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自然進化什麼是可能，什麼是不可能？可以使用理論物理的模型和計算來解釋。從理論上講，所有活著的有機體的每個細胞中的每種化學物質的每一種成分都可以獨立於所有其他成分而變化，科學家將這種情況稱為高維，在現實中，進化並不會產生所有可能的結果。科學家們一直注意到，生物體似乎被限制在較低的維度水平，這意味著其基本構件似乎是相互聯繫的。
例如，如果A增加，那麼B總是減少。東京大學複雜系統生物學研究中心理論生物學專家金子邦彥教授說：細菌有數千種蛋白質，所以從理論上講，這些蛋白質可能是不同環境中的數千個維點，然而研究發現，無論環境如何，這種變化都符合一維曲線或低維表面。為了解釋這種低維現象，研究人員簡化了自然界，以符合理想化的物理模型，並在生物複雜性內尋找任何數學結構，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。
長期以來，研究人員一直使用統計物理模型來描述某些材料從非磁性狀態到磁性狀態的轉變。這些模型使用磁鐵中旋轉電子的簡化表示，如果自旋對齊，自旋的集合顯示出有序和磁性的排列。當自旋失去排列時，就會轉變為無序和非磁性狀態。在研究人員的生物學模型中，基因可以是活躍的，也可以是不活躍的，而不是自旋向上或向下旋轉。研究的第一作者、東京統計數學研究所副教授Ayaka Sakata說：
將同樣的方法應用於這項實驗，觀察從無序的高維狀態到有序的低維狀態需要什麼條件。這些統計物理模型的一個重要組成部分是背景噪聲，這是一種內在的不可預測性水平，可以是安靜的幾乎不存在，也可以是響亮的完全壓倒一切。對於活著的有機體來說，噪音代表著微小的環境變化，可以改變基因的表達方式，甚至在擁有相同基因的有機體之間也會導致不同的基因表達模式，比如通過克隆繁殖的雙胞胎或植物。
在研究人員的數學模型中，改變環境噪音的音量改變了進化複雜性中的維度數量。計算機模擬的數百個基因在低水平環境噪音下的進化導致了高維，基因表達以太多的方式變化，而沒有組織的變化。在高環境噪聲水平下的模擬進化也導致了高度的可變性，其中基因表達隨機變化，這意味著基因表達沒有組織或功能狀態。可以想像，處於這兩種極端噪音條件下的生物體在進化上都不適合，即它們會滅絕，因為它們不能對環境的變化做出反應。
當噪音水平適中時，數百個基因的計算機模擬進化產生了一個模型，在該模型中，基因表達的變化遵循一維曲線，就像在現實生活中看到的那樣。在適當的環境噪音水平下，對環境既穩定又敏感的有機體可以進化。
博科園｜研究/來自：東京大學
研究發表期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.218101
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