Naukowcy odkrywają, że „czysta matematyka” jest wpisana w genetykę ewolucyjną: ScienceAlert

Matematycy cieszą się pięknem matematyki, którego wielu z nas nigdy nie widzi. Ale przyroda to wspaniały świat, w którym można dostrzec piękno wynikające z zależności matematycznych.

Świat przyrody oferuje pozornie nieskończone wzory oparte na liczbach – jeśli potrafimy je rozpoznać.

Na szczęście dla nas zróżnicowany zespół badaczy właśnie odkrył kolejne niesamowite powiązanie między matematyką a naturą; Pomiędzy jedną z najczystszych form matematyki, teorią liczb, a mechanizmami rządzącymi ewolucją życia w skali molekularnej, genetyką.

Choć może to być abstrakcyjne, Teoria liczb Dla wielu z nas może to być także jedna z najbardziej znanych form matematyki. Obejmuje mnożenie, odejmowanie, dzielenie i dodawanie (funkcje arytmetyczne) liczb całkowitych lub liczb całkowitych i ich ujemnych odpowiedników.

Ten słynny ciąg Fibonacciego To tylko jeden przykład, w którym każda liczba w sekwencji jest sumą dwóch poprzednich liczb. Jego wzory można znaleźć w całej naturze, w szyszkach, ananasach i nasionach słonecznika.

„Piękno teorii liczb leży nie tylko w abstrakcyjnych relacjach, jakie ujawnia między liczbami całkowitymi, ale także w głębokich strukturach matematycznych, które rzuca światło na nasz świat przyrody”. On tłumaczy Matematyk z Oksfordu Ard Lewis, główny autor nowego badania.

Lewisa i jego współpracowników zainteresowały mutacje, czyli błędy genetyczne, które z czasem przedostają się do genomu organizmu i prowadzą do ewolucji.

Niektóre mutacje mogą oznaczać zmianę pojedynczej litery w sekwencji genetycznej, która powoduje chorobę lub daje nieoczekiwaną korzyść, podczas gdy inne mutacje mogą nie mieć zauważalnego wpływu na wygląd, cechy lub zachowanie organizmu (fenotyp).

Te ostatnie nazywane są czasami mutacjami neutralnymi i chociaż nie dają zauważalnego efektu, są wskaźnikami ewolucji w działaniu. Mutacje kumulują się w stałym tempie w czasie, kształtując powiązania genetyczne między organizmami, gdy powoli oddalają się one od wspólnego przodka.

Jednakże organizmy muszą być w stanie tolerować pewne mutacje, aby zachować swój charakterystyczny fenotyp, podczas gdy loteria genetyczna nadal dystrybuuje alternatywy, które Może tak, może nie być przydatnym.

Tak to się nazywa Odporność mutacyjna Generuje różnorodność genetyczną, ale różni się ona w zależności od gatunku i można ją nawet zaobserwować w białkach w komórkach.

Badane białka tolerują około dwóch trzecich błędów losowych w swoich sekwencjach kodujących 66% mutacji Jest neutralny i nie ma wpływu na jego ostateczny wygląd.

„Od jakiegoś czasu wiemy, że wiele systemów biologicznych wykazuje niezwykle wysoką pozorną odporność, bez której ewolucja nie byłaby możliwa”. On tłumaczy Ludwik.

„Nie wiedzieliśmy jednak, jaka jest możliwa absolutnie maksymalna moc ani czy w ogóle istnieje”.

Aby to zbadać, Lewis i jego koledzy zajrzeli do środka Fałdowanie białek I Małe struktury RNA Jako przykłady tego, jak unikalna sekwencja genetyczna, znana jako genotyp, przypisuje określony fenotyp lub cechę.

W przypadku białek krótka sekwencja DNA przedstawia elementy składowe białka, które po złożeniu kodują jego kształt.

Mniejsze od białek są drugorzędowe struktury kwasu rybonukleinowego (RNA); Swobodnie unoszące się pasma kodu genetycznego, które pomagają w budowie białek.

Lewis i jego współpracownicy zastanawiali się, jak blisko natury było osiągnięcie górnych granic siły mutacji, dlatego przeprowadzili symulacje numeryczne, aby obliczyć prawdopodobieństwa.

Zbadali abstrakcyjne cechy matematyczne określające, ile odmian genetycznych przypisuje się do określonego fenotypu bez jego zmiany, i wykazali, że siłę mutacyjną rzeczywiście można zmaksymalizować w naturalnie występujących białkach i strukturach RNA.

Co więcej, maksymalna wytrzymałość wynika z samopowtarzającego się wzoru fraktalnego zwanego a Krzywa Blancmanai było to zgodne z podstawową koncepcją teorii liczb, zwaną Podziel sumę liczb.

„Znaleźliśmy wyraźne dowody w mapowaniu sekwencji na drugorzędowe struktury RNA, które w niektórych przypadkach przyroda osiągają dokładne maksimum siły”. On mówi Vaibhav Mohanty z Harvard Medical School.

„To tak, jakby biologia wiedziała o funkcji sumy liczb wymiernych”.

Po raz kolejny matematyka wydaje się być podstawowym elementem przyrody, nadającym strukturę światu fizycznemu, nawet na poziomie mikroskopowym.

Badanie zostało opublikowane w Dziennik interfejsu Towarzystwa Królewskiego.