Bilim insanları uzun zamandır Newton’un İkinci Hareket Yasası’ndan termodinamik yasalarına kadar fiziksel dünyayı açıklamaya yardımcı olacak basit kurallar kullandılar.
Duke Üniversitesi’ndeki biyomedikal mühendisleri, karmaşık biyolojide benzer basit kurallar oluşturmak için dinamik modellemeyi ve makine öğrenmeyi kullanıyorlar. Karşılıklı yarar sağlayan (mutualizm)* biyolojik sistemlerin; insan bağırsağı bakterileri, bitkiler ve tozlaştırıcılar veya yosun ve mercanlar gibi, davranışlarını doğru bir şekilde yorumlamak ve tahmin etmek için bir çerçeve geliştirmişlerdir. Araştırma 16 Ocak 2019’da Nature Communications dergisinde yayınlandı.
Duke’un Biyomedikal Mühendisliği Bölümünde Profesör Lingchong You: “Mükemmel bir dünyada, her biyolojik sistemin nasıl işlediğini anlamak için basit bir moleküler kural kümesini takip edebilirsiniz. Fakat gerçekte, biyolojik sistemlerin muazzam çeşitliliğini ve karmaşıklığını içeren genel kurallar koymak zordur. Genel kurallar oluştursak bile, çeşitli fiziksel özellikleri açıklamak ve ölçmek için bunları kullanmak hala zordur.”
You ve Yüksek Lisans Öğrencisi Feilun Wu, karşılıklı sistemlerin davranışını inceleyerek bu zorlukları ele aldı. Bu simbiyotik sistemler; kral kelebekleri ve süt bitkileri gibi karşılıklı yarar sağlayan iki veya daha fazla popülasyondan oluşur.
Belli koşullar altında, karşılıklı sistemler çökerek önemli ekolojik sonuçlara yol açabilir. Wu, olumsuz sonuçları doğru bir şekilde tahmin edebilecek ve önleyebilecek bir çerçeve geliştirmek ve yeni sentetik mutualist sistemlerin tasarımını yönlendirmek istedi.
Wu: “Bu sistemler çok çeşitli olduğu için önceki çerçeveler ya sadece bitki tozlaştırıcı ya da tohum dağıtma ağları gibi belirli ortak sistemlere uygulanabilirdi. Ama bunlar çok genel şeylerdir ve sistemin bir arada bulunmasına izin veren koşullar ile sistemi çökertmeye zorlayanlar arasındaki ince çizgiyi tarif etmiyorlar.”
Karşılıklı sistemler için birleştirici bir nicelik kılavuzunun bulunup bulunmadığını araştırmak için Wu, sistematik olarak, karşılıklı sistemlerin çeşitliliğini yakalayan 52 diferansiyel denklem modelini inceledi. Bu sistemler aynı temel yapıyı paylaşıyorlardı: Kolektif fayda kolektif stresten daha büyük olduğunda, toplumlar bir arada bulunabilir. Stres toplu yarardan büyükse, sistem çökecektir.
Bir sistemdeki stresi ölçmek nispeten kolay olmakla birlikte; maliyet, bireysel faydalar ve diğer sistem karmaşıklıkları gibi değişkenlerin bir fonksiyonu olan toplu faydayı ölçmek daha karmaşıktır. You ve ekibi; kolektif faydayı ölçmeye çalışmanın, ölçüm için mevcut olan karmaşık kriterler nedeniyle bir tıkanıklığa neden olduğunu ve farklı ortak sistemlere uygulandığında daha da zorlaştığını kabul ettiler. Bunun yerine, ekip; sıcaklık, pH ve genetik gibi toplanması kolay birkaç değişken kullanarak toplu faydayı belirlemek için bir makine öğrenme algoritması geliştirdi. Bu yaklaşım, çeşitli ortak sistemlere uygulanabilen basitleştirilmiş bir ölçümle sonuçlandı.
Ekip, kılavuzlarını test etmek için, üç karşılıklı bakteri sistemindeki deneysel verileri kullanarak; kendi sistemlerinin, bir sistemin bir arada var olup olmayacağını veya çökeceğini belirten, tutarlı ve doğru bir şekilde tahmin edebileceğini göstermek için veriler kullandı. Kuralları aynı zamanda birlikte yaşama olasılığı; direnç ve toplam nüfus yoğunluğu gibi nicel bilgileri de öngörebilir. Ayrıca ekip, araştırmalarının karşılıklı olmayan (non-mutualist) biyolojik sistemlere de uygulanabileceği konusunda iyimserler. Örneğin; You, antibiyotik direncini ve direncin devam etmesini veya kaybolmasını sağlayan koşulları incelemek için stratejilerini kullanmanızı önermektedir.
You: “Tıp veya biyomedikal mühendisliğinde çalışırken, çalıştığımız toplulukların etkileşimlerini anlamak için bir düzeyde basitleştirmenin gerekli olduğunu fark ediyoruz. Prosedürümüz, görünüşte farklı biyolojik sistemler arasında bir ortaklığın olduğunu gösterdi ve bu da araştırmamızı yönlendiren öngörüleri yapmamıza izin vermesi açısından gerekliydi.”
*Mutualizm:Farklı türlerden iki canlının karşılıklı yardımlaşarak her iki tarafa da yarar sağlamasına dayalı olan bir ortak yaşam biçimidir. Kendi başlarına da hayatlarını devam ettirme becerisine sahip olan iki canlının, bir araya gelerek daha kolay besin bulmasına dayanan bir simbiyotik yaşam biçimidir.
