Lo que es y no es posible para la evolución natural puede explicarse usando modelos y cálculos de física teórica, dicen investigadores en Japón.
Teóricamente, cada componente de cada químico en cada célula de todos los organismos vivos podría variar independientemente de todos los demás, una situación a la que los investigadores se refieren como alta dimensionalidad. En realidad, la evolución no produce todos los resultados posibles.
Los expertos han notado constantemente que los organismos parecen estar restringidos a un bajo nivel de dimensionalidad, lo que significa que sus bloques de construcción esenciales parecen estar vinculados entre sí. Por ejemplo, si A aumenta, B siempre disminuye.
"Las bacterias tienen miles de tipos de proteínas, por lo que en teoría podrían ser miles de puntos dimensionales en diferentes entornos. Sin embargo, vemos que la variación se ajusta a una curva unidimensional o superficie de baja dimensión independientemente del entorno", dijo el profesorKunihiko Kaneko, un experto en biología teórica del Centro de Investigación de Biología de Sistemas Complejos de la Universidad de Tokio y autor de la reciente publicación de investigación.
Para explicar esta baja dimensionalidad, los investigadores simplificaron el mundo natural para adaptarse a los modelos de física idealizados y buscaron cualquier estructura matemática dentro de la complejidad biológica.
Los investigadores han usado durante mucho tiempo modelos de física estadística para caracterizar las transiciones de ciertos materiales de estados no magnéticos a magnéticos. Esos modelos usan representaciones simplificadas de los electrones giratorios en los imanes. Si los espines están alineados, el conjunto de espines muestra una disposición ordenada y magnética.los giros pierden alineación, hay una transición a un estado desordenado y no magnético. En el modelo biológico de los investigadores, en lugar de que un giro esté hacia arriba o hacia abajo, un gen podría estar activo o inactivo.
"Aplicamos el mismo método a este experimento, para observar qué condiciones eran necesarias para pasar de un estado desordenado de alta dimensionalidad a un estado ordenado de baja dimensionalidad", dijo el profesor asociado Ayaka Sakata del Instituto de Matemática Estadística enTokio, primer autor de la publicación de investigación.
Un componente esencial de esos modelos de física estadística es el ruido de fondo, el nivel de imprevisibilidad inherente que puede ser silencioso y casi inexistente o ruidoso y totalmente abrumador. Para los organismos vivos, el ruido representa pequeñas variaciones ambientales que pueden cambiar la forma en que se expresan los genes, causandodiferentes patrones de expresión génica incluso entre organismos con genes idénticos, como gemelos o plantas que se reproducen por clonación.
En los modelos matemáticos de los investigadores, cambiar el volumen del ruido ambiental cambió el número de dimensiones en la complejidad evolutiva.
La evolución simulada por computadora de cientos de genes bajo bajos niveles de ruido ambiental condujo a una alta dimensionalidad, la expresión génica varía de muchas maneras sin cambios organizados. La evolución simulada bajo altos niveles de ruido ambiental también condujo a una alta variabilidad donde las expresiones genéticas cambian al azar, lo que significa que no hay organización ni estados funcionales de expresión génica.
"Podemos imaginar que los organismos en cualquiera de esas condiciones de ruido extremo no estarían en condiciones evolutivas, se extinguirían porque no podrían responder a los cambios en su entorno", dijo Kaneko.
Cuando los niveles de ruido fueron moderados, la evolución simulada por computadora de cientos de genes condujo a un modelo donde el cambio en la expresión génica siguió una curva unidimensional, como se ve en la vida real.
"Con el nivel de ruido ambiental apropiado, un organismo que es robusto y sensible a su entorno puede evolucionar", dijo Kaneko.
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Materiales proporcionado por Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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