La categorizzazione degli organismi in specie, come i fringuelli di Darwin (sopra), ha generato dibattiti controversi nella comunità della biologia. Ora, un ricercatore SEAS chiede se c'è un modo migliore. Credito:CC
Anche Charles Darwin, l'autore di "L'origine delle specie", aveva un problema con la specie.
"Sono rimasto molto colpito da quanto sia del tutto vaga e arbitraria la distinzione tra specie e varietà, "Darwin scrisse nella sua opera fondamentale del 1859.
La classificazione delle specie può diventare particolarmente nebulosa nei piccoli, squame microbiche. Dopotutto, la definizione classica di specie come individui incrociati con prole sessualmente vitale non si applica agli organismi asessuati. Anche l'esame del DNA condiviso non aiuta:collettivamente, E. coli i batteri hanno in comune solo il 20% dei geni. Il processo di classificazione diventa ancora più complicato poiché molti microbi lavorano così da vicino che non è chiaro come chiamare organismi separati, figuriamoci specie separate.
I problemi della classificazione generano dibattiti controversi nella comunità della biologia. Ma, per il borsista postdottorato Mikhail Tikhonov, il controverso dibattito di un campo è il campo di gioco teorico di un altro. In una nuova ricerca, si chiede:le interazioni tra organismi possono essere descritte senza menzionare affatto le specie?
"La questione della specie è una sfida entusiasmante per la fisica teorica, " disse Tichonov, che ha recentemente lasciato la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) per un posto alla Stanford University. "Intuitivamente, l'introduzione di qualche classificazione sembra inevitabile, e le alternative sono difficili da immaginare. Ma la fisica teorica è davvero brava a usare la matematica per andare oltre ciò che sembra intuitivo".
In un articolo pubblicato su Revisione di fisica E , Tikhonov delinea un quadro per ripensare il linguaggio della classificazione delle specie. I modelli classici della biologia partono dal presupposto che le differenze tra le specie siano, per la maggior parte, chiaramente definito, e che i casi in cui le differenze non sono così chiare possono essere risolti in seguito.
Raggruppare gli organismi in specie distinte è spesso problematico (b). Piuttosto che descrivere il mondo naturale come una deviazione da un caso perfettamente raggruppato (a), questo lavoro propone un costrutto teorico in cui la struttura può essere gradualmente aggiunta a un'ecologia completamente disordinata senza specie (c). Credito:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Prendendo in prestito un'idea dalla fisica della materia condensata, Tikhonov adotta l'approccio opposto che inizia con un completo disordine e aggiunge gradualmente piccole quantità di struttura.
"Invece di pensare alle specie, e se immaginassimo una comunità microbica come una zuppa di organismi tutti per tutti e aggiungessimo struttura poco a poco - come questo gene tende ad associarsi a quel gene, " disse Tikhonov. "Così facendo, possiamo porre domande sulla dinamica del sistema nel suo insieme. possiamo chiedere, come agisce l'evoluzione sulla struttura all'interno di una comunità, piuttosto che su una specie?"
Questa domanda non è solo interessante a livello teorico, ma potrebbe avere implicazioni nel mondo reale nella comprensione e nel trattamento delle malattie umane. Mentre alcune malattie (come la polmonite o la meningite) hanno colpevoli specifici, molti altri (come l'obesità o il diabete di tipo II) sembrano essere associati a una disfunzione a livello comunitario del nostro microbioma, le comunità batteriche altamente diversificate che vivono sopra e dentro i nostri corpi. Per comprendere queste malattie, i ricercatori devono capire come funziona il sistema nel suo insieme.
"Nel tuo intestino, ci sono centinaia di diversi tipi di batteri che fanno centinaia di cose diverse e non possiamo scrivere un'equazione differenziale per tutti loro, " ha detto Tikhonov. "Anche nei casi in cui sappiamo cosa stanno facendo tutti individualmente, vediamo effetti collettivi che sarebbe difficile prevedere dai comportamenti individuali. Oltretutto, ogni persona ha una diversa composizione di microbi, quindi se mai capiremo o manipoleremo questi sistemi, dobbiamo pensare al tutto, piuttosto che le parti."
C'è ancora molta strada da fare, ma la fisica teorica e la matematica applicata possono svolgere un ruolo nella risoluzione di questo dibattito biologico di lunga data. In alcuni modi, la vita microbica è come il mondo quantistico della fisica delle particelle:nessuna delle due è direttamente accessibile ai nostri sensi, e quindi nessuno dei due deve conformarsi all'intuizione derivata dalle nostre esperienze quotidiane. Quando l'intuizione fallisce, la matematica mostra la strada.
"È difficile capire come, nella meccanica quantistica, una particella può essere sia un'entità singolare che un'onda diffusa. Il mondo dei batteri non ha ragioni per essere meno sorprendente, " disse Tichonov.
