奥地利科学技术研究所 信用:CC0公共领域 进化使生物适应并优化它们的生态位
这可以用来预测一个有机体如何进化，但这种预测如何才能得到严格的检验？ 由奥地利科学技术学院(IST)的加什佩尔·特卡奇克教授领导的生物物理学和计算神经科学小组现在已经建立了一个数学框架来实现这一目标
进化适应通常能为不同环境带来的挑战找到巧妙的解决方案，从如何在黑暗的海洋深处生存到创造复杂的器官，如眼睛或耳朵
但是我们能从数学上预测这些结果吗？ 这是推动特克研究小组的关键问题
他们在生物学、物理学和数学的交叉领域工作，将理论概念应用于复杂的生物系统，或者如特卡契克所说:“我们只是想表明，有时预测生物系统的变化是可能的，即使是在与进化这样复杂的动物打交道时
" 多维度爬山 在博士后维基托·米纳尔斯基和博士的联合研究中
D
学生米哈尔·赫莱迪克在小组校友托马斯·索科洛夫斯基的帮助下，向他们的目标迈出了重要的一步，索科洛夫斯基现在在法兰克福高级研究所工作
他们开发了一个统计框架，使用来自复杂生物系统的实验数据来严格测试和量化这样一个系统适应其环境的程度
这种适应性的一个例子是眼睛视网膜的设计，它可以最佳地收集光线以形成清晰的图像，或者是蠕虫神经系统的布线图，它可以确保所有的肌肉和传感器都有效地连接起来，使用最少的神经布线
科学家们基于他们的结果建立的模型将适应表现为在有山有谷的地形上的运动
生物体的特征决定了它在这片土地上的位置
随着进化的进行，生物适应了它的生态位，它爬向其中一座山的顶峰
更好的适应导致在环境中更好的表现——例如，产生更多的后代——这反过来反映在这个景观的更高海拔上
因此，视力敏锐的猎鹰比在相同环境下视力更差的鸟的祖先处于更高的位置
由米纳尔斯基、赫莱迪克和他的同事们提出的新框架允许他们量化生物体适应其生态位的程度
在一个有山脉和山谷的二维地形上，计算海拔看起来很简单，但是真正的生物系统要复杂得多
影响它的因素还有很多，这导致景观有了更多的维度
在这里，直觉失灵了，研究人员需要严格的统计工具来量化适应性，并根据实验数据测试其预测
这就是新框架所提供的
在科学中搭建桥梁 IST为跨学科合作提供了肥沃的土壤
wiktor mynarski最初来自计算机科学，对将数学概念应用于生物系统感兴趣
“这篇论文综合了我的许多科学兴趣，汇集了不同的生物系统和概念方法，”他描述了最近的这项研究
在他的跨学科研究中，米歇尔·赫莱迪克在奥地利IST的进化遗传学领域与特克集团和尼古拉斯·巴顿领导的研究小组合作
加什佩尔·特卡契克本人受到他的博士学位的启发，从物理学的角度研究复杂的生物系统
D
普林斯顿大学顾问威廉·比亚莱克
“在那里，我了解到生活世界并不总是杂乱、复杂，也不是物理理论所能企及的
相反，它可以推动应用物理学和基础物理学的全新发展，”他解释道
“我们的遗产应该是能够指出选定的生物系统，并根据第一原则预测这些系统为什么是现在的样子，而不是局限于描述它们是如何工作的，”特克描述了他的动机
预测应该可以在一个可控的环境中进行，比如相对简单的E
在最佳条件下生长的大肠杆菌
预测的另一个途径是在严格的物理限制下运行的系统，这种限制强烈地限制了进化
一个例子是我们的眼睛需要用最少的能量向大脑传递高分辨率的图像
特克总结道，“从理论上来说，获得一点有机体的复杂性将是‘为什么？’的最终答案人类一直在努力解决的问题
我们最近的工作通过在数学和生物学之间架起一座桥梁，创造了一种解决这个问题的工具
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
