自然進(jìn)化什么是可能，什么是不可能？可以使用理論物理得模型和計算來解釋。從理論上講，所有活著得有機(jī)體得每個細(xì)胞中得每種化學(xué)物質(zhì)得每一種成分都可以獨(dú)立于所有其他成分而變化，科學(xué)家將這種情況稱為高維，在現(xiàn)實中，進(jìn)化并不會產(chǎn)生所有可能得結(jié)果?？茖W(xué)家們一直注意到，生物體似乎被限制在較低得維度水平，這意味著其基本構(gòu)件似乎是相互聯(lián)系得。

例如，如果A增加，那么B總是減少。東京大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)生物學(xué)研究中心理論生物學(xué)可能金子邦彥教授說：細(xì)菌有數(shù)千種蛋白質(zhì)，所以從理論上講，這些蛋白質(zhì)可能是不同環(huán)境中得數(shù)千個維點，然而研究發(fā)現(xiàn)，無論環(huán)境如何，這種變化都符合一維曲線或低維表面。為了解釋這種低維現(xiàn)象，研究人員簡化了自然界，以符合理想化得物理模型，并在生物復(fù)雜性內(nèi)尋找任何數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，其研究成果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。

長期以來，研究人員一直使用統(tǒng)計物理模型來描述某些材料從非磁性狀態(tài)到磁性狀態(tài)得轉(zhuǎn)變。這些模型使用磁鐵中旋轉(zhuǎn)電子得簡化表示，如果自旋對齊，自旋得集合顯示出有序和磁性得排列。當(dāng)自旋失去排列時，就會轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序和非磁性狀態(tài)。在研究人員得生物學(xué)模型中，基因可以是活躍得，也可以是不活躍得，而不是自旋向上或向下旋轉(zhuǎn)。研究得第壹、東京統(tǒng)計數(shù)學(xué)研究所副教授Ayaka Sakata說：

將同樣得方法應(yīng)用于這項實驗，觀察從無序得高維狀態(tài)到有序得低維狀態(tài)需要什么條件。這些統(tǒng)計物理模型得一個重要組成部分是背景噪聲，這是一種內(nèi)在得不可預(yù)測性水平，可以是安靜得幾乎不存在，也可以是響亮得完全壓倒一切。對于活著得有機(jī)體來說，噪音代表著微小得環(huán)境變化，可以改變基因得表達(dá)方式，甚至在擁有相同基因得有機(jī)體之間也會導(dǎo)致不同得基因表達(dá)模式，比如通過克隆繁殖得雙胞胎或植物。

在研究人員得數(shù)學(xué)模型中，改變環(huán)境噪音得音量改變了進(jìn)化復(fù)雜性中得維度數(shù)量。計算機(jī)模擬得數(shù)百個基因在低水平環(huán)境噪音下得進(jìn)化導(dǎo)致了高維，基因表達(dá)以太多得方式變化，而沒有組織得變化。在高環(huán)境噪聲水平下得模擬進(jìn)化也導(dǎo)致了高度得可變性，其中基因表達(dá)隨機(jī)變化，這意味著基因表達(dá)沒有組織或功能狀態(tài)。可以想象，處于這兩種品質(zhì)不錯噪音條件下得生物體在進(jìn)化上都不適合，即它們會滅絕，因為它們不能對環(huán)境得變化做出反應(yīng)。

當(dāng)噪音水平適中時，數(shù)百個基因得計算機(jī)模擬進(jìn)化產(chǎn)生了一個模型，在該模型中，基因表達(dá)得變化遵循一維曲線，就像在現(xiàn)實生活中看到得那樣。在適當(dāng)?shù)铆h(huán)境噪音水平下，對環(huán)境既穩(wěn)定又敏感得有機(jī)體可以進(jìn)化。

博科園｜研究/來自：東京大學(xué)

研究發(fā)表期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.218101

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