Giới sinh vật không quá phức tạp như bạn nghĩ

Hàng thế kỉ trước đây, các nhà khoa học đã bắt đầu rút gọn cơ sở vật lí của vũ trụ thành một vài, một vài định luật mô tả bởi một vài thông số. Những mô tả đơn giản như vậy vẫn còn khó nắm bắt đối với những hệ sinh vật học phức tạp – mãi cho đến gần đây.

Nhà sinh lí học Ilya Nemenman đã nhận ra các thông số cho một vài hệ thống hóa sinh chưng cất toàn bộ hành trạng của những hệ này thành những tương đương động lực học đơn giản. Khám phá trên có thể có tiềm năng sắp xếp hợp lí hóa sự phát triển thuốc và các công cụ chẩn đoán, bằng cách đơn giản hóa các mô hình nghiên cứu.

Kết quả sẽ công bố trên số ra tháng 3 của tạp chí Physical Biology.

Các nhà vật lí cho biết: thế giới sinh học không quá phức tạp như bạn nghĩ

“Dường như các chi tiết của tính phức tạp của những hệ sinh học này không là vấn đề gì, miễn chừng nào một số tính chất chung, cái chúng tôi đã tính ra được, vẫn không đổi”, phát biểu của Nemenman, phó giáo sư vật lí và sinh vật học. Ông đã tiến hành phân tích với Golan Bel và Brian Munsky ở Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kì.

Tính đơn giản của khám phá trên khiến nó là “một kết quả tuyệt vời”, Nemenman nói. “Chúng tôi hi vọng kết quả lí thuyết này cũng sẽ có những ứng dụng thực tiễn”.

Ông lấy thí dụ các phân tử không khí đang chuyển động trong văn phòng của mình: “Toàn bộ những tương tác va chạm lên nhau một cách điên cuồng của những phân tử này được thu gọn thành một hành trạng đơn giản: Một định luật chất khí lí tưởng. Bạn có thể chọn giải pháp khó khăn là nghiên cứu động lực học của mỗi phân tử, hoặc bạn có đơn giản là đo nhiệt độ, thể tích và áp suất của chất khí trong phòng. Phương pháp thứ hai rõ ràng dễ thực hiện hơn, và nó bạn nhiều thông tin y như phương pháp thứ nhất”.

Nemenman muốn tìm những thông số tương tự cho động lực học phức tạp đến mức khó tin của nhưng hệ tế bào, bao gồm hàng trăm, hoặc thậm chí hàng nghìn, biến số giữa những phân tử đang tương tác khác nhau. Trong số những câu hỏi quan trọng là: Cái gì xác định những đặc điểm nào trong những hệ này là có liên quan với nhau? Và nếu chúng có dạng động lực học tương đương đơn giản, thì tự nhiên có chọn cách làm cho chúng thật phức tạp để thực hiện một chức năng sinh học đặc biệt nào đó hay không? Hay là tính phức tạp không cần thiết đó là một “bản ghi hóa thạch” của di sản tiến hóa?

Trong bài báo Physical Biology, Nemenman và các đồng tác giả nghiên cứu những câu hỏi này trong ngữ cảnh của một khuôn khổ động đọc-và-sửa (KPR).

KPR là cơ chế mà một tế bào sử dụng cho sự điều khiển chất lượng quang học khi nó sản xuất protein. KPR đã được tiên đoán trong những năm 1970 và nó áp dụng cho đa số những quá trình lắp ráp tế bào. Nó bao gồm hàng trăm bước, và mỗi bước có thể có những thông số khác nhau.

Nemenman và các đồng nghiệp tự hỏi không biết khuôn khổ KPR có thể mô tả đơn giản hơn hay không. “Các tính toán của chúng tôi xác nhận rằng thật ra có một tỉ lệ kết hợp quan trọng”, ông nói. “Hành trạng chung của hệ khi đó rút xuống chỉ còn một thông số”.

Điều đó có nghĩa là, thay vì cần mẫn kiểm tra hay đo mỗi tỉ lệ trong quá trình, bạn có có thể dự đoán tỉ lệ sai sót và hoàn chỉnh của một hệ bằng cách nhìn vào một thông số kết hợp duy nhất.

Vẽ lên đồ thị, hành trạng kết hợp xuất hiện là một đường thẳng nằm giữa một mớ đường cong lộn xộn. “Hệ càng lớn và càng phức tạp, thì hành trạng kết hợp càng dễ thấy”, Nemenman nói. “Thời gian hoàn tất càng đơn giản khi kích cỡ hệ càng lớn”.

Nemenman hiện đang hợp tác với nhà sinh lí học lí thuyết Rustom Antia, để xem khám phá trên có thể làm sáng tỏ những quá trình của tế bào miễn dịch hay không. Đặc biệt, họ bị thu hút vào sự sai chức năng của những tế bào cảm thụ miễn dịch nhất định có mặt trong đa số những phản ứng dị ứng.

“Có lẽ chúng tôi sẽ có khả năng đơn giản hóa mô hình cho các tế bào cảm thụ miễn dịch này từ khoảng 3000 bước xuống còn 3 bước”, Nemenman nói. “Bạn sẽ không cần một siêu máy tính để kiểm tra những hợp chất hóa học khác nhau trên tế bào cảm thụ, vì bạn không cần mô phỏng từng bước một – chỉ mô tả cái chung thôi”.

Giống hệt như khám phá ra định luật chất khí lí tưởng đã dẫn đến sự sáng tạo ra động cơ và xe cộ, Nemenman tin rằng những kết hợp hóa sinh đơn giản như vậy có thể dẫn đến những thành tựu trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe.

Theo Science Daily