统计物理学揭示进化的极限学术资讯

研究人员进行的依赖性、相关系数等分析。

日本研究人员提出，自然进化的可能性与不可能性可以用理论物理学的模型和计算结果来解释。从理论上讲，所有生物体每个细胞中的每种化学成分都可以独立于其他成分改变，即具有高维性。然而，进化并不能产生所有可能的结果。研究人员注意到，生物似乎总被限制于一个低维度上：基本构件相互关联。例如如果A增加，B总是减少。东京大学复杂系统生物学研究中心的理论生物学专家Kunihiko Kaneko教授说：“细菌有成千上万种蛋白质。这些蛋白质可能是不同环境中的成千上万个维度点。然而，不考虑环境的前提下，我们观察到的变化符合一维曲线或低维度表面。”

为了解释这种低维度性，研究人员简化了自然世界，以适应理想化的物理模型，并在生物复杂性中寻找数学结构。长期以来，研究人员一直使用统计物理模型描述某些材料从非磁性状态到磁性状态的转变。这些模型使用了磁体自旋电子的简化表示。如果自旋是对齐的，自旋集合显示出有序和磁性排列。而当自旋不再对齐，就会出现向无序非磁性态的转变。在研究人员构建的生物学模型中，一个基因可以是活跃的，也可以是不活跃的。论文作者、统计数学研究所副教授Ayaka Sakata说：“我们将同样的方法应用到这个实验中，观察了从无序高维状态到有序低维状态所需的条件。”

背景噪音（固有不可预测性）是这类统计物理模型的基本组成部分。它既可能是几乎不存在的，也可能是非常显著的。对于活的生物体来说，噪音代表了微小的环境变化，这些变化可以改变基因的表达方式，甚至在拥有相同基因的生物体之间也会导致不同的基因表达模式，例如双胞胎或者克隆繁殖的植物。

在研究人员的数学模型中，通过改变环境噪音的大小，可以改变进化复杂性的维度数。计算机模拟了数百个基因在低水平环境噪音下的进化，发现基因表达在没有组织变化的情况下会出现非常多种类的变化。此外，在高水平环境噪音下的模拟进化也导致基因表达出现随机变化的高变异性。Kaneko说：“极端噪音条件下的生物都不适合进化——它们会因不能应对环境变化而灭绝。”而当噪音水平适中时，计算机模拟得出了“基因表达变化遵循一维曲线模型”的结果，与现实情况一致。Kaneko说：“在适当的环境噪音水平中，可以进化出既健壮、又对环境敏感的生物。”

科界原创

编译：德克斯特

审稿：alone

责编：张梦

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号：0031-9007

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-05/uot-loe052920.php