O que é e não é possível para a evolução natural pode ser explicado usando modelos e cálculos da física teórica, dizem pesquisadores no Japão.

Teoricamente, cada componente de cada produto químico em cada célula de todos os organismos vivos pode variar independentemente de todos os outros, uma situação que os pesquisadores chamam de alta dimensionalidade. Na realidade, a evolução não produz todos os resultados possíveis.

Os especialistas têm notado de forma consistente que os organismos parecem estar restritos a um baixo nível de dimensionalidade, o que significa que seus blocos de construção essenciais parecem estar ligados uns aos outros. Por exemplo, se A aumenta, então B sempre diminui.

"As bactérias têm milhares de tipos de proteínas, então, em teoria, esses poderiam ser milhares de pontos dimensionais em ambientes diferentes. Contudo, vemos que a variação se ajusta a uma curva unidimensional ou superfície de baixa dimensão, independentemente do ambiente, "disse o professor Kunihiko Kaneko, um especialista em biologia teórica do Centro de Pesquisa para Biologia de Sistemas Complexos da Universidade de Tóquio e um autor da recente publicação de pesquisa.

Para explicar esta baixa dimensionalidade, os pesquisadores simplificaram o mundo natural para se ajustar aos modelos físicos idealizados e procuraram qualquer estrutura matemática dentro da complexidade biológica.

Os pesquisadores há muito usam modelos estatísticos da física para caracterizar as transições de certos materiais de estados não magnéticos para magnéticos. Esses modelos usam representações simplificadas dos elétrons girando em ímãs. Se os giros estiverem alinhados, o conjunto de spins mostra o arranjo ordenado e magnético. Quando os spins perdem o alinhamento, há uma transição para um estado desordenado e não magnético. No modelo de biologia dos pesquisadores, em vez de um giro para cima ou para baixo, um gene pode estar ativo ou inativo.

"Aplicamos o mesmo método a este experimento, para observar quais condições eram necessárias para sair de uma desordem, estado de alta dimensionalidade para um estado ordenado, estado de baixa dimensionalidade, "disse o professor associado Ayaka Sakata do Instituto de Matemática Estatística de Tóquio, primeiro autor da publicação da pesquisa.

Um componente essencial desses modelos de física estatística é o ruído de fundo, o nível de imprevisibilidade inerente que pode ser silencioso e quase inexistente ou alto e totalmente opressor. Para organismos vivos, ruído representa pequenas variações ambientais que podem mudar a forma como os genes são expressos, causando diferentes padrões de expressão gênica, mesmo entre organismos com genes idênticos, como gêmeos ou plantas que se reproduzem por clonagem.

Nos modelos matemáticos dos pesquisadores, mudar o volume do ruído ambiental mudou o número de dimensões na complexidade evolutiva.

A evolução simulada por computador de centenas de genes sob baixos níveis de ruído ambiental levou a alta dimensionalidade, expressão gênica variando de muitas maneiras, sem mudanças organizadas. A evolução simulada sob altos níveis de ruído ambiental também levou a uma alta variabilidade, onde as expressões gênicas mudam aleatoriamente, significando nenhuma organização nem estados funcionais de expressão gênica.

"Podemos imaginar que os organismos em qualquer uma dessas condições extremas de ruído não seriam evolutivamente adequados - eles seriam extintos porque não poderiam responder às mudanças em seu ambiente, "disse Kaneko.

Quando os níveis de ruído eram moderados, a evolução simulada por computador de centenas de genes levou a um modelo em que a mudança na expressão do gene seguiu uma curva unidimensional, como visto na vida real.

"Com o nível de ruído ambiental adequado, um organismo que é robusto e sensível ao seu ambiente pode evoluir, "disse Kaneko.