Los biólogos saben mucho sobre cómo funciona la vida, pero aún están resolviendo las grandes preguntas de por qué existe la vida, por qué toma varias formas y tamaños, y cómo la vida puede adaptarse increíblemente para llenar cada rincón y grieta de la Tierra.
Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Estatal de Arizona ha descubierto que las respuestas a estas preguntas pueden estar en la capacidad de la vida para encontrar un punto medio, equilibrando entre robustez y adaptabilidad. Los resultados de su estudio se han publicado recientemente en Cartas de revisión física .
La importancia de la estabilidad
El equipo de investigación, dirigido por Bryan Daniels del Centro de Sistemas Complejos Biosociales con la dirección de la miembro de la facultad Sara Walker de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, analizó los datos para comprender mejor las conexiones de raíz entre 67 redes biológicas que describen cómo los componentesde estos sistemas interactúan entre sí. Las redes biológicas son conjuntos de componentes individuales como proteínas y genes que interactúan entre sí para realizar tareas importantes como transmitir señales o decidir el destino de una célula. Midieron una serie de características matemáticas, simulandoEl comportamiento de las redes y la búsqueda de patrones para proporcionar pistas sobre lo que los hizo tan especiales.
Para realizar su estudio, examinaron los datos de la base de datos Cell Collective. Este rico recurso representa procesos biológicos a lo largo de la vida, encapsulando una amplia gama de procesos biológicos desde humanos hasta animales, plantas, bacterias y virus.las redes iban desde cinco nodos hasta 321 nodos, abarcando 6500 interacciones biológicas diferentes.
Y estos nodos incluyen muchos de los bloques de construcción clave de la vida: genes y proteínas que actúan como interruptores maestros que controlan la división celular, el crecimiento y la muerte, y la comunicación.
Usando una gran cantidad de datos moleculares, los científicos ahora pueden estudiar las interacciones entre los componentes básicos, con el objetivo final de comprender la clave de cómo emerge la vida.
"Queríamos saber si las redes biológicas eran especiales en comparación con las redes aleatorias, y si es así, cómo", dice Daniels.
Se centraron en tratar de encontrar un punto de umbral en el que un sistema completo puede cambiar en respuesta a un pequeño cambio. Tal cambio podría alterar profundamente el equilibrio de la vida, creando un tambaleo del destino decidiendo si un organismo moriríao prosperar
"En un sistema estable, los organismos siempre volverán a su estado original", explica Daniels. "En un sistema inestable, el efecto de un pequeño cambio crecerá y hará que todo el sistema se comporte de manera diferente".
A través de pruebas rigurosas de las 67 redes, el equipo descubrió que todas las redes compartían una propiedad especial: existían entre dos extremos, ni demasiado estables ni inestables.
Como tal, el equipo descubrió que la sensibilidad, que es una medida de estabilidad, estaba cerca de un punto especial que los biólogos llaman "criticidad", lo que sugiere que las redes pueden adaptarse evolutivamente a una compensación óptima entre estabilidad e inestabilidad.
Vida en la balanza
Estudios anteriores han demostrado que un puñado de sistemas biológicos, desde neuronas hasta colonias de hormigas, se encuentran en este punto medio de crítica y esta nueva investigación amplía la lista de sistemas vivos en este estado.
Esto puede ser de particular interés para los astrobiólogos, como el coautor Walker, que está buscando vida en otros planetas. Comprender cómo la vida puede tomar diversas formas y por qué lo hace, puede ayudar a identificar la vida en otros planetas y determinar cómopodría verse diferente de la vida en la Tierra. También puede ayudar a informar nuestra búsqueda de los orígenes de la vida en el laboratorio.
"Todavía no entendemos realmente qué es la vida", dice Walker, "y determinar qué propiedades cuantitativas, como la criticidad, distinguen mejor la vida de la no-vida es un paso importante para construir esa comprensión en un nivel fundamental parapodemos reconocer la vida en otros mundos o en nuestros experimentos en la Tierra, incluso si se ve muy diferente a nosotros ".
Los hallazgos también avanzan el campo de la biología cuantitativa al mostrar que, desde los componentes básicos de la vida, los científicos pueden identificar una sensibilidad crítica que es común en una gran franja de biología. Y promete avanzar en la biología sintética al permitir que los científicosuse los componentes básicos de la vida para construir con mayor precisión redes bioquímicas que sean similares a los sistemas vivos.
"Cada sistema biológico tiene características distintivas, desde sus componentes y su tamaño hasta su función y sus interacciones con el entorno circundante", explica el coautor Hyunju Kim de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio y el Centro Más Allá ".investigación, por primera vez, somos capaces de hacer conexiones entre la hipótesis teórica sobre la tendencia universal de los sistemas biológicos a mantener el equilibrio en el grado medio de estabilidad y 67 modelos biológicos con diversas características basadas en datos reales del experimento ".
Además de Daniels, Walker y Kim, el equipo de investigación interdisciplinario en este estudio incluye a los coautores Douglas Moore del Centro Beyond, Siyu Zhou del Departamento de Física, Bradley Karas y Harrison Smith de la Escuela de la Tierra y el EspacioExploración, y Stuart Kauffman del Instituto de Biología de Sistemas en Seattle, Washington.
Esta investigación surgió de un curso dirigido por Walker y Kim sobre enfoques de sistemas complejos para comprender la vida, ofrecido en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio. Los coautores Karas, Zhou y Smith fueron originalmente estudiantes de la clase cuando comenzó el proyecto.
"En nuestro proyecto de clase, se proporcionaron las herramientas analíticas y los códigos para estudiar los sistemas dinámicos generales, y les dimos a los estudiantes la opción de elegir cualquier sistema dinámico que les interesara", dice Kim. "Se les pidió a los estudiantes que modificaran el análisisy códigos para estudiar varias características de cada sistema seleccionado. Como resultado, terminamos tratando con muchas redes biológicas diferentes, investigando aspectos más diversos de esos sistemas, y desarrollamos más códigos y herramientas de análisis, incluso después de completar la clase ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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