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Os cientistas criam uma estrutura para testar as previsões das teorias de otimização biológica, incluindo a evolução
O grupo de Biofísica e Neurociência Computacional liderado pelo professor Gašper Tkačik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da Áustria criou agora uma estrutura matemática para fazer exatamente isso.
Por Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria - 16/02/2021


Domínio público

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

O grupo de Biofísica e Neurociência Computacional liderado pelo professor Gašper Tkačik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da Áustria 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 até a criação de órgãos complexos, como um olho ou um ouvido. Mas podemos prever matematicamente esses resultados?

Esta é a questão chave que motiva o grupo de pesquisa Tkačik. Trabalhando na interseção da biologia, física e matemática, eles aplicam conceitos teóricos a sistemas biológicos complexos, ou como Tkačik coloca: "Nós simplesmente queremos mostrar que às vezes é possível prever mudanças em sistemas biológicos, mesmo quando lidamos com tais uma besta complexa como evolução. "

Escalando montanhas em várias dimensões

Em um trabalho conjunto do bolsista de pós-doutorado Wiktor Młynarski e Ph.D. O estudante Michal Hledík, assistido pelo ex-aluno do grupo Thomas Sokolowski, que agora está trabalhando no Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt, os cientistas lideraram um avanço essencial em direção a seu objetivo. Eles desenvolveram uma estrutura estatística que usa dados experimentais de sistemas biológicos complexos para testar e quantificar rigorosamente o quão bem esse sistema está adaptado ao seu ambiente. Um exemplo de tal adaptação é o design da retina do olho que coleta a luz de maneira ideal para formar uma imagem nítida ou o diagrama de fiação do sistema nervoso de um verme que garante que todos os músculos e sensores sejam conectados de forma eficiente, usando o mínimo 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 características de um organismo determinam onde ele está localizado nesta paisagem. À medida que a evolução avança e o organismo se adapta ao seu nicho ecológico, 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 falcão com sua visão aguçada está localizado em um ponto mais alto do que o ancestral do pássaro, cuja visão era pior no mesmo ambiente.
 
A nova estrutura de Młynarski, Hledík e colegas permite que eles quantifiquem o quão bem os organismos estão adaptados ao seu nicho. Em uma paisagem bidimensional com montanhas e vales, calcular a elevação parece trivial, mas os sistemas biológicos reais são muito mais complexos. Existem muitos outros fatores que o influenciam, o que resulta em paisagens com muito mais dimensões. Aqui, a intuição se quebra e os pesquisadores precisam de ferramentas estatísticas rigorosas para quantificar a adaptação e testar suas previsões contra dados experimentais. Isso é o que a nova estrutura oferece.

Construindo pontes na ciência

IST Áustria oferece um terreno fértil para colaborações interdisciplinares. Wiktor Młynarski, originário da ciência da computação, está interessado em aplicar conceitos matemáticos a sistemas biológicos. "Este artigo é uma síntese de muitos dos meus interesses científicos, reunindo diferentes sistemas biológicos e abordagens conceituais", ele descreve este estudo mais recente. Em sua pesquisa interdisciplinar, Michal Hledík trabalha tanto com o grupo Tkačik quanto com o grupo de pesquisa liderado por Nicholas Barton no campo da genética evolutiva no IST Áustria. O próprio Gašper Tkačik foi inspirado a estudar sistemas biológicos complexos através das lentes da física por seu doutorado. conselheiro William Bialek da Princeton University. "Lá, aprendi que o mundo dos vivos nem sempre é confuso, complexo e inacessível às teorias físicas.

"Nosso legado deve ser a capacidade de apontar o dedo para sistemas biológicos selecionados e prever, desde os primeiros princípios, 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 bactéria E. coli relativamente simples crescendo em condições ideais. Outro caminho para a previsão são os sistemas que operam sob limites físicos rígidos, que restringem fortemente a evolução. Um exemplo são nossos olhos que precisam transmitir imagens de alta resolução para o cérebro usando a quantidade mínima de energia. Tkačik resume: “Teoricamente derivar até mesmo um pouco da complexidade de um organismo seria a resposta definitiva para a pergunta 'Por quê?' questão que os humanos têm lutado ao longo dos tempos. Nosso trabalho recente cria uma ferramenta para abordar esta questão.

 

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