Wissenschaftler haben herausgefunden, dass in Evolutionary Genetics: ScienceAlert „reine Mathematik“ geschrieben steht

Mathematiker genießen die Schönheit der Mathematik, die viele von uns nicht sehen. Aber die Natur ist eine wunderbare Welt, in der man die Schönheit beobachten kann, die durch mathematische Beziehungen entsteht.

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, liegt die Genetik.

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

berühmt Fibonacci-Folge Dies ist nur ein Beispiel, bei dem jede Zahl in der Folge die Summe der beiden vorhergehenden 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 den ganzen Zahlen offenbart, sondern auch in den tiefgreifenden mathematischen Strukturen, die sie in unserer natürlichen Welt beleuchtet.“ Erklären Der Oxford-Mathematiker Ard Lewis ist Hauptautor der neuen Studie.

Von Interesse für Lewis und seine Kollegen waren Mutationen, 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 keine spürbare Auswirkung auf das Aussehen, die Merkmale oder das Verhalten (Phänotyp) des Organismus haben können.

Letztere werden manchmal als neutrale Mutationen bezeichnet und obwohl sie keine erkennbare Wirkung haben, sind sie Indikatoren für die Evolution am Werk. Mutationen häufen sich im Laufe der Zeit stetig an und bilden die genetischen Beziehungen zwischen Organismen ab, 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 die Varianten verteilt Äh, vielleicht auch nicht nützlich sein.

So heißt es Mutationsbeständigkeit Die genetische Vielfalt ist geboren, variiert jedoch zwischen den Arten und kann sogar in intrazellulären Proteinen beobachtet werden.

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

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

„Aber wir wussten nicht, wie hoch die absolute Maximalkraft sein kann und ob es eine Grenze gibt.“

Um dies zu untersuchen, suchten Lewis und seine Kollegen nach Faltungsprotein Und Kleine RNA-Strukturen Als Beispiele dafür, wie eine einzigartige genetische Sequenz, ein sogenannter Genotyp, einem bestimmten Phänotyp oder Merkmal zugeordnet werden kann.

Bei Proteinen beschreibt eine kurze DNA-Sequenz die Bausteine ​​des Proteins, die, wenn sie gruppiert werden, ihre Form kodieren.

Die Sekundärstrukturen der 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 sein würde, die Obergrenzen der Mutationskraft 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 wiederkehrenden fraktalen Muster namens a Blancmange-Kurveund stand im Einklang mit dem Grundkonzept der Zahlentheorie, genannt Brechen Sie die Summe der Zahlen.

„Wir haben bei der Zuordnung von Sequenzen zu RNA-Sekundärstrukturen klare Beweise dafür gefunden, dass die Natur in einigen Fällen die genaue Obergrenze der 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 wesentliches Element der Natur zu sein, das der physischen Welt auch auf mikroskopischer Ebene Struktur verleiht.

Die Studie wurde veröffentlicht in Interface Journal der Royal Society.