Lo que es y no es posible para la evolución natural puede explicarse utilizando modelos y cálculos de la física teórica, dicen los investigadores en Japón.

Teóricamente cada componente de cada sustancia química 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, entonces B siempre disminuye.

"Las bacterias tienen miles de tipos de proteínas, entonces, en teoría, esos podrían ser miles de puntos dimensionales en diferentes entornos. Sin embargo, vemos que la variación se ajusta a una curva unidimensional o una superficie de baja dimensión independientemente del entorno, "dijo el profesor Kunihiko 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 modelos físicos idealizados y buscaron cualquier estructura matemática dentro de la complejidad biológica.

Los investigadores han utilizado durante mucho tiempo modelos de física estadística para caracterizar las transiciones de ciertos materiales de estados no magnéticos a magnéticos. Estos modelos utilizan representaciones simplificadas de los electrones giratorios en los imanes. Si los giros están alineados, el conjunto de giros muestra una disposición ordenada y magnética. Cuando los giros pierden alineación, hay una transición a un estado desordenado y no magnético. En el modelo de biología de los investigadores, en lugar de girar hacia arriba o hacia abajo, un gen puede estar activo o inactivo.

"Aplicamos el mismo método a este experimento, para observar qué condiciones eran necesarias para pasar de un desordenado, estado de alta dimensionalidad a un ordenado, estado de baja dimensionalidad, ", dijo la profesora asociada Ayaka Sakata del Instituto de Matemática Estadística de Tokio, 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. causando diferentes 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 niveles bajos de ruido ambiental condujo a una alta dimensionalidad, la expresión genética varía en demasiadas formas sin cambios organizados. La evolución simulada bajo altos niveles de ruido ambiental también condujo a una alta variabilidad donde las expresiones genéticas cambian aleatoriamente, lo que significa que no hay organización ni estados funcionales de expresión génica.

"Podemos imaginar que los organismos en cualquiera de esas condiciones extremas de ruido no serían evolutivamente aptos, se extinguirían porque no podrían responder a los cambios en su entorno". "dijo Kaneko.

Cuando los niveles de ruido eran moderados, La evolución simulada por computadora de cientos de genes condujo a un modelo en el que el cambio en la expresión génica siguió una curva unidimensional, como se ve en la vida real.

"Con el nivel de ruido ambiental adecuado, un organismo robusto y sensible a su entorno puede evolucionar, "dijo Kaneko.