Biologen weten veel over hoe het leven werkt, maar ze zijn nog steeds bezig met het uitzoeken van de grote vragen waarom het leven bestaat, waarom het verschillende vormen en maten aanneemt, en hoe het leven zich verbazingwekkend kan aanpassen om alle hoeken en gaten op aarde te vullen.

Een interdisciplinair team van onderzoekers van de Arizona State University heeft ontdekt dat de antwoorden op deze vragen kunnen liggen in het vermogen van het leven om een ​​middenweg te vinden, balanceren tussen robuustheid en aanpassingsvermogen. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het belang van stabiliteit

Het onderzoeksteam, geleid door Bryan Daniels van het Center for Biosocial Complex Systems met leiding van faculteitslid Sara Walker van de School of Earth and Space Exploration, gezeefd door gegevens om de wortelverbindingen tussen 67 biologische netwerken die beschrijven hoe componenten van deze systemen met elkaar omgaan beter te begrijpen. De biologische netwerken zijn sets van individuele componenten (zoals eiwitten en genen) die met elkaar interageren om belangrijke taken uit te voeren, zoals het verzenden van signalen of het beslissen over het lot van een cel. Ze maten een aantal wiskundige kenmerken, het gedrag van de netwerken simuleren en patronen zoeken om aanwijzingen te geven over wat ze zo speciaal maakte.

Om hun studie uit te voeren, ze onderzochten gegevens uit de Cell Collective-database. Deze rijke hulpbron vertegenwoordigt biologische processen in het hele leven - en omvat een breed scala aan biologische processen van mens tot dier, planten, bacteriën en virussen. Het aantal componenten in deze netwerken varieerde van vijf knooppunten tot 321 knooppunten, omvat 6500 verschillende biologische interacties.

En deze knooppunten bevatten veel van de belangrijkste bouwstenen van het leven - genen en eiwitten die fungeren als hoofdschakelaars die de celdeling regelen, groei en dood, en communicatie.

Met behulp van een schat aan moleculaire gegevens, wetenschappers kunnen nu de interacties tussen de bouwstenen bestuderen, met als uiteindelijk doel de sleutel te begrijpen tot hoe het leven ontstaat.

"We wilden weten of de biologische netwerken speciaal waren in vergelijking met willekeurige netwerken, en als het zo is, hoe, ' zegt Daniëls.

Ze concentreerden zich op het proberen een drempel te vinden waarop een heel systeem kan veranderen als reactie op slechts een kleine verandering. Zo'n verandering kan het evenwicht van het leven grondig verstoren, het creëren van een wankelend lot dat beslist of een organisme zou sterven of gedijen.

"In een stabiel systeem organismen zullen altijd terugkeren naar hun oorspronkelijke staat, " legt Daniels uit. "In een onstabiel systeem, het effect van een kleine verandering zal toenemen en ervoor zorgen dat het hele systeem zich anders gaat gedragen."

Door rigoureuze tests van de 67 netwerken, het team ontdekte dat alle netwerken een speciale eigenschap deelden:ze bestonden tussen twee uitersten in, niet te stabiel of onstabiel.

Als zodanig, het team ontdekte dat gevoeligheid, dat is een maatstaf voor stabiliteit, was in de buurt van een speciaal punt dat biologen "kritiek, " wat suggereert dat de netwerken evolutionair kunnen worden aangepast aan een optimale afweging tussen stabiliteit en instabiliteit.

Leven in de balans

Eerdere studies hebben aangetoond dat een handvol biologische systemen, van neuronen tot mierenkolonies, liggen in deze middenweg van kritiek en dit nieuwe onderzoek breidt de lijst van levende systemen in deze staat uit.

Dit kan van bijzonder belang zijn voor astrobiologen, zoals co-auteur Walker die op zoek is naar leven op andere planeten. Begrijpen hoe het leven verschillende vormen kan aannemen, en waarom het zo doet, kan helpen om het leven op andere planeten te identificeren en te bepalen hoe het er anders uit zou kunnen zien dan het leven op aarde. Het kan ook helpen bij onze zoektocht naar de oorsprong van het leven in het laboratorium.

"We begrijpen nog steeds niet echt wat het leven is, " zegt Walker, "en bepalen welke kwantitatieve eigenschappen, zoals kritiek, het beste onderscheid maken tussen leven en niet-leven is een belangrijke stap in de richting van het opbouwen van dat begrip op een fundamenteel niveau, zodat we het leven op andere werelden of in onze experimenten op aarde kunnen herkennen, ook al ziet het er heel anders uit dan bij ons."

De bevindingen bevorderen ook het veld van kwantitatieve biologie door aan te tonen dat, van de fundamentele bouwstenen van het leven, wetenschappers kunnen een kritische gevoeligheid identificeren die veel voorkomt in een groot deel van de biologie. En het belooft de synthetische biologie vooruit te helpen door wetenschappers in staat te stellen de bouwstenen van het leven te gebruiken om nauwkeuriger biochemische netwerken te bouwen die vergelijkbaar zijn met levende systemen.

"Elk biologisch systeem heeft onderscheidende kenmerken, van zijn componenten en zijn grootte tot zijn functie en zijn interacties met de omgeving, " legt co-auteur Hyunju Kim van de School of Earth and Space Exploration en het Beyond Center uit. "In dit onderzoek, Voor de eerste keer, we zijn in staat om verbanden te leggen tussen de theoretische hypothese over de universele neiging van biologische systemen om het evenwicht te bewaren bij de gemiddelde mate van stabiliteit en 67 biologische modellen met verschillende kenmerken die zijn gebaseerd op feitelijke experimentgegevens."

Naast Daniëls, wandelaar, en Kim, het interdisciplinaire onderzoeksteam van deze studie omvat co-auteurs Douglas Moore van het Beyond Center, Siyu Zhou van het departement Natuurkunde, Bradley Karas en Harrison Smith van de School of Earth and Space Exploration, en Stuart Kauffman van het Instituut voor Systeembiologie in Seattle, Washington.

Dit onderzoek kwam voort uit een cursus onder leiding van Walker en Kim over complexe systeembenaderingen om het leven te begrijpen, aangeboden aan de School of Earth and Space Exploration. Co-auteurs Karas, Zhou, en Smith waren oorspronkelijk studenten in de klas toen het project begon.

"In ons klassenproject de analytische tools en codes om algemene dynamische systemen te bestuderen werden verstrekt, en we gaven de studenten de mogelijkheid om alle dynamische systemen te kiezen waarin ze geïnteresseerd waren, ", zegt Kim. "Studenten werd gevraagd om de analyse en codes aan te passen om verschillende kenmerken van elk geselecteerd systeem te bestuderen. Als resultaat, we hadden uiteindelijk te maken met veel verschillende biologische netwerken, onderzoeken van meer diverse aspecten van die systemen, en meer codes en analysetools ontwikkeld, zelfs na de voltooiing van de klas."