عندما تدير ببطء مقبض الضبط في جهاز راديو قديم، تسمع الصوت ينطلق من الضجيج ليس تدريجيًا، بل فجأة — في اللحظة التي يدخل فيها الهوائي في رنين مع الموجة. وهكذا تقريبًا تتصرف الجينات في الخلية الحية. فهي لا تعمل مثل صنبور متدفق، بل مثل مفتاح كهربائي بحالتين: "صامت" و"يُذيع". وهذه التبديلات عشوائية.
البروتين هو مادة البناء الرئيسية والأداة العاملة في الخلية. ويتم إنتاجه على ثلاث مراحل. أولًا، يُفعَّل الجين — يقفز المفتاح إلى وضع "تشغيل". ثم تُقرأ من الجين مصفوفة (جزيء يشبه التعليمات للبناء). وبعد ذلك يُجمَّع البروتين نفسه وفق هذه المصفوفة. وفي كل خطوة قد تحدث أعطال. فقد تتحلل المصفوفة قبل أوانها، أو يتعثر التجميع. لذلك غالبًا ما تحصل خليتان لهما الجينات نفسها على كميات مختلفة من البروتين — مثل جهازي راديو متطابقين يلتقطان الإشارة بجودة مختلفة.
ليس من السهل وصف هذه العملية ذات المراحل الثلاث رياضيًا. توجد معادلات دقيقة فقط للقيم المتوسطة — أي كمية البروتين في المتوسط. أما التوزيع — أي احتمال الحصول على كمية معينة — فلم يكن ممكنًا حتى الآن. استخدم مؤلفو الدراسة الجديدة حيلة ذكية: لاحظوا أن الأحداث العشوائية عبر الزمن يمكن إعادة ترتيبها مثل خلط أوراق اللعب. إذا نظرنا إلى لحظات تفعيل الجين ليس وفق ساعة على الحائط، بل وفق عدد الأحداث التي حدثت بالفعل، يتحول النموذج المعقد إلى نموذج أبسط.
هذا مكّن من اشتقاق معادلتين تقريبيتين. تعملان حيث كان هناك فراغ سابقًا — في الأنماط الوسيطة، عندما لا يكون الجين نشطًا جدًا ولا كسولًا جدًا. تم اختبار المعادلتين على محاكاة حاسوبية وحصلوا على تطابق ممتاز. الآن يستطيع علماء الأحياء التنبؤ بمدى توزع البروتينات بين الخلايا دون حل معادلات معقدة.
هكذا تساعد الرياضيات على سماع إيقاع مألوف في الفوضى الظاهرية للخلية. ما بدا وكأنه طنين عشوائي لجهاز راديو قديم، اتضح أنه إشارة يمكن فك شفرتها. والآن لدينا المفتاح.
في خلية واحدة من بكتيريا الإشريكية القولونية تعمل في الوقت نفسه حوالي ثلاثة ملايين جزيء بروتيني، وكل ثانية يتجدد تركيبها بعشرات الآلاف.
في رواية "موسيقى الحمض النووي" لغريغ بير، يُشبَّه الشيفرة الجينية بسيمفونية، حيث النوتات هي النيوكليوتيدات، وضوضاء التعبير هي ارتجال العازفين.