Zelfs Charles Darwin, de auteur van "The Origin of Species", had een probleem met soorten.

"Het viel me op hoe volkomen vaag en willekeurig het onderscheid is tussen soorten en variëteiten, Darwin schreef in zijn baanbrekende werk uit 1859.

Het categoriseren van soorten kan vooral wazig worden bij kleine, microbiële schalen. Ten slotte, de klassieke definitie van soorten als het kruisen van individuen met seksueel levensvatbare nakomelingen is niet van toepassing op aseksuele organismen. Onderzoek naar gedeeld DNA helpt ook niet:collectief, E coli bacteriën hebben slechts 20 procent van de genen gemeen. Het classificatieproces wordt nog lastiger omdat veel microben zo nauw samenwerken dat het onduidelijk is hoe afzonderlijke organismen moeten worden genoemd, laat staan ​​aparte soorten.

De ellende van classificatie genereert controversiële debatten in de biologiegemeenschap. Maar, voor postdoctoraal fellow Mikhail Tikhonov, het controversiële debat van het ene veld is het theoretische speelterrein van het andere. Bij nieuw onderzoek hij vraagt:kunnen interacties tussen organismen worden beschreven zonder soorten te noemen?

"Het soortvraagstuk is een spannende uitdaging voor de theoretische natuurkunde, " zei Tichonov, die onlangs de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) verliet voor een functie aan de Stanford University. "Intuïtief, het invoeren van een classificatie lijkt onvermijdelijk, en alternatieven zijn moeilijk voorstelbaar. Maar theoretische natuurkunde is heel goed in het gebruik van wiskunde om verder te gaan dan wat intuïtief lijkt."

In een paper gepubliceerd in Natuurkunde Beoordeling E , Tikhonov schetst een kader voor het heroverwegen van de taal van de classificatie van soorten. Klassieke modellen van de biologie gaan uit van de veronderstelling dat de verschillen tussen soorten, voor het grootste gedeelte, duidelijk omschreven, en dat de gevallen waarin de verschillen niet zo duidelijk zijn, later kunnen worden geregeld.

Een idee lenen uit de fysica van de gecondenseerde materie, Tikhonov neemt de tegenovergestelde benadering die begint met volledige wanorde en geleidelijk kleine hoeveelheden structuur toevoegt.

"In plaats van aan soorten te denken, wat als we ons een microbiële gemeenschap zouden voorstellen als een voor iedereen toegankelijke organismesoep en beetje bij beetje structuur zouden toevoegen - zoals dit gen de neiging heeft om met dat gen te associëren, "zei Tikhonov. "Door dat te doen, we kunnen vragen stellen over de dynamiek van het systeem als geheel. We kunnen het vragen, hoe werkt evolutie in op de structuur binnen een gemeenschap, in plaats van op een soort?"

Deze vraag is niet alleen interessant op theoretisch niveau, maar zou real-world implicaties kunnen hebben bij het begrijpen en behandelen van menselijke ziekten. Hoewel sommige ziekten (zoals longontsteking of meningitis) specifieke boosdoeners hebben, vele andere (zoals obesitas of diabetes type II) lijken verband te houden met een disfunctie op gemeenschapsniveau van ons microbioom - de zeer diverse bacteriële gemeenschappen die op en in ons lichaam leven. Om deze ziekten te begrijpen, onderzoekers moeten begrijpen hoe het systeem als geheel werkt.

"In je buik, er zijn honderden verschillende soorten bacteriën die honderden verschillende dingen doen en we kunnen niet voor allemaal een differentiaalvergelijking schrijven, " zei Tikhonov. "Zelfs in gevallen waarin we weten wat iedereen individueel doet, we zien collectieve effecten die je moeilijk kunt voorspellen op basis van individueel gedrag. Daarnaast, ieder mens heeft een andere samenstelling van microben, dus als we deze systemen ooit gaan begrijpen of manipuleren, we moeten aan het geheel denken, in plaats van de onderdelen."

Er is nog een lange weg te gaan, maar theoretische fysica en toegepaste wiskunde kunnen een rol spelen bij het beslechten van dit al lang bestaande biologische debat. In sommige opzichten, het microbiële leven is als de kwantumwereld van de deeltjesfysica:geen van beide is direct toegankelijk voor onze zintuigen, en dus hoeft geen van beide zich te conformeren aan de intuïtie die is afgeleid van onze dagelijkse ervaringen. Wanneer intuïtie faalt, wiskunde wijst de weg.

"Het is moeilijk te begrijpen hoe, in de kwantummechanica, een deeltje kan zowel een enkelvoudige entiteit als een uitgespreide golf zijn. De bacteriële wereld heeft geen reden om minder verrassend te zijn, ’ zei Tichonov.