I biologi sanno molto su come funziona la vita, ma stanno ancora cercando di capire le grandi domande sul perché esiste la vita, perché prende varie forme e dimensioni, e come la vita sia in grado di adattarsi sorprendentemente per riempire ogni angolo della Terra.

Un team interdisciplinare di ricercatori dell'Arizona State University ha scoperto che le risposte a queste domande possono risiedere nella capacità della vita di trovare una via di mezzo, equilibrio tra robustezza e adattabilità. I risultati del loro studio sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

L'importanza della stabilità

Il gruppo di ricerca, guidato da Bryan Daniels del Center for Biosocial Complex Systems con la direzione del membro della facoltà Sara Walker della School of Earth and Space Exploration, setacciati i dati per comprendere meglio le connessioni alla radice tra 67 reti biologiche che descrivono come i componenti di questi sistemi interagiscono tra loro. Le reti biologiche sono insiemi di componenti individuali (come proteine ​​e geni) che interagiscono tra loro per svolgere compiti importanti come trasmettere segnali o decidere il destino di una cellula. Hanno misurato una serie di caratteristiche matematiche, simulando il comportamento delle reti e cercando modelli per fornire indizi su ciò che le ha rese così speciali.

Per svolgere il loro studio, hanno esaminato i dati del database Cell Collective. Questa ricca risorsa rappresenta i processi biologici nel corso della vita, incapsulando un'ampia gamma di processi biologici dagli esseri umani agli animali, impianti, batteri e virus. Il numero di componenti in queste reti variava da cinque nodi a 321 nodi, che comprende 6500 diverse interazioni biologiche.

E questi nodi includono molti dei mattoni fondamentali della vita:geni e proteine ​​che agiscono come interruttori principali che controllano la divisione cellulare, crescita e morte, e comunicazione.

Utilizzando una vasta gamma di dati molecolari, gli scienziati possono ora studiare le interazioni tra gli elementi costitutivi, con l'obiettivo finale di comprendere la chiave di come emerge la vita.

"Volevamo sapere se le reti biologiche erano speciali rispetto alle reti casuali, e se così fosse, come, "dice Daniele.

Si sono concentrati sul tentativo di trovare un punto di soglia in cui un intero sistema può cambiare in risposta a un piccolo cambiamento. Un tale cambiamento potrebbe sconvolgere profondamente l'equilibrio della vita, creando un'oscillazione del destino decidendo se un organismo sarebbe morto o prosperato.

"In un sistema stabile, gli organismi torneranno sempre al loro stato originale, " spiega Daniels. "In un sistema instabile, l'effetto di un piccolo cambiamento aumenterà e farà sì che l'intero sistema si comporti in modo diverso."

Attraverso test rigorosi delle 67 reti, il team ha scoperto che tutte le reti condividevano una proprietà speciale:esistevano tra due estremi, né troppo stabile né instabile.

Come tale, il team ha riscontrato quella sensibilità, che è una misura di stabilità, era vicino a un punto speciale che i biologi chiamano "criticità, " suggerendo che le reti possono essere adattate evolutivamente a un compromesso ottimale tra stabilità e instabilità.

La vita in bilico

Precedenti studi hanno dimostrato che una manciata di sistemi biologici, dai neuroni alle colonie di formiche, si trovano in questa via di mezzo di criticità e questa nuova ricerca amplia l'elenco dei sistemi viventi in questo stato.

Questo può essere di particolare interesse per gli astrobiologi, come il co-autore Walker che sta cercando la vita su altri pianeti. Comprendere come la vita può assumere varie forme, e perché lo fa, può aiutare a identificare la vita su altri pianeti e determinare come potrebbe apparire diversa dalla vita sulla Terra. Può anche aiutare a informare la nostra ricerca delle origini della vita in laboratorio.

"Ancora non capiamo davvero cosa sia la vita, "dice Walker, "e determinare quali proprietà quantitative, come criticità, distinguere al meglio la vita dalla non vita è un passo importante verso la costruzione di quella comprensione a un livello fondamentale in modo che possiamo riconoscere la vita su altri mondi o nei nostri esperimenti sulla Terra, anche se sembra molto diverso da noi."

I risultati fanno avanzare anche il campo della biologia quantitativa dimostrando che, dai mattoni fondamentali della vita, gli scienziati possono identificare una sensibilità critica comune a un'ampia area della biologia. E promette di far progredire la biologia sintetica consentendo agli scienziati di utilizzare gli elementi costitutivi della vita per costruire in modo più accurato reti biochimiche simili ai sistemi viventi.

"Ogni sistema biologico ha caratteristiche distintive, dalle sue componenti e dalle sue dimensioni alla sua funzione e alle sue interazioni con l'ambiente circostante, " spiega il coautore Hyunju Kim della School of Earth and Space Exploration e del Beyond Center. "In questa ricerca, per la prima volta, siamo in grado di fare collegamenti tra l'ipotesi teorica sulla tendenza universale dei sistemi biologici a mantenere l'equilibrio al medio grado di stabilità e 67 modelli biologici con varie caratteristiche costruiti su dati sperimentali reali".

Oltre a Daniele, Camminatore, e Kim, il team di ricerca interdisciplinare su questo studio comprende i coautori Douglas Moore del Beyond Center, Siyu Zhou del Dipartimento di Fisica, Bradley Karas e Harrison Smith della School of Earth and Space Exploration, e Stuart Kauffman dell'Institute for Systems Biology di Seattle, Washington.

Questa ricerca è emersa da un corso condotto da Walker e Kim sugli approcci di sistemi complessi per comprendere la vita, offerto alla Scuola di Esplorazione della Terra e dello Spazio. Co-autori Karas, Zhou, e Smith erano originariamente studenti della classe all'inizio del progetto.

"Nel nostro progetto di classe, sono stati forniti gli strumenti analitici e i codici per lo studio dei sistemi dinamici generali, e abbiamo dato la possibilità agli studenti di scegliere qualsiasi sistema dinamico a cui fossero interessati, " afferma Kim. "Agli studenti è stato chiesto di modificare l'analisi ei codici per studiare le varie caratteristiche di ciascun sistema selezionato. Di conseguenza, alla fine abbiamo avuto a che fare con molte reti biologiche diverse, indagare aspetti più diversi di tali sistemi, e sviluppato più codici e strumenti di analisi, anche dopo il completamento della lezione."