In this thesis we analyse emergent patterns in complex biological systems.
We say that these patterns emerge, given that they result from behaviours of
the system that are di cult to explain starting from a microscopic description.
These behaviours are strongly dependent on the interactions between
elements, and thus our research focuses on the identi cation and evaluation
of interaction networks. In particular, we have analysed interactions that may
re ect the response of the system to long term conditions, whose analysis
may be compatible with an evolutionary interpretation.
The methodological and conceptual framework needed for the development
of our research is complex. This is the reason why the rst part of
the thesis is devoted to clarify the epistemological approximation we have
followed. In subsequent chapters, we present our research results, which have
been developed around three systems with notable di erences among them.
The rst system considers a representative subset of all the protein structures
known up to date. We develop a method that objectively demonstrates
the existence of structural protein classes known as folds, de ning conserved
interaction patterns between amino-acids. We go deeper into the evolutionary
interpretation of this result investigating the role of protein function in
the structural conservation and divergence.
Second, we analyse high-throughput sequencing experiments collecting
the presence of bacterial taxa in di erent environments. From this data we
infer aggregation and segregation patterns suggesting that bacterial mutualistic
interactions are very relevant, and whose functional role is explored in
more detail analysing the bacterial assembly process in a group of infants
during their development.
Last, we have considered mutualistic communities of plants and pollinators.
We predict the structural stability of this system de ning two magnitudes:
the e ective interspeci c competition and the propagation of perturbations.
These magnitudes rationalize the relative e ect of competition versus
mutualism and, in particular, of the di erent mutualistic networks in the
structural stability, which we show has a main role for sustaining biodiversity
En esta tesis analizamos patrones emergentes en sistemas biológicos complejos.
Estos patrones los cali camos como emergentes porque son el resultado
de comportamientos del sistema difíciles de caracterizar partiendo de
una descripción microscópica. Dichos comportamientos son fuertemente dependientes
de las interacciones entre elementos, por lo que nos centramos en
la identi cación y evaluación de redes de interacción. En particular, hemos
analizado interacciones que esperamos que re ejen la respuesta del sistema
a condiciones relevantes en escalas de tiempo largas, cuyo análisis puede ser
compatible con una interpretación evolutiva.
El marco metodológico y conceptual necesario para el desarrollo de nuestra
investigación es complejo. Por ello, la primera parte de la tesis está orientada
a clari car la aproximación epistemológica que hemos seguido. En los
siguientes capítulos presentamos el resultado de nuestra investigación, desarrollada
alrededor de tres sistemas con notables diferencias entre ellos.
El primer sistema considera un conjunto representativo de todas las estructuras
de proteínas conocidas hasta la fecha. Desarrollamos un método
que demuestra objetivamente la existencia de clases estructurales de proteí-
nas conocidas como folds, que de nen patrones de interacción entre aminoácidos.
Profundizamos en la interpretación evolutiva del resultado investigando
el rol de la función de proteínas en la conservación o divergencia estructural.
En segunda lugar analizamos experimentos de secuenciación masiva que
recogen la presencia de taxones bacterianos en distintos ambientes. De estos
datos inferimos patrones de agregación y segregación que sugieren que
las interacciones mutualistas entre bacterias son muy relevantes, y cuyo rol
funcional es explorado en más detalle analizando el proceso de ensamblaje
bacteriano en un grupo de bebés durante su desarrollo.
Por último, hemos considerado comunidades mutualistas de plantas y polinizadores.
Predecimos la estabilidad estructural de este sistema de niendo
dos magnitudes: la competición efectiva interespecí ca y la propagación de
las perturbaciones. Estas magnitudes permiten racionalizar el efecto relativo
de la competición versus el mutualismo y, en particular, de las distintas
redes mutualistas en la estabilidad estructural, cuyo papel mostramos que
es esencial en el sostenimiento de la biodiversidad
