Eine gekĂŒrzte Ăbersetzung eines Artikels von M. Katznelson, J. Wolf und E. Kunin
Auf dem Weg zu physikalischen Prinzipien der biologischen Evolution
Michail I. Katsnelson, Juri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284â
Vorheriger TeilEin anderer berĂŒhmter Schrödinger, der sagt, dass Organismen ânegative Entropieâ verwenden (oder Negentropie, ein Begriff, den Schrödinger anscheinend mochte, aber von Forschern nicht aufgegriffen wurde), ist möglicherweise irrefĂŒhrend. Erstaunlicherweise wurde zur Zeit Schrödingers allgemein angenommen, dass komplexe Systeme wie Lebewesen manchmal gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoĂen und dass eine solche offensichtliche âVerletzungâ einer besonderen ErklĂ€rung bedarf [30].
Jetzt verstehen wir die Natur der Entropie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik besser, so dass dieser Standpunkt von Schrödinger möglich und notwendig ist, um ihn zu klĂ€ren. Offensichtlich sind die BiosphĂ€re und die Erde insgesamt keine geschlossenen Systeme, sondern offen fĂŒr einen konstanten Energiezufluss, der hauptsĂ€chlich von der Sonne ausgeht (andere Quellen von relativ geringerer Bedeutung fĂŒr die Umwelt sind der radioaktive Zerfall schwerer Elemente im Darm der Erde).
Das irdische Leben nutzt diesen Energiefluss durch Photosynthese von Photoautotrophen (Organismen, die die Energie des Lichts zur Biosynthese von Zellkomponenten nutzen), die bis zu einem gewissen Grad wie photochemische Maschinen funktionieren. Wenn man das Sonne-Erde-System betrachtet, gibt es natĂŒrlich nicht einmal den Anschein einer Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Jeder einzelne Organismus, jede Population oder jedes Ăkosystem ist auch ein thermodynamisch offenes System. Und angemessener wĂ€re die Behauptung, dass Organismen laut Schrödingers bizarrer Aussage hauptsĂ€chlich Energie zusammen mit chemischen Bausteinen verbrauchen und nicht âNegentropieâ.
In Bezug auf Schrödingers tatsĂ€chliche Motivation, âNegentropieâ darzustellen, können wir jedoch sagen, dass dies mit einigen der grundlegendsten und komplexesten Probleme der Biologie korreliert, nĂ€mlich der Entstehung und Erhaltung einer erstaunlichen Ordnung und gigantischen KomplexitĂ€t in lebenden Organismen. KomplexitĂ€t ist zweifellos eines der problematischsten Konzepte in der gesamten Wissenschaft und widersetzt sich umfassenden Definitionen [34]. TatsĂ€chlich sind die am hĂ€ufigsten verwendeten Definitionen von KomplexitĂ€t kontextsensitiv. In der Biologie ist die KomplexitĂ€t zumindest auf der Ebene der Genome, Organismen und Ăkosysteme von Bedeutung [35, 36].
Die GenomkomplexitĂ€t kann explizit anhand der Anzahl der Nukleotidstellen interpretiert werden, die ausgewĂ€hlt werden sollen und somit biologisch signifikante Informationen enthalten [37â39], obwohl die detaillierte Definition andere wichtige KomplexitĂ€tsquellen auf Genomebene wie die alternative Transkriptionsinitiierung nicht berĂŒcksichtigt und alternatives SpleiĂen in Eukaryoten. Die KomplexitĂ€t in Bezug auf den Organismus und die Ăkologie wird normalerweise als die Anzahl der getrennten Komponenten und / oder Hierarchieebenen in den entsprechenden Systemen wahrgenommen [40]. UnabhĂ€ngig von den genauen Definitionen scheint es klar zu sein, dass die stetig erhaltene, stĂ€ndig zunehmende KomplexitĂ€t ein auĂergewöhnliches charakteristisches Merkmal des Lebens und die gröĂte Herausforderung fĂŒr theoretische Konstruktionen darstellt.
Das traditionellste Mittel zur Wechselwirkung zwischen Physik und Biologie ist die Biophysik, die die Eigenschaften der Struktur und Dynamik biologischer MakromolekĂŒle sowie die Struktur von Zellen und Organismen zusammen mit ihren Funktionen anhand von in der Physik akzeptierten AnsĂ€tzen untersucht. Verschiedene Bereiche der Biophysik haben sich seit mehreren Jahrzehnten als produktiv und erfolgreich erwiesen [41]. Dies ist jedoch immer noch ein separater zusĂ€tzlicher Bereich der Interaktion zwischen Physik und Biologie, wobei die physikalische Theorie verwendet wird, um biologische Prozesse, insbesondere die Evolution auf Bevölkerungsebene, zu beschreiben, zu modellieren und zu analysieren.
Bereits Bohr legte besonderen Wert (im Rahmen der allgemeinen Diskussion des KomplementaritĂ€tsprinzips) auf die KomplementaritĂ€t zwischen der rein physischen, strukturellen Herangehensweise an Organismen und der âganzheitlichenâ Natur als Lebewesen [42]. Das Prinzip, Analogien zwischen Thermodynamik und statistischer Mechanik einerseits und Populationsgenetik andererseits zu ziehen, wurde erstmals in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts [43] und in den folgenden Jahren vom berĂŒhmten Statistiker und BegrĂŒnder der Theorie der Populationsgenetik, Ronald Fisher, vorgeschlagen Entwicklung eines theoretischen Ansatzes fĂŒr diesen Prozess [7,9,10].
In verschiedenen Formen wurde zunehmend der theoretische Formalismus (mathematische Modelle zur Beschreibung der Theorie) aus der statistischen Mechanik verwendet, um das Modell der biologischen Evolution zu rechtfertigen. Neben anderen Ă€hnlichen mathematischen Modellen findet die Verwendung der Perkolationstheorie zur Analyse der Evolution in adaptiven Landschaften eine bedeutende Anwendung [44â46]. Das Hauptziel einer solchen Durchdringung der Physik in der Evolutionsbiologie ist sehr ehrgeizig: Es ist nichts weiter als die Entwicklung einer physikalischen Theorie der biologischen Evolution oder sogar die Umwandlung der Biologie in einen Teil der Physik [5,6]. Offensichtlich kann ein solch umfassendes Programm, selbst wenn es im Prinzip umgesetzt wird, nicht auf einen Schlag umgesetzt werden. Es ist nur möglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt Fortschritte zu erzielen, indem ein vielfĂ€ltiger Evolutionsprozess unter Verwendung von Ideen und dem mathematischen Apparat der theoretischen Physik modelliert wird, in der Hoffnung, dass es am Ende möglich sein wird, solche Modelle zu einer harmonischen theoretischen Grundlage zu kombinieren.
In diesem Artikel diskutieren wir verschiedene Aspekte der biologischen Evolution, bei denen theoretische Ansichten möglich sind, die zunĂ€chst aus komprimierten physikalischen Konzepten stammen. Wir schlagen zur PrĂŒfung die Aussage vor, dass die physikalische Theorie einen nicht trivialen Beitrag zum gegenwĂ€rtigen VerstĂ€ndnis der Evolution leisten kann, und die neuesten theoretischen Entwicklungen in der Physik selbst werden wahrscheinlich gefragt sein, wenn das fĂŒr biologische Systeme charakteristische PhĂ€nomen des Auftretens und der Evolution des KomplexitĂ€tsniveaus vollstĂ€ndig berĂŒcksichtigt wird.
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