Auf dem Weg zu den physikalischen Prinzipien der biologischen Evolution

Eine gekürzte Übersetzung eines Artikels von M. Katznelson, J. Wolf und E. Kunin

Ist eine Konvergenz von Physik und Biologie möglich?

In einem Artikel, der solche Gedanken vorschlug, interessierte ich mich für die Einreichung des Astrophysikers und Wissenschafts-Popularisierers Sergei Popov. In einer seiner Rezensionen zu Preprints wurde ein Artikel mit einem faszinierenden Titel erwähnt, und unter den Autoren - Eugene Kunin. Ich fing an, das Buch der "Logik des Zufalls" dieses Autors zu lesen ... Natürlich nur bestimmte Abschnitte. Ingenieurausbildung, technische Übersetzung, Lesen populärwissenschaftlicher Artikel - all dies brachte mich zu aufrührerischen Überlegungen -, um eine kurze Übersetzung eines Artikels von Eugene Kunin in Zusammenarbeit mit Mikhail Katsnelson und Yuri Wolf zu machen.

Auf dem Weg zu physikalischen Prinzipien der biologischen Evolution
Michail I. Katsnelson, Juri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284

Anmerkung

Biologische Systeme erreichen eine komplexe Organisation, die die Komplexität eines der bekannten leblosen Objekte bei weitem übertrifft. Biologische Einheiten gehorchen zweifellos den Gesetzen der Quantenphysik und der statistischen Mechanik. Reicht die moderne Physik jedoch aus, um das Modell angemessen zu beschreiben und die Entwicklung der biologischen Komplexität zu erklären?

Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse der Analogien zwischen statistischer Thermodynamik und der populationsgenetischen Theorie der biologischen Evolution. Basierend auf den vorgestellten Analogien skizzieren wir neue Perspektiven in Bezug auf theoretische Ansätze in der Biologie und die Hauptübergangsperioden der Evolution und schlagen das biologische Äquivalent des thermodynamischen Potentials vor, das die Tendenz widerspiegelt, die sich entwickelnde Population zu verändern.

Es wird angenommen, dass es tiefe Analogien gibt: zwischen den Eigenschaften biologischer Einheiten und den darin enthaltenen Prozessen einerseits und Nichtgleichgewichtszuständen in der Physik für Objekte wie Glas. Solche Systeme sind durch eine Verletzung gekennzeichnet, durch die ein lokaler Staat mit einem Minimum an freier Energie mit einem globalen Minimum in Konflikt gerät, was zu „entstehenden Qualitäten“ führt. Wir verbreiten ähnliche Analogien, indem wir Manifestationen von entstehenden Eigenschaften untersuchen, beispielsweise zwischen verschiedenen Selektionsebenen in der biologischen Evolution. Solche Frustrationseffekte manifestieren sich als Treiber für die Entwicklung der biologischen Komplexität.

Darüber hinaus wenden wir uns der Evolution in mehrdimensionalen adaptiven Landschaften zu, wobei wir sie unter dem Gesichtspunkt der Leckagetheorie (Perkolation) betrachten, und wir gehen davon aus, dass Leckagen auf einem Niveau oberhalb der kritischen Schwelle die baumartige Evolution komplexer Organismen bestimmen. Zusammengenommen bedeuten solche vielfältigen Verbindungen zwischen grundlegenden Prozessen in Physik und Biologie, dass der Aufbau einer aussagekräftigen physikalischen Theorie der biologischen Evolution kein vergeblicher Versuch sein kann. Es wäre jedoch nicht realistisch zu erwarten, dass eine solche Theorie durch „One Scooping“ erstellt werden könnte. Selbst wenn wir uns dem nähern, kann dies nur durch die Integration verschiedener physikalischer Modelle von Evolutionsprozessen geschehen. Darüber hinaus ist der bestehende Rahmen der theoretischen Physik für eine angemessene Modellierung des biologischen Komplexitätsniveaus kaum zufriedenstellend, und wahrscheinlich sind neue Entwicklungen in der Physik selbst erforderlich.

Einführung

Was sind die Unterschiede zwischen lebenden Organismen und nicht lebender Materie? Es gibt eine offensichtliche Antwort auf diese Frage, wenn sie in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und Struktur definiert wird. (Zumindest, weil sich nur der einzig geeignete Fall, nämlich das Leben auf der Erde, darauf bezieht). Aber wenn es um die grundlegenden Prozesse der Evolution des Lebens geht, wird der Unterschied weniger offensichtlich. In der darwinistischen Tradition ist es verlockend zu behaupten, dass das Leben durch die Evolution durch das Überleben der Stärksten bestimmt wird [1-4]. Die Einzigartigkeit dieses Prozesses kann jedoch in Frage gestellt werden, da die gesamte Geschichte des Universums aus Veränderungen besteht, die den stabilsten (angepassten) Strukturen standhalten. Darüber hinaus ist der Replikationsprozess (Reproduktion) an sich nicht einzigartig und existiert nicht nur in der Biologie: Kristalle replizieren auch. Auf den makroskopischen Skalen von Zeit und Raum scheint das Leben jedoch ein klares Phänomen zu sein. Um die charakteristischen Merkmale, durch die sich das Leben von anderen im Universum existierenden Phänomenen unterscheidet, objektiv zu bestimmen, erscheint es wichtig, die Schlüsselprozesse der biologischen Evolution im Rahmen der theoretischen Physik zu untersuchen [5, 6].

Vielleicht ist das Hauptmerkmal, das die moderne Physik von anderen Bereichen der menschlichen Suchaktivität unterscheidet, die explizite Verbindung zwischen Theorie und Experiment, in der Forschungsprogramme durch überprüfbare theoretische Vorhersagen gebildet werden. Im Allgemeinen ist die moderne Biologie keine Wissenschaft, die auf Theorie basiert, in dem Sinne, in dem Physik interpretiert wird. Es gibt jedoch eine bedeutende Ausnahme, nämlich die Populationsgenetik (ein formalisierter Zweig der Biologie, der effektiv als Feld der theoretischen Physik strukturiert ist), der hauptsächlich der statistischen Thermodynamik ähnelt [7-10].

Darüber hinaus sind mathematische Modelle der Populationsgenetik in der Immunologie [11, 12] und der biologischen Onkologie [13-16] hochwirksam, was möglicherweise darauf hindeutet, dass sich eine weitere Durchdringung der Theorie in die Biologie als real und produktiv herausstellen könnte. Die moderne theoretische Physik ist ein Gebiet mit vielen starken Bindungen, in dem die unterschiedlichsten Unterabschnitte der Physik miteinander verflochten sind. Derzeit ist die Populationsgenetik oder ein anderer Bereich der theoretischen Biologie nicht Teil eines solchen Netzwerks. Man kann argumentieren, dass diese Trennung nicht optimal ist, da viele Zweige der theoretischen Physik Informationen liefern und theoretische Entwicklungen in der Biologie anregen würden.

Und doch gibt es immer noch eine solche grenzüberschreitende Frage: Ist die moderne Physik ausreichend gefüllt, um die Biologie zu bedienen (zu unterstützen)? Eine ähnliche Frage hat in verschiedenen Formulierungen (insbesondere „ist Biologie auf Physik reduzierbar“) eine lange und sehr dramatische Geschichte (zum Beispiel [17, 18]).

Ohne auf Details des historischen oder philosophischen Plans einzugehen, lehnen wir jede Annahme ab, dass das Leben bestimmten speziellen Gesetzen der „biologischen“ Physik folgen könnte, anstatt den bestehenden allgemeinen. Beispielsweise ist die Quantenmechanik im Allgemeinen sehr effektiv und auf lebende Organismen anwendbar, genau wie jede andere Form von Materie. Das Problem ist, dass diese starke Theorie bis zu einem gewissen Grad als „Theorie von allem“ betrachtet werden kann, da sie wenig zur Erklärung biologischer Phänomene beiträgt [19, 20]. Natürlich können quantenmechanische Berechnungen bei der Analyse biochemischer Reaktionen nützlich sein, aber sie können uns nicht helfen, die Evolution zu verstehen. Daher wird angenommen, dass das physikalische Konzept, das für die theoretische Beschreibung biologischer Phänomene von grundlegender Bedeutung sein könnte, das Auftreten (oder Auftreten, Notfall) ist, dh das kollektive Verhalten großer Aggregate, das sich qualitativ vom Verhalten ihrer Bestandteile unterscheidet. "Mehr ist anders" wird von Anderson so aphoristisch formuliert [19-24].

In seinem Buch mit fruchtbaren Ideen heißt es: „Was ist das Leben? Der physikalische Aspekt einer lebenden Zelle “Schrödinger brachte mehrere wichtige Punkte zum Ausdruck, die auch nach 70 Jahren die Grundlage vieler Diskussionen über die Bedeutung der Physik für die Biologie bleiben [25]. Am bedeutendsten sind wahrscheinlich die charakteristischen (damals hypothetischen) molekularen Vererbungsträger als „aperiodische Kristalle“. Schrödinger war in einer solchen Definition eines aperiodischen Kristalls ungenau, und diese Metapher deckt bisher die grundlegenden Eigenschaften ab, die später (nicht ohne Schrödingers Einfluss) von biologischen Informationsträgern, DNA und RNA entdeckt wurden [26–28].

Nukleinsäuremoleküle, insbesondere DNA, kombinieren die Gleichmäßigkeit (und Periodizität) der räumlichen Struktur mit der Mehrfachdiversitätseffizienz (Aperiodizität) der Hauptsequenz. Die Kombination dieser Unterscheidungsmerkmale macht Nukleinsäuren zu den einzigen bekannten Molekülen, die gemäß Schrödingers Vorhersage zur Speicherung und Übertragung digitaler Informationen geeignet sind [29]. In der modernen Physik bedeuten biologische „aperiodische Kristalle“ manchmal „Gläser“ [19, 20]. Tatsächlich gibt es auf verschiedenen Ebenen tiefe Analogien zwischen dem Zustand von Glas und biologischen Strukturen und den unten diskutierten Phänomenen. Gleichzeitig wird gezeigt, dass es signifikante Unterschiede gibt: In gewissem Sinne weisen Brillen eine übermäßige Zufälligkeit auf.

Fortsetzung folgt

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