Il comportamento degli organismi viventi potrebbe obbedire alle stesse leggi matematiche dei fenomeni fisici, come il tempo e il moto dei pianeti, afferma una nuova ricerca dell'Unità di teoria della fisica biologica presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST).

La fisica ha una storia di successo nella previsione e nella modellazione del movimento su scale molto diverse, dalle molecole ai buchi neri in collisione. Ma quando si tratta del comportamento degli organismi viventi, il concetto è ancora molto nuovo. Dottorato di ricerca OIST recente laureato, Dottor Tosif Ahamed, fa parte di un gruppo di scienziati che sono pionieri in questo campo. La sua ricerca, pubblicato in Fisica della natura , usava una specie di minuscolo verme, Caenorhabditis elegans , proporre un quadro per catturare la struttura matematica sottostante gli animali in movimento.

"Le neuroscienze tendono a concentrarsi su ciò che accade all'interno del cervello, "Il dottor Ahamed ha detto. "Ma questo è spesso espresso attraverso il movimento e il comportamento di un animale. Perciò, comprendere il loro comportamento ci dà una finestra sul loro cervello. Recentemente, c'è stata un'esplosione di tecnologia in grado di registrare il comportamento degli animali in alta risoluzione".

Professor Greg Stephens, che guida l'Unità OIST, aggiunto a questo, "Il notevole progresso tecnologico ha consentito nuove, misurazioni di precisione di sistemi viventi su tutte le scale, dalle molecole di DNA alle cellule cerebrali, a interi organismi. Ma attualmente manca un quadro fondamentale per comprendere le dinamiche di questi sistemi e le sequenze di misurazioni nel tempo. Il nostro lavoro qui riportato aiuterà a cambiarlo".

C. elegans sono state una specie importante per molti progetti innovativi in ​​biologia e neuroscienza, ma è la loro semplicità che le ha rese ideali per questo studio. Come ha spiegato il dottor Ahamed, matematicamente parlando, la forma dei vermi su una lastra 2-D è semplicemente una curva, che è relativamente facile da descrivere.

Il gruppo di ricerca, che includeva il Dr. Antonio Costa della Vrije Universiteit Amsterdam, utilizzato registrazioni high-video del worm, e ha convertito la forma in ogni fotogramma in un insieme di numeri. Per fare questo, hanno diviso il verme in 100 punti e misurato gli angoli tangenti in questi punti. I ricercatori avevano precedentemente scoperto che la postura di un verme poteva essere rappresentata solo da quattro forme stereotipate, per cui hanno soprannominato 'autovermi'. Essenzialmente, mescolando questi autovermi in quantità diverse, chiunque può disegnare l'aspetto di un verme in un dato istante.

Ma in questo studio i ricercatori hanno guardato più in profondità. Invece di attirare il verme in un istante, hanno cercato di 'disegnare' le dinamiche del suo comportamento, essenzialmente per trovare la struttura in una sequenza di forme di verme.

L'analogia del pendolo

Mostra a qualcuno il punto istantaneo di un pendolo oscillante e sarà in grado di immaginare come appare in quel momento, ma questo non dice loro nulla su ciò che sta facendo il pendolo. Ma mostra a qualcuno il punto corrente e un punto aggiuntivo in un momento precedente, e sapranno tutto sia su ciò che il pendolo sta facendo ora sia su ciò che farà in futuro.

Il gruppo di ricerca ha adottato un approccio simile durante lo studio degli animali, ma questo era molto più complicato che con il pendolo. All'inizio i ricercatori hanno dovuto sviluppare una nuova metrica di prevedibilità. Questo misura la durata per la quale il futuro di un sistema potrebbe essere previsto meglio di una semplice ipotesi casuale. Hanno quindi raccolto sequenze di forme e le hanno utilizzate per definire lo stato attuale di un worm. I ricercatori hanno trovato sette sequenze di forme stereotipate, tutto ciò era straordinariamente interpretabile.

Però, a differenza del pendolo, i ricercatori non potevano prevedere il comportamento del worm a tempo indeterminato. "È come con il tempo, "Il dottor Ahamed ha detto. "Siamo a un punto in cui possiamo prevedere il tempo con un alto livello di certezza per oggi e domani, ma dopo diventa abbastanza casuale. Se so cosa sta facendo un verme ora, allora posso dirti con sicurezza cosa farà nell'istante successivo. Ma quando arriviamo a due o tre secondi dopo, diventa più difficile".

Il dottor Ahamed ha voluto esplorare il motivo per cui il movimento è così imprevedibile. Un'ulteriore analisi dei loro dati ha suggerito che le dinamiche caotiche potrebbero svolgere un ruolo.

La dinamica caotica si riferisce a sistemi in cui piccole incertezze nelle misurazioni possono rendere impossibili le previsioni a lungo termine. Questo può accadere anche quando un sistema non è influenzato da fluttuazioni casuali.

Un classico esempio di questo è un doppio pendolo. Anche se più pendoli doppi vengono avviati più o meno dalla stessa posizione, i pendoli faranno movimenti molto diversi dopo un breve periodo di tempo.

Il gruppo di ricerca ha esplorato queste idee con i vermi. Hanno scoperto che se due worm iniziano con comportamenti simili, continueranno ad agire allo stesso modo per un breve periodo (circa un secondo) prima che il loro comportamento diverga. Sorprendentemente, il tempo necessario affinché questa divergenza si verifichi è determinato da una quantità matematica, che è una misura fondamentale della prevedibilità nei sistemi caotici.

Hanno anche osservato il movimento attraverso una lente più basata sulla geometria, mappando tutti i punti che un verme era stato per formare una forma. Sorprendentemente, i loro risultati hanno mostrato che la struttura matematica alla base del comportamento dei vermi è strettamente correlata a quella che governa i fenomeni di conservazione dell'energia. Questo era inaspettato come vermi, come tutti i sistemi biologici, perdere energia attraverso l'attrito ambientale e l'uso muscolare.

"Non ci saremmo mai aspettati di trovare questa struttura alla base del comportamento, " ha spiegato il dottor Ahamed. "E 'stata sicuramente la parte più sorprendente di questa ricerca".

Sebbene questo studio abbia esaminato specificamente C. elegans , il framework sviluppato dovrebbe essere utilizzabile in tutto il mondo biologico.

"La gente generalmente non pensa che gli organismi viventi possano essere modellati matematicamente, " ha detto il dottor Ahamed. "Ma c'è un numero finito di movimenti che ogni animale può fare e c'è una probabilità misurabile che faranno certi movimenti su altri. Siamo ora nella fase in cui possiamo trovare strutture matematiche. Prossimo, svilupperemo equazioni e modelli per spiegare questi quadri".