统计物理模型有助于解释自然演化的限制

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2020年6月1日

日本的研究人员说，可以使用来自理论物理学的模型和计算来解释自然演进的且不可能的。

从理论上讲，所有生物体的每种细胞中每种化学物质的每个组分都可能与其他各种细胞不同，这种情况研究人员称为高度。实际上，进化不会产生各种可能的结果。

专家始终注意到生物似乎仅限于低水平的维度，这意味着他们的基本构建块似乎彼此相关联。例如，如果增加，则B总是减少。

“细菌有数千种蛋白质，所以从理论上讲，它们可能是不同环境中的数千个维度点。然而，我们发现，无论环境如何，变化都符合一维曲线或低维曲面。”kunihiko kaneko教授，来自东京大学复杂系统生物学研究中心的理论生物专家，以及最近的研究出版物的作者。

为了解释这种低维度，研究人员简化了自然界，以适应理想化的物理模型，并在生物复杂性中搜索任何数学结构。

长期以来，研究人员一直使用统计物理模型来描述某些材料从非磁性状态到磁性状态的转变。欧洲杯足球竞彩这些模型使用了磁体中自旋电子的简化表示。如果自旋排列整齐，自旋的整体显示出有序的磁性排列。当自旋失去对准时，就会过渡到无序和非磁性状态。在研究人员的生物学模型中，基因的自旋可以是活跃的或不活跃的，而不是向上或向下。

“我们向该实验施加了相同的方法，以观察到从无序，高度状态到有序的低维度状态所必需的条件，”该研究论文的第一作者、东京统计数学研究所的副教授坂田ayaka说。

这些统计物理模型的一个重要组成部分是背景噪音，即内在的不可预测性水平，它可以是安静的，几乎不存在，也可以是大声的，完全压倒一切。对于生物体来说，噪音代表着微小的环境变化，这些变化可以改变基因的表达方式，即使在基因相同的生物体之间，比如双胞胎或通过克隆繁殖的植物，也会导致不同的基因表达模式。

在研究人员的数学模型中，改变环境噪声的体积改变了进化复杂性的尺寸的数量。

在低水平的环境噪声下，数百个基因的计算机模拟演化导致了高维度，基因表达在没有组织变化的情况下变化太多。在高水平的环境噪声下模拟演化也导致了高可变性，其中基因表达随机变化，这意味着没有组织或基因表达的功能状态。

“我们可以想象，这些极端噪音条件中的任何一个都不会进化地融合 - 他们会灭绝，因为他们无法响应他们环境的变化，”Kaneko说。

当噪声水平中等时，数百个基因的计算机模拟演化导致了基因表达的变化遵循一维曲线的模型，如现实生活中所示。

“随着适当的环境噪音水平，对其环境稳健和敏感的生物可以发展，”Kaneko说。