Los biólogos saben mucho sobre cómo funciona la vida, pero todavía están resolviendo las grandes preguntas de por qué existe la vida, por qué toma varias formas y tamaños, y cómo la vida es capaz de adaptarse asombrosamente para llenar todos los rincones 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 término medio, equilibrio 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, examinó los datos para comprender mejor las conexiones raíz entre 67 redes biológicas que describen cómo los componentes de 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, simulando el comportamiento de las redes y buscando patrones que proporcionen pistas sobre lo que las hizo tan especiales.

Para realizar su estudio, examinaron datos de la base de datos Cell Collective. Este rico recurso representa procesos biológicos a lo largo de la vida, que encapsula una amplia gama de procesos biológicos, desde humanos hasta animales, plantas bacterias y virus. La cantidad de componentes en estas redes varió desde cinco nodos hasta 321 nodos, que abarca 6500 interacciones biológicas diferentes.

Y estos nodos incluyen muchos de los componentes básicos de la vida:genes y proteínas que actúan como interruptores maestros que controlan la división celular. crecimiento y muerte, y comunicación.

Usando una gran cantidad de datos moleculares, Los científicos ahora pueden estudiar las interacciones entre los bloques de construcción, con el objetivo final de comprender la clave de cómo surge la vida.

"Queríamos saber si las redes biológicas eran especiales en comparación con las redes aleatorias, y de ser así, cómo, "dice Daniels.

Se centraron en tratar de encontrar un punto de umbral en el que todo un sistema pueda cambiar en respuesta a un pequeño cambio. Tal cambio podría alterar profundamente el equilibrio de la vida, creando un vaivén del destino que decide si un organismo moriría o prosperaría.

"En un sistema estable, los organismos siempre volverán a su estado original, "explica Daniels." En un sistema inestable, el efecto de un pequeño cambio aumentará y hará que todo el sistema se comporte de manera diferente ".

Mediante pruebas rigurosas de las 67 redes, el equipo descubrió que todas las redes compartían una propiedad especial:existían entre dos extremos, ni demasiado estable ni inestable.

Como tal, el equipo encontró esa 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 un equilibrio óptimo entre estabilidad e inestabilidad.

Vida en la balanza

Estudios anteriores han demostrado que un puñado de sistemas biológicos, de neuronas a colonias de hormigas, se encuentran en este punto medio de criticidad y esta nueva investigación amplía la lista de sistemas vivos en este estado.

Esto puede ser de especial interés para los astrobiólogos, como el coautor Walker, que busca vida en otros planetas. Entender cómo la vida puede tomar varias formas, y por qué lo hace, puede ayudar a identificar la vida en otros planetas y determinar en qué se diferencia 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, distinguir mejor la vida de la no vida es un paso importante hacia la construcción de esa comprensión a un nivel fundamental para que podamos 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 en el campo de la biología cuantitativa al mostrar que, de los componentes básicos de la vida, los científicos pueden identificar una sensibilidad crítica que es común en una amplia franja de biología. Y promete avanzar en la biología sintética al permitir que los científicos utilicen 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". En esta investigación, por primera vez, somos capaces de establecer conexiones entre la hipótesis teórica sobre la tendencia universal de los sistemas biológicos a mantener el equilibrio en un grado medio de estabilidad y 67 modelos biológicos con diversas características construidas sobre datos experimentales reales ".

Además de Daniels, Caminante, y Kim, El equipo de investigación interdisciplinario de este estudio incluye a los coautores Douglas Moore del Beyond Center, Siyu Zhou del Departamento de Física, Bradley Karas y Harrison Smith de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, 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. Coautores Karas, Zhou, y Smith eran 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 pidió a los estudiantes que modificaran el análisis y los códigos para estudiar varias características de cada sistema seleccionado. Como resultado, terminamos lidiando con muchas redes biológicas diferentes, investigar aspectos más diversos de esos sistemas, y desarrolló más códigos y herramientas de análisis, incluso después de la finalización de la clase ".