Wat wel en niet mogelijk is voor natuurlijke evolutie kan worden verklaard met modellen en berekeningen uit de theoretische natuurkunde, zeggen onderzoekers in Japan.

theoretisch, elke component van elke chemische stof in elke cel van alle levende organismen kan onafhankelijk van alle andere variëren, een situatie die onderzoekers hoge dimensionaliteit noemen. In werkelijkheid, evolutie levert niet alle mogelijke resultaten op.

Experts hebben consequent opgemerkt dat organismen beperkt lijken te zijn tot een laag niveau van dimensionaliteit, wat betekent dat hun essentiële bouwstenen met elkaar verbonden lijken te zijn. Bijvoorbeeld, als A toeneemt, dan neemt B altijd af.

"Bacteriën hebben duizenden soorten eiwitten, dus in theorie zouden dat duizenden dimensionale punten in verschillende omgevingen kunnen zijn. Echter, we zien dat de variatie past in een eendimensionale curve of een laagdimensionaal oppervlak, ongeacht de omgeving, " zei professor Kunihiko Kaneko, een theoretische biologie-expert van het University of Tokyo Research Center for Complex Systems Biology en een auteur van de recente onderzoekspublicatie.

Om deze lage dimensionaliteit te verklaren, onderzoekers vereenvoudigden de natuurlijke wereld om in geïdealiseerde natuurkundige modellen te passen en zochten naar elke wiskundige structuur binnen biologische complexiteit.

Onderzoekers hebben lang statistische fysica-modellen gebruikt om de overgangen van bepaalde materialen van niet-magnetische naar magnetische toestanden te karakteriseren. Die modellen gebruiken vereenvoudigde weergaven van de draaiende elektronen in magneten. Als de spins zijn uitgelijnd, het ensemble van spins toont een geordende en magnetische opstelling. Wanneer de spins uitlijning verliezen, er is een overgang naar een ongeordende en niet-magnetische toestand. In het biologiemodel van de onderzoekers, in plaats van dat een spin omhoog of omlaag gaat, een gen kan actief of inactief zijn.

"We hebben dezelfde methode toegepast op dit experiment, om te observeren welke omstandigheden nodig waren om van een wanordelijke, hoogdimensionale staat naar een geordende, staat van lage dimensionaliteit, " zei universitair hoofddocent Ayaka Sakata van het Institute of Statistical Mathematics in Tokyo, eerste auteur van de onderzoekspublicatie.

Een essentieel onderdeel van die statistische fysica-modellen is achtergrondruis, het niveau van inherente onvoorspelbaarheid dat stil en bijna niet-bestaand of luid en volledig overweldigend kan zijn. Voor levende organismen, ruis staat voor kleine variaties in de omgeving die kunnen veranderen hoe genen worden uitgedrukt, verschillende genexpressiepatronen veroorzaken, zelfs tussen organismen met identieke genen, zoals tweelingen of planten die zich voortplanten door te klonen.

In wiskundige modellen van onderzoekers het veranderen van het volume van omgevingsgeluid veranderde het aantal dimensies in evolutionaire complexiteit.

Computer-gesimuleerde evolutie van honderden genen onder lage niveaus van omgevingslawaai leidde tot hoge dimensionaliteit, genexpressie die op te veel manieren varieert zonder georganiseerde veranderingen. Gesimuleerde evolutie onder hoge niveaus van omgevingslawaai leidde ook tot grote variabiliteit waarbij genexpressies willekeurig veranderen, wat betekent dat er geen organisatie of functionele toestanden van genexpressie zijn.

"We kunnen ons voorstellen dat organismen bij een van die extreme geluidsomstandigheden niet evolutionair geschikt zouden zijn - ze zouden uitsterven omdat ze niet zouden kunnen reageren op veranderingen in hun omgeving, ' zei Kaneko.

Toen de geluidsniveaus gematigd waren, computer-gesimuleerde evolutie van honderden genen leidde tot een model waarin de verandering in genexpressie een eendimensionale curve volgde, zoals te zien in het echte leven.

"Met het juiste omgevingsgeluidsniveau, een organisme dat zowel robuust als gevoelig is voor zijn omgeving kan evolueren, ' zei Kaneko.