Обнаружена неожиданная связь между чистой математикой и генетикой
Междисциплинарная группа математиков, инженеров, физиков и ученых-медиков обнаружила неожиданную связь, которая раскрывает ключевое понимание структуры нейтральных мутаций и эволюции организмов.
Теория чисел, изучение свойств целых положительных чисел, пожалуй, самая чистая форма математики. На первый взгляд это может показаться слишком абстрактным для применения к миру природы. Фактически, влиятельный американский теоретик чисел Леонард Диксон писал: «Слава Богу, что теория чисел не запятнана никаким приложением».
И тем не менее, снова и снова теория чисел находит неожиданные применения в науке и технике, от углов листа, которые (почти) повсеместно следуют последовательности Фибоначчи, до современных методов шифрования, основанных на разложении простых чисел на множители. Теперь исследователи продемонстрировали неожиданную связь между теорией чисел и эволюционной генетикой.
В частности, группа исследователей (из Оксфорда, Гарварда, Кембриджа, GUST, MIT, Imperial и Института Алана Тьюринга) обнаружила глубокую связь между функцией суммы цифр из теории чисел и ключевой величиной в генетике, мутационная устойчивость фенотипа. Это качество определяется как средняя вероятность того, что точечная мутация не изменит фенотип (признак организма).
Открытие может иметь важные последствия для эволюционной генетики. Многие генетические мутации нейтральны, а это означает, что они могут медленно накапливаться с течением времени, не влияя на жизнеспособность фенотипа. Эти нейтральные мутации заставляют последовательности генома изменяться с постоянной скоростью с течением времени. Поскольку эта скорость известна, ученые могут сравнить процентную разницу в последовательности между двумя организмами и сделать вывод, когда жил их последний общий предок.
Но существование этих нейтральных мутаций поставило важный вопрос: какая часть мутаций в последовательности нейтральна? Это свойство, называемое устойчивостью к мутациям фенотипа, определяет среднее количество мутаций, которые могут произойти во всех последовательностях, не влияя на фенотип.
— Ард Луи, ведущий автор исследования и профессор Оксфордского университета.
Именно на этот вопрос и ответила команда. Они доказали, что максимальная надежность пропорциональна логарифму доли всех возможных последовательностей, которые соответствуют фенотипу, с поправкой, которая задается функцией сумм цифр sk (n), определяемой как сумма цифр, а натуральное число n по основанию k. Например, для n = 123 по основанию 10 сумма цифр будет равна s10(123) = 1 + 2 + 3 = 6.
Еще одним сюрпризом стало то, что максимальная устойчивость также оказалась связанной со знаменитой функцией Тагаки, причудливой функцией, которая везде непрерывна, но нигде не дифференцируема. Эту фрактальную функцию также называют кривой бланманже, потому что она похожа на французский десерт.
— доктор Вайбхав Моханти (Гарвардская медицинская школа).
Теория чисел, изучение свойств целых положительных чисел, пожалуй, самая чистая форма математики. На первый взгляд это может показаться слишком абстрактным для применения к миру природы. Фактически, влиятельный американский теоретик чисел Леонард Диксон писал: «Слава Богу, что теория чисел не запятнана никаким приложением».
И тем не менее, снова и снова теория чисел находит неожиданные применения в науке и технике, от углов листа, которые (почти) повсеместно следуют последовательности Фибоначчи, до современных методов шифрования, основанных на разложении простых чисел на множители. Теперь исследователи продемонстрировали неожиданную связь между теорией чисел и эволюционной генетикой.
В частности, группа исследователей (из Оксфорда, Гарварда, Кембриджа, GUST, MIT, Imperial и Института Алана Тьюринга) обнаружила глубокую связь между функцией суммы цифр из теории чисел и ключевой величиной в генетике, мутационная устойчивость фенотипа. Это качество определяется как средняя вероятность того, что точечная мутация не изменит фенотип (признак организма).
Открытие может иметь важные последствия для эволюционной генетики. Многие генетические мутации нейтральны, а это означает, что они могут медленно накапливаться с течением времени, не влияя на жизнеспособность фенотипа. Эти нейтральные мутации заставляют последовательности генома изменяться с постоянной скоростью с течением времени. Поскольку эта скорость известна, ученые могут сравнить процентную разницу в последовательности между двумя организмами и сделать вывод, когда жил их последний общий предок.
Но существование этих нейтральных мутаций поставило важный вопрос: какая часть мутаций в последовательности нейтральна? Это свойство, называемое устойчивостью к мутациям фенотипа, определяет среднее количество мутаций, которые могут произойти во всех последовательностях, не влияя на фенотип.
Нам уже давно известно, что многие биологические системы демонстрируют удивительно высокую устойчивость фенотипа, без которой эволюция была бы невозможна. Но мы не знали, какой будет абсолютная максимально возможная надежность и существует ли вообще какой-то максимум
— Ард Луи, ведущий автор исследования и профессор Оксфордского университета.
Именно на этот вопрос и ответила команда. Они доказали, что максимальная надежность пропорциональна логарифму доли всех возможных последовательностей, которые соответствуют фенотипу, с поправкой, которая задается функцией сумм цифр sk (n), определяемой как сумма цифр, а натуральное число n по основанию k. Например, для n = 123 по основанию 10 сумма цифр будет равна s10(123) = 1 + 2 + 3 = 6.
Еще одним сюрпризом стало то, что максимальная устойчивость также оказалась связанной со знаменитой функцией Тагаки, причудливой функцией, которая везде непрерывна, но нигде не дифференцируема. Эту фрактальную функцию также называют кривой бланманже, потому что она похожа на французский десерт.
Самое удивительное то, что при сопоставлении последовательностей с вторичными структурами РНК мы обнаружили четкие доказательства того, что природа в некоторых случаях достигает точного предела надежности. Как будто биология знает о фрактальной функции суммы цифр
— доктор Вайбхав Моханти (Гарвардская медицинская школа).
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
После чудовищного Эль-Ниньо наш мир, возможно, уже не будет прежним
Первой жертвой будет Амазония, но это, как говорят ученые, только начало...
Кто на самом деле сделал Терракотовую армию: историческую сенсацию рассмотрели в отпечатках на древней глине
Поразительно, но открытие китайских ученых перекликается с исследованиями по Древнему Египту и Ближнему Востоку...
«Мы научили медведей видеть в нас добычу»: биолог рассказал, почему хищники нападают на людей по всей России
По словам ученого, совпало сразу несколько факторов, поэтому решить проблему будет сложно...
«Мясной фарш» для Гитлера: как виртуозная операция в 1943 году решила ход битвы за Италию
Дерзко, остроумно и с огромной долей везения: британский план висел на волоске, но Лондону помогли… сами немцы...
Самое древнее кораблекрушение в истории: что нашли турецкие ученые на судне, которое утонуло 4600 лет назад?
Подобные артефакты в свое время находили не только в легендарной Трое, но и рядом с Великой пирамидой в Египте...
Крестик XII века показал, настолько ученые ошибались в истории древнего Смоленска
Скромный артефакт из редкого материала оказался для археологов дороже серебряного клада...
Пустая еда: почему за 60 лет наши продукты потеряли половину полезных веществ и микроэлементов
По словам исследователей, мир находится в состоянии скрытого голода: калорий, вроде бы, хватает, а витаминов и минералов нет...
Маск только что показал летающий автомобиль: история говорит, что это может не сработать
Почему эксперты Popular Mechanics не верят в успех нового проекта владельца SpaceX и Tesla...
Монетный детектив: российский ученый 10 лет охотился за распроданными сокровищами и раскрыл тайну древнего царства на Боспоре
Пожалуй, это одна из самых интересных исторических загадок, раскрытых в последнее время...
Что массово убивало пингвинов в 2024-м: ученые подозревали птичий грипп, но они ошибались
Поразительно, но виновник массовой гибели птиц больше 20 лет находился под носом у исследователей, а они его не замечали...
Почему ледник Судного дня не перестанет таять, даже если остынут моря и океаны?
Новое исследование показало: у Антарктиды есть поразительные сценарии будущего, от которых зависит судьба всего мира...
Муравьи Дракулы охотятся с первого дня жизни: их мозг может объяснить такую «кровожадность»
По словам ученых, когда-то такими были все муравьи, но что-то заставило их поменять свое поведение...
Каспийское море снова изменилось: какие острова нанесут на новые карты
Почему географы очень строги к таким объектам и какие требования предъявляют к ним...