«Меня очень поразило, насколько расплывчатым и произвольным является различие между видами и разновидностями», — писал Дарвин в своей основополагающей работе 1859 года.Классификация видов может стать особенно мутной в небольших, микробных масштабах.
В конце концов, классическое определение видов как скрещивающихся особей с сексуально жизнеспособным потомством не применимо к бесполым организмам. Изучение общей ДНК тоже не помогает: в совокупности бактерии E. coli имеют только 20 процентов общих генов.
Процесс классификации становится еще сложнее, поскольку многие микробы работают так тесно, что неясно, как называть отдельные организмы, не говоря уже об отдельных видах.Проблемы классификации вызывают споры в биологическом сообществе.
Но для докторанта Михаила Тихонова спорные дискуссии в одной области — теоретическая площадка для другой. В новом исследовании он спрашивает: можно ли описывать взаимодействия организмов вообще без упоминания видов?«Вопрос о видах — захватывающая проблема для теоретической физики», — сказал Тихонов, который недавно покинул Гарвардскую школу инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) и поступил на работу в Стэнфордский университет. «Интуитивно введение какой-либо классификации кажется неизбежным, а альтернативы трудно представить.
Но теоретическая физика действительно хороша в использовании математики, чтобы выйти за рамки того, что кажется интуитивно понятным».В статье, опубликованной в Physics Review E, Тихонов описывает основу для переосмысления языка классификации видов.
Классические модели биологии исходят из предположения, что различия между видами по большей части четко определены, и что случаи, когда различия не так очевидны, могут быть решены позже.Заимствуя идею из физики конденсированного состояния, Тихонов использует противоположный подход, который начинается с полного беспорядка и постепенно добавляет небольшие количества структуры.«Вместо того, чтобы думать о видах, что, если бы мы представили микробное сообщество как открытый суп из организмов и постепенно добавляли бы структуру — как этот ген имеет тенденцию ассоциироваться с этим геном», — сказал Тихонов. «Делая это, мы можем задавать вопросы о динамике системы в целом.
Мы можем спросить, как эволюция влияет на структуру внутри сообщества, а не на вид?»Этот вопрос интересен не только на теоретическом уровне, но и может иметь практическое значение для понимания и лечения болезней человека.
В то время как некоторые заболевания (например, пневмония или менингит) имеют конкретных виновников, многие другие (например, ожирение или диабет II типа), по-видимому, связаны с дисфункцией нашего микробиома на уровне сообщества — очень разнообразными бактериальными сообществами, которые живут в наших телах и внутри них. . Чтобы понять эти заболевания, исследователи должны понимать, как работает система в целом.«В вашем кишечнике существуют сотни различных типов бактерий, выполняющих сотни различных действий, и мы не можем написать дифференциальное уравнение для всех из них», — сказал Тихонов. «Даже в тех случаях, когда мы знаем, что каждый делает индивидуально, мы видим коллективные эффекты, которые трудно предсказать, исходя из индивидуального поведения. Кроме того, у каждого человека свой состав микробов, поэтому, если мы когда-либо собираемся понять или манипулируя этими системами, нам нужно думать о целом, а не о частях ».Впереди еще долгий путь, но теоретическая физика и прикладная математика могут сыграть свою роль в урегулировании этих давних биологических дебатов.
В некотором смысле микробная жизнь похожа на квантовый мир физики элементарных частиц: ни один из них не доступен напрямую нашим чувствам, и поэтому ни один из них не должен соответствовать интуиции, полученной из нашего повседневного опыта. Когда интуиция не работает, математика указывает путь.«Трудно понять, как в квантовой механике частица может быть как единичным объектом, так и распространенной волной.
У бактериального мира нет причин быть менее удивительными», — сказал Тихонов.