Un nouveau modèle prédit comment la température affecte la vie, des échelles quantiques aux échelles classiques

Chaque processus biologique dépend essentiellement de la température. C’est vrai pour le très petit, le très grand et toutes les échelles intermédiaires, des molécules aux écosystèmes et dans tous les environnements.

Une théorie générale décrivant comment la vie dépend de la température faisait défaut jusqu’à présent. Dans un article publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences, des chercheurs dirigés par Jose Ignacio Arroyo, boursier postdoctoral du Santa Fe Institute, présentent un cadre simple qui prédit rigoureusement comment la température affecte les êtres vivants, à toutes les échelles.

« C’est très fondamental », explique le professeur externe SFI Pablo Marquet, écologiste à la Pontifica Universidad Catolica de Chile, à Santiago. Marquet, Ph.D. d’Arroyo. directeur de thèse, a également travaillé sur le modèle. « Vous pouvez appliquer cela à pratiquement tous les processus qui sont affectés par la température. Nous espérons que ce sera une contribution historique. »

Marquet note qu’une telle théorie pourrait aider les chercheurs à faire des prédictions précises dans une gamme de domaines, y compris les réponses biologiques au changement climatique, la propagation des maladies infectieuses et la production alimentaire.

Les tentatives précédentes de généraliser les effets de la température sur la biologie n’avaient pas les implications de la « vue d’ensemble » intégrées dans le nouveau modèle, dit Marquet. Les biologistes et les écologistes utilisent souvent l’équation d’Arrhenius, par exemple, pour décrire comment la température affecte les taux de réactions chimiques. Cette approche se rapproche avec succès de la façon dont la température influence certains processus biologiques, mais elle ne peut pas entièrement expliquer beaucoup d’autres, y compris le métabolisme et le taux de croissance.

Arroyo a initialement entrepris de développer un modèle mathématique général pour prédire le comportement de n’importe quelle variable en biologie. Cependant, il s’est vite rendu compte que la température était une sorte de prédicteur universel et pouvait guider le développement d’un nouveau modèle. Il a commencé par une théorie en chimie décrivant la cinétique des enzymes, mais avec quelques ajouts et hypothèses, il a étendu le modèle du niveau moléculaire quantique à des échelles macroscopiques plus grandes.

Fait important, le modèle combine trois éléments qui manquaient dans les tentatives précédentes. Tout d’abord, comme son homologue en chimie, il est dérivé des premiers principes. Deuxièmement, le cœur du modèle est une équation unique et simple avec seulement quelques paramètres. (La plupart des modèles existants nécessitent une pléthore d’hypothèses et de paramètres.) Troisièmement, « il est universel dans le sens où il peut expliquer les modèles et les comportements de n’importe quel micro-organisme ou de n’importe quel taxon dans n’importe quel environnement », dit-il. Toutes les réponses de température pour différents processus, taxons et échelles s’effondrent sous la même forme fonctionnelle générale.

« Je pense que notre capacité à systématiser la réponse de la température a le potentiel de révéler une nouvelle unification dans les processus biologiques afin de résoudre diverses controverses », déclare le professeur SFI Chris Kempes, qui, avec le professeur SFI Geoffrey West, a aidé l’équipe à combler le quantum -aux gammes classiques.

La PNAS décrit les prédictions du nouveau modèle qui s’alignent sur les observations empiriques de divers phénomènes, notamment le taux métabolique d’un insecte, la germination relative de la luzerne, le taux de croissance d’une bactérie et le taux de mortalité d’une mouche des fruits.

Dans les publications futures, dit Arroyo, le groupe prévoit de dériver de nouvelles prédictions de ce modèle, dont beaucoup étaient prévues pour la première publication. « Le papier devenait juste trop gros », dit-il.