En el camino hacia los principios físicos de la evolución biológica.

Una traducción abreviada de un artículo de M. Katznelson, J. Wolf y E. Kunin

¬ŅEs posible una convergencia de f√≠sica y biolog√≠a?


Un artículo que sugiere tales pensamientos, me interesó en presentar el astrofísico y divulgador científico Sergei Popov. En una de sus revisiones de preimpresiones, se mencionó un artículo con un título intrigante, y entre los autores, Eugene Kunin. Comencé a leer el libro de la "Lógica del azar" de este autor ... Por supuesto, solo ciertas secciones. Educación en ingeniería, traducción técnica, lectura de artículos de divulgación científica, todo esto me llevó a pensar sediciosamente, para hacer una breve traducción de un artículo escrito por Eugene Kunin en colaboración con Mikhail Katsnelson y Yuri Wolf.

Hacia los principios físicos de la evolución biológica.
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284

Anotación


Los sistemas biol√≥gicos logran una organizaci√≥n compleja que supera con creces la complejidad de cualquiera de los objetos inanimados conocidos. Las entidades biol√≥gicas, sin duda, obedecen las leyes de la f√≠sica cu√°ntica y la mec√°nica estad√≠stica. Sin embargo, ¬Ņes suficiente la f√≠sica moderna para describir adecuadamente el modelo y explicar la evoluci√≥n de la complejidad biol√≥gica?

Este artículo proporciona un análisis detallado de las analogías entre la termodinámica estadística y la teoría de la evolución biológica de la población y la genética. Con base en las analogías presentadas, describimos nuevas perspectivas para los enfoques teóricos en biología y los principales períodos de transición de la evolución, así como también ofrecemos el equivalente biológico del potencial termodinámico, que refleja la tendencia a cambiar la población en evolución.

Se supone que existen analogías profundas: por un lado, entre las propiedades de las entidades biológicas y los procesos en ellas, y los estados de no equilibrio en física, para objetos como el vidrio. Dichos sistemas se caracterizan por una violación a través de la cual un estado local con un mínimo de energía libre entra en conflicto con un mínimo global, lo que resulta en "cualidades incipientes". Difundimos analogías similares al examinar las manifestaciones de cualidades nacientes, como entre los diferentes niveles de selección en la evolución biológica. Tales efectos de frustración se manifiestan como impulsores en la evolución de la complejidad biológica.

Adem√°s, pasamos a la evoluci√≥n en paisajes adaptativos multidimensionales, consider√°ndolos desde el punto de vista de la teor√≠a de la fuga (percolaci√≥n), y suponemos que la fuga a un nivel por encima del umbral cr√≠tico determina la evoluci√≥n de los organismos complejos en forma de √°rbol. En conjunto, tales conexiones m√ļltiples entre procesos fundamentales en f√≠sica y biolog√≠a significan que construir una teor√≠a f√≠sica significativa de la evoluci√≥n biol√≥gica no puede ser un intento in√ļtil. Sin embargo, no ser√≠a realista esperar que tal teor√≠a pueda crearse a trav√©s de "una sola toma de decisiones"; incluso si avanzamos hacia esto, esto solo puede suceder a trav√©s de la integraci√≥n de varios modelos f√≠sicos de procesos evolutivos. Adem√°s, el marco existente de la f√≠sica te√≥rica es apenas satisfactorio para el modelado adecuado del nivel biol√≥gico de complejidad y, probablemente, se requieren nuevos desarrollos en la f√≠sica misma.

Introduccion


¬ŅCu√°les son las diferencias entre los organismos vivos y la materia no viva? Hay una respuesta obvia a esta pregunta cuando se define en t√©rminos de composici√≥n qu√≠mica y estructura. (Al menos, porque solo el √ļnico caso adecuado, a saber, la vida en la Tierra, se refiere a esto). Pero cuando se trata de los procesos b√°sicos de la evoluci√≥n de la vida, la diferencia se vuelve menos obvia. En la tradici√≥n darwiniana, es tentador afirmar que la vida est√° determinada por la evoluci√≥n a trav√©s de la supervivencia del m√°s apto [1-4]. Sin embargo, la singularidad de este proceso puede ser cuestionada, ya que toda la historia del Universo consiste en cambios que soportan las estructuras m√°s estables (adaptadas). Adem√°s, el proceso de replicaci√≥n (reproducci√≥n) no es √ļnico en s√≠ mismo y existe no solo en biolog√≠a: los cristales tambi√©n se replican. En las escalas macrosc√≥picas de tiempo y espacio, sin embargo, la vida ciertamente parece ser un fen√≥meno claro. Para determinar objetivamente los rasgos caracter√≠sticos por los cuales la vida difiere de otros fen√≥menos existentes en el Universo, parece importante estudiar los procesos clave de la evoluci√≥n biol√≥gica en el marco de la f√≠sica te√≥rica [5, 6].

Quiz√°s la caracter√≠stica principal que distingue a la f√≠sica moderna de otras √°reas de la actividad de b√ļsqueda humana es la conexi√≥n expl√≠cita entre la teor√≠a y el experimento, en la que los programas de investigaci√≥n se forman mediante predicciones te√≥ricas verificables. En un sentido general, la biolog√≠a moderna no es una ciencia basada en la teor√≠a, en el sentido en que se interpreta la f√≠sica. Pero hay una excepci√≥n significativa, a saber, la gen√©tica de poblaciones (una rama formalizada de la biolog√≠a que est√° estructurada efectivamente como un campo de f√≠sica te√≥rica), similar principalmente a la termodin√°mica estad√≠stica [7-10].

Además, los modelos matemáticos de la genética de poblaciones son altamente efectivos en inmunología [11, 12] y oncología biológica [13-16], lo que, tal vez, sugiere que una mayor penetración de la teoría en la biología podría resultar real y productiva. La física teórica moderna es un campo con muchos vínculos fuertes, en el que las subsecciones más diversas de la física están entrelazadas. En la actualidad, la genética de poblaciones o cualquier otra área de la biología teórica no forman parte de dicha red. Es posible argumentar que esta separación no es óptima, ya que muchas ramas de la física teórica proporcionarían información y estimularían desarrollos teóricos en biología.

Y, sin embargo, todav√≠a hay una pregunta transfronteriza: ¬Ņest√° la f√≠sica moderna lo suficientemente llena como para prestar servicio (brindar apoyo) a la biolog√≠a? Una pregunta similar, en varias formulaciones (en particular, "es la biolog√≠a reducible a la f√≠sica"), tiene una historia larga y muy dram√°tica (por ejemplo, [17, 18]).

Sin entrar en detalles del plan hist√≥rico o filos√≥fico, rechazamos cualquier suposici√≥n de que la vida puede seguir ciertas leyes especiales de la f√≠sica "biol√≥gica" en lugar de las generales vigentes. Por ejemplo, la mec√°nica cu√°ntica es generalmente bastante efectiva y aplicable a los organismos vivos, como cualquier otra forma de materia. El problema es que esta fuerte teor√≠a, en cierta medida, puede considerarse como una "teor√≠a de todo", ya que aporta poco a la explicaci√≥n de los fen√≥menos biol√≥gicos [19, 20]. Por supuesto, los c√°lculos de mec√°nica cu√°ntica pueden ser √ļtiles en el an√°lisis de reacciones bioqu√≠micas, pero no pueden ayudarnos a comprender la evoluci√≥n. Por lo tanto, se supone que el concepto f√≠sico, que podr√≠a ser fundamental en la descripci√≥n te√≥rica de los fen√≥menos biol√≥gicos, es la apariencia (u ocurrencia, emergencia), es decir, el comportamiento colectivo de los grandes agregados, que difiere cualitativamente del comportamiento de sus componentes constituyentes. "M√°s es diferente" es formulado tan afor√≠sticamente por Anderson [19-24].

En su libro que contiene ideas fruct√≠feras, ‚Äú¬ŅQu√© es la vida? El aspecto f√≠sico de una c√©lula viva ‚ÄĚSchr√∂dinger expres√≥ varios puntos clave, que incluso despu√©s de 70 a√Īos siguen siendo la base de muchas discusiones sobre la importancia de la f√≠sica para la biolog√≠a [25]. Probablemente el m√°s significativo es el caracter√≠stico (en ese momento hipot√©tico) portadores moleculares de la herencia como "cristales aperi√≥dicos". Schr√∂dinger era inexacto en tal definici√≥n de un cristal aperi√≥dico, y hasta ahora esta met√°fora cubre las propiedades b√°sicas que se descubrieron posteriormente (no sin la influencia de Schr√∂dinger) de los portadores de informaci√≥n biol√≥gica, ADN y ARN [26‚Äď28].

Las mol√©culas de √°cido nucleico, en particular el ADN, combinan la uniformidad (y periodicidad) de la estructura espacial con la eficiencia de diversidad m√ļltiple (aperiodicidad) de la secuencia principal. La combinaci√≥n de estas caracter√≠sticas distintivas hace que los √°cidos nucleicos sean las √ļnicas mol√©culas conocidas adecuadas para almacenar y transmitir informaci√≥n digital [29], de acuerdo con la predicci√≥n de Schrodinger. En cuanto a la f√≠sica moderna, los "cristales aperi√≥dicos" biol√≥gicos a veces significan "gafas" [19, 20]. De hecho, existen analog√≠as profundas, en varios niveles, entre el estado del vidrio y las estructuras biol√≥gicas y los fen√≥menos que se analizan a continuaci√≥n. Al mismo tiempo, se demostrar√° que existen diferencias significativas: en cierto sentido, las gafas exhiben una aleatoriedad excesiva.

Para continuar

Bibliografia
1. Darwin C: sobre el origen de las especies; 1859
2. Dobzhansky T: Genética y el origen de las especies, 2ª ed. Nueva York: Universidad de Columbia
Prensa; 1951
3. Dobzhansky T: Nada en biología tiene sentido excepto a la luz de la evolución. El americano
Profesor de biología 1973, 35, 125-129.
4. Koonin EV: la lógica del azar: la naturaleza y el origen de la evolución biológica Silla de montar superior
River, NJ: prensa FT; 2011
5. Goldenfeld N, Woese C: la próxima revolución de la biología. Nature 2007, 445 (7126), 369.
6. Goldenfeld N, Woese CR: La vida es física: la evolución como un fenómeno colectivo lejos de
Equilibrio Annu Rev Condens Matter Phys 2011, 2, 375-399.
7. Sella G, Hirsh AE: La aplicación de la física estadística a la biología evolutiva. Proc Natl Acad
Sci USA 2005, 102 (27), 9541-9546.
8. Ao P: surgimiento de las igualdades din√°micas estoc√°sticas y la termodin√°mica del estado estacionario de
Din√°mica darwiniana. Commun Theor Phys 2008, 49 (5), 1073-1090.
9. Barton NH, Coe JB: Sobre la aplicación de la física estadística a la biología evolutiva. J theor biol
2009, 259 (2), 317-324.
10. de Vladar HP, Barton NH: La contribución de la física estadística a la biología evolutiva. Tendencias
Ecol Evol 2011, 26 (8), 424-432.
11. Barreiro LB, Quintana-Murci L: De la genética evolutiva a la inmunología humana: cómo
la selección da forma a los genes de defensa del huésped. Nat Rev Genet 2010, 11 (1), 17-30.
12. Seppala O: selección natural en rasgos cuantitativos de defensa inmune: una comparación entre
teoría y datos. J Evol Biol 2015, 28 (1), 1-9.
13. Bozic I, Antal T, Ohtsuki H, Carter H, Kim D, Chen S, Karchin R, Kinzler KW, Vogelstein B, Nowak
MA: Acumulación de mutaciones de conductor y pasajero durante la progresión tumoral. Proc natl
Acad Sci USA 2010, 107 (43), 18545-18550.
14. Casas-Selves M, Degregori J: Cómo el cáncer da forma a la evolución, y cómo la evolución da forma al cáncer.
Evolution (NY) 2011, 4 (4), 624-634.
15. McFarland CD, Korolev KS, Kryukov GV, Sunyaev SR, Mirny LA: Impacto del pasajero perjudicial
mutaciones en la progresión del cáncer. Proc Natl Acad Sci USA 2013, 110 (8), 2910-2915.
16. CD de McFarland, Mirny LA, Korolev KS: tira y afloja entre las mutaciones de conductor y pasajero en
c√°ncer y otros procesos adaptativos. Proc Natl Acad Sci USA 2014, 111 (42), 15138-15143.
17. Polanyi M: estructura irreducible de la vida. Science 1968, 160, 1308-1312.
18. Rosenberg A: el reduccionismo de Darwininan, o cómo dejar de preocuparse y amar MoOlecular
Biología Chicago: Univ Chicago Press; 2006
19. Laughlin RB, Pines D: La teoría de todo. Proc Natl Acad Sci USA 2000, 97 (1), 28-31.
20. Laughlin RB, Pines D, Schmalian J, Stojkovic BP, Wolynes P: El camino del medio. Proc Natl Acad Sci USA 2000, 97 (1), 32-37.
21. Anderson PW: M√°s es diferente. Science 1972, 177 (4047), 393-396.
22. Laughlin RB: Un universo diferente: reinventando la física de abajo hacia abajo. Nueva York
Libros b√°sicos 2008
23. Anderson PW: M√°s y diferente: notas de un pensativo Curmudgeon. Singapour: mundo
Empresa editorial científica; 2011
24. West G: Escala: las leyes universales de crecimiento, innovación, sostenibilidad y ritmo de vida en
Organismos, ciudades, economías y empresas. Nueva York: Penguin Press;
25. Schroedinger E: ¬ŅQu√© es la vida? El aspecto f√≠sico de la c√©lula viva. Dubl√≠n: Trinity College
Prensa; 1944
26. Watson JD, Crick FH: estructura molecular de los √°cidos nucleicos; una estructura para desoxirribosa nucleica
√°cido Nature 1953, 171 (4356), 737-738.
27. Watson JD, Crick FH: implicaciones genéticas de la estructura del ácido desoxirribonucleico. La naturaleza
1953, 171 (4361), 964-967.
28. Frank-Kamenetskii MD: Unraveling Dna: The Most Important Molecule Of Life, 2nd edn. Nuevo
York: libros b√°sicos; 1997.

CrossPost 7i.7iskusstv.com/2018-nomer5-lesov

Source: https://habr.com/ru/post/438386/


All Articles