Wetenschappers ontdekken dat ‘pure wiskunde’ geschreven staat in de evolutionaire genetica: ScienceAlert

Wiskundigen genieten van de schoonheid van wiskunde die velen van ons nooit zien. Maar de natuur is een wonderlijke wereld waarin de schoonheid die voortkomt uit wiskundige relaties kan worden waargenomen.

De natuurlijke wereld biedt schijnbaar eindeloze patronen gebaseerd op getallen – als we ze kunnen herkennen.

Gelukkig voor ons heeft een divers team van onderzoekers zojuist een ander verbazingwekkend verband tussen wiskunde en de natuur ontdekt; Tussen een van de puurste vormen van wiskunde, de getaltheorie, en de mechanismen die de evolutie van het leven op moleculaire schaal beheersen, de genetica.

Hoe abstract het ook mag zijn, Nummer theorie Het is voor velen van ons misschien ook een van de meest bekende vormen van wiskunde. Het omvat vermenigvuldigen, aftrekken, delen en optellen (rekenkundige functies) van gehele getallen, of gehele getallen en hun negatieve tegenhangers.

De beroemde Fibonacci-reeks Dit is slechts één voorbeeld, waarbij elk getal in de reeks de som is van de voorgaande twee getallen. De patronen zijn overal in de natuur terug te vinden, in dennenappels, ananas en zonnebloempitten.

“De schoonheid van de getaltheorie ligt niet alleen in de abstracte relaties die ze tussen gehele getallen onthult, maar ook in de diepe wiskundige structuren die ze in onze natuurlijke wereld belicht.” Hij legt uit Oxford-wiskundige Ard Lewis, hoofdauteur van de nieuwe studie.

Van belang voor Lewis en zijn collega’s waren mutaties, dit zijn genetische fouten die in de loop van de tijd in het genoom van een organisme terechtkomen en tot evolutie leiden.

Sommige mutaties kunnen een verandering van één letter in de genetische sequentie zijn die ziekte veroorzaakt of een onverwacht voordeel oplevert, terwijl andere mutaties geen merkbaar effect kunnen hebben op het uiterlijk, de eigenschappen of het gedrag (fenotype) van een organisme.

Deze laatste worden soms neutrale mutaties genoemd, en hoewel ze geen merkbaar effect hebben, zijn ze indicatoren van evolutie in actie. Mutaties accumuleren met een constante snelheid in de loop van de tijd, waardoor genetische relaties tussen organismen worden gevormd terwijl ze langzaam afwijken van een gemeenschappelijke voorouder.

Organismen moeten echter in staat zijn bepaalde mutaties te tolereren, om hun kenmerkende fenotype te behouden, terwijl de genetische loterij alternatieven blijft verspreiden die Misschien wel misschien niet wees nuttig.

Zo heet het Mutationele robuustheid Het genereert genetische diversiteit, maar varieert tussen soorten en kan zelfs worden waargenomen in eiwitten in cellen.

De onderzochte eiwitten kunnen ongeveer tweederde van de willekeurige fouten in hun coderende sequenties tolereren 66% van de mutaties Het is neutraal en heeft geen invloed op het uiteindelijke uiterlijk.

“We weten al een tijdje dat veel biologische systemen een opmerkelijk hoge schijnbare robuustheid vertonen, zonder welke evolutie niet mogelijk zou zijn.” Hij legt uit Lodewijk.

“Maar we wisten niet wat het absolute maximale vermogen mogelijk was, en of er een maximum was.”

Om dit te onderzoeken keken Lewis en zijn collega’s naar… Eiwit vouwen En Kleine RNA-structuren Als voorbeelden van hoe een unieke genetische sequentie, bekend als een genotype, een specifiek fenotype of eigenschap toewijst.

In het geval van eiwitten toont een korte DNA-sequentie de bouwstenen van het eiwit, die, wanneer ze worden samengevoegd, coderen voor de vorm ervan.

Kleiner dan eiwitten zijn de secundaire structuren van ribonucleïnezuur (RNA); Vrij zwevende strengen genetische code die helpen bij de opbouw van eiwitten.

Lewis en zijn collega’s vroegen zich af hoe dicht de natuur was bij het bereiken van de bovengrenzen van de mutatiesterkte, dus voerden ze numerieke simulaties uit om de kansen te berekenen.

Ze bestudeerden de abstracte wiskundige kenmerken van hoeveel genetische variaties op een bepaald fenotype passen zonder het te veranderen, en toonden aan dat de mutatiekracht inderdaad kan worden gemaximaliseerd in natuurlijk voorkomende eiwitten en RNA-structuren.

Bovendien volgt de maximale robuustheid een zichzelf herhalend fractaal patroon dat a wordt genoemd Blancman-curveen het was consistent met het basisconcept van de getaltheorie, genaamd Breek de som van getallen.

“We hebben bij het in kaart brengen van sequenties naar secundaire RNA-structuren duidelijk bewijs gevonden dat de natuur in sommige gevallen een nauwkeurig maximum in sterkte bereikt.” Hij zegt Vaibhav Mohanty, van de Harvard Medical School.

“Het is alsof de biologie weet wat de functie is van de som van rationale getallen.”

Opnieuw lijkt wiskunde een fundamenteel element van de natuur te zijn, dat structuur geeft aan de fysieke wereld, zelfs op microscopisch niveau.

Het onderzoek is gepubliceerd in Tijdschrift van de Royal Society Interface.