Nowy model przewiduje, jak temperatura wpłynie na życie od skali kwantowej do klasycznej

Każdy proces biologiczny jest krytycznie zależny od temperatury. Dotyczy to bardzo małych, bardzo dużych i wszystkich skal pośrednich, od molekuł po ekosystemy i w każdym środowisku.

Do tej pory brakowało ogólnej teorii opisującej zależność życia od temperatury. W artykule opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences naukowcy pod kierunkiem Jose Ignacio Arroyo, stypendysty z Instytutu Santa Fe, przedstawiają proste ramy, które dokładnie przewidują, jak temperatura wpływa na organizmy we wszystkich skalach.

„To bardzo fundamentalne” – mówi profesor zewnętrzny SFI Pablo Marquet, ekolog z Pontifica Universidad Catolica de Chile w Santiago. Dr Marquet Arroyo. Opiekun pracy dyplomowej, pracował również nad modelem. „Możesz zastosować to do prawie każdego procesu, na który ma wpływ temperatura. Mam nadzieję, że będzie to wybitny wkład”.

Marquet zauważa, że ​​taka teoria może pomóc naukowcom w formułowaniu dokładnych prognoz w wielu dziedzinach, w tym w biologicznych reakcjach na zmianę klimatu, rozprzestrzenianiu się chorób zakaźnych i produkcji żywności.

Marquet mówi, że poprzednie próby uogólnienia wpływu temperatury na biologię nie zawierały efektu „dużego obrazu” wbudowanego w nowy paradygmat. Biolodzy i ekolodzy często używają na przykład równania Arrheniusa do opisania wpływu temperatury na szybkość reakcji chemicznych. Podejście to z powodzeniem przybliża wpływ temperatury na niektóre procesy biologiczne, ale nie może w pełni wyjaśnić wielu innych procesów, w tym metabolizmu i tempa wzrostu.

Początkowo firma Arroyo postanowiła opracować ogólny model matematyczny do przewidywania zachowania dowolnej zmiennej w biologii. Wkrótce jednak zdał sobie sprawę, że temperatura jest rodzajem ogólnego predyktora i może kierować rozwojem nowego modelu. Zaczął od teorii w chemii opisującej kinetykę enzymów, ale z pewnymi dodatkami i założeniami rozszerzył model z poziomu molekularnego kwantowego na większe skale makroskopowe.

Co ważne, model łączy w sobie trzy elementy, których brakowało w poprzednich próbach. Po pierwsze, podobnie jak jego odpowiednik chemiczny, wywodzi się z pierwszych zasad. Po drugie, sednem modelu jest jedno proste równanie z kilkoma parametrami. (Większość obecnych modeli wymaga dużej liczby założeń i kryteriów.) Po trzecie, „są uniwersalne w tym sensie, że mogą wyjaśnić wzorce i zachowania dowolnych mikroorganizmów lub każdego taksonu w dowolnym środowisku”, mówi. Wszystkie reakcje temperaturowe na różne procesy, taksony i skale zapadają się w tę samą ogólną formę funkcjonalną.

„Wierzę, że nasza zdolność do systematycznego regulowania reakcji na temperaturę może potencjalnie ujawnić nowe jednorodności procesów biologicznych w celu rozwiązania wielu kontrowersji” – powiedział profesor SFI Chris Kemps, który wraz z profesorem SFI Jeffreyem Westem pomagał zespołowi. na Zamknij lukę klasyczne wagi.

Artykuł PNAS opisuje przewidywania z nowego modelu, które są zgodne z eksperymentalnymi obserwacjami różnych zjawisk, w tym tempa metabolizmu owadów, względnego kiełkowania lucerny, tempa wzrostu bakterii i śmiertelności Drosophila.

Arroyo mówi, że grupa planuje w przyszłych publikacjach wyodrębnić nowe prognozy z tego modelu – z których wiele jest planowanych w pierwszej publikacji. „Papier robił się za duży” – mówi.

Odniesienie:

1. Jose Ignacio Arroyo, Beatrice Diez, Christopher B. Kemps, Jeffrey B. West, Pablo A. Marquet. Ogólna teoria zależności temperaturowej w biologii. Materiały Narodowej Akademii Nauk, 2022; 119 (30) DOI: 10.1073/pnas.2119872119