Cercetătorii au descoperit că matematica este „scrisă” în genetica evolutivă

Matematicienii se bucură de frumusețea matematicii pe care mulți dintre noi nu o vedem. Natura ne arată că matematica este „scrisă” în genetica evolutivă.

Lumea naturală oferă modele aparent nesfârșite susținute de numere, asta dacă le putem recunoaște. Din fericire pentru noi, o echipă de diferiți cercetători tocmai a descoperit o altă legătură izbitoare între matematică și natură; între una dintre cele mai pure forme de matematică, teoria numerelor, și mecanismele care guvernează evoluția vieții la scară moleculară, genetica.

• Cum au trecut razele cosmice prin atmosfera Pământului acum 41.000 de ani?
• Ce s-a întâmplat după ce oamenii de știință au declanșat mini-cutremure în laborator

Oricât de abstractă ar fi, teoria numerelor ar putea fi, de asemenea, una dintre cele mai familiare forme de matematică pentru mulți dintre noi. Aceasta cuprinde înmulțirea, scăderea, împărțirea și adunarea (funcții aritmetice) numerelor întregi sau a numerelor întregi cu omologii lor negativi.

Matematica este „scrisă” în genetica evolutivă

Matematica este „scrisă” în genetica evolutivă, dar cum? Celebra secvență Fibonacci este doar un exemplu, în care fiecare număr din secvență este suma celor două anterioare. Modele bazate pe această secvență pot fi găsite în toată natura, în conuri de pin, ananas și semințe de floarea soarelui.

„Frumusețea teoriei numerelor constă nu numai în relațiile abstracte pe care le descoperă între numerele întregi, ci și în structurile matematice profunde pe care le prezintă în lumea noastră naturală”, explică matematicianul Ard Louis, de la Universitatea Oxford, autor principal al noului studiu.

De interes pentru Louis și colegii săi au fost mutațiile, erorile genetice care se strecoară în genomul unui organism de-a lungul timpului și conduc evoluția. Unele mutații pot fi o schimbare cu o singură literă într-o secvență genetică, ceea ce provoacă o boală sau produce un avantaj neașteptat, în timp ce alte mutații nu pot avea niciun efect observabil asupra aspectului, trăsăturilor sau comportamentelor organismului (fenotipul acestuia).

Acestea din urmă sunt uneori denumite mutații neutre și, deși nu au niciun efect observabil, sunt indicatori ai evoluției. Mutațiile se acumulează într-un ritm constant de-a lungul timpului, evidențiind relațiile genetice dintre organisme, pe măsură ce acestea se îndepărtează încet de un strămoș comun.

Câte mutații poate tolera un organism?

Totuși, organismele trebuie să poată tolera unele mutații, pentru a-și păstra fenotipul caracteristic, în timp ce loteria genetică continuă să ofere înlocuitori care pot fi sau nu avantajoși. Această așa-numită robustețe mutațională generează diversitate genetică, dar variază între specii și poate fi observată chiar și în proteinele din interiorul celulelor.

Proteinele studiate pot tolera aproximativ două treimi dintre erorile aleatorii în secvențele lor de codare, ceea ce înseamnă că 66% dintre mutații sunt neutre și nu au niciun efect asupra formelor finale ale acestor proteine.

„Știm de ceva timp că multe sisteme biologice prezintă o robustețe a fenotipului remarcabil de mare, fără de care evoluția nu ar fi posibilă. Dar nu știam care ar fi robustețea maximă absolută posibilă sau dacă există măcar un maxim”, explică Louis.

Pentru a investiga, Louis și colegii săi au analizat plierea proteinelor și structurile mici de ARN ca exemple ale modului în care o secvență genetică unică, altfel cunoscută sub numele de genotip, reprezintă un fenotip sau trăsătură specifică, scrie Science Alert.

În cazul proteinelor, o scurtă secvență de ADN explică blocurile de construcție ale proteinei, care, atunci când sunt adunate, codifică forma acesteia. Mai mici decât proteinele sunt structurile secundare ARN, fire plutitoare de coduri genetice care ajută la construirea proteinelor.

Matematica este „scrisă” în genetica evolutivă chiar și la nivel microscopic

Louis și colegii lui s-au întrebat cât de aproape ar putea natura să ajungă de limitele superioare ale robusteții mutaționale, așa că au efectuat simulări numerice pentru a calcula posibilitățile. Ei au studiat caracteristicile matematice abstracte ale numărului de variații genetice care corespund cu un anumit fenotip fără a-l schimba și au arătat că robustețea mutațională ar putea fi într-adevăr maximizată în proteinele naturale și în structurile ARN.

În plus, robustețea maximă a urmat un model de fractal care se repetă automat numit curbă Blancmange și a fost proporțională cu un concept de bază al teoriei numerelor numit fracția sumei cifrelor.

„Am găsit dovezi clare în asocierea dintre secvențe și structurile secundare de ARN că natura, în unele cazuri, atinge maximul de robustețe”, spune Vaibhav Mohanty, de la Harvard Medical School.

Din nou, se pare că matematica este „scrisă” în genetica evolutivă și pare a fi o componentă esențială a naturii care îi dă structură lumii fizice, chiar și la nivel microscopic.

Vă recomandăm să citiți și:

Oamenii de știință ar fi la un pas să descopere a cincea forță a naturii

Prima reacție de superchimie cuantică realizată în laborator

O nouă reușită pentru fuziunea nucleară: Un laborator a realizat al doilea experiment cu un câștig de energie

Un experiment dezvăluie că genele umane pot fi controlate cu ajutorul electricității