Ciò che è e non è possibile per l'evoluzione naturale può essere spiegato utilizzando modelli e calcoli della fisica teorica, dicono i ricercatori in Giappone.

Teoricamente, ogni componente di ogni sostanza chimica in ogni cellula di tutti gli organismi viventi potrebbe variare indipendentemente da tutti gli altri, una situazione che i ricercatori chiamano alta dimensionalità. In realtà, l'evoluzione non produce tutti i risultati possibili.

Gli esperti hanno costantemente notato che gli organismi sembrano essere limitati a un basso livello di dimensionalità, il che significa che i loro elementi costitutivi essenziali sembrano essere collegati tra loro. Per esempio, se A aumenta, allora B decresce sempre.

"I batteri hanno migliaia di tipi di proteine, quindi in teoria potrebbero essere migliaia di punti dimensionali in ambienti diversi. Però, vediamo che la variazione si adatta a una curva unidimensionale o a una superficie a bassa dimensione indipendentemente dall'ambiente, " ha detto il professor Kunihiko Kaneko, un esperto di biologia teorica del Centro di ricerca per la biologia dei sistemi complessi dell'Università di Tokyo e autore della recente pubblicazione di ricerca.

Per spiegare questa bassa dimensionalità, i ricercatori hanno semplificato il mondo naturale per adattarlo a modelli fisici idealizzati e hanno cercato qualsiasi struttura matematica all'interno della complessità biologica.

I ricercatori hanno utilizzato a lungo modelli di fisica statistica per caratterizzare le transizioni di determinati materiali da stati non magnetici a stati magnetici. Questi modelli utilizzano rappresentazioni semplificate degli elettroni rotanti nei magneti. Se gli spin sono allineati, l'insieme dei giri mostra una disposizione ordinata e magnetica. Quando gli spin perdono l'allineamento, c'è una transizione verso uno stato disordinato e non magnetico. Nel modello di biologia dei ricercatori, invece di una rotazione su o giù, un gene potrebbe essere attivo o inattivo.

"Abbiamo applicato lo stesso metodo a questo esperimento, osservare quali condizioni erano necessarie per passare da un disordine, stato ad alta dimensionalità ad uno stato ordinato, stato di bassa dimensionalità, ", ha affermato la professoressa associata Ayaka Sakata dell'Istituto di matematica statistica di Tokyo, primo autore della pubblicazione di ricerca.

Una componente essenziale di questi modelli di fisica statistica è il rumore di fondo, il livello di imprevedibilità intrinseca che può essere silenzioso e quasi inesistente o rumoroso e totalmente opprimente. Per gli organismi viventi, il rumore rappresenta piccole variazioni ambientali che possono cambiare il modo in cui i geni vengono espressi, causando diversi modelli di espressione genica anche tra organismi con geni identici, come gemelli o piante che si riproducono per clonazione.

Nei modelli matematici dei ricercatori, la modifica del volume del rumore ambientale ha modificato il numero delle dimensioni nella complessità evolutiva.

L'evoluzione simulata al computer di centinaia di geni a bassi livelli di rumore ambientale ha portato a un'elevata dimensionalità, espressione genica che varia in troppi modi senza cambiamenti organizzati. L'evoluzione simulata sotto alti livelli di rumore ambientale ha anche portato a un'elevata variabilità in cui le espressioni geniche cambiano in modo casuale, significa nessuna organizzazione né stati funzionali di espressione genica.

"Possiamo immaginare che gli organismi in una di queste condizioni di rumore estremo non sarebbero evolutivamente adatti:si estinguerebbero perché non potrebbero rispondere ai cambiamenti nel loro ambiente, " disse Kaneko.

Quando i livelli di rumore erano moderati, l'evoluzione simulata al computer di centinaia di geni ha portato a un modello in cui il cambiamento nell'espressione genica ha seguito una curva unidimensionale, come si vede nella vita reale.

"Con il livello di rumore ambientale appropriato, un organismo robusto e sensibile al suo ambiente può evolvere, " disse Kaneko.