自然進(jìn)化什么是可能，什么是不可能？可以使用理論物理的模型和計(jì)算來解釋。從理論上講，所有活著的有機(jī)體的每個(gè)細(xì)胞中的每種化學(xué)物質(zhì)的每一種成分都可以獨(dú)立于所有其他成分而變化，

科學(xué)家將這種情況稱為高維，在現(xiàn)實(shí)中，進(jìn)化并不會(huì)產(chǎn)生所有可能的結(jié)果?？茖W(xué)家們一直注意到，生物體似乎被限制在較低的維度水平，這意味著其基本構(gòu)件似乎是相互聯(lián)系的。

例如，如果A增加，那么B總是減少。東京大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)生物學(xué)研究中心理論生物學(xué)專家金子邦彥教授說：細(xì)菌有數(shù)千種蛋白質(zhì)，所以從理論上講，這些蛋白質(zhì)可能是不同環(huán)境中的數(shù)千個(gè)維點(diǎn)，然而研究發(fā)現(xiàn)，無論環(huán)境如何，這種變化都符合一維曲線或低維表面。為了解釋這種低維現(xiàn)象，研究人員簡(jiǎn)化了自然界，以符合理想化的物理模型，并在生物復(fù)雜性內(nèi)尋找任何數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。

長(zhǎng)期以來，研究人員一直使用統(tǒng)計(jì)物理模型來描述某些材料從非磁性狀態(tài)到磁性狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這些模型使用磁鐵中旋轉(zhuǎn)電子的簡(jiǎn)化表示，如果自旋對(duì)齊，自旋的集合顯示出有序和磁性的排列。當(dāng)自旋失去排列時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序和非磁性狀態(tài)。在研究人員的生物學(xué)模型中，基因可以是活躍的，也可以是不活躍的，而不是自旋向上或向下旋轉(zhuǎn)。研究的第一作者、東京統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)研究所副教授Ayaka Sakata說：

將同樣的方法應(yīng)用于這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，觀察從無序的高維狀態(tài)到有序的低維狀態(tài)需要什么條件。這些統(tǒng)計(jì)物理模型的一個(gè)重要組成部分是背景噪聲，這是一種內(nèi)在的不可預(yù)測(cè)性水平，可以是安靜的幾乎不存在，也可以是響亮的完全壓倒一切。對(duì)于活著的有機(jī)體來說，噪音代表著微小的環(huán)境變化，可以改變基因的表達(dá)方式，甚至在擁有相同基因的有機(jī)體之間也會(huì)導(dǎo)致不同的基因表達(dá)模式，比如通過克隆繁殖的雙胞胎或植物。

在研究人員的數(shù)學(xué)模型中，改變環(huán)境噪音的音量改變了進(jìn)化復(fù)雜性中的維度數(shù)量。計(jì)算機(jī)模擬的數(shù)百個(gè)基因在低水平環(huán)境噪音下的進(jìn)化導(dǎo)致了高維，基因表達(dá)以太多的方式變化，而沒有組織的變化。在高環(huán)境噪聲水平下的模擬進(jìn)化也導(dǎo)致了高度的可變性，其中基因表達(dá)隨機(jī)變化，這意味著基因表達(dá)沒有組織或功能狀態(tài)?？梢韵胂螅幱谶@兩種極端噪音條件下的生物體在進(jìn)化上都不適合，即它們會(huì)滅絕，因?yàn)樗鼈儾荒軐?duì)環(huán)境的變化做出反應(yīng)。

當(dāng)噪音水平適中時(shí)，數(shù)百個(gè)基因的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)化產(chǎn)生了一個(gè)模型，在該模型中，基因表達(dá)的變化遵循一維曲線，就像在現(xiàn)實(shí)生活中看到的那樣。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境噪音水平下，對(duì)環(huán)境既穩(wěn)定又敏感的有機(jī)體可以進(jìn)化。

博科園｜研究/來自：東京大學(xué)

研究發(fā)表期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.218101

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