في الطريق إلى المبادئ الفيزيائية للتطور البيولوجي

ترجمة مختصرة لمقال كتبه M. Katznelson و J. Wolf و E. Kunin

هل التقارب بين الفيزياء والبيولوجيا ممكن؟

مقالة تشير إلى مثل هذه الأفكار ، أصبحت مهتمة في تقديم عالم الفيزياء الفلكية وشعب العلم سيرجي بوبوف. في أحد مراجعاته للمطبوعات الأولية ، تم ذكر مقال يحمل عنوانًا مثيرًا للاهتمام ، وبين المؤلفين - يوجين كونين. بدأت في قراءة كتاب "منطق الصدفة" لهذا المؤلف ... بالطبع ، بعض الأقسام فقط. أدى التعليم الهندسي ، والترجمة التقنية ، وقراءة المقالات العلمية الشهيرة - كل هذا إلى تفكيري ، إلى القيام بترجمة قصيرة لمقال كتبه يوجين كونين بالتعاون مع ميخائيل كاتسينلسون ويوري وولف.

نحو المبادئ الفيزيائية للتطور البيولوجي
ميخائيل أ. كاتسينلسون ، يوري آي وولف ، يوجين ف. كونين
arxiv.org/abs/1709.00284

الشرح

تحقق النظم البيولوجية تنظيمًا معقدًا يتجاوز بكثير تعقيد أي من الأشياء غير الحية المعروفة. لا شك أن الكيانات البيولوجية تطيع قوانين الفيزياء الكمومية والميكانيكا الإحصائية. ومع ذلك ، هل الفيزياء الحديثة كافية لوصف النموذج بشكل كاف وشرح تطور التعقيد البيولوجي؟

تقدم هذه المقالة تحليلاً مفصلاً للتماثلات بين الديناميكا الحرارية الإحصائية ونظرية التطور الوراثي للسكان. استنادًا إلى المقارنات المقدمة ، نوجز آفاقًا جديدة للنُهُج النظرية في علم الأحياء والفترات الانتقالية الرئيسية للتطور ، بالإضافة إلى تقديم المكافئ البيولوجي للإمكانات الديناميكية الحرارية ، مما يعكس الميل إلى تغيير السكان المتطور.

من المفترض أن هناك تشابهات عميقة: بين خواص الكيانات البيولوجية والعمليات فيها من ناحية ، وحالات عدم التكرار في الفيزياء ، لكائنات مثل الزجاج. تتميز هذه الأنظمة بانتهاك تتعارض من خلاله دولة محلية مع حد أدنى من الطاقة الحرة مع حد أدنى عالمي ، مما يؤدي إلى "الصفات الناشئة". ننشر تشبيهات مماثلة من خلال دراسة مظاهر الصفات الناشئة ، مثل بين مستويات مختلفة من الانتقاء في التطور البيولوجي. تتجلى تأثيرات الإحباط هذه كدوافع في تطور التعقيد البيولوجي.

علاوة على ذلك ، ننتقل إلى التطور في المناظر الطبيعية التكيفية متعددة الأبعاد ، مع الأخذ في الاعتبار من وجهة نظر نظرية التسرب (الترشيح) ، ونحن نفترض أن التسرب عند مستوى أعلى من العتبة الحرجة يحدد تطور أشجار الكائنات الحية المعقدة. مجتمعة ، مثل هذه الروابط المتعددة بين العمليات الأساسية في الفيزياء والبيولوجيا تعني أن بناء نظرية فيزيائية ذات مغزى للتطور البيولوجي لا يمكن أن يكون محاولة عقيمة. ومع ذلك ، لن يكون من الواقعي توقع أن يتم إنشاء مثل هذه النظرية من خلال "دراسة واحدة" ؛ حتى إذا انتقلنا إلى هذا ، فلن يحدث هذا إلا من خلال دمج النماذج الفيزيائية المختلفة للعمليات التطورية. علاوة على ذلك ، فإن الإطار الحالي للفيزياء النظرية غير مرضٍ بالكاد لنمذجة كافية للمستوى البيولوجي للتعقيد ، وربما هناك حاجة إلى تطورات جديدة في الفيزياء نفسها.

مقدمة

ما هي الاختلافات بين الكائنات الحية والمواد غير الحية؟ هناك إجابة واضحة على هذا السؤال عند تعريفها من حيث التركيب الكيميائي والبنية. (على الأقل ، لأن الحالة الوحيدة المناسبة ، وهي الحياة على الأرض ، تشير إلى هذا). ولكن عندما يتعلق الأمر بالعمليات الأساسية لتطور الحياة ، يصبح الفرق أقل وضوحًا. في التقليد الدارويني ، من المغري الادعاء بأن الحياة تتحدد بالتطور من خلال البقاء للأصلح [1-4]. ومع ذلك ، يمكن التفرد في تفرد هذه العملية ، لأن تاريخ الكون بأكمله يتكون من تغييرات تصمد أمام أكثر الهياكل استقرارًا (المكيفة). علاوة على ذلك ، فإن عملية النسخ المتماثل (التكاثر) ليست فريدة في حد ذاتها ولا توجد في علم الأحياء فقط: بل تتكرر البلورات أيضًا. على المقاييس العيانية للزمان والمكان ، تبدو الحياة بالتأكيد ظاهرة واضحة. لتحديد السمات المميزة التي تختلف بها الحياة عن غيرها من الظواهر الموجودة في الكون ، يبدو من المهم دراسة العمليات الرئيسية للتطور البيولوجي في إطار الفيزياء النظرية [5 ، 6].

ولعل الميزة الرئيسية التي تميز الفيزياء الحديثة عن المجالات الأخرى لنشاط البحث البشري هي العلاقة الواضحة بين النظرية والتجربة ، والتي تتشكل فيها البرامج البحثية من خلال تنبؤات نظرية يمكن التحقق منها. بشكل عام ، علم الأحياء الحديث ليس علمًا قائمًا على النظرية ، بمعنى تفسير الفيزياء. ولكن هناك استثناء مهم ، وهو علم الوراثة السكانية (فرع رسمي من البيولوجيا منظم بشكل فعال كحقل فيزياء نظرية) ، يشبه بشكل رئيسي الديناميكا الحرارية الإحصائية [7-10].

علاوة على ذلك ، النماذج الرياضية لعلم الوراثة السكانية فعالة للغاية في علم المناعة [11 ، 12] والأورام البيولوجية [13-16] ، والتي ، ربما ، تشير إلى أن تغلغل النظرية في علم الأحياء قد يكون حقيقيًا ومثمرًا. الفيزياء النظرية الحديثة هي حقل له العديد من الروابط القوية ، حيث تتشابك الأقسام الفرعية الأكثر تنوعًا في الفيزياء. في الوقت الحاضر ، علم الوراثة السكانية أو أي منطقة أخرى من علم الأحياء النظري ليست جزءًا من هذه الشبكة. من الممكن القول أن هذا الفصل ليس هو الأمثل ، لأن العديد من فروع الفيزياء النظرية ستوفر المعلومات وتحفز التطورات النظرية في علم الأحياء.

ومع ذلك ، لا يزال هناك مثل هذا السؤال عبر الحدود: هل الفيزياء الحديثة مليئة بما فيه الكفاية لخدمة (تقديم الدعم) البيولوجيا؟ هناك سؤال مشابه ، في صيغ مختلفة (على وجه الخصوص ، "هو علم الأحياء القابل للفيزياء") ، له تاريخ طويل ومثير للغاية (على سبيل المثال ، [17 ، 18]).

دون الخوض في تفاصيل الخطة التاريخية أو الفلسفية ، نرفض أي افتراض بأن الحياة قد تتبع قوانين خاصة معينة للفيزياء "البيولوجية" بدلاً من القوانين العامة الحالية. على سبيل المثال ، تكون ميكانيكا الكم فعالة بشكل عام وقابلة للتطبيق على الكائنات الحية ، تمامًا مثل أي شكل آخر من أشكال المادة. المشكلة هي أن هذه النظرية القوية ، إلى حد ما ، يمكن اعتبارها "نظرية لكل شيء" ، لأنها لا تجلب إلا القليل لتفسير الظواهر البيولوجية [19 ، 20]. بالطبع ، قد تكون الحسابات الميكانيكية الكمية مفيدة في تحليل التفاعلات الكيميائية الحيوية ، لكنها لا يمكن أن تساعدنا في فهم التطور. لذلك ، يُفترض أن المفهوم المادي ، الذي يمكن أن يكون جوهريًا في الوصف النظري للظواهر البيولوجية ، هو المظهر (أو الحدوث ، الطوارئ) ، أي السلوك الجماعي للركام الكبير ، الذي يختلف نوعيًا عن سلوك المكونات المكونة له. "المزيد هو مختلف" تم صياغةه بأسلوب جذاب بواسطة أندرسون [19-24].

في كتابه الذي يحتوي على أفكار مثمرة ، "ما هي الحياة؟ الجانب المادي للخلية الحية "عبر شرودنغر عن عدة نقاط أساسية ، والتي تظل حتى بعد 70 عامًا أساسًا للعديد من المناقشات المتعلقة بأهمية الفيزياء في علم الأحياء [25]. من المحتمل أن الأهم هو أن الناقلات الجزيئية المميزة للوراثة (في ذلك الوقت افتراضية) هي "بلورات غير ملحومة". لم يكن شرودنغر دقيقًا في مثل هذا التعريف للبلور الأبيري ، وحتى الآن يغطي هذا الاستعارة الخصائص الأساسية التي اكتشفت لاحقًا (وليس بدون تأثير شرودنجر) من حاملات المعلومات البيولوجية والحمض النووي والحمض النووي الريبي [26-28].

تجمع جزيئات الحمض النووي ، وخاصة الحمض النووي ، بين التوحيد (والدورية) للهيكل المكاني مع كفاءة التنوع المتعددة (اللولبية الدورية) للتسلسل الرئيسي. مزيج من هذه الميزات المميزة يجعل الأحماض النووية الجزيئات الوحيدة المعروفة المناسبة لتخزين ونقل المعلومات الرقمية [29] ، بما يتفق تماما مع توقعات شرودنجر. أما بالنسبة للفيزياء الحديثة ، فإن "البلورات المشعة" البيولوجية تعني أحيانًا "نظارات" [19 ، 20]. في الواقع ، هناك تشابهات عميقة ، على مختلف المستويات ، بين حالة الهياكل الزجاجية والبيولوجية والظواهر التي نوقشت أدناه. في الوقت نفسه ، سيظهر أن هناك اختلافات كبيرة: بمعنى ما ، تظهر النظارات بشكل عشوائي مفرط.

أن تستمر

ببليوغرافيا
1. داروين ج: عن أصل الأنواع ؛ 1859.
2. Dobzhansky T: علم الوراثة وأصل الأنواع ، 2nd edn. نيويورك: جامعة كولومبيا
الصحافة 1951.
3. Dobzhansky T: لا شيء في علم الأحياء المنطقي إلا في ضوء التطور. الأمريكي
مدرس أحياء 1973 ، 35 ، 125-129.
4. Koonin EV: منطق الفرصة: طبيعة وأصل السرج العلوي للتطور البيولوجي
River، NJ: FT press؛ 2011.
5. Goldenfeld N ، Woese C: ثورة البيولوجيا القادمة. Nature 2007 ، 445 (7126) ، 369.
6. Goldenfeld N، Woese CR: الحياة فيزياء: التطور كظاهرة جماعية بعيدة عن
التوازن. Annu Rev CondensMatter Phys 2011، 2، 375-399.
7. Sella G ، Hirsh AE: تطبيق الفيزياء الإحصائية على البيولوجيا التطورية. بروك ناتل أكاد
علوم الولايات المتحدة الأمريكية 2005 ، 102 (27) ، 9541-9546.
8. Ao P: الناشئة عن المساواة الديناميكية العشوائية والديناميكيات الحرارية الثابتة من
ديناميات الداروينية. Commun Theor Phys 2008، 49 (5)، 1073-1090.
9. بارتون NH ، Coe JB: حول تطبيق الفيزياء الإحصائية على البيولوجيا التطورية. ياء نظرية بيول
2009 ، 259 (2) ، 317-324.
10. de Vladar HP، Barton NH: مساهمة فيزياء إحصائية في البيولوجيا التطورية. الاتجاهات
Ecol Evol 2011 ، 26 (8) ، 424-432.
11. Barreiro LB ، Quintana-Murci L: من علم الوراثة التطورية إلى علم المناعة البشرية: كيف
اختيار الأشكال الجينات الدفاع المضيف. Nat Rev Genet 2010، 11 (1)، 17-30.
12. سيبالا O: الانتقاء الطبيعي على سمات الدفاع المناعي الكمي: مقارنة بين
النظرية والبيانات. J Evol Biol 2015 ، 28 (1) ، 1-9.
13. Bozic I، Anton T، Ohtsuki H، Carter H، Kim D، Chen S، Karchin R، Kinzler KW، Vogelstein B، Nowak
ماجستير: تراكم طفرات السائق والركاب أثناء تطور الورم. بروك ناتل
Acad Sci USA 2010، 107 (43)، 18545-18550.
14. Casas-Selves M، Degregori J: كيف يصور السرطان التطور ، وكيف يصور التطور السرطان.
Evolution (NY) 2011، 4 (4)، 624-634.
15. McFarland CD، Korolev KS، Kryukov GV، Sunyaev SR، Mirny LA: Impact of trailious passenger
الطفرات على تطور السرطان. Proc Natl Acad Sci USA 2013، 110 (8)، 2910-2915.
16. McFarland CD ، Mirny LA ، Korolev KS: Tug-of-war بين طفرات السائق والركاب في
السرطان والعمليات التكيفية الأخرى. Proc Natl Acad Sci USA 2014، 111 (42)، 15138-15143.
17. Polanyi M: هيكل الحياة غير القابل للاختزال. العلوم 1968 ، 160 ، 1308-1312.
18. روزنبرغ أ: داروينان الاختزالية ، أو ، كيف تتوقف عن القلق والحب MoOlecular
علم الأحياء شيكاغو: مطبعة جامعة شيكاغو. 2006
19. لافلين RB ، الصنوبر D: نظرية كل شيء. Proc Natl Acad Sci USA 2000، 97 (1)، 28-31.
20. لافلين آر بي ، باينز دي ، شماليان جي ، ستويكوفيتش بي بي ، ولينيس بي: الطريق الأوسط. Proc Natl Acad Sci USA 2000، 97 (1)، 32-37.
21. أندرسون PW: أكثر مختلفة. العلوم 1972 ، 177 (4047) ، 393-396.
22. لافلين RB: عالم مختلف: إعادة اختراع الفيزياء من أسفل إلى أسفل. نيويورك:
كتب أساسية 2008
23. أندرسون PW: أكثر ومختلف: ملاحظات من حلاق مدروس. سنغافورة: العالم
شركة النشر العلمي 2011.
24. West G: Scale: The Universal Laws of Growth، Innovation، Sustainability، and Pace of Life in
الكائنات الحية والمدن والاقتصاديات والشركات. نيويورك: مطبعة البطريق ؛
25. شرودنجر إي: ما هي الحياة؟ الجانب المادي للخلية الحية. دبلن: كلية الثالوث
الصحافة 1944.
26. Watson JD، Crick FH: التركيب الجزيئي للأحماض النووية ؛ هيكل ل deoxyribose nucleic
حمض. Nature 1953 ، 171 (4356) ، 737-738.
27. Watson JD، Crick FH: الآثار الوراثية لهيكل حامض الديوكسي ريبون النووي. الطبيعة
1953 ، 171 (4361) ، 964-967.
28. فرانك كامينيتسكي MD: كشف الحمض النووي: أهم جزيء الحياة ، الطبعة الثانية. جديد
يورك: كتب أساسية ؛ 1997.

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