Graphique à échelle logarithmique de la valeur attendue du taux de variation du nombre de cellules dans une population commençant par une seule cellule, calculé analytiquement (courbe continue rouge) et comparé à la simulation (cercles bleus). Le taux de changement du nombre de cellules peut être écrit comme la somme des taux de division (lignes paraboliques en pointillés) de toutes les générations. (Haut) En l'absence de contrôle de la taille des cellules, =0, la distribution des temps de division des générations supérieures s'élargit et commence à se chevaucher, amortir les oscillations du taux de croissance. (En bas) En présence même d'un contrôle de petite taille de cellule, =0,1, la distribution des temps de division successifs se rapproche rapidement d'une distribution en régime permanent avec une variance finie conduisant à la persistance d'oscillations dans la croissance de la population. La distribution temporelle des 7e et 18e générations est mise en évidence dans les deux cas à des fins de comparaison. Crédit :arxiv.org/pdf/1809.10217.pdf
Lorsque les mariages familiaux semblent tous coïncider, le phénomène se produit pour une raison. Un individu et ses cousins germains ont tendance à être du même âge, donc leurs mariages ont généralement lieu dans un laps de temps similaire. Mais les mariages pour les membres de la famille élargie, dire cousins au deuxième et troisième degré, ont tendance à être plus étalés. C'est parce que le temps entre une génération à l'autre varie, ce qui signifie que les familles s'étalent de génération en génération.
Une nouvelle étude du post-doctorant de l'Université de Pennsylvanie Farshid Jafarpour du Département de physique et d'astronomie, qui travaille dans le laboratoire d'Andrea Liu, révèle que les variations dans les temps de génération ne s'accumulent pas sur plusieurs générations dans les organismes unicellulaires, comme les bactéries. Il propose une nouvelle théorie, Publié dans Lettres d'examen physique , qui décrit comment les facteurs qui régulent la taille des cellules individuelles influencent le taux de croissance d'une population entière.
Contrairement aux animaux et aux plantes, les bactéries augmentent la taille de leur population simplement en grossissant puis en se divisant en deux pour former deux nouvelles cellules bactériennes. En étudiant les bactéries lorsqu'elles se divisent régulièrement, connu sous le nom de phase de croissance exponentielle, Jafarpour a pu développer un modèle qui décrit mathématiquement cette phase fondamentale de la croissance démographique. "Si vous voulez étudier la physique de la croissance bactérienne, vous voulez vraiment supprimer toutes les autres parties qui ne font pas partie de la phase de croissance, " il dit.
Jafarpour a utilisé une combinaison d'équations mathématiques, simulation informatique, et les données d'expériences de biologie qui ont suivi la croissance de cellules bactériennes individuelles. Il a été surpris de constater que le modèle prédit que les bactéries oscillent entre des poussées de croissance plus lentes et plus rapides, en « éclatements synchronisés de divisions, " au lieu que la population croît à un rythme constant. Ces oscillations de la croissance au niveau de la population offrent désormais une nouvelle, moyen mathématique pour les biologistes de réfléchir et d'étudier la dynamique des populations.
Précédemment, les biologistes savaient que le temps de génération dans les populations bactériennes était directement lié à la taille des cellules individuelles. Si une bactérie se développe trop longtemps, par exemple, ses cellules filles sont plus grandes, et ils doivent se diviser plus tôt pour compenser leur différence de taille. Ce processus, connue sous le nom de régulation de la taille des cellules, annule également une partie de la variabilité du temps de génération, ce qui maintient les temps de division synchronisés les uns avec les autres pendant une période beaucoup plus longue que prévu. C'est cette métrique individuelle de régulation de la taille des cellules qui semble également être à l'origine des oscillations des taux de croissance observées dans le modèle de Jafarpour.
« La variabilité des temps de génération a deux sources différentes :la variabilité de la croissance et la variabilité de la division, " explique Jafarpour. " Le résultat intéressant est que la régulation de la taille des cellules annule complètement la variabilité de la division, donc la seule chose qui reste est la variabilité de la croissance des cellules individuelles. Et, parce que c'est plus petit, les oscillations durent beaucoup plus longtemps que prévu."
Ce nouveau modèle peut désormais être utilisé par les biologistes pour obtenir des informations sur la variabilité des taux de croissance individuels, qui sont difficiles à mesurer en laboratoire mais sont extrêmement importantes pour l'étude de l'évolution bactérienne. Et bien que ce modèle nécessite quelques modifications avant de pouvoir être utilisé pour étudier d'autres espèces, Jafarpour pense qu'aider les biologistes à mieux comprendre la physique qui sous-tend la croissance de la population de bactéries n'est qu'une des nombreuses façons dont la physique peut soutenir le travail effectué par les biologistes.
"La biologie s'est davantage concentrée sur la détermination de la base moléculaire des mécanismes depuis les années 1950 avec la découverte de la structure de l'ADN, mais maintenant nous atteignons un niveau où nous devons revenir en arrière et faire plus d'études quantitatives. Les physiciens ont une longue tradition de travail avec des systèmes du monde réel, savoir appliquer une grande partie des méthodes quantitatives développées en mathématiques et aussi comprendre quelles variables sont pertinentes et quelles variables ne le sont pas, " dit Jafarpour.
