قانون جدید فیزیک می‌تواند جهش‌های ژنتیکی را پیش‌بینی کند

پیش‌بینی جهش‌های ژنتیکی قبل از وقوع آن

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه Portsmouth راهی بالقوه برای پیش‌بینی جهش‌های ژنتیکی قبل از وقوع آن پیدا کرده‌اند. چقدر شگفت‌انگیز است اگر بدانید یک قانون جدید از دنیای علم فیزیک، می‌تواند امکان پیش‌بینی اولیه جهش‌های ژنتیکی را فراهم کند.

طبق گفته دانشمندان دانشگاه Portsmouth، قانون دوم دینامیک اطلاعات یا “infodynamics” متفاوت از قانون دوم ترمودینامیک رفتار می‌کند. اما این به چه معنی است را در این پست بررسی خواهیم کرد.

قوانین فیزیک در دنیای ژنتیک

نویسنده و مسئول اصلی این تحقیق دکتر Melvin Vopson از دانشکده ریاضی و فیزیک دانشگاه Portsmouth است. او می‌گوید:

در فیزیک، قوانینی وجود دارد که بر هر چیزی که در جهان اتفاق می‌افتد، حکم می‌کند، مثلاً چگونه اجسام حرکت می‌کنند، چگونه انرژی جریان می‌یابد و غیره. همه چیز بر اساس قوانین فیزیک است. یکی از قوی‌ترین قوانین، قانون دوم ترمودینامیک است که نشان می‌دهد آنتروپی – معیاری از بی‌نظمی در یک سیستم جدا شده – فقط می‌تواند افزایش یابد یا ثابت بماند، اما هرگز کاهش نخواهد یافت.

این یک قانون بلامنازع مربوط به arrow of time یا پیکان زمان است که نشان می‌دهد زمان فقط در یک جهت حرکت می‌کند، فقط می‌تواند در یک جهت جریان داشته باشد و نمی‌تواند به عقب حرکت کند. او توضیح می دهد:

دو جعبه شیشه‌ای شفاف را تصور کنید. در سمت چپ، مولکول‌های گاز قرمز دارید که می‌توانید آن‌ها را مانند دود قرمز ببینید. در سمت راست، دود آبی دارید و در بین آنها یک مانع است. اگر مانع را بردارید، دو گاز شروع به مخلوط شدن می‌کنند و رنگ آن تغییر می‌کند. هیچ فرآیندی وجود ندارد که این سیستم بتواند به تنهایی دوباره آبی و قرمز را جدا کند. به عبارت دیگر، شما نمی‌توانید آنتروپی را پایین بیاورید یا سیستم را بدون هزینه انرژی سازماندهی کنید، زیرا آنتروپی فقط ثابت می‌ماند یا در طول زمان افزایش می‌یابد.

دکتر Vopson یک فیزیکدان اطلاعات یا اصطلاحا information physicist است. تحقیقات او بر روی سیستم‌های اطلاعاتی متمرکز است که می‌تواند از هارد دیسک لپ‌تاپ تا DNA و RNA موجود در موجودات زنده را شامل شود. او برای نوشتن این مقاله با دکتر Serban Lepadatu از دانشگاه مرکزی لنکشایر University of Central Lancashire همکاری کرد.

اثر علم فیزیک در پیش‌بینی جهش‌های ژنتیکی

دکتر Vopson می‌افزاید:

اگر قانون دوم ترمودینامیک بیان می‌کند که آنتروپی باید ثابت بماند یا در طول زمان افزایش یابد، فکر می‌کردم که شاید آنتروپی اطلاعات یکسان باشد. اما چیزی که دکتر Lepadatu و من پیدا کردیم دقیقا برعکس بود – با گذشت زمان کاهش می‌یابد. قانون دوم دینامیک اطلاعات دقیقاً در تقابل با قانون دوم ترمودینامیک عمل می‌کند.

پدیده ذکر شده به گفته دکتر Vopson، می‌تواند علت جهش‌های ژنتیکی موجودات بیولوژیکی باشد. او توضیح داد:

اجماع جهانی بر این است که جهش‌ها به‌طور تصادفی اتفاق می‌افتند و سپس انتخاب طبیعی تعیین می‌کند که آیا جهش برای یک موجود زنده خوب است یا بد. اگر جهش برای ارگانیسم مفید باشد، حفظ می شود. اما اگر یک فرآیند پنهان وجود داشته باشد که این جهش‌ها را هدایت می‌کند چه؟ هر بار که چیزی را می‌بینیم که نمی‌فهمیم، آن را به‌عنوان «تصادفی» یا «بی‌نظم» یا «ماوراء طبیعی» توصیف می‌کنیم، اما این تنها ناتوانی ما در توضیح آن است. اگر بتوانیم جهش‌های ژنتیکی را از منظر قطعی شروع کنیم، می‌توانیم از این قانون جدید فیزیک برای پیش‌بینی جهش‌ها – یا احتمال جهش‌ها – قبل از وقوع آنها استفاده کنیم.

تجزیه و تحلیل ژنوم ویروس کرونا در این راستا

دکتر Vopson و همکارانش ژنوم‌های Covid-19 (Sars-CoV-2) را تجزیه و تحلیل کردند و متوجه شدند که آنتروپی اطلاعات آنها با گذشت زمان کاهش می‌یابد. امروزه بهترین مثال از چیزی که در یک بازه زمانی کوتاه دچار تعدادی جهش می‌شود، یک ویروس است. همه‌گیری نمونه آزمایشی ایده‌آل را در اختیار ما قرار داده است، زیرا Sars-CoV-2 به انواع مختلفی جهش یافته است و داده‌های موجود باورنکردنی است. او ادامه می‌دهد:

داده‌های کووید قانون دوم اینفودینامیک را تأیید می‌کند و این تحقیقات فرصت‌های نامحدودی را باز می‌کند. تصور کنید به یک ژنوم خاص نگاه کنید و قضاوت کنید که آیا یک جهش قبل از وقوع مفید است یا خیر. این می تواند یک فناوری تغییر دهنده بازی باشد که می‌تواند در درمان‌های ژنتیکی، صنعت داروسازی، زیست‌شناسی تکاملی و تحقیقات همه‌گیر استفاده شود.

مرجع: https://doi.org/10.1063/5.0100358