Os biólogos sabem muito sobre como a vida funciona, mas eles ainda estão descobrindo as grandes questões de por que a vida existe, porque assume várias formas e tamanhos, e como a vida é capaz de se adaptar de forma surpreendente para preencher todos os cantos da Terra.

Uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Arizona State University descobriu que as respostas a essas perguntas podem estar na capacidade da vida de encontrar um meio-termo, equilíbrio entre robustez e adaptabilidade. Os resultados de seu estudo foram publicados recentemente em Cartas de revisão física .

A importância da estabilidade

A equipe de pesquisa, liderado por Bryan Daniels do Centro de Sistemas Complexos Biossociais com direção da professora Sara Walker da School of Earth and Space Exploration, peneirou os dados para entender melhor as conexões raiz entre 67 redes biológicas que descrevem como os componentes desses sistemas interagem uns com os outros. As redes biológicas são conjuntos de componentes individuais (como proteínas e genes) que interagem entre si para realizar tarefas importantes, como transmitir sinais ou decidir o destino de uma célula. Eles mediram uma série de características matemáticas, simular o comportamento das redes e procurar padrões que forneçam pistas sobre o que as torna tão especiais.

Para realizar seu estudo, eles examinaram dados do banco de dados do Cell Collective. Este rico recurso representa processos biológicos ao longo da vida - encapsulando uma ampla gama de processos biológicos de humanos a animais, plantas, bactérias e vírus. O número de componentes nessas redes variou de cinco nós a 321 nós, abrangendo 6.500 diferentes interações biológicas.

E esses nós incluem muitos dos principais blocos de construção da vida - genes e proteínas que atuam como interruptores principais que controlam a divisão celular, crescimento e morte, e comunicação.

Usando uma grande quantidade de dados moleculares, os cientistas agora podem estudar as interações entre os blocos de construção, com o objetivo final de compreender a chave de como a vida surge.

"Queríamos saber se as redes biológicas eram especiais em comparação com as redes aleatórias, e se, Como as, "diz Daniels.

Eles se concentraram em tentar encontrar um ponto limite no qual um sistema inteiro pudesse mudar em resposta a apenas uma pequena mudança. Essa mudança pode perturbar profundamente o equilíbrio da vida, criando uma gangorra do destino decidindo se um organismo morreria ou prosperaria.

"Em um sistema estável, organismos sempre voltarão ao seu estado original, "explica Daniels." Em um sistema instável, o efeito de uma pequena mudança aumentará e fará com que todo o sistema se comporte de maneira diferente. "

Por meio de testes rigorosos das 67 redes, a equipe descobriu que todas as redes compartilhavam uma propriedade especial:elas existiam entre dois extremos, nem muito estável nem instável.

Como tal, a equipe descobriu essa sensibilidade, que é uma medida de estabilidade, estava perto de um ponto especial que os biólogos chamam de "criticidade, "sugerindo que as redes podem ser evolutivamente adaptadas a um equilíbrio ideal entre estabilidade e instabilidade.

Vida em equilíbrio

Estudos anteriores mostraram que um punhado de sistemas biológicos, de neurônios a colônias de formigas, encontram-se neste meio-termo de criticidade e esta nova pesquisa expande a lista de sistemas vivos neste estado.

Isso pode ser de particular interesse para astrobiólogos, como o co-autor Walker, que está em busca de vida em outros planetas. Compreender como a vida pode assumir várias formas, e por que isso acontece, pode ajudar a identificar a vida em outros planetas e determinar como pode ser diferente da vida na Terra. Também pode ajudar a informar nossa busca pelas origens da vida no laboratório.

"Ainda não entendemos realmente o que é a vida, "diz Walker, "e determinar quais propriedades quantitativas, como criticidade, distinguir melhor a vida da não-vida é um passo importante para a construção dessa compreensão em um nível fundamental para que possamos reconhecer a vida em outros mundos ou em nossos experimentos na Terra, mesmo que pareça muito diferente de nós. "

As descobertas também avançam no campo da biologia quantitativa, mostrando que, desde os blocos básicos de construção da vida, os cientistas podem identificar uma sensibilidade crítica comum em uma grande área da biologia. E promete avançar a biologia sintética, permitindo que os cientistas usem os blocos de construção da vida para construir redes bioquímicas que são semelhantes aos sistemas vivos com mais precisão.

"Cada sistema biológico tem características distintas, desde seus componentes e seu tamanho até sua função e suas interações com o ambiente circundante, "explica o co-autor Hyunju Kim da Escola de Exploração da Terra e do Espaço e o Centro Além." Nesta pesquisa, pela primeira vez, somos capazes de fazer conexões entre a hipótese teórica sobre a tendência universal dos sistemas biológicos de manter o equilíbrio em um grau médio de estabilidade e 67 modelos biológicos com várias características construídos em dados experimentais reais. "

Além de Daniels, Andador, e Kim, a equipe de pesquisa interdisciplinar neste estudo inclui os co-autores Douglas Moore do Beyond Center, Siyu Zhou, do Departamento de Física, Bradley Karas e Harrison Smith, da Escola da Terra e Exploração Espacial, e Stuart Kauffman do Institute for Systems Biology em Seattle, Washington.

Esta pesquisa surgiu de um curso conduzido por Walker e Kim sobre abordagens de sistemas complexos para a compreensão da vida, oferecido na Escola de Exploração Terrestre e Espacial. Co-autores Karas, Zhou, e Smith eram originalmente alunos da classe quando o projeto começou.

"Em nosso projeto de aula, as ferramentas analíticas e códigos para estudar sistemas dinâmicos gerais foram fornecidos, e demos aos alunos a opção de escolher qualquer sistema dinâmico em que estivessem interessados, "diz Kim." Os alunos foram solicitados a modificar a análise e os códigos para estudar vários recursos de cada sistema selecionado. Como resultado, acabamos lidando com muitas redes biológicas diferentes, investigando aspectos mais diversos desses sistemas, e desenvolveu mais códigos e ferramentas de análise, mesmo após o término da aula. "