Vad som är och inte är möjligt för naturlig evolution kan förklaras med modeller och beräkningar från teoretisk fysik, säger forskare i Japan.

Teoretiskt sett varje komponent av varje kemikalie i varje cell av alla levande organismer kan variera oberoende av alla andra, en situation som forskare kallar hög dimensionalitet. I verkligheten, evolution ger inte alla möjliga resultat.

Experter har konsekvent märkt att organismer verkar vara begränsade till en låg nivå av dimensionalitet, vilket innebär att deras väsentliga byggstenar verkar vara kopplade till varandra. Till exempel, om A ökar, då minskar alltid B.

"Bakterier har tusentals typer av proteiner, så i teorin kan de vara tusentals dimensionella punkter i olika miljöer. Dock, vi ser att variationen passar en endimensionell kurva eller lågdimensionell yta oavsett miljö, "sade professor Kunihiko Kaneko, en teoretisk biologiexpert från University of Tokyo Research Center for Complex Systems Biology och en författare till den senaste forskningspublikationen.

För att förklara denna låga dimensionalitet, forskare förenklade den naturliga världen för att passa idealiserade fysikmodeller och sökte efter vilken matematisk struktur som helst inom biologisk komplexitet.

Forskare har länge använt statistiska fysikmodeller för att karakterisera vissa materials övergångar från icke-magnetiska till magnetiska tillstånd. Dessa modeller använder förenklade representationer av de snurrande elektronerna i magneter. Om snurren är inriktade, ensemblen av snurr visar ordnat och magnetiskt arrangemang. När snurren tappar anpassningen, det sker en övergång till ett oordnat och omagnetiskt tillstånd. I forskarnas modell av biologi, istället för att en snurr är upp eller ner, en gen kan vara aktiv eller inaktiv.

"Vi tillämpade samma metod för detta experiment, att observera vilka förutsättningar som var nödvändiga för att gå från en störd, högdimensionellt tillstånd till ett beställt, lågdimensionellt tillstånd, " sa docent Ayaka Sakata från Institute of Statistical Mathematics i Tokyo, författare till forskningspublikationen.

En viktig komponent i dessa statistiska fysikmodeller är bakgrundsljud, graden av inneboende oförutsägbarhet som kan vara tyst och nästan obefintlig eller högljudd och helt överväldigande. För levande organismer, brus representerar små miljövariationer som kan förändra hur gener uttrycks, orsakar olika genuttrycksmönster även mellan organismer med identiska gener, som tvillingar eller växter som förökar sig genom kloning.

I forskarnas matematiska modeller, förändring av volymen av omgivande buller förändrade antalet dimensioner i evolutionär komplexitet.

Datorsimulerad utveckling av hundratals gener under låga nivåer av miljöbuller ledde till hög dimensionalitet, genuttrycket varierar på för många sätt utan organiserade förändringar. Simulerad evolution under höga nivåer av omgivningsljud ledde också till hög variabilitet där genuttryck ändras slumpmässigt, betyder ingen organisation eller funktionella tillstånd för genuttryck.

"Vi kan föreställa oss att organismer vid någon av dessa extrema bullerförhållanden inte skulle vara evolutionärt lämpliga - de skulle dö ut eftersom de inte kunde svara på förändringar i sin miljö, " sa Kaneko.

När ljudnivåerna var måttliga, datorsimulerad utveckling av hundratals gener ledde till en modell där förändringen i genuttryck följde en endimensionell kurva, som sett i verkligheten.

"Med lämplig miljöljudnivå, en organism som är både robust och känslig för sin miljö kan utvecklas, " sa Kaneko.