Neues Modell sagt voraus, wie Temperatur das Leben von Quanten- bis hin zu klassischen Skalen beeinflusst

Jeder biologische Prozess ist entscheidend von der Temperatur abhängig. Es gilt für das sehr Kleine, das sehr Große und jede Skala dazwischen, von Molekülen bis zu Ökosystemen und in jeder Umgebung.

Eine allgemeine Theorie, die beschreibt, wie das Leben von der Temperatur abhängt, fehlte – bis jetzt. In einem im veröffentlichten Artikel Proceedings of the National Academy of Sciences, Forscher unter der Leitung von Jose Ignacio Arroyo, einem Postdoktoranden des Santa Fe Institute, stellen einen einfachen Rahmen vor, der rigoros vorhersagt, wie sich die Temperatur auf Lebewesen in allen Größenordnungen auswirkt.

„Es ist sehr grundlegend“, sagt SFI External Professor Pablo Marquet, Ökologe an der Pontifica Universidad Catolica de Chile in Santiago. Marquet, Arroyos Ph.D. Diplomarbeitsbetreuer, arbeitete auch am Modell mit. „Sie können dies auf so ziemlich jeden Prozess anwenden, der von der Temperatur beeinflusst wird. Wir hoffen, dass dies ein wegweisender Beitrag sein wird.“

Marquet merkt an, dass eine solche Theorie Forschern helfen könnte, genaue Vorhersagen in einer Reihe von Bereichen zu treffen, darunter biologische Reaktionen auf den Klimawandel, die Ausbreitung von Infektionskrankheiten und die Lebensmittelproduktion.

Früheren Versuchen, die Auswirkungen der Temperatur auf die Biologie zu verallgemeinern, fehlten die „großen Zusammenhänge“, die in das neue Modell eingebaut wurden, sagt Marquet. Biologen und Ökologen verwenden beispielsweise häufig die Arrhenius-Gleichung, um zu beschreiben, wie sich die Temperatur auf die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen auswirkt. Dieser Ansatz nähert sich erfolgreich an, wie die Temperatur einige biologische Prozesse beeinflusst, kann aber viele andere, einschließlich Stoffwechsel und Wachstumsrate, nicht vollständig berücksichtigen.

Arroyo machte sich zunächst daran, ein allgemeines mathematisches Modell zu entwickeln, um das Verhalten einer beliebigen Variablen in der Biologie vorherzusagen. Er erkannte jedoch schnell, dass die Temperatur eine Art universeller Prädiktor war und die Entwicklung eines neuen Modells leiten könnte. Er begann mit einer Theorie in der Chemie, die die Kinetik von Enzymen beschreibt, erweiterte das Modell jedoch mit einigen Ergänzungen und Annahmen von der quantenmolekularen Ebene auf größere, makroskopische Maßstäbe.

Wichtig ist, dass das Modell drei Elemente kombiniert, die in früheren Versuchen fehlten. Erstens ist es, wie sein Gegenstück in der Chemie, von Grundprinzipien abgeleitet. Zweitens ist das Herzstück des Modells eine einzelne, einfache Gleichung mit nur wenigen Parametern. (Die meisten bestehenden Modelle erfordern eine Fülle von Annahmen und Parametern.) Drittens „ist es universell in dem Sinne, dass es Muster und Verhaltensweisen für alle Mikroorganismen oder Taxa in jeder Umgebung erklären kann“, sagt er. Alle Temperaturantworten für unterschiedliche Prozesse, Taxa und Skalen kollabieren zu der gleichen allgemeinen funktionellen Form.

„Ich denke, dass unsere Fähigkeit, die Temperaturreaktion zu systematisieren, das Potenzial hat, eine neuartige Vereinheitlichung in biologischen Prozessen aufzudecken, um eine Vielzahl von Kontroversen zu lösen“, sagt SFI-Professor Chris Kempes, der zusammen mit SFI-Professor Geoffrey West dem Team half, die Quanten zu überbrücken -bis zu klassischen Tonleitern.

Das PNAS Das Papier beschreibt Vorhersagen aus dem neuen Modell, die mit empirischen Beobachtungen verschiedener Phänomene übereinstimmen, einschließlich der Stoffwechselrate eines Insekts, der relativen Keimung von Luzerne, der Wachstumsrate eines Bakteriums und der Sterblichkeitsrate einer Fruchtfliege.

In zukünftigen Veröffentlichungen, sagt Arroyo, plant die Gruppe, neue Vorhersagen aus diesem Modell abzuleiten – von denen viele für die erste Veröffentlichung geplant waren. „Das Papier wurde einfach zu groß“, sagt er.