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Os cientistas criam uma estrutura para testar as previsaµes das teorias de otimização biológica, incluindo a evolução
O grupo de Biofa­sica e Neurociaªncia Computacional liderado pelo professor GaÅ¡per Tkačik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da austria criou agora uma estrutura matemática para fazer exatamente isso.
Por Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria - 16/02/2021


Doma­nio paºblico

A evolução adapta e otimiza os organismos ao seu nicho ecola³gico. Isso poderia ser usado para prever como um organismo evolui, mas como essas previsaµes podem ser testadas com rigor?

O grupo de Biofa­sica e Neurociaªncia Computacional liderado pelo professor GaÅ¡per Tkačik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da austria criou agora uma estrutura matemática para fazer exatamente isso.

A adaptação evolutiva geralmente encontra soluções inteligentes para os desafios colocados por diferentes ambientes , desde como sobreviver nas profundezas escuras dos oceanos atéa criação de órgãos complexos, como um olho ou um ouvido. Mas podemos prever matematicamente esses resultados?

Esta éa questãochave que motiva o grupo de pesquisa Tkačik. Trabalhando na interseção da biologia, física e matemática, eles aplicam conceitos teóricos a sistemas biola³gicos complexos, ou como Tkačik coloca: "Na³s simplesmente queremos mostrar que a s vezes épossí­vel prevermudanças em sistemas biola³gicos, mesmo quando lidamos com tais uma besta complexa como evolução. "

Escalando montanhas em váriasDimensões

Em um trabalho conjunto do bolsista de pa³s-doutorado Wiktor MÅ‚ynarski e Ph.D. O estudante Michal Hleda­k, assistido pelo ex-aluno do grupo Thomas Sokolowski, que agora estãotrabalhando no Instituto de Estudos Avana§ados de Frankfurt, os cientistas lideraram um avanço essencial em direção a seu objetivo. Eles desenvolveram uma estrutura estata­stica que usa dados experimentais de sistemas biola³gicos complexos para testar e quantificar rigorosamente o quanto bem esse sistema estãoadaptado ao seu ambiente. Um exemplo de tal adaptação éo design da retina do olho que coleta a luz de maneira ideal para formar uma imagem na­tida ou o diagrama de fiação do sistema nervoso de um verme que garante que todos os maºsculos e sensores sejam conectados de forma eficiente, usando o ma­nimo de fiação neural .

O modelo estabelecido no qual os cientistas baseiam seus resultados representa a adaptação como movimento em uma paisagem com montanhas e vales. As caracteri­sticas de um organismo determinam onde ele estãolocalizado nesta paisagem. Amedida que a evolução avana§a e o organismo se adapta ao seu nicho ecola³gico, ele sobe em direção ao pico de uma das montanhas. Uma melhor adaptação resulta em um melhor desempenho no ambiente - por exemplo, produzindo mais descendentes - o que, por sua vez, se reflete em uma elevação mais alta nesta paisagem. Portanto, um falca£o com sua visão agua§ada estãolocalizado em um ponto mais alto do que o ancestral do pa¡ssaro, cuja visão era pior no mesmo ambiente.
 
A nova estrutura de MÅ‚ynarski, Hleda­k e colegas permite que eles quantifiquem o quanto bem os organismos estãoadaptados ao seu nicho. Em uma paisagem bidimensional com montanhas e vales, calcular a elevação parece trivial, mas os sistemas biola³gicos reais são muito mais complexos. Existem muitos outros fatores que o influenciam, o que resulta em paisagens com muito maisDimensões . Aqui, a intuição se quebra e os pesquisadores precisam de ferramentas estata­sticas rigorosas para quantificar a adaptação e testar suas previsaµes contra dados experimentais. Isso éo que a nova estrutura oferece.

Construindo pontes na ciaªncia

IST austria oferece um terreno fanãrtil para colaborações interdisciplinares. Wiktor MÅ‚ynarski, origina¡rio da ciência da computação, estãointeressado em aplicar conceitos matema¡ticos a sistemas biola³gicos. "Este artigo éuma sa­ntese de muitos dos meus interesses cienta­ficos, reunindo diferentes sistemas biola³gicos e abordagens conceituais", ele descreve este estudo mais recente. Em sua pesquisa interdisciplinar, Michal Hleda­k trabalha tanto com o grupo Tkačik quanto com o grupo de pesquisa liderado por Nicholas Barton no campo da genanãtica evolutiva no IST austria. O pra³prio GaÅ¡per Tkačik foi inspirado a estudar sistemas biola³gicos complexos atravanãs das lentes da física por seu doutorado. conselheiro William Bialek da Princeton University. "La¡, aprendi que o mundo dos vivos nem sempre éconfuso, complexo e inacessa­vel a s teorias físicas.

"Nosso legado deve ser a capacidade de apontar o dedo para sistemas biola³gicos selecionados e prever, desde os primeiros princa­pios, por que esses sistemas são como são, em vez de se limitar a descrever como funcionam ", Tkačik descreve sua motivação. A previsão deve ser possí­vel em um ambiente controlado, como com a bactanãria E. coli relativamente simples crescendo em condições ideais. Outro caminho para a previsão são os sistemas que operam sob limites fa­sicos ra­gidos, que restringem fortemente a evolução. Um exemplo são nossos olhos que precisam transmitir imagens de alta resolução para o cérebro usando a quantidade ma­nima de energia. Tkačik resume: “Teoricamente derivar atémesmo um pouco da complexidade de um organismo seria a resposta definitiva para a pergunta 'Por quaª?' questãoque os humanos tem lutado ao longo dos tempos. Nosso trabalho recente cria uma ferramenta para abordar esta questão.

 

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