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

¿Es posible una convergencia de física y biología?

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 biológicos logran una organización compleja que supera con creces la complejidad de cualquiera de los objetos inanimados conocidos. Las entidades biológicas, sin duda, obedecen las leyes de la física cuántica y la mecánica estadística. Sin embargo, ¿es suficiente la física moderna para describir adecuadamente el modelo y explicar la evolución de la complejidad biológica?

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.

Además, pasamos a la evolución en paisajes adaptativos multidimensionales, considerándolos desde el punto de vista de la teoría de la fuga (percolación), y suponemos que la fuga a un nivel por encima del umbral crítico determina la evolución de los organismos complejos en forma de árbol. En conjunto, tales conexiones múltiples entre procesos fundamentales en física y biología significan que construir una teoría física significativa de la evolución biológica no puede ser un intento inútil. Sin embargo, no sería realista esperar que tal teoría pueda crearse a través de "una sola toma de decisiones"; incluso si avanzamos hacia esto, esto solo puede suceder a través de la integración de varios modelos físicos de procesos evolutivos. Además, el marco existente de la física teórica es apenas satisfactorio para el modelado adecuado del nivel biológico de complejidad y, probablemente, se requieren nuevos desarrollos en la física misma.

Introduccion

¿Cuáles son las diferencias entre los organismos vivos y la materia no viva? Hay una respuesta obvia a esta pregunta cuando se define en términos de composición química y estructura. (Al menos, porque solo el único caso adecuado, a saber, la vida en la Tierra, se refiere a esto). Pero cuando se trata de los procesos básicos de la evolución de la vida, la diferencia se vuelve menos obvia. En la tradición darwiniana, es tentador afirmar que la vida está determinada por la evolución a través de la supervivencia del más 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 más estables (adaptadas). Además, el proceso de replicación (reproducción) no es único en sí mismo y existe no solo en biología: los cristales también se replican. En las escalas macroscópicas de tiempo y espacio, sin embargo, la vida ciertamente parece ser un fenómeno claro. Para determinar objetivamente los rasgos característicos por los cuales la vida difiere de otros fenómenos existentes en el Universo, parece importante estudiar los procesos clave de la evolución biológica en el marco de la física teórica [5, 6].

Quizás la característica principal que distingue a la física moderna de otras áreas de la actividad de búsqueda humana es la conexión explícita entre la teoría y el experimento, en la que los programas de investigación se forman mediante predicciones teóricas verificables. En un sentido general, la biología moderna no es una ciencia basada en la teoría, en el sentido en que se interpreta la física. Pero hay una excepción significativa, a saber, la genética de poblaciones (una rama formalizada de la biología que está estructurada efectivamente como un campo de física teórica), similar principalmente a la termodinámica estadística [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, todavía hay una pregunta transfronteriza: ¿está la física moderna lo suficientemente llena como para prestar servicio (brindar apoyo) a la biología? Una pregunta similar, en varias formulaciones (en particular, "es la biología reducible a la física"), tiene una historia larga y muy dramática (por ejemplo, [17, 18]).

Sin entrar en detalles del plan histórico o filosófico, rechazamos cualquier suposición de que la vida puede seguir ciertas leyes especiales de la física "biológica" en lugar de las generales vigentes. Por ejemplo, la mecánica cuántica es generalmente bastante efectiva y aplicable a los organismos vivos, como cualquier otra forma de materia. El problema es que esta fuerte teoría, en cierta medida, puede considerarse como una "teoría de todo", ya que aporta poco a la explicación de los fenómenos biológicos [19, 20]. Por supuesto, los cálculos de mecánica cuántica pueden ser útiles en el análisis de reacciones bioquímicas, pero no pueden ayudarnos a comprender la evolución. Por lo tanto, se supone que el concepto físico, que podría ser fundamental en la descripción teórica de los fenómenos biológicos, es la apariencia (u ocurrencia, emergencia), es decir, el comportamiento colectivo de los grandes agregados, que difiere cualitativamente del comportamiento de sus componentes constituyentes. "Más es diferente" es formulado tan aforísticamente por Anderson [19-24].

En su libro que contiene ideas fructíferas, “¿Qué es la vida? El aspecto físico de una célula viva ”Schrödinger expresó varios puntos clave, que incluso después de 70 años siguen siendo la base de muchas discusiones sobre la importancia de la física para la biología [25]. Probablemente el más significativo es el característico (en ese momento hipotético) portadores moleculares de la herencia como "cristales aperiódicos". Schrödinger era inexacto en tal definición de un cristal aperiódico, y hasta ahora esta metáfora cubre las propiedades básicas que se descubrieron posteriormente (no sin la influencia de Schrödinger) de los portadores de información biológica, ADN y ARN [26–28].

Las moléculas de ácido nucleico, en particular el ADN, combinan la uniformidad (y periodicidad) de la estructura espacial con la eficiencia de diversidad múltiple (aperiodicidad) de la secuencia principal. La combinación de estas características distintivas hace que los ácidos nucleicos sean las únicas moléculas conocidas adecuadas para almacenar y transmitir información digital [29], de acuerdo con la predicción de Schrodinger. En cuanto a la física moderna, los "cristales aperiódicos" biológicos a veces significan "gafas" [19, 20]. De hecho, existen analogías profundas, en varios niveles, entre el estado del vidrio y las estructuras biológicas y los fenómenos que se analizan a continuación. Al mismo tiempo, se demostrará que existen diferencias significativas: en cierto sentido, las gafas exhiben una aleatoriedad excesiva.

Para continuar

Bibliografia
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