Wissenschaftler entdecken, dass „reine Mathematik“ in der Evolutionsgenetik geschrieben steht: ScienceAlert

Mathematiker genießen die Schönheit der Mathematik, die viele von uns nie sehen. Aber die Natur ist eine wunderbare Welt, in der die Schönheit, die sich aus mathematischen Zusammenhängen ergibt, beobachtet werden kann.

Die Natur bietet scheinbar endlose Muster, die auf Zahlen basieren – sofern wir sie erkennen können.

Zu unserem Glück hat ein vielfältiges Forscherteam gerade einen weiteren erstaunlichen Zusammenhang zwischen Mathematik und Natur entdeckt; Zwischen einer der reinsten Formen der Mathematik, der Zahlentheorie, und den Mechanismen, die die Evolution des Lebens auf molekularer Ebene steuern, der Genetik.

So abstrakt es auch sein mag, Zahlentheorie Für viele von uns ist es möglicherweise auch eine der bekanntesten Formen der Mathematik. Es umfasst Multiplikation, Subtraktion, Division und Addition (arithmetische Funktionen) von ganzen Zahlen oder ganzen Zahlen und ihren negativen Gegenstücken.

Der Berühmte Fibonacci-Folge Dies ist nur ein Beispiel, bei dem jede Zahl in der Folge die Summe der beiden vorherigen Zahlen ist. Seine Muster sind überall in der Natur zu finden, in Tannenzapfen, Ananas und Sonnenblumenkernen.

„Die Schönheit der Zahlentheorie liegt nicht nur in den abstrakten Beziehungen, die sie zwischen ganzen Zahlen offenbart, sondern auch in den tiefen mathematischen Strukturen, die sie in unserer natürlichen Welt beleuchtet.“ Er erklärt Der Oxford-Mathematiker Ard Lewis, Hauptautor der neuen Studie.

Von Interesse für Lewis und seine Kollegen waren Mutationen, dabei handelt es sich um genetische Fehler, die sich im Laufe der Zeit in das Genom eines Organismus einschleichen und zur Evolution führen.

Bei einigen Mutationen kann es sich um eine Änderung eines einzelnen Buchstabens in der genetischen Sequenz handeln, die Krankheiten verursacht oder einen unerwarteten Vorteil mit sich bringt, während andere Mutationen möglicherweise keine spürbare Auswirkung auf das Aussehen, die Merkmale oder das Verhalten (Phänotyp) eines Organismus haben.

Letztere werden manchmal als neutrale Mutationen bezeichnet und obwohl sie keine spürbare Wirkung haben, sind sie Indikatoren für die Evolution in Aktion. Mutationen häufen sich im Laufe der Zeit mit konstanter Geschwindigkeit an und prägen die genetischen Beziehungen zwischen Organismen, während sie sich langsam von einem gemeinsamen Vorfahren entfernen.

Allerdings müssen Organismen in der Lage sein, einige Mutationen zu tolerieren, um ihren charakteristischen Phänotyp beizubehalten, während die genetische Lotterie weiterhin Alternativen dazu verteilt Vielleicht ja vielleicht nein nützlich sein.

So heißt es Mutationsrobustheit Es erzeugt genetische Vielfalt, variiert jedoch zwischen den Arten und kann sogar in Proteinen innerhalb von Zellen beobachtet werden.

Die untersuchten Proteine ​​können etwa zwei Drittel der zufälligen Fehler in ihren Kodierungssequenzen tolerieren 66 % der Mutationen Es ist neutral und hat keinen Einfluss auf das endgültige Erscheinungsbild.

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass viele biologische Systeme eine bemerkenswert hohe scheinbare Robustheit aufweisen, ohne die eine Evolution nicht möglich wäre.“ Er erklärt Louis.

„Aber wir wussten nicht, wie hoch die absolute Maximalleistung ist und ob es ein Maximum gibt.“

Um dies zu untersuchen, suchten Lewis und seine Kollegen nach Proteinfaltung Und Kleine RNA-Strukturen Als Beispiele dafür, wie eine einzigartige genetische Sequenz, ein sogenannter Genotyp, einen bestimmten Phänotyp oder ein bestimmtes Merkmal zuordnet.

Bei Proteinen zeigt eine kurze DNA-Sequenz die Bausteine ​​des Proteins, die zusammengefügt seine Form kodieren.

Die Sekundärstrukturen der Ribonukleinsäure (RNA) sind kleiner als Proteine; Frei schwebende Stränge des genetischen Codes, die beim Aufbau von Proteinen helfen.

Lewis und seine Kollegen fragten sich, wie nah die Natur daran war, die Obergrenzen der Mutationsstärke zu erreichen, und führten daher numerische Simulationen durch, um die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen.

Sie untersuchten die abstrakten mathematischen Merkmale, wie viele genetische Variationen einem bestimmten Phänotyp zugeordnet werden können, ohne ihn zu verändern, und zeigten, dass die Mutationskraft in natürlich vorkommenden Proteinen und RNA-Strukturen tatsächlich maximiert werden kann.

Darüber hinaus folgt die maximale Robustheit einem sich selbst wiederholenden fraktalen Muster namens a Blancman-Kurveund es stand im Einklang mit dem Grundkonzept der Zahlentheorie, genannt Brechen Sie die Summe der Zahlen.

„Wir haben bei der Kartierung von Sequenzen auf RNA-Sekundärstrukturen klare Beweise dafür gefunden, dass die Natur in manchen Fällen ein präzises Maximum an Stärke erreicht.“ sagen Vaibhav Mohanty von der Harvard Medical School.

„Es ist, als ob die Biologie um die Funktion der Summe rationaler Zahlen wüsste.“

Wieder einmal scheint die Mathematik ein grundlegendes Element der Natur zu sein, das der physischen Welt sogar auf mikroskopischer Ebene Struktur verleiht.

Die Studie wurde veröffentlicht in Zeitschrift der Royal Society Interface.