p Até mesmo Charles Darwin, o autor de "A Origem das Espécies", teve um problema com as espécies. p "Fiquei muito impressionado com o quão inteiramente vaga e arbitrária é a distinção entre espécies e variedades, "Darwin escreveu em sua obra seminal de 1859.

p A categorização de espécies pode ser especialmente nebulosa em pequenas, escalas microbianas. Afinal, a definição clássica de espécies como indivíduos que se cruzam com descendentes sexualmente viáveis ​​não se aplica a organismos assexuados. Examinar o DNA compartilhado também não ajuda:coletivamente, E. coli as bactérias têm apenas 20% dos genes em comum. O processo de classificação fica ainda mais complicado, pois muitos micróbios trabalham tão intimamente que não está claro o que chamar de organismos separados, muito menos espécies separadas.

p Os problemas da classificação geram debates polêmicos na comunidade da biologia. Mas, para o colega de pós-doutorado Mikhail Tikhonov, o debate contencioso de um campo é o playground teórico de outro. Em uma nova pesquisa, ele pergunta:As interações dos organismos podem ser descritas sem mencionar as espécies?

p "A questão das espécies é um desafio emocionante para a física teórica, "disse Tikhonov, que recentemente deixou a Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) para um cargo na Universidade de Stanford. "Intuitivamente, introduzir alguma classificação parece inevitável, e as alternativas são difíceis de imaginar. Mas a física teórica é realmente boa em usar a matemática para ir além do que parece intuitivo. "

p Em um artigo publicado em Revisão de Física E , Tikhonov descreve uma estrutura para repensar a linguagem da classificação de espécies. Modelos clássicos de biologia partem do pressuposto de que as diferenças entre as espécies são, em geral, claramente definido, e que os casos em que as diferenças não são tão claras podem ser resolvidos posteriormente.

p Pegando emprestado uma ideia da física da matéria condensada, Tikhonov adota a abordagem oposta, que começa com a desordem completa e gradualmente adiciona pequenas quantidades de estrutura.

p "Em vez de pensar sobre as espécies, e se imaginássemos uma comunidade microbiana como uma sopa de organismo livre para todos e adicionássemos estrutura aos poucos - como se este gene tenda a se associar com aquele gene, "disse Tikhonov." Fazendo isso, podemos fazer perguntas sobre a dinâmica do sistema como um todo. Nós podemos pergutar, como a evolução atua na estrutura dentro de uma comunidade, ao invés de uma espécie? "

p Esta questão não é apenas interessante em um nível teórico, mas pode ter implicações no mundo real na compreensão e no tratamento de doenças humanas. Embora algumas doenças (como pneumonia ou meningite) tenham culpados específicos, muitos outros (como obesidade ou diabetes tipo II) parecem estar associados a uma disfunção em nível de comunidade de nosso microbioma - as comunidades bacterianas altamente diversas que vivem em e dentro de nossos corpos. Para entender essas doenças, os pesquisadores devem entender como o sistema funciona como um todo.

p "Em seu intestino, existem centenas de tipos diferentes de bactérias fazendo centenas de coisas diferentes e não podemos escrever uma equação diferencial para todas elas, "disse Tikhonov." Mesmo nos casos em que sabemos o que cada um está fazendo individualmente, vemos efeitos coletivos que dificilmente você conseguiria prever a partir de comportamentos individuais. Além do mais, cada pessoa tem uma composição diferente de micróbios, então, se vamos entender ou manipular esses sistemas, precisamos pensar sobre o todo, em vez das partes. "

p Há ainda um longo caminho a percorrer, mas a física teórica e a matemática aplicada podem desempenhar um papel na resolução desse debate biológico de longa data. Em algumas formas, a vida microbiana é como o mundo quântico da física de partículas:nenhum dos dois é diretamente acessível aos nossos sentidos, e, portanto, nenhum tem que se conformar com a intuição derivada de nossas experiências do dia-a-dia. Quando a intuição falha, a matemática mostra o caminho.

p "É difícil entender como, na mecânica quântica, uma partícula pode ser uma entidade singular e uma onda espalhada. O mundo bacteriano não tem motivos para ser menos surpreendente, "disse Tikhonov.