Biologer vet mycket om hur livet fungerar, men de funderar fortfarande på de stora frågorna om varför livet finns, varför det tar olika former och storlekar, och hur livet kan anpassa sig fantastiskt för att fylla varje vrå på jorden.

Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid Arizona State University har upptäckt att svaren på dessa frågor kan ligga i livets förmåga att hitta en medelväg, balans mellan robusthet och anpassningsförmåga. Resultaten av deras studie har nyligen publicerats i Fysiska granskningsbrev .

Betydelsen av stabilitet

Forskargruppen, ledd av Bryan Daniels från Center for Biosocial Complex Systems med ledning av fakultetsmedlem Sara Walker från School of Earth and Space Exploration, siktade igenom data för att bättre förstå rotförbindelserna mellan 67 biologiska nätverk som beskriver hur komponenter i dessa system interagerar med varandra. De biologiska nätverken är uppsättningar av enskilda komponenter (som proteiner och gener) som interagerar med varandra för att utföra viktiga uppgifter som att överföra signaler eller bestämma en cells öde. De mätte ett antal matematiska drag, simulera nätverks beteende och leta efter mönster för att ge ledtrådar om vad som gjorde dem så speciella.

För att utföra sin studie, de undersökte data från Cell Collective -databasen. Denna rika resurs representerar biologiska processer över hela livet- som inkapslar ett brett spektrum av biologiska processer från människor till djur, växter, bakterier och virus. Antalet komponenter i dessa nät varierade från fem noder till 321 noder, omfattar 6500 olika biologiska interaktioner.

Och dessa noder inkluderar många av livets viktigaste byggstenar-gener och proteiner som fungerar som huvudströmställare som styr celldelning, tillväxt och död, och kommunikation.

Med hjälp av en mängd molekylär data, forskare kan nu studera samspelet mellan byggstenarna, med ett yttersta mål att förstå nyckeln till hur livet växer fram.

"Vi ville veta om de biologiska nätverken var speciella jämfört med slumpmässiga nätverk, och i så fall hur, säger Daniels.

De fokuserade på att försöka hitta en tröskelpunkt där ett helt system kan förändras som svar på bara en liten förändring. En sådan förändring kan allvarligt rubba livets balans, skapa en ödmjukhet av ödet som avgör om en organism skulle dö eller frodas.

"I ett stabilt system, organismer kommer alltid tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd, "förklarar Daniels." I ett instabilt system, effekten av en liten förändring kommer att växa och få hela systemet att bete sig annorlunda. "

Genom noggranna tester av de 67 nätverken teamet fann att alla nätverk delade en särskild egenskap:De fanns mellan två ytterligheter, varken för stabil eller instabil.

Som sådan, laget fann att känsligheten, vilket är ett mått på stabilitet, var nära en speciell punkt som biologer kallar "kritik, "vilket tyder på att nätverken evolutionärt kan anpassas till en optimal avvägning mellan stabilitet och instabilitet.

Livet i balans

Tidigare studier har visat att en handfull biologiska system, från neuroner till myrkolonier, ligger i denna kritiska mitten och denna nya forskning utökar listan över levande system i detta tillstånd.

Detta kan vara av särskilt intresse för astrobiologer, som medförfattaren Walker som söker liv på andra planeter. Förstå hur livet kan ha olika former, och varför det gör så, kan hjälpa till att identifiera liv på andra planeter och avgöra hur det kan se annorlunda ut än livet på jorden. Det kan också hjälpa till att informera vårt sökande efter livets ursprung i labbet.

"Vi förstår fortfarande inte riktigt vad livet är, "säger Walker, "och bestämma vilka kvantitativa egenskaper, som kritik, bäst skilja liv från icke-liv är ett viktigt steg mot att bygga upp den förståelsen på en grundläggande nivå så att vi kan känna igen livet på andra världar eller i våra experiment på jorden, även om det ser väldigt annorlunda ut än oss. "

Fynden främjar också området kvantitativ biologi genom att visa att, från livets grundläggande byggstenar, forskare kan identifiera en kritisk känslighet som är vanlig i en stor del av biologin. Och det lovar att främja syntetisk biologi genom att låta forskare använda livets byggstenar för att mer exakt bygga biokemiska nätverk som liknar levande system.

"Varje biologiskt system har särdrag, från dess komponenter och dess storlek till dess funktion och dess interaktioner med den omgivande miljön, "förklarar medförfattaren Hyunju Kim från School of Earth and Space Exploration and the Beyond Center." I denna forskning, för första gången, vi kan skapa kopplingar mellan den teoretiska hypotesen om biologiska systems universella tendens att behålla balansen vid medelhög grad av stabilitet och 67 biologiska modeller med olika egenskaper som bygger på faktiska experimentdata. "

Förutom Daniels, Rollator, och Kim, det tvärvetenskapliga forskargruppen i denna studie inkluderar medförfattare Douglas Moore från Beyond Center, Siyu Zhou vid Institutionen för fysik, Bradley Karas och Harrison Smith från School of Earth and Space Exploration, och Stuart Kauffman från Institute for System Biology i Seattle, Washington.

Denna forskning kom fram från en kurs ledd av Walker och Kim om komplexa systemmetoder för att förstå livet, erbjuds på School of Earth and Space Exploration. Medförfattare Karas, Zhou, och Smith var ursprungligen elever i klassen när projektet började.

"I vårt klassprojekt, de analytiska verktygen och koder för att studera allmänna dynamiska system tillhandahölls, och vi gav studenterna möjlighet att välja dynamiska system som de var intresserade av, "säger Kim." Eleverna ombads att ändra analysen och koder för att studera olika funktioner i varje valt system. Som ett resultat, vi hamnade med många olika biologiska nätverk, undersöker mer olika aspekter av dessa system, och utvecklat fler koder och analysverktyg, även efter avslutad klass. "