进化什么是可能，什么是不可能？生物体似乎被限制在低维度水平

自然进化什么是可能，什么是不可能？可以使用理论物理的模型和计算来解释。从理论上讲，所有活着的有机体的每个细胞中的每种化学物质的每一种成分都可以独立于所有其他成分而变化，科学家将这种情况称为高维，在现实中，进化并不会产生所有可能的结果。科学家们一直注意到，生物体似乎被限制在较低的维度水平，这意味着其基本构件似乎是相互联系的。

例如，如果A增加，那么B总是减少。东京大学复杂系统生物学研究中心理论生物学专家金子邦彦教授说：细菌有数千种蛋白质，所以从理论上讲，这些蛋白质可能是不同环境中的数千个维点，然而研究发现，无论环境如何，这种变化都符合一维曲线或低维表面。为了解释这种低维现象，研究人员简化了自然界，以符合理想化的物理模型，并在生物复杂性内寻找任何数学结构，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。

长期以来，研究人员一直使用统计物理模型来描述某些材料从非磁性状态到磁性状态的转变。这些模型使用磁铁中旋转电子的简化表示，如果自旋对齐，自旋的集合显示出有序和磁性的排列。当自旋失去排列时，就会转变为无序和非磁性状态。在研究人员的生物学模型中，基因可以是活跃的，也可以是不活跃的，而不是自旋向上或向下旋转。研究的第一作者、东京统计数学研究所副教授Ayaka Sakata说：

将同样的方法应用于这项实验，观察从无序的高维状态到有序的低维状态需要什么条件。这些统计物理模型的一个重要组成部分是背景噪声，这是一种内在的不可预测性水平，可以是安静的几乎不存在，也可以是响亮的完全压倒一切。对于活着的有机体来说，噪音代表着微小的环境变化，可以改变基因的表达方式，甚至在拥有相同基因的有机体之间也会导致不同的基因表达模式，比如通过克隆繁殖的双胞胎或植物。

在研究人员的数学模型中，改变环境噪音的音量改变了进化复杂性中的维度数量。计算机模拟的数百个基因在低水平环境噪音下的进化导致了高维，基因表达以太多的方式变化，而没有组织的变化。在高环境噪声水平下的模拟进化也导致了高度的可变性，其中基因表达随机变化，这意味着基因表达没有组织或功能状态。可以想象，处于这两种极端噪音条件下的生物体在进化上都不适合，即它们会灭绝，因为它们不能对环境的变化做出反应。

当噪音水平适中时，数百个基因的计算机模拟进化产生了一个模型，在该模型中，基因表达的变化遵循一维曲线，就像在现实生活中看到的那样。在适当的环境噪音水平下，对环境既稳定又敏感的有机体可以进化。

博科园｜研究/来自：东京大学

研究发表期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.218101

博科园｜科学、科技、科研、科普

关注【博科园】看更多大美宇宙科学