Även Charles Darwin, författaren till "Arternas ursprung", hade problem med arter.

"Jag blev mycket slagen över hur fullständigt vag och godtycklig skillnaden är mellan arter och sorter, "Darwin skrev i sitt betydande verk från 1859.

Att kategorisera arter kan bli särskilt disig i små, mikrobiella skalor. Trots allt, den klassiska definitionen av arter som blandningsindivider med sexuellt livskraftiga avkommor gäller inte asexuella organismer. Att undersöka delat DNA hjälper inte heller:kollektivt, E coli bakterier har bara 20 procent av generna gemensamt. Klassificeringsprocessen blir ännu svårare eftersom många mikrober arbetar så nära att det är oklart vad man ska kalla separata organismer, än mindre separera arter.

Klassificeringens elände skapar stridiga debatter i biologimiljön. Men, för postdoktor Mikhail Tikhonov, ett områdes kontroversiella debatt är ett annat teoretisk lekplats. I ny forskning, han frågar:Kan organisminteraktioner beskrivas utan att nämna arter alls?

"Artfrågan är en spännande utmaning för teoretisk fysik, "sa Tikhonov, som nyligen lämnade Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) för en tjänst vid Stanford University. "Intuitivt, att införa en viss klassificering verkar oundvikligt, och alternativ är svåra att föreställa sig. Men teoretisk fysik är riktigt bra på att använda matte för att gå utöver vad som verkar intuitivt. "

I ett papper publicerat i Fysik recension E , Tikhonov skisserar en ram för omprövning av språket för artsklassificering. Klassiska modeller för biologi utgår från antagandet att skillnaderna mellan arter är, för det mesta, klart definierad, och att de fall där skillnaderna inte är lika tydliga kan avgöras senare.

Lånar en idé från fysik av kondenserad materia, Tikhonov tar det motsatta tillvägagångssättet som börjar med fullständig störning och gradvis lägger till små mängder struktur.

"Istället för att tänka på arter, tänk om vi föreställde oss ett mikrobiellt samhälle som en fria-för-alla-organismsoppa och lägger till struktur bit för bit-som att den här genen tenderar att associeras med den genen, "sa Tikhonov." Genom att göra det, vi kan ställa frågor om dynamiken i systemet som helhet. Vi kan fråga, hur fungerar evolutionen på strukturen inom ett samhälle, snarare än på en art? "

Denna fråga är inte bara intressant på teoretisk nivå, men skulle kunna få verkliga konsekvenser för att förstå och behandla mänskliga sjukdomar. Medan vissa sjukdomar (som lunginflammation eller hjärnhinneinflammation) har specifika bovar, många andra (som fetma eller typ II -diabetes) tycks vara associerade till en dysfunktion på samhällsnivå i vårt mikrobiom - de mycket olika bakteriesamhällena som lever på och inuti våra kroppar. För att förstå dessa sjukdomar, forskare måste förstå hur systemet fungerar som helhet.

"I din tarm, det finns hundratals olika typer av bakterier som gör hundratals olika saker och vi kan inte skriva en differentialekvation för dem alla, "sa Tikhonov." Även i fall där vi vet vad alla gör individuellt, vi ser kollektiva effekter som du skulle vara svårt att förutse från individuella beteenden. Förutom, varje person har en annan sammansättning av mikrober, så om vi någonsin kommer att förstå eller manipulera dessa system, vi måste tänka på helheten, snarare än delarna. "

Det är fortfarande en lång väg kvar, men teoretisk fysik och tillämpad matematik kan spela en roll för att lösa denna långvariga biologiska debatt. På vissa sätt, det mikrobiella livet är som partikelfysikens kvantvärld:ingen av dem är direkt tillgänglig för våra sinnen, och så behöver ingen av dem överensstämma med den intuition som härrör från våra dagliga erfarenheter. När intuitionen misslyckas, matematik visar vägen.

"Det är svårt att förstå hur, inom kvantmekanik, en partikel kan vara både en ental och en utbredd våg. Bakterievärlden har inga skäl att vara mindre överraskande, sa Tikhonov.