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 TkaÄik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da austria criou agora uma estrutura matemática para fazer exatamente isso.
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 TkaÄik no Instituto de Ciência e Tecnologia (IST) da austria 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 TkaÄik. Trabalhando na interseção da biologia, física e matemática, eles aplicam conceitos teóricos a sistemas biola³gicos complexos, ou como TkaÄik 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.
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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 austria 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 TkaÄik quanto com o grupo de pesquisa liderado por Nicholas Barton no campo da genanãtica evolutiva no IST austria. O pra³prio GaÅ¡per TkaÄik 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 ", TkaÄik 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. TkaÄik 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.