La categorización de organismos en especies, como los pinzones de Darwin (arriba), ha generado polémicos debates en la comunidad de la biología. Ahora, un investigador de SEAS pregunta si hay una mejor manera. Crédito:CC
Incluso Charles Darwin, el autor de "El origen de las especies", tenía un problema con las especies.
"Me sorprendió mucho lo vaga y arbitraria que es la distinción entre especies y variedades, ", Escribió Darwin en su obra fundamental de 1859.
La categorización de especies puede volverse especialmente confusa en pequeñas, escamas microbianas. Después de todo, la definición clásica de especie como individuos cruzados con descendencia sexualmente viable no se aplica a los organismos asexuales. Examinar el ADN compartido tampoco ayuda:colectivamente, E. coli las bacterias tienen solo el 20 por ciento de los genes en común. El proceso de clasificación se vuelve aún más complicado ya que muchos microbios trabajan tan de cerca que no está claro cómo llamar organismos separados. y mucho menos especies separadas.
Los problemas de la clasificación generan polémicos debates en la comunidad de la biología. Pero, para el becario postdoctoral Mikhail Tikhonov, El polémico debate de un campo es el campo de juego teórico de otro. En una nueva investigación, pregunta:¿Podrían describirse las interacciones de los organismos sin mencionar ninguna especie?
"La cuestión de las especies es un desafío apasionante para la física teórica, "dijo Tikhonov, quien recientemente dejó la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson para ocupar un puesto en la Universidad de Stanford. "Intuitivamente, la introducción de alguna clasificación parece inevitable, y las alternativas son difíciles de imaginar. Pero la física teórica es realmente buena en el uso de las matemáticas para ir más allá de lo que parece intuitivo ".
En un artículo publicado en Revisión de física E , Tikhonov describe un marco para repensar el lenguaje de la clasificación de especies. Los modelos clásicos de biología parten del supuesto de que las diferencias entre especies son, en la mayor parte, claramente definido, y que los casos en los que las diferencias no sean tan claras pueden resolverse más adelante.
Agrupar organismos en especies diferenciadas es a menudo problemático (b). En lugar de describir el mundo natural como una desviación de un caso perfectamente agrupado (a), este trabajo propone un constructo teórico donde la estructura se puede agregar gradualmente a una ecología completamente desordenada sin especies (c). Crédito:Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
Tomando prestada una idea de la física de la materia condensada, Tikhonov adopta el enfoque opuesto que comienza con un desorden completo y agrega gradualmente pequeñas cantidades de estructura.
"En lugar de pensar en especies, ¿Qué pasaría si imaginamos una comunidad microbiana como una sopa de organismos libre para todos y agregamos estructura poco a poco, como este gen tiende a asociarse con ese gen? "dijo Tikhonov." Al hacer eso, podemos hacer preguntas sobre la dinámica del sistema en su conjunto. Podemos preguntar, ¿Cómo actúa la evolución sobre la estructura dentro de una comunidad? en lugar de una especie? "
Esta pregunta no solo es interesante a nivel teórico, pero podría tener implicaciones en el mundo real para comprender y tratar las enfermedades humanas. Si bien algunas enfermedades (como la neumonía o la meningitis) tienen culpables específicas, muchos otros (como la obesidad o la diabetes tipo II) parecen estar asociados a una disfunción a nivel comunitario de nuestro microbioma:las comunidades bacterianas muy diversas que viven en y dentro de nuestros cuerpos. Para comprender estas enfermedades, los investigadores deben comprender cómo funciona el sistema en su conjunto.
"En tus entrañas, hay cientos de diferentes tipos de bacterias que hacen cientos de cosas diferentes y no podemos escribir una ecuación diferencial para todas ellas, ", dijo Tikhonov." Incluso en los casos en que sabemos lo que todos hacen individualmente, vemos efectos colectivos que sería difícil predecir a partir de comportamientos individuales. Además, cada persona tiene una composición diferente de microbios, así que si alguna vez vamos a comprender o manipular estos sistemas, tenemos que pensar en el todo en lugar de las partes ".
Todavía queda un largo camino por recorrer pero la física teórica y las matemáticas aplicadas pueden desempeñar un papel en la solución de este debate biológico de larga data. En algunas formas, la vida microbiana es como el mundo cuántico de la física de partículas:ninguno es directamente accesible a nuestros sentidos, y por tanto, ninguno tiene que ajustarse a la intuición derivada de nuestras experiencias cotidianas. Cuando la intuición falla las matemáticas muestran el camino.
"Es difícil comprender cómo, en mecánica cuántica, una partícula puede ser tanto una entidad singular como una onda expandida. El mundo bacteriano no tiene motivos para ser menos sorprendente, "dijo Tikhonov.
