«Я был очень поражен, насколько совершенно неопределенный и произвольный различие между разновидностями и вариантами», написал Дарвин в своей оригинальной работе 1859 года.Категоризация разновидностей может стать особенно туманной в маленьких, микробных весах.
В конце концов, классическое определение разновидностей как скрещивающиеся люди с сексуально жизнеспособными потомками не относится к асексуальным организмам. Исследование общей ДНК не помогает также: коллективно, E. coli бактерии имеют только 20 процентов генов вместе. Процесс классификации становится еще более хитрым, поскольку многие микробы работают так тесно, что неясно, что назвать отдельные организмы, уже не говоря об отдельных разновидностях.Горе классификации производит спорные дебаты в сообществе биологии.
Но для постдокторанта Михаила Тихонова спорные дебаты одной области – чья-либо теоретическая детская площадка. В новом исследовании он спрашивает: взаимодействия организма могли быть описаны, не упоминая разновидности вообще?
«Вопрос о разновидностях – захватывающая проблема для теоретической физики», сказал Тихонов, который недавно покинул Школу Джона А. Полсона Гарварда Технических и прикладных наук (МОРЯ) для положения в Стэнфордском университете. «Интуитивно, представление некоторой классификации кажется неизбежным, и альтернативы трудно вообразить. Но теоретическая физика действительно хороша в использовании математики, чтобы пойти вне того, что кажется интуитивным».В работе, опубликованной в Physics Review E, Тихонов обрисовывает в общих чертах структуру для пересмотра прежнего мнения языка классификации разновидностей. Классические модели биологии начинаются с предположения, что различия между разновидностями, по большей части, ясно определены, и что дела, где различия не так ясны, могут быть решены позже.
Одалживая идею у физики конденсированного вещества, Тихонов проявляет противоположный подход, который начинается с полного беспорядка и постепенно добавляет небольшие количества структуры.«Вместо того, чтобы думать о разновидностях, что, если мы вообразили микробное сообщество как общедоступный суп организма и добавляем структуру постепенно – как этот ген, имеет тенденцию связываться с тем геном», сказал Тихонов. «Делая это, мы можем задать вопросы о динамике системы в целом. Мы можем спросить, как совершает поступок эволюции на структуре в сообществе, а не на разновидности?»Этот вопрос не только интересен на теоретическом уровне, но и мог иметь реальные последствия в понимании и лечении человеческого заболевания.
В то время как у некоторых болезней (как пневмония или менингит) есть определенные преступники, многие другие (как ожирение или диабет типа II), кажется, связаны с дисфункцией общественного уровня нашего микробиома – очень разнообразные бактериальные сообщества, которые живут на и в наших телах. Чтобы понять эти болезни, исследователи должны понять, как система работает в целом.«В Вашем пищеварительном тракте есть сотни различных типов бактерий, делающих сотни разных вещей, и мы не можем написать отличительное уравнение для всех них», сказал Тихонов. «Даже в случаях, где мы знаем то, что все делают индивидуально, мы видим коллективные эффекты, которые Вы были бы в затруднении, чтобы предсказать от отдельных поведений. Кроме того, у каждого человека есть различный состав микробов, поэтому если мы когда-либо собираемся понять или управлять этими системами, мы должны думать о целом, а не частях».
Есть все еще длинный путь, чтобы пойти, но теоретическая физика и примененная математика могут играть роль в урегулировании этих давних биологических дебатов. До некоторой степени микробная жизнь похожа на квантовый мир физики элементарных частиц: ни один не непосредственно доступен для наших чувств, и таким образом, ни один не должен соответствовать интуиции, полученной из наших ежедневных событий. Когда интуиция терпит неудачу, математика показывает путь.
«Трудно схватить, как в квантовой механике частица может быть и исключительным предприятием и распространенной волной. У бактериального мира нет причин быть немного менее удивительным», сказал Тихонов.