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

Una traducción abreviada de un artículo de M. Katznelson, J. Wolf y E. Kunin
Hacia los principios físicos de la evolución biológica.
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284

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Otro famoso Schr√∂dinger que dice que los organismos usan "entrop√≠a negativa" (o negentrop√≠a, un t√©rmino que aparentemente le gustaba a Schr√∂dinger pero que no fue descubierto por los investigadores) es potencialmente enga√Īoso. Sorprendentemente, en la √©poca de Schr√∂dinger, se cre√≠a ampliamente, aunque incierto, que los sistemas complejos, como los seres vivos, a veces violan la segunda ley de la termodin√°mica, y que tal aparente "violaci√≥n" requiere una explicaci√≥n especial [30].

Ahora entendemos mejor la naturaleza de la entrop√≠a y la segunda ley de la termodin√°mica, por lo que este punto de vista de Schr√∂dinger es posible y necesario para aclarar. Obviamente, la biosfera y la Tierra en su conjunto no son sistemas cerrados, sino que est√°n abiertos a un flujo constante de energ√≠a proveniente principalmente del Sol (otras fuentes de importancia ambiental relativamente menor incluyen la desintegraci√≥n radiactiva de elementos pesados ‚Äč‚Äčen las entra√Īas de la Tierra).

La vida terrenal aprovecha este flujo de energ√≠a a trav√©s de la fotos√≠ntesis realizada por fotoaut√≥trofos (organismos que utilizan la energ√≠a de la luz para bios√≠ntesis de componentes celulares), que funcionan, en cierta medida, como m√°quinas fotoqu√≠micas. Por supuesto, cuando se considera el sistema Sol-Tierra, incluso no hay apariencia de violaci√≥n de la segunda ley de la termodin√°mica. Cada organismo, poblaci√≥n o ecosistema individual es tambi√©n un sistema termodin√°micamente abierto. Y m√°s apropiado ser√≠a la afirmaci√≥n de que los organismos consumen principalmente energ√≠a junto con bloques de construcci√≥n qu√≠micos, en lugar de 'negentrop√≠a', seg√ļn la extra√Īa declaraci√≥n de Schr√∂dinger.

Sin embargo, con respecto a la motivación real de Schrödinger al presentar la 'negentropía', podemos decir que esto se correlaciona con algunos de los problemas más fundamentales y complejos de la biología, a saber, la aparición y preservación de un orden sorprendente y una complejidad gigantesca en los organismos vivos. La complejidad es sin duda uno de los conceptos más problemáticos en toda la ciencia, se resiste a las definiciones integrales [34]. De hecho, las definiciones de complejidad más utilizadas son sensibles al contexto. En biología, la complejidad es significativa, al menos a nivel de genomas, organismos y ecosistemas [35, 36].

La complejidad del genoma se puede interpretar expl√≠citamente por el n√ļmero de sitios de nucle√≥tidos que se seleccionar√°n y, por lo tanto, contienen informaci√≥n biol√≥gicamente significativa [37‚Äď39], aunque la definici√≥n detallada no tiene en cuenta otras fuentes importantes de complejidad a nivel del genoma, como el inicio de la transcripci√≥n alternativa y empalmes alternativos en eucariotas. La complejidad en relaci√≥n con el organismo y la ecolog√≠a generalmente se percibe como el n√ļmero de componentes separados y / o niveles de jerarqu√≠a en los sistemas correspondientes [40]. Independientemente de las definiciones exactas, parece claro que el nivel de complejidad cada vez mayor, mantenido constantemente, es un rasgo caracter√≠stico excepcional de la vida y el principal desaf√≠o para las construcciones te√≥ricas.

El medio de interacción más tradicional entre la física y la biología es la biofísica, que estudia las propiedades de la estructura y la dinámica de las macromoléculas biológicas, así como la estructura de las células y organismos junto con sus funciones, a través de enfoques aceptados en la física. Varias áreas de la biofísica han demostrado ser productivas y exitosas durante varias décadas [41]. Sin embargo, esta sigue siendo un área adicional de interacción adicional entre la física y la biología, mediante la cual la teoría física se utiliza para describir, modelar y analizar procesos biológicos, en particular, la evolución a nivel de la población.

Bohr ya concedi√≥ particular importancia (como parte de la discusi√≥n general del principio de complementariedad) a la complementariedad entre el enfoque puramente f√≠sico y estructural de los organismos y la naturaleza "hol√≠stica" como seres vivos [42]. El principio de establecer analog√≠as entre la termodin√°mica y la mec√°nica estad√≠stica, por un lado, y la gen√©tica de poblaciones, por otro lado, fue propuesto por primera vez por el famoso estad√≠stico y fundador de la teor√≠a de la gen√©tica de poblaciones, Ronald Fisher en los a√Īos 20 del siglo pasado [43], y en los a√Īos siguientes. desarrollo de un enfoque te√≥rico para este proceso [7,9,10].

En varias formas, el formalismo teórico (modelos matemáticos para describir la teoría) de la mecánica estadística se ha utilizado cada vez más para justificar el modelo de evolución biológica. Entre otros modelos matemáticos similares, el uso de la teoría de la percolación para analizar la evolución en paisajes adaptativos encuentra una aplicación significativa [44-46]. El objetivo principal de tal penetración de la física en la biología evolutiva es muy ambicioso: no es más que el desarrollo de una teoría física de la evolución biológica, o incluso la transformación de la biología en una parte de la física [5,6]. Obviamente, un programa tan completo, incluso si se implementa en principio, no se puede implementar de una sola vez. Solo el progreso en una etapa en un momento dado es posible modelando un proceso evolutivo diverso utilizando ideas y el aparato matemático de la física teórica con la esperanza de que al final sea posible combinar tales modelos en una base teórica armoniosa.

En este art√≠culo, discutimos varios aspectos de la evoluci√≥n biol√≥gica, donde las opiniones te√≥ricas que provienen inicialmente de conceptos f√≠sicos condensados ‚Äč‚Äčparecen posibles. Proponemos para consideraci√≥n la afirmaci√≥n de que la teor√≠a f√≠sica es capaz de hacer una contribuci√≥n no trivial a la comprensi√≥n actual de la evoluci√≥n, y los √ļltimos desarrollos te√≥ricos en la f√≠sica misma probablemente ser√°n demandados cuando el fen√≥meno de la aparici√≥n y evoluci√≥n del nivel de complejidad se tenga en cuenta completamente, lo cual es caracter√≠stico de los sistemas biol√≥gicos.

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