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
Парадокс Великой Зеленой стены: Китай посадил 78 миллиардов новых деревьев, но климат стал только хуже. Как так вышло?
Ученые назвали причины, почему самый грандиозный экологический проект за всю историю в итоге обернулся головной болью для миллионов китайских граждан...
Марс отменяется: три причины, почему российские эксперты ставят крест на Красной планете
Почему пробирка с Марса опаснее любого астероида, как галактические лучи «взрывают» мозг и при чем тут Китай? Честный разбор рисков от Российской академии наук...
Меньше трех дней до конца света на орбите: почему программа CRASH Clock бьет тревогу?
Сотрудники Маска уверяют, что у них все под контролем. Но эксперты сравнивают орбиту с карточным домиком. Кто же прав?...
«Не повторяйте наших ошибок!» 100 лет борьбы с лесными пожарами обернулись катастрофой для США
Эксперты рассказали, почему, казалось бы, проверенная тактика только усугубила ситуацию с лесным огнем...
Темная сторона Рима: выяснилось, что Империя веками «выкачивала» здоровье из покоренных народов
Новые находки заставили ученых признать: для простых людей римский «прогресс» был скорее приговором, чем спасением. Но почему же так вышло?...
ДНК 4000-летней овцы оказалось ключом к древней тайне, стоившей жизни миллионам
Поразительно, но археологи нашли штамм древней чумы, кошмаривший всю Евразию, в самом таинственном российском городе — Аркаиме. Почему же так получилось?...
Супертелескоп James Webb только запутал ученых, а планета-«близнец» Земли стала еще загадочнее
Эксперты рассказали, почему самый мощный телескоп в истории не смог разобраться с атмосферой TRAPPIST-1e. Аппарат не виноват. Но тогда кто?...
Встречи с неведомым: завершаем чтение дневников разведчика и писателя Владимира Арсеньева
Часть третья: таинственный огонь в лесу, свет из облаков, призрак в тумане и странный дым на море...
Мегамонстры с 7-го этажа: в древних океанах шла такая война хищников, где у современных косаток не было бы ни единого шанса
Ученые рассказали, куда исчезли «боги» мезозойских морей и почему сейчас их существование было бы невозможно...
Первая «чернокожая британка» оказалась белой: новое исследование заставило историков полностью пересмотреть портрет женщины из Бичи-Хед
Почему ученые так сильно ошиблись с ее внешностью? И стоит ли после этого доверять реконструкциям по ДНК?...
Новое исследование показало: если бы не этот «российский ген», древние люди вряд ли бы заселили Америку
Ученые рассказали, почему Алтай в ДНК — это главный секрет феноменального здоровья индейцев...
20-летнее наблюдение со спутников «сломало климат»: Теперь ученым придется полностью менять все теории
Зато теперь понятно, почему в двух близких городах могут быть... разные времена года...
Мощнее леса в десятки раз: в ЮАР нашли «живые камни», которые выкачивают CO₂ с бешеной скоростью
Микробиалиты могли бы спасти Землю от потепления, но у этих «каменных насосов» есть один нюанс...