Wanneer familiehuwelijken allemaal met elkaar lijken samen te vallen, het fenomeen gebeurt met een reden. Een persoon en hun eerste neven en nichten hebben de neiging om van dezelfde leeftijd te zijn, dus hun bruiloften vinden meestal plaats in een vergelijkbaar tijdsbestek. Maar bruiloften voor uitgebreide familieleden, zeg tweede en derde neven, hebben de neiging om meer verspreid te zijn. Dit komt omdat de tijd tussen de ene generatie naar de volgende varieert, wat betekent dat gezinnen meer verspreid raken van generatie op generatie.

Een nieuwe studie door de post-doc Farshid Jafarpour van de University of Pennsylvania van het Department of Physics &Astronomy, die in het lab van Andrea Liu werkt, onthult dat variaties in generatietijden zich niet ophopen over meerdere generaties in eencellige organismen, zoals bacteriën. Hij stelt een nieuwe theorie voor, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , dat beschrijft hoe factoren die de grootte van individuele cellen regelen de groeisnelheid van een hele populatie beïnvloeden.

In tegenstelling tot dieren en planten, bacteriën vergroten de omvang van hun populatie door simpelweg in omvang te groeien en vervolgens in tweeën te splitsen om twee nieuwe bacteriële cellen te maken. Door bacteriën te bestuderen wanneer ze zich regelmatig delen, bekend als de exponentiële groeifase, Jafarpour was in staat een model te ontwikkelen dat deze fundamentele fase van bevolkingsgroei wiskundig beschrijft. "Als je de fysica van bacteriegroei wilt bestuderen, je echt alle andere delen wilt verwijderen die geen deel uitmaken van de groeifase, " hij zegt.

Jafarpour gebruikte een combinatie van wiskundige vergelijkingen, computersimulaties, en gegevens van biologie-experimenten die de groei van individuele bacteriecellen volgden. Hij was verrast toen hij ontdekte dat het model voorspelt dat bacteriën oscilleren tussen langzamere en snellere uitbarstingen van groei, in "gesynchroniseerde uitbarstingen van divisies, " in plaats van dat de bevolking met een constant tempo groeit. Deze schommelingen in de groei op bevolkingsniveau zorgen nu voor een nieuwe, wiskundige manier voor biologen om over bevolkingsdynamiek na te denken en deze te bestuderen.

Eerder, biologen wisten dat de generatietijd in bacteriepopulaties direct gerelateerd was aan de grootte van individuele cellen. Als een bacterie te lang groeit, bijvoorbeeld, zijn dochtercellen zijn groter, en ze moeten eerder delen om hun verschil in grootte te compenseren. Dit proces, bekend als regulering van de celgrootte, heft ook een deel van de variabiliteit in de generatietijd op, waardoor de verdelingstijden veel langer op elkaar aansluiten dan eerder werd verwacht. Het is deze individuele maatstaf voor de regulering van de celgrootte die ook de schommelingen in groeisnelheden lijkt te veroorzaken die in het model van Jafarpour worden gezien.

"De variabiliteit in generatietijden heeft twee verschillende bronnen:de variabiliteit in groei en de variabiliteit in deling, Jafarpour legt uit. "Het interessante resultaat is dat de regulering van de celgrootte de variabiliteit in deling volledig opheft, dus het enige dat overblijft is de variabiliteit in de groei van de individuele cellen. En, omdat dat kleiner is, de trillingen duren veel langer dan je zou verwachten."

Dit nieuwe model kan nu door biologen worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de variabiliteit van individuele groeisnelheden, die moeilijk te meten zijn in het laboratorium, maar uiterst belangrijk zijn voor het bestuderen van bacteriële evolutie. En hoewel dit model enkele aanpassingen nodig heeft voordat het kan worden gebruikt om andere soorten te bestuderen, Jafarpour is van mening dat het helpen van biologen om een ​​beter begrip te krijgen van de fysica die ten grondslag ligt aan de bevolkingsgroei van bacteriën, slechts een van de vele manieren is waarop fysica het werk van biologen kan ondersteunen.

"De biologie is sinds de jaren vijftig meer gefocust op het achterhalen van de moleculaire basis van mechanismen met de ontdekking van de structuur van DNA, maar nu bereiken we een niveau waarop we terug moeten gaan en meer kwantitatieve onderzoeken moeten doen. Natuurkundigen hebben een lange traditie in het werken met real-world systemen, veel van de kwantitatieve methoden die in de wiskunde zijn ontwikkeld, weten toe te passen en ook begrijpen welke variabelen relevant zijn en welke niet, ' zegt Jafarpour.