Что может быть общего у раковых клеток и устойчивых к лекарствам бактерий с поселенцами каменного века в Америке? Все они мигрирующие, и в тот или иной момент каждому становится немного легче идти в определенном направлении.
Для раковых клеток путь наименьшего сопротивления часто проходит вдоль границ тканей, а не через них, и исследования показали, что бактерии могут быстрее становиться устойчивыми к лекарствам в негомогенной среде. В случае с людьми, заселившими Америку, новое исследование Университета Райса показало, что мигрировать было легче с востока на запад, чем с севера на юг, в основном потому, что знания, необходимые для жизни в одних и тех же климатических зонах, легко переносились.
Исследование доступно онлайн в Журнале интерфейса Королевского общества.
Ведущий исследователь Майкл Дим сказал, что он задумал исследование, читая книгу Джареда Даймонда «Оружие, микробы и сталь», получившую Пулитцеровскую премию 1998 года, в которой утверждается, что различия в силе и технологиях между человеческими обществами в большей степени связаны с окружающей средой и географическим положением. факторы, чем интеллектуальные, генетические или культурные атрибуты.
«Одна из выдвинутых им гипотез заключалась в том, что миграция была более быстрой в направлении восток-запад, чем в направлении север-юг, потому что сельскохозяйственные культуры и животные, на которых полагались люди, как правило, оставались неизменными, если люди мигрировали с востока на запад. внутри климатических зон и имели тенденцию меняться, если они перемещались с севера на юг между климатическими зонами», - сказал Дим, Джон У. Кокса, профессор биохимической и генной инженерии и старший научный сотрудник Центра теоретической биологической физики Райс.
Идея состоит в том, что требуется дополнительное время и усилия для разработки методов и знаний, необходимых для выживания в новом климате, и это создает больше препятствий для миграции с севера на юг. Я подумал, что это было действительно интересно, и я всегда хотел сделать что-то более количественное по этой проблеме», - сказал он.
Дим, который возглавляет кафедру биоинженерии Райс и является профессором физики и астрономии, специализируется на использовании статистической механики для разработки компьютерных симуляций, которые точно отражают сложность природы. Его работа привела к математическим законам биологии и включает в себя компьютерные модели, которые предсказывают, насколько хорошо будет работать вакцина против гриппа в следующем году, как глобализация влияет на мировую экономику и как скорость биологической эволюции увеличивается со временем из-за эволюции..
Общей темой исследований Дима является «модульность», характеристика данных, которая может быть раскрыта с помощью различных методов. Для мигрирующих бактерий конкретный ген может быть информационным модулем, а аналогичным модулем для первых людей в Америке могут быть конкретные знания о местной среде или эффективных методах ведения сельского хозяйства или выращивания животных.
«Важным аспектом, который нас интересует, является то, как модульность ускоряет адаптацию биологических систем, и, в частности, в данном случае, как модульность знаний взаимодействует с асимметрией во время миграции», - сказал Дим. «То, что мы узнали, может быть широко применено, потому что физическая динамика аналогична в случае миграции людей с востока на запад и с севера на юг в Северной и Южной Америке, а также в случае миграции бактерий в чашке Петри, где есть право-лево. против антибиотического градиента вверх-вниз. Можно также представить себе аналогичные сценарии с инвазивными видами или метастатическим раком».
При разработке модели миграции людей в Америке Дим и аспирант Донг Ван включили переменные, связанные с окружающей средой, временем и скоростью миграции, созданием знаний и коммуникацией, генетикой и общей «приспособленностью» или здоровьем человека. населения. Модель предсказывает, как популяции расширяются по сетке 9 на 25, которая имитирует длину и приблизительную ширину Америки.
Археологические данные показывают, что первые американцы прибыли из Азии по сухопутному мосту через современный Берингов пролив во время ледникового периода около 20 000 лет назад. В соответствии с преобладающей среди археологов теорией модель Дима и Ванга начинается с того, что люди проникают в Америку с далекого севера.
«Как только популяция достигает пропускной способности на своем участке, а приспособленность выше порогового значения, они попытаются мигрировать на новое место», - сказал Ван. «Мы увидим, что существует фронт миграции, линия восток-запад, которая со временем перемещается на юг».
Вероятность миграции на соседний участок частично зависит от того, насколько схожа окружающая среда, а среда в направлении восток-запад меняется в среднем меньше, чем в направлении север-юг.
«Чем более модульными являются знания, тем легче их оптимизировать, и тем легче передавать эту информацию другим людям и тем легче создавать новые сайты», - сказал Дим.«Если задачи взаимозависимы - возможно, совокупность знаний, необходимых для выращивания определенной культуры, также взаимодействует со знаниями о том, как изготавливать инструменты или о смене времен года, - тем легче осваивать новые участки. заключается в том, чтобы оптимизировать эту проблему, и это ситуация с меньшей модульностью знаний».
Ванг сказал, что модель была подтверждена эмпирическими данными, где это возможно.
«Модель включает в себя генетику, и мы можем исследовать гены отдельных людей», - сказал он. «Это позволяет нам смотреть на генетическую дистанцию между разными популяциями в разных местах и в разное время, и когда мы сравниваем эти фактические показатели с археологическими данными, мы обнаруживаем, что они довольно хорошо совпадают. Еще одна эмпирическая проверка - это фактические темпы миграции и асимметрия темпов миграции в археологических записях».
Дим сказал, что эта модель является первой, которая явно определяет влияние модульности на приспособленность и исследует, как асимметрия окружающей среды влияет на миграцию людей.
«Мы узнали, что идея Джареда Даймонда имеет смысл», - сказал Дим. «Дело в том, что когда асимметрия среды в направлении север-юг больше, чем в направлении восток-запад, то мигрировать в направлении север-юг труднее».
Он и Ван затем сосредоточатся на изменении модели, чтобы сосредоточиться конкретно на метастазах рака.
«Например, при солидных опухолях наблюдается асимметрия в радиальном направлении, от опухоли по сравнению с поверхностью опухоли», - сказал Дим. «Существует также асимметрия, когда клетки метастазируют и проходят через разные ткани организма. Таким образом, существует асимметрия вдоль мембран по сравнению с трансмембранами, и есть недавние эмпирические исследования, которые предоставляют новые данные, которые мы можем использовать, чтобы помочь изучить эффект эти асимметрии более подробно."