😤 🚖 👇🏼 في الطريق إلى المبادئ الفيزيائية للتطور البيولوجي. استمرار 👨🏿‍🤝‍👨🏾 ✊🏼 🙅🏿

ترجمة مختصرة لمقال كتبه M. Katznelson و J. Wolf و E. Kunin
نحو المبادئ الفيزيائية للتطور البيولوجي
ميخائيل أ. كاتسينلسون ، يوري آي وولف ، يوجين ف. كونين
arxiv.org/abs/1709.00284

→ الجزء السابق

هناك شرودنجر آخر شهير يقول أن الكائنات الحية تستخدم "الانتروبيا السلبية" (أو الإهمال ، وهو المصطلح الذي كان شرودنغر يحبه على ما يبدو ولكن لم يلتقطه الباحثون) يُحتمل أن يكون مضللاً. ومن المثير للدهشة ، في وقت شرودنجر ، كان هناك اعتقاد واسع النطاق ، على الرغم من عدم اليقين ، بأن الأنظمة المعقدة مثل الكائنات الحية تنتهك في بعض الأحيان القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، وأن مثل هذا "الانتهاك" الظاهر يتطلب تفسيراً خاصاً [30].

الآن نحن نفهم بشكل أفضل طبيعة الانتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لذلك وجهة نظر شرودنجر هذه ممكنة وضرورية للتوضيح. من الواضح أن المحيط الحيوي والأرض ككل ليسا نظامين مغلقين ، بل إنهما مفتوحان لتدفق مستمر للطاقة يأتي في الغالب من الشمس (تشمل المصادر الأخرى ذات الأهمية البيئية الأقل نسبيًا التحلل الإشعاعي للعناصر الثقيلة في أحشاء الأرض).

تستفيد الحياة الأرضية من هذا التدفق للطاقة من خلال عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها autototrophs (الكائنات الحية التي تستخدم طاقة الضوء لمكونات خلية التخليق الحيوي) ، والتي تعمل ، إلى حد ما ، مثل الآلات الكيميائية الضوئية. بالطبع ، عند النظر في نظام Sun-Earth ، لا يوجد حتى ظهور انتهاك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. كل كائن حي أو مجتمع أو نظام إيكولوجي فردي هو أيضًا نظام مفتوح ديناميكيًا. والأكثر ملاءمة هو التأكيد على أن الكائنات الحية تستهلك الطاقة بشكل أساسي مع لبنات البناء الكيميائية ، بدلاً من "الإهمال" ، وفقًا لبيان شرودنجر الغريب.

ومع ذلك ، فيما يتعلق بدافع شرودنجر الفعلي في تقديم "الإهمال" ، يمكننا القول أن هذا يرتبط ببعض من أكثر المشاكل الأساسية وتعقيدًا في علم الأحياء ، أي ظهور نظام مدهش وتعقيد هائل في الكائنات الحية. لا شك أن التعقيد أحد أكثر المفاهيم إشكالية في العلوم ؛ فهو يقاوم التعريفات الشاملة [34]. في الواقع ، فإن التعاريف الأكثر استخدامًا للتعقيد حساسة للسياق. في علم الأحياء ، يكون التعقيد مهمًا ، على الأقل على مستوى الجينوم والكائنات الحية والنظم الإيكولوجية [35 ، 36].

يمكن تفسير تعقيد الجينوم بشكل صريح من خلال عدد مواقع النوكليوتيدات التي سيتم اختيارها وبالتالي تحمل معلومات مهمة من الناحية البيولوجية [37-39] ، على الرغم من أن التعريف التفصيلي لا يأخذ في الاعتبار مصادر التعقيد المهمة الأخرى على مستوى الجينوم ، مثل بدء النسخ البديل والبديل الربط في حقيقيات النوى. عادة ما ينظر إلى التعقيد فيما يتعلق بالكائن الحي والبيئة على أنه عدد المكونات المنفصلة و / أو مستويات التسلسل الهرمي في الأنظمة المقابلة [40]. بغض النظر عن التعريفات الدقيقة ، يبدو من الواضح أن مستوى التعقيد المستمر والمتزايد باستمرار هو سمة مميزة للحياة والتحدي الرئيسي للإنشاءات النظرية.

أكثر الوسائل التقليدية للتفاعل بين الفيزياء والبيولوجيا هي الفيزياء الحيوية ، التي تدرس خصائص هيكل وديناميكيات الجزيئات البيولوجية ، وكذلك بنية الخلايا والكائنات الحية إلى جانب وظائفها ، من خلال مناهج مقبولة في الفيزياء. أثبتت مجالات مختلفة في الفيزياء الحيوية أنها ناجحة وناجحة لعدة عقود [41]. ومع ذلك ، لا يزال هذا مجالًا إضافيًا منفصلاً للتفاعل بين الفيزياء والبيولوجيا ، حيث يتم استخدام النظرية الفيزيائية لوصف ونمذجة وتحليل العمليات البيولوجية ، ولا سيما التطور على مستوى السكان.

لقد أولى بوهر بالفعل أهمية خاصة (كجزء من المناقشة العامة لمبدأ التكامل) للتكامل بين النهج المادي والهيكلي البحت للكائنات الحية والطبيعة "الكلية" ككائنات حية [42]. مبدأ رسم التشابهات بين الديناميكا الحرارية والميكانيكا الإحصائية ، من ناحية ، وعلم الوراثة السكانية ، من ناحية أخرى ، تم اقتراحه أولاً من قبل الإحصائي الشهير ومؤسس نظرية علم الوراثة السكانية ، رونالد فيشر مرة أخرى في عشرينيات القرن الماضي [43] ، وفي السنوات اللاحقة. تطوير نهج نظري لهذه العملية [7،9،10].

في أشكال مختلفة ، استخدمت بشكل متزايد النظرية النظرية (النماذج الرياضية لوصف النظرية) من الميكانيكا الإحصائية لتبرير نموذج التطور البيولوجي. من بين النماذج الرياضية الأخرى المشابهة ، فإن استخدام نظرية الترشيح لتحليل التطور في المناظر الطبيعية التكيفية يجد تطبيقًا مهمًا [44-46]. الهدف الرئيسي لمثل هذا الاختراق في الفيزياء في البيولوجيا التطورية هو طموح للغاية: إنه ليس أكثر من تطوير نظرية فيزيائية للتطور البيولوجي ، أو حتى تحول البيولوجيا إلى جزء من الفيزياء [5،6]. من الواضح أن مثل هذا البرنامج الشامل ، حتى لو تم تنفيذه من حيث المبدأ ، لا يمكن تنفيذه في ضربة واحدة. لا يمكن تحقيق تقدم إلا في مرحلة واحدة في وقت معين من خلال نمذجة عملية تطورية متنوعة باستخدام الأفكار والجهاز الرياضي للفيزياء النظرية على أمل أنه في النهاية سيكون من الممكن دمج هذه النماذج في أساس نظري متناغم.

في هذه المقالة ، نناقش العديد من جوانب التطور البيولوجي ، حيث يبدو أن النظرية النظرية التي تأتي في البداية من المفاهيم الفيزيائية المكثفة ممكن. نقترح النظر في عبارة مفادها أن النظرية الفيزيائية قادرة على تقديم مساهمة غير تافهة في الفهم الحالي للتطور ، ومن المحتمل أن تكون آخر التطورات النظرية في الفيزياء نفسها مطلوبة عند أخذ ظاهرة ظهور وتطور مستوى التعقيد في الاعتبار ، وهو ما يميز النظم البيولوجية.

أن تستمر

ببليوغرافيا

1. داروين ج: عن أصل الأنواع ؛ 1859.
2. Dobzhansky T: علم الوراثة وأصل الأنواع ، 2nd edn. نيويورك: مطبعة جامعة كولومبيا ؛ 1951.
3. Dobzhansky T: لا شيء في علم الأحياء المنطقي إلا في ضوء التطور. مدرس الأحياء الأمريكي 1973 ، 35 ، 125-129.
4. Koonin EV: منطق الفرصة: طبيعة وأصل نهر السرج للتطور البيولوجي ، NJ: FT press ؛ 2011.
5. Goldenfeld N ، Woese C: ثورة البيولوجيا القادمة. Nature 2007 ، 445 (7126) ، 369.
6. Goldenfeld N، Woese CR: الحياة هي 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. Proc Natl Acad Sci USA 2005، 102 (27)، 9541-9546.
8. Ao P: الظهور في المساواة الديناميكية العشوائية والديناميكا الحرارية المستقرة من الديناميات الداروينية. Commun Theor Phys 2008، 49 (5)، 1073-1090.
9. بارتون NH ، Coe JB: حول تطبيق الفيزياء الإحصائية على البيولوجيا التطورية. J Theor Biol 2009، 259 (2)، 317-324.
10. de Vladar HP، Barton NH: مساهمة فيزياء إحصائية في البيولوجيا التطورية. Trends Ecol Evol 2011، 26 (8)، 424-432.
11. Barreiro LB ، Quintana-Murci L: من علم الوراثة التطورية إلى علم المناعة البشرية: كيف يمكن للاختيار تشكيل جينات الدفاع. Nat Rev Genet 2010، 11 (1)، 17-30.
12. سيبالا سين: الانتقاء الطبيعي لصفات 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 MA: تراكم طفرات السائق والركاب أثناء تطور الورم. Proc Natl 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: تأثير طفرات الركاب الضارة 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 وتحب البيولوجيا الجزيئية 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: الشركة العالمية للنشر العلمي. 2011.
24. ويست جي: النطاق: القوانين العالمية للنمو ، الابتكار ، الاستدامة ، وتيرة الحياة في الكائنات ، المدن ، الاقتصاديات ، والشركات. نيويورك: مطبعة البطريق ؛ 2017
21
25. شرودنجر إي: ما هي الحياة؟ الجانب المادي للخلية الحية. دبلن: مطبعة كلية الثالوث ؛ 1944.
26. Watson JD، Crick FH: التركيب الجزيئي للأحماض النووية ؛ هيكل للحمض النووي ديوكسيريبوز. Nature 1953 ، 171 (4356) ، 737-738.
27. Watson JD، Crick FH: الآثار الوراثية لهيكل حامض الديوكسي ريبون النووي. Nature 1953 ، 171 (4361) ، 964-967.
28. فرانك كامينيتسكي MD: كشف الحمض النووي: أهم جزيء الحياة ، الطبعة الثانية. نيويورك: كتب أساسية ؛ 1997.
29. Koonin EV: لماذا العقيدة المركزية: حول طبيعة مبدأ الاستبعاد البيولوجي الكبير. Biol Direct 2015 ، 10 ، 52.
30. Prigogine IR ، Stengers I: Order Out of Chaos. لندن: بانتام ؛ 1984.
31. ليمون إي ، ستيوارت دي دبليو ، شوكروفت آر دبليو: عمل الشمس في حقل ذرة. العلوم 1971 ، 174 (4007) ، 371-378.
32. Toussaint O، Schneider ED: الديناميكا الحرارية وتطور التعقيد في النظم البيولوجية. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol 1998، 120 (1)، 3-9.
33. باسكال آر ، بروس أ ، ساذرلاند دينار أردني: نحو نظرية تطورية لأصل الحياة على أساس الحركية والديناميكا الحرارية. Open Biol 2013، 3 (11)، 130156.
34. جيل مان: كوارك وجاجوار: مغامرات في المجمع البسيط في نيويورك: سانت مارتن غريفين 1995.
35. Adami C، Ofria C، Collier TC: تطور التعقيد البيولوجي. Proc Natl Acad Sci USA 2000، 97 (9)، 4463-4468.
36. McShea DW ، براندون RN: القانون الأول في علم الأحياء: ميل التنوع والتعقيد إلى الزيادة في النظم التطورية. شيكاغو: مطبعة جامعة شيكاغو ؛ 2010
37. ادامي ج: ما هو التعقيد؟ Bioessays 2002،24 (12)، 1085-1094.
38. Koonin EV: وجهة نظر غير تكيفية على تطور التعقيد الجيني أو التخلص المستمر من الإنسان. Cell Cycle 2004، 3 (3)، 280-285.
39. Koonin EV: معنى المعلومات البيولوجية. Philos Trans A Math Phys Eng Sci 2016، 374 (2063).
40. Heim NA و Payne JL و Finnegan S و Knope ML و Kowalewski M و Lyons SK و McShea DW و Novack-Gottshall PM و Smith FA و Wang SC: التعقيد الهرمي وحدود حجم الحياة. Proc Biol Sci 2017، 284 (1857).
41. Egelman E (ed.): الفيزياء الحيوية الشاملة. نيويورك: الصحافة الأكاديمية ؛ 2012.
42. بوهر ن: النظرية الذرية ووصف الطبيعة. أوكسفورد: مطبعة الثور 1934.
43. فيشر RA: النظرية الوراثية للانتقاء الطبيعي. لندن ونيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد ؛ 1930.
44. Gavrilets S: المناظر الطبيعية للياقة البدنية وأصل الأنواع. برينستون: مطبعة جامعة برينستون ؛ 2004
45. Gavrilets S ، Gravner J: Percolation on the hypercube اللياقة البدنية وتطور العزلة الإنجابية. J Theor Biol 1997، 184 (1)، 51-64.
46. Gravner J، Pitman D، Gavrilets S: Percolation on landscapes اللياقة البدنية: آثار الارتباط ، النمط الظاهري ، وعدم التوافق. J Theor Biol 2007، 248 (4)، 627-645.
47. شانون CE ، ويفر W: النظرية الرياضية للاتصال. شيكاغو: مطبعة جامعة إلينوي ؛ 1949.
48. لينش م: أصول أرشفة الجينوم. سندرلاند ، ماجستير: سيناور 2007
49. لينش M ، Conery JS: أصول تعقيد الجينوم. العلوم 2003 ، 302 (5649) ، 1401-1404.
50. لينش م: هشاشة الفرضيات التكيفية لأصول التعقيد الحي. Proc Natl Acad Sci USA 2007، 104 Suppl 1، 8597-8604.
51. لينش M: أصول بنية الجينات حقيقية النواة. Mol Biol Evol 2006، 23 (2)، 450-468.

Crosspost

في الطريق إلى المبادئ الفيزيائية للتطور البيولوجي. استمرار

More articles: