Czy matematyka może wyjaśnić procesy adaptacji biologicznej?Czas czytania: 5 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Homeostaza i inne mechanizmy adaptacyjne

Jedną z podstawowych zdolności organizmów żywych, która umożliwia im dostosowywanie się do zmiennych warunków środowiskowych, jest homeostaza. Pozwala ona na utrzymywanie stałości pewnych parametrów wewnętrznego środowiska organizmu poprzez kontrolowanie i regulowanie dynamicznej równowagi biologicznej, w szczególności hormonalnej, odpornościowej oraz nerwowej. Homeostaza definiowana jest jako podstawowy zautomatyzowany mechanizm regulacyjny organizmów żywych¹.

Pojęcie homeostazy coraz częściej odnosi się także do złożonych systemów regulacji w ekosystemach, a nawet w całej biosferze². Znane są także przykłady, kiedy koncepcja homeostazy była odnoszona do procesów niebiologicznych, na przykład do rozstrzygania problemów ekonomicznych. Antonio i Hanna Damasio twierdzą, że homeostaza, jako system zaaranżowany przez przyrodę, przewyższa swoją skutecznością systemy regulacyjne opracowane przez człowieka, dlatego też analogia do homeostazy, jako samoregulującej się dynamicznej równowagi biologicznej, wydaje się im najbardziej optymalnym podejściem do współczesnej ekonomii³.

W artykule zatytułowanym Universal Structures for Adaptation in Biochemical Reaction Networks [Uniwersalne struktury adaptacyjne w sieciach reakcji biochemicznych], który w kwietniu 2023 roku ukazał się na łamach „Nature Communications”, autorzy przyglądają się mechanizmom adaptacyjnym na poziomie molekularnym⁴. Zauważają, że zdolność systemów biologicznych do przystosowywania się do zmiennych i nieprzewidywalnych warunków oraz do utrzymywania pewnych kluczowych właściwości ma fundamentalne znaczenie dla życia. Zwracają przy tym uwagę, że zdolności adaptacyjne obejmują niemal każdą sferę życia organizmu na wszystkich poziomach organizacji biologicznej: kontrola stężeń minerałów w osoczu, regulacja komórkowych sieci transdukcji sygnału, adaptacja sensoryczna, regulacja pobudzenia neuronów, reakcja stresowa czy u organizmów jednokomórkowych koordynacja chemotaksji⁵.

Adaptacja na poziomie molekularnym

Choć przykładów procesów adaptacyjnych znamy wiele, to jednak Robyn P. Araujo oraz Lance A. Liotta, którzy są autorami przywołanego artykułu, zauważają, że dotychczas trudno było stwierdzić, jak dochodzi do mechanizmu biologicznej adaptacji na poziomie interakcji pomiędzy cząsteczkami. W badaniach określili oni jednak, jak cząsteczki oddziałują na siebie podczas adaptacji do zmieniających się warunków, zachowując przy tym ścisłą kontrolę nad kluczowymi właściwościami, które są niezbędne dla przetrwania⁶.

Autorzy odnoszą się do procesów ewolucyjnych, zwracając uwagę, że u ich podstaw leżą mechanizmy adaptacyjne przejawiające się zarówno na poziomie biologicznym, jak i fizykochemicznym. Następnie podejmują próbę opisu struktur sieci reakcji chemicznych, które są zdolne do adaptacji, identyfikując wymagania strukturalne konieczne dla procesów adaptacyjnych oddziałujących ze sobą cząsteczek. Jedną z najistotniejszych obserwacji w przytoczonych badaniach było to, że w żywych systemach biologicznych cząsteczki nie tylko przekazują sobie sygnały biochemiczne, ale również wydają się dokonywać pewnych operacji obliczeniowych. Według badaczy sieci biochemiczne wykorzystują mechanizmy integralnej kontroli, aby współpraca struktur molekularnych prowadziła do nadania zdolności adaptacyjnych określonym cząsteczkom biochemicznym. Ta integralna kontrola jest opisywana przez autorów jako sieć niezależnych całek (zaczerpniętych z analizy matematycznej), które ze sobą współpracują. Korzystając z opracowanego przez siebie algorytmu algebraicznego, autorzy wykazali istnienie wbudowanych całek w różnych biologicznie istotnych sieciach reakcji biochemicznych⁷.

Jakie ma to znaczenie dla nauki?

Według autorów odkrycie to pozwoli na lepsze zrozumienie skomplikowanych interakcji międzycząsteczkowych w organizmach żywych oraz zgłębienie podstawowych zasad tego, jak zaprojektowane są systemy biologiczne. Araujo i Liotta zwracają także uwagę na wartość dodaną badania, jaką może być coraz powszechniejsze wykorzystywanie matematyki w naukach biologicznych, pozwalające na lepsze zrozumienie zasad, zgodnie z którymi zaprojektowane są systemy biologiczne⁸.

Omawiane badanie niesie za sobą szereg istotnych implikacji. Posiada ono bowiem nie tylko wartość naukową w postaci lepszego zrozumienia interakcji biochemicznych, ale może być także wykorzystane między innymi do badań nad molekularną opornością na leki nowotworowe czy leczenia chorób autoimmunologicznych. Wyjaśnienie mechanizmów molekularnych stojących za adaptacją systemów biologicznych może się więc znacząco przyczynić nie tylko do efektywniejszego prowadzenia badań z zakresu biochemii i biologii molekularnej, ale również do rozwoju medycyny i nauk o zdrowiu. Odkrycie to może być też ważne z punktu widzenia bioinformatyki, biotechnologii i nauk pokrewnych, ponieważ może się przyczynić do rozwoju badań nad adaptacyjnymi sieciami sygnalizacyjnymi oraz nad projektowaniem syntetycznych systemów biologicznych.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 4.8.2023

Literatura: