的物理模型，並在生物學複雜性內尋找任何數學結構。
研究人員長期以來一直使用統計物理學模型來表徵某些材料從非磁性狀態到磁性狀態的轉變。這些模型使用磁體中旋轉電子的簡化表示。如果自旋對齊，則自旋的合奏將顯示有序和磁性排列。當自旋失去對準時，將過渡到無序且無磁性的狀態。在研究人員的生物學模型中，基因可能不是活躍的，而是活躍的或無效的。
東京統計數學研究所副教授kata田彩香說：「我們在實驗中採用了相同的方法，以觀察從無序的高維狀態變為有序的低維狀態所必需的條件。」研究出版物的第一作者。
這些統計物理模型的一個重要組成部分是背景雜訊，這是一種固有的不可預測性，它可能是安靜的，幾乎不存在的，或者是響亮的並且完全過壓。對於活生物體，雜訊代表微小的環境變化，可以改變基因的表達方式，甚至在具有相同基因的生物體之間也產生不同的基因表達模式，例如雙胞胎或通過克隆繁殖的植物。
在研究人員的數學模型中，改變環境雜訊的數量會改變進化複雜性的維數。
在低水平的環境雜訊下，計算機模擬了數百個基因的進化導致了高維度，基因表達以多種方式變化而沒有組織的變化。在高水平環境雜訊下模擬進化還導致基因表達隨機變化的高可變性，這意味著基因表達沒有組織或功能狀態。
Kaneko說：「我們可以想像，處於那些極端雜訊條件下的生物都不適合進化-它們將滅絕，因為它們無法對環境的變化做出反應。」
當雜訊水平適中時，計算機模擬的數百個基因的進化形成了一個模型，其中基因表達的變化遵循一維曲線，如在現實生活中所見。
Kaneko說：「有了適當的環境雜訊水平，對環境既強大又敏感的生物體可以進化。」
有所作為：贊助機會
故事來源：