Даже у Чарльза Дарвина, автора книги «Происхождение видов», были проблемы с видами.
«Меня очень поразило, насколько расплывчатым и произвольным является различие между видами и разновидностями», - писал Дарвин в своей основополагающей работе 1859 года.
Категоризация видов может стать особенно туманной в небольших микробных масштабах. В конце концов, классическое определение вида как скрещивающихся особей с жизнеспособным в половом отношении потомством неприменимо к бесполым организмам. Изучение общей ДНК также не помогает: в совокупности бактерии кишечной палочки имеют только 20 процентов общих генов. Процесс классификации становится еще сложнее, поскольку многие микробы работают так тесно, что неясно, как называть отдельные организмы, не говоря уже об отдельных видах.
Проблемы классификации вызывают споры в биологическом сообществе. Но для докторанта Михаила Тихонова острые дебаты в одной области являются теоретической площадкой для другой. В новом исследовании он задается вопросом: можно ли при описании взаимодействия организмов вообще не упоминать виды?
«Вопрос видов - захватывающая задача для теоретической физики», - сказал Тихонов, недавно перешедший из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в Стэнфордский университет. «Интуитивно введение какой-либо классификации кажется неизбежным, и трудно представить себе альтернативы. Но теоретическая физика действительно хороша в использовании математики, чтобы выйти за рамки того, что кажется интуитивным."
В статье, опубликованной в журнале Physics Review E, Тихонов описывает основу для переосмысления языка классификации видов. Классические модели биологии исходят из предположения, что различия между видами по большей части четко определены, а случаи, когда различия не столь очевидны, могут быть урегулированы позже.
Заимствуя идею из физики конденсированного состояния, Тихонов придерживается противоположного подхода, который начинается с полного беспорядка и постепенно добавляется небольшое количество структуры.
«Вместо того, чтобы думать о видах, что, если мы представим микробное сообщество как свободный для всех суп из организмов и по крупицам добавим структуру - как этот ген имеет тенденцию ассоциироваться с этим геном», - сказал Тихонов. «Поступая таким образом, мы можем задавать вопросы о динамике системы в целом. Мы можем спросить, как эволюция влияет на структуру внутри сообщества, а не на вид?»
Этот вопрос интересен не только на теоретическом уровне, но и может иметь практическое значение для понимания и лечения болезней человека. В то время как у некоторых болезней (таких как пневмония или менингит) есть конкретные виновники, многие другие (такие как ожирение или диабет II типа), по-видимому, связаны с дисфункцией нашего микробиома на уровне сообщества - очень разнообразных бактериальных сообществ, которые живут в наших телах и внутри них. Чтобы понять эти заболевания, исследователи должны понимать, как работает система в целом.
«В вашем кишечнике сотни разных типов бактерий делают сотни разных вещей, и мы не можем написать дифференциальное уравнение для всех них», - сказал Тихонов. «Даже в тех случаях, когда мы знаем, что каждый делает индивидуально, мы видим коллективные эффекты, которые трудно предсказать по индивидуальному поведению. Кроме того, у каждого человека разный состав микробов, поэтому, если мы когда-нибудь манипулировать этими системами, нам нужно думать о целом, а не о частях».
Впереди еще долгий путь, но теоретическая физика и прикладная математика могут сыграть свою роль в разрешении этого давнего биологического спора. В некотором смысле микробная жизнь похожа на квантовый мир физики элементарных частиц: ни один из них не доступен напрямую нашим чувствам, и поэтому ни один из них не должен соответствовать интуиции, полученной из нашего повседневного опыта. Когда интуиция подводит, математика показывает путь.
"Трудно понять, как в квантовой механике частица может быть одновременно единичной сущностью и расплывчатой волной. У бактериального мира нет причин быть менее удивительным", - сказал Тихонов.