Ce qui est et n'est pas possible pour l'évolution naturelle peut être expliqué à l'aide de modèles et de calculs issus de la physique théorique, disent des chercheurs au Japon.

Théoriquement, chaque composant de chaque produit chimique dans chaque cellule de tous les organismes vivants pourrait varier indépendamment de tous les autres, une situation que les chercheurs appellent la haute dimensionnalité. En réalité, l'évolution ne produit pas tous les résultats possibles.

Les experts ont constamment remarqué que les organismes semblent être limités à un faible niveau de dimensionnalité, ce qui signifie que leurs blocs de construction essentiels semblent être liés les uns aux autres. Par exemple, si A augmente, alors B diminue toujours.

"Les bactéries ont des milliers de types de protéines, donc en théorie, il pourrait s'agir de milliers de points dimensionnels dans différents environnements. Cependant, nous voyons que la variation correspond à une courbe unidimensionnelle ou à une surface de faible dimension quel que soit l'environnement, " a déclaré le professeur Kunihiko Kaneko, un expert en biologie théorique du Centre de recherche de l'Université de Tokyo pour la biologie des systèmes complexes et un auteur de la récente publication de recherche.

Pour expliquer cette faible dimensionnalité, les chercheurs ont simplifié le monde naturel pour l'adapter à des modèles physiques idéalisés et ont recherché toute structure mathématique au sein de la complexité biologique.

Les chercheurs utilisent depuis longtemps des modèles de physique statistique pour caractériser les transitions de certains matériaux d'états non magnétiques à magnétiques. Ces modèles utilisent des représentations simplifiées des électrons en rotation dans les aimants. Si les tours sont alignés, l'ensemble des spins montre une disposition ordonnée et magnétique. Lorsque les rotations perdent leur alignement, il y a une transition vers un état désordonné et non magnétique. Dans le modèle de biologie des chercheurs, au lieu d'une rotation vers le haut ou vers le bas, un gène peut être actif ou inactif.

"Nous avons appliqué la même méthode à cette expérience, d'observer quelles conditions étaient nécessaires pour passer d'un désordre, état de haute dimensionnalité à un ordre, état de basse dimensionnalité, " a déclaré le professeur agrégé Ayaka Sakata de l'Institut de mathématiques statistiques de Tokyo, premier auteur de la publication de recherche.

Un élément essentiel de ces modèles de physique statistique est le bruit de fond, le niveau d'imprévisibilité inhérent qui peut être silencieux et presque inexistant ou fort et totalement accablant. Pour les organismes vivants, le bruit représente de minuscules variations environnementales qui peuvent changer la façon dont les gènes sont exprimés, provoquant des schémas d'expression génique différents, même entre des organismes possédant des gènes identiques, comme des jumeaux ou des plantes qui se reproduisent par clonage.

Dans les modèles mathématiques des chercheurs, changer le volume du bruit environnemental a changé le nombre de dimensions dans la complexité évolutive.

L'évolution simulée par ordinateur de centaines de gènes sous de faibles niveaux de bruit environnemental a conduit à une haute dimensionnalité, l'expression des gènes variant de trop nombreuses manières sans changements organisés. L'évolution simulée sous des niveaux élevés de bruit environnemental a également conduit à une grande variabilité où les expressions des gènes changent de manière aléatoire, ce qui signifie pas d'organisation ni d'états fonctionnels de l'expression des gènes.

"Nous pouvons imaginer que les organismes dans l'une ou l'autre de ces conditions de bruit extrêmes ne seraient pas adaptés à l'évolution - ils s'éteindraient parce qu'ils ne pourraient pas répondre aux changements de leur environnement, ", a déclaré Kaneko.

Lorsque les niveaux de bruit étaient modérés, l'évolution simulée par ordinateur de centaines de gènes a conduit à un modèle où le changement dans l'expression des gènes suivait une courbe unidimensionnelle, comme on le voit dans la vraie vie.

"Avec le niveau de bruit environnemental approprié, un organisme à la fois robuste et sensible à son environnement peut évoluer, ", a déclaré Kaneko.