Когда кажется, что все семейные свадьбы совпадают друг с другом, это явление происходит не просто так. Человек и его двоюродные братья, как правило, одного возраста, поэтому их свадьбы обычно происходят в одинаковые сроки. Но свадьбы для членов расширенной семьи, скажем, троюродных и троюродных братьев, как правило, более рассредоточены. Это связано с тем, что время между поколениями меняется, а это означает, что семьи становятся все более разбросанными от поколения к поколению.
Новое исследование постдока Университета Пенсильвании Фаршида Джафарпура из Департамента физики и астрономии, который работает в лаборатории Андреа Лю, показывает, что различия во времени генерации не накапливаются в течение нескольких поколений в одно- клеточные организмы, такие как бактерии. Он предлагает новую теорию, опубликованную в Physical Review Letters, которая описывает, как факторы, регулирующие размер отдельных клеток, влияют на скорость роста всей популяции.
В отличие от животных и растений, бактерии увеличивают размер своей популяции, просто увеличиваясь в размерах, а затем разделяясь пополам, образуя две новые бактериальные клетки. Изучая бактерии, когда они делятся на регулярной основе, известной как фаза экспоненциального роста, Джафарпур смог разработать модель, математически описывающую эту фундаментальную фазу роста популяции. «Если вы хотите изучить физику роста бактерий, вы действительно хотите удалить все остальные части, которые не являются частью фазы роста», - говорит он.
Джафарпур использовал комбинацию математических уравнений, компьютерного моделирования и данных биологических экспериментов, которые отслеживали рост отдельных бактериальных клеток. Он был удивлен, обнаружив, что модель предсказывает, что бактерии колеблются между более медленными и более быстрыми вспышками роста, в «синхронных вспышках делений», вместо того, чтобы популяция росла с постоянной скоростью. Эти колебания роста на уровне популяции теперь дают биологам новый математический способ осмысления и изучения динамики популяции.
Ранее биологи знали, что время генерации в популяциях бактерий напрямую связано с размером отдельных клеток. Например, если бактерия растет слишком долго, ее дочерние клетки больше, и они должны делиться раньше, чтобы компенсировать разницу в размерах. Этот процесс, известный как регуляция размера клетки, также компенсирует некоторую изменчивость времени генерации, что обеспечивает синхронизацию времени деления друг с другом в течение гораздо более длительного периода времени, чем ожидалось ранее. Именно эта индивидуальная метрика регуляции размера клеток, по-видимому, также вызывает колебания скорости роста, наблюдаемые в модели Джафарпура.
«Изменчивость времени генерации имеет два разных источника: изменчивость роста и изменчивость деления», - объясняет Джафарпур. «Интересный результат заключается в том, что регуляция размера клетки полностью сводит на нет изменчивость в делении, поэтому остается только изменчивость в росте отдельных клеток. А поскольку он меньше, колебания длятся намного дольше, чем можно было бы ожидать».
Эта новая модель теперь может использоваться биологами для получения информации об изменчивости индивидуальных темпов роста, которые трудно измерить в лаборатории, но которые чрезвычайно важны для изучения эволюции бактерий. И хотя эта модель потребует некоторых модификаций, прежде чем ее можно будет использовать для изучения других видов, Джафарпур считает, что помочь биологам лучше понять физику, лежащую в основе роста популяций бактерий, - это лишь один из многих способов, которыми физика может поддержать работу, проделанную учеными. биологи.
Биология стала более сосредоточенной на выяснении молекулярной основы механизмов с 1950-х годов, когда была открыта структура ДНК, но теперь мы достигаем уровня, когда мы должны вернуться и провести больше количественных исследований. Физики имеют давнюю традицию работы с реальными системами, зная, как применять множество количественных методов, разработанных в математике, а также понимая, какие переменные важны, а какие нет», - говорит Джафарпур.