La catégorisation des organismes en espèces, comme les pinsons de Darwin (ci-dessus), a généré des débats controversés dans la communauté de la biologie. Maintenant, un chercheur de SEAS demande s'il existe un meilleur moyen. Crédit :CC
Même Charles Darwin, l'auteur de "L'Origine des espèces", avait un problème avec les espèces.
« J'ai été très frappé de voir à quel point la distinction entre espèces et variétés est totalement vague et arbitraire, " Darwin a écrit dans son ouvrage fondateur de 1859.
La catégorisation des espèces peut devenir particulièrement floue à petite, échelles microbiennes. Après tout, la définition classique des espèces en tant qu'individus se reproduisant avec une progéniture sexuellement viable ne s'applique pas aux organismes asexués. Examiner l'ADN partagé n'aide pas non plus :collectivement, E. coli les bactéries n'ont que 20 pour cent de gènes en commun. Le processus de classification devient encore plus délicat car de nombreux microbes travaillent si étroitement qu'il n'est pas clair comment appeler des organismes séparés, encore moins séparer les espèces.
Les problèmes de classification génèrent des débats controversés dans la communauté de la biologie. Mais, pour le stagiaire postdoctoral Mikhail Tikhonov, le débat controversé d'un domaine est le terrain de jeu théorique d'un autre. Dans de nouvelles recherches, il demande :les interactions entre organismes pourraient-elles être décrites sans mentionner du tout les espèces ?
« La question des espèces est un défi passionnant pour la physique théorique, " dit Tikhonov, qui a récemment quitté la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) pour un poste à l'Université de Stanford. "Intuitivement, l'introduction d'une classification semble inévitable, et les alternatives sont difficiles à imaginer. Mais la physique théorique est vraiment douée pour utiliser les mathématiques pour aller au-delà de ce qui semble intuitif."
Dans un article publié en Examen de physique E , Tikhonov présente un cadre pour repenser le langage de la classification des espèces. Les modèles classiques de la biologie partent de l'hypothèse que les différences entre les espèces sont, pour la plupart, clairement défini, et que les cas où les différences ne sont pas aussi claires peuvent être réglés plus tard.
Le regroupement d'organismes en espèces distinctes est souvent problématique (b). Plutôt que de décrire le monde naturel comme une déviation d'un cas parfaitement groupé (a), ce travail propose une construction théorique où la structure peut être progressivement ajoutée à une écologie totalement désordonnée sans espèce (c). Crédit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
Empruntant une idée à la physique de la matière condensée, Tikhonov adopte l'approche inverse qui commence par un désordre complet et ajoute progressivement de petites quantités de structure.
« Au lieu de penser aux espèces, et si nous imaginions une communauté microbienne comme une soupe d'organismes gratuite et ajoutions une structure petit à petit - comme ce gène a tendance à s'associer à ce gène, " dit Tikhonov. " En faisant cela, on peut se poser des questions sur la dynamique du système dans son ensemble. Nous pouvons demander, comment l'évolution agit-elle sur la structure au sein d'une communauté, plutôt que sur une espèce ?"
Cette question n'est pas seulement intéressante sur le plan théorique, mais pourrait avoir des implications dans le monde réel dans la compréhension et le traitement des maladies humaines. Alors que certaines maladies (comme la pneumonie ou la méningite) ont des coupables spécifiques, beaucoup d'autres (comme l'obésité ou le diabète de type II) semblent être associés à un dysfonctionnement au niveau communautaire de notre microbiome - les communautés bactériennes très diverses qui vivent sur et à l'intérieur de notre corps. Pour comprendre ces maladies, les chercheurs doivent comprendre comment le système fonctionne dans son ensemble.
"Dans tes tripes, il existe des centaines de types différents de bactéries faisant des centaines de choses différentes et nous ne pouvons pas écrire une équation différentielle pour chacun d'eux, " a déclaré Tikhonov. " Même dans les cas où nous savons ce que chacun fait individuellement, nous voyons des effets collectifs que vous auriez du mal à prévoir à partir des comportements individuels. Outre, chaque personne a une composition différente de microbes, donc si jamais nous voulons comprendre ou manipuler ces systèmes, nous devons penser à l'ensemble, plutôt que les pièces."
Il y a encore un long chemin à parcourir, mais la physique théorique et les mathématiques appliquées peuvent jouer un rôle dans la résolution de ce débat biologique de longue date. À certains égards, la vie microbienne est comme le monde quantique de la physique des particules :ni l'un ni l'autre n'est directement accessible à nos sens, et donc ni l'un ni l'autre n'a à se conformer à l'intuition dérivée de nos expériences quotidiennes. Quand l'intuition échoue, les mathématiques montrent la voie.
"Il est difficile de comprendre comment, en mécanique quantique, une particule peut être à la fois une entité singulière et une onde étalée. Le monde bactérien n'a pas de raison d'être moins surprenant, " dit Tikhonov.
