Ένα νέο μοντέλο προβλέπει πώς η θερμοκρασία θα επηρεάσει τη ζωή από την κβαντική έως την κλασική κλίμακα

Μια νέα γενική θεωρία της εξάρτησης από τη θερμοκρασία στη βιολογία που αναπτύχθηκε από το Ινστιτούτο Santa Fe μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να κάνουν ακριβείς προβλέψεις σε μια σειρά τομέων, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικών αντιδράσεων στην κλιματική αλλαγή, της εξάπλωσης μολυσματικών ασθενειών και της παραγωγής τροφίμων. Credit: Dall-E / Katie Mast

Κάθε βιολογική διαδικασία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Αυτό ισχύει για τις πολύ μικρές, τις πολύ μεγάλες και όλες τις ενδιάμεσες κλίμακες, από τα μόρια μέχρι τα οικοσυστήματα και σε κάθε περιβάλλον.


Μια γενική θεωρία που περιγράφει πώς εξαρτάται η ζωή θερμοκρασία Έλειπε – μέχρι τώρα. Σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Jose Ignacio Arroyo, μεταδιδακτορικό υπότροφο στο Ινστιτούτο Santa Fe, παρουσίασαν ένα απλό πλαίσιο που προβλέπει με ακρίβεια πώς η θερμοκρασία θα επηρεάσει τους οργανισμούς, σε όλες τις κλίμακες.

«Είναι πολύ βασικό», λέει ο εξωτερικός καθηγητής Pablo Marquet, οικολόγος στο Universidad Pontifica Universidad Católica de Chile, στο Σαντιάγο. Marquet, Ph.D. Arroyo. Ο σύμβουλος διατριβής, εργάστηκε επίσης στο μοντέλο. “Μπορείτε να το εφαρμόσετε σε σχεδόν κάθε διαδικασία που επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Ας ελπίσουμε ότι είναι μια εξαιρετική συμβολή.”

Ο Marquet σημειώνει ότι μια τέτοια θεωρία θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κάνουν ακριβείς προβλέψεις σε μια σειρά από τομείς, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικών αποκρίσεων. Κλιματική αλλαγήΕξάπλωση μολυσματικών ασθενειών και παραγωγή τροφίμων.

Ο Marquet λέει ότι οι προηγούμενες προσπάθειες γενίκευσης των επιπτώσεων της θερμοκρασίας στη βιολογία δεν είχαν τα αποτελέσματα της «μεγάλης εικόνας» που ενσωματώθηκαν στο νέο παράδειγμα. Οι βιολόγοι και οι οικολόγοι χρησιμοποιούν συχνά την εξίσωση Arrhenius, για παράδειγμα, για να περιγράψουν πώς η θερμοκρασία επηρεάζει τους ρυθμούς χημική αλληλεπίδραση. Αυτή η προσέγγιση προσεγγίζει με επιτυχία τον τρόπο με τον οποίο η θερμοκρασία επηρεάζει ορισμένες βιολογικές διεργασίες, αλλά δεν μπορεί να εξηγήσει πλήρως πολλές άλλες διαδικασίες, όπως Μεταβολισμός Και το ρυθμός ανάπτυξης.

Ο Arroyo αρχικά ξεκίνησε να αναπτύξει ένα γενικό μαθηματικό μοντέλο για να προβλέψει τη συμπεριφορά οποιασδήποτε μεταβλητής στη βιολογία. Σύντομα όμως συνειδητοποίησε ότι η θερμοκρασία ήταν ένα είδος γενικής πρόβλεψης και θα μπορούσε να καθοδηγήσει την ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου. Ξεκίνησε με μια θεωρία στη χημεία που περιγράφει την κινητική των ενζύμων, αλλά με ορισμένες προσθήκες και υποθέσεις, επέκτεινε το μοντέλο από το κβαντικό μοριακό επίπεδο στις μεγαλύτερες μακροσκοπικές κλίμακες.

Είναι σημαντικό ότι το μοντέλο συνδυάζει τρία στοιχεία που έλειπαν από προηγούμενες προσπάθειες. Πρώτον, όπως και το αντίστοιχο της χημείας, προέρχεται από τις πρώτες αρχές. Δεύτερον, ο πυρήνας του μοντέλου είναι μια απλή εξίσωση με λίγες μόνο παραμέτρους. (Τα περισσότερα τρέχοντα μοντέλα απαιτούν μεγάλο αριθμό υποθέσεων και κριτηρίων.) Τρίτον, «είναι καθολικά με την έννοια ότι μπορούν να εξηγήσουν τα μοτίβα και τις συμπεριφορές οποιουδήποτε μικροοργανισμού ή οποιασδήποτε ταξινόμησης σε οποιοδήποτε περιβάλλον», λέει. Οι θερμοκρασιακές αποκρίσεις σε διαφορετικές διεργασίες, taxa και κλίμακες καταρρέουν στην ίδια γενική λειτουργική μορφή.

«Πιστεύω ότι η ικανότητά μας να ρυθμίζουμε συστηματικά την απόκριση στη θερμοκρασία έχει τη δυνατότητα να αποκαλύψει νέες ομοιομορφίες στις βιολογικές διεργασίες προκειμένου να επιλύσει μια ποικιλία αντιπαραθέσεων», λέει ο καθηγητής SFI Chris Kemps, ο οποίος μαζί με τον καθηγητή SFI Jeffrey West, βοήθησαν την ομάδα. στη γέφυρα Classic Scales.

ο PNAS Η εργασία περιγράφει προβλέψεις από το νέο μοντέλο που ευθυγραμμίζονται με πειραματικές παρατηρήσεις διαφορετικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένου του μεταβολικού ρυθμού του εντόμου, της σχετικής βλάστησης της μηδικής, του ρυθμού ανάπτυξης βακτηρίων και της θνησιμότητας από μύγες.

Ο Arroyo λέει ότι η ομάδα σχεδιάζει σε μελλοντικές δημοσιεύσεις να αντλήσει νέες προβλέψεις από αυτό το μοντέλο — αρκετές από τις οποίες έχουν προγραμματιστεί για την πρώτη δημοσίευση. «Το χαρτί γινόταν πολύ μεγάλο», λέει.


Οι οικολόγοι συνδυάζουν μέρη της περιβαλλοντικής θεωρίας που προέρχονται από τις πρώτες αρχές


περισσότερες πληροφορίες:
José Ignacio Arroyo et al, Γενική θεωρία της εξάρτησης από τη θερμοκρασία στη βιολογία, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (2022). DOI: 10.1073/pnas.2119872119

Εισαγωγή του
Ινστιτούτο Santa Fe

το απόσπασμα: Νέο μοντέλο προβλέπει πώς η θερμοκρασία θα επηρεάσει τη ζωή από τις κβαντικές σε κλασικές κλίμακες (2022, 19 Ιουλίου) Ανακτήθηκε στις 19 Ιουλίου 2022 από https://phys.org/news/2022-07-temperature-affects-life-quantum -classical .html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Το φορτηγό πλοίο Cygnus ολοκληρώνει την αποστολή στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό - Spaceflight Now

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *