Une traduction abrégée d'un article de M. Katznelson, J. Wolf et E. KuninUne convergence de la physique et de la biologie est-elle possible?
Un article suggérant de telles pensées, je me suis intéressé à déposer l'astrophysicien et vulgarisateur scientifique Sergei Popov. Dans l'une de ses critiques de prépublications, un article au titre intrigant a été mentionné, et parmi les auteurs - Eugene Kunin. J'ai commencé à lire le livre de la «logique du hasard» de cet auteur ... Bien sûr, seulement certaines sections. Formation en ingénierie, traduction technique, lecture d'articles scientifiques populaires - tout cela m'a amené à une réflexion séditieuse - pour faire une courte traduction d'un article écrit par Eugene Kunin en collaboration avec Mikhail Katsnelson et Yuri Wolf.
Vers des principes physiques d'évolution biologique
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Kooninarxiv.org/abs/1709.00284Annotation
Les systèmes biologiques atteignent une organisation complexe qui dépasse de loin la complexité de n'importe lequel des objets inanimés connus. Les entités biologiques obéissent sans aucun doute aux lois de la physique quantique et de la mécanique statistique. Cependant, la physique moderne est-elle suffisante pour décrire correctement le modèle et expliquer l'évolution de la complexité biologique?
Cet article fournit une analyse détaillée des analogies entre la thermodynamique statistique et la théorie génétique des populations de l'évolution biologique. Sur la base des analogies présentées, nous esquissons de nouvelles perspectives pour les approches théoriques en biologie et les principales périodes transitoires d'évolution, tout en offrant l'équivalent biologique du potentiel thermodynamique, qui reflète la tendance à changer la population en évolution.
On suppose qu'il existe des analogies profondes: entre les propriétés des entités biologiques et leurs processus d'une part, et les états d'équilibre en physique, pour des objets tels que le verre. De tels systèmes se caractérisent par une violation par laquelle un État local avec un minimum d'énergie libre entre en conflit avec un minimum mondial, résultant en des «qualités naissantes». Nous diffusons des analogies similaires en examinant les manifestations de qualités naissantes, comme entre différents niveaux de sélection dans l'évolution biologique. Ces effets de frustration se manifestent comme des moteurs de l'évolution de la complexité biologique.
De plus, nous nous tournons vers l'évolution des paysages adaptatifs multidimensionnels, en les considérant du point de vue de la théorie de la fuite (percolation), et nous supposons que la fuite à un niveau supérieur au seuil critique détermine l'évolution arborescente des organismes complexes. Pris ensemble, ces connexions multiples entre les processus fondamentaux de la physique et de la biologie signifient que la construction d'une théorie physique significative de l'évolution biologique ne peut pas être une tentative futile. Cependant, il ne serait pas réaliste de s'attendre à ce qu'une telle théorie puisse être créée par le biais d'un «scooping unique»; même si nous allons de l'avant, cela ne peut se produire que par l'intégration de divers modèles physiques de processus évolutifs. De plus, le cadre existant de la physique théorique n'est guère satisfaisant pour une modélisation adéquate du niveau biologique de complexité et, probablement, de nouveaux développements en physique elle-même sont nécessaires.
Présentation
Quelles sont les différences entre les organismes vivants et la matière non vivante? Il existe une réponse évidente à cette question lorsqu'elle est définie en termes de composition chimique et de structure. (Du moins, parce que seul le seul cas approprié, à savoir la vie sur Terre, y fait référence). Mais quand il s'agit des processus de base de l'évolution de la vie, la différence devient moins évidente. Dans la tradition darwinienne, il est tentant d'affirmer que la vie est déterminée par l'évolution à travers la survie des plus aptes [1-4]. Cependant, l'unicité de ce processus peut être remise en question, car toute l'histoire de l'Univers est constituée de changements qui résistent aux structures les plus stables (adaptées). De plus, le processus de réplication (reproduction) n'est pas unique en soi et existe non seulement en biologie: les cristaux se répliquent également. À l'échelle macroscopique du temps et de l'espace, cependant, la vie semble certainement être un phénomène clair. Pour déterminer objectivement les traits caractéristiques par lesquels la vie diffère des autres phénomènes existant dans l'Univers, il semble important d'étudier les processus clés de l'évolution biologique dans le cadre de la physique théorique [5, 6].
La caractéristique principale qui distingue la physique moderne des autres domaines de l'activité de recherche humaine est peut-être le lien explicite entre théorie et expérience, dans lequel les programmes de recherche sont formés par des prédictions théoriques vérifiables. D'une manière générale, la biologie moderne n'est pas une science fondée sur la théorie, au sens où la physique est interprétée. Mais il existe une exception importante, à savoir la génétique des populations (une branche formalisée de la biologie qui est effectivement structurée comme un domaine de la physique théorique), similaire principalement à la thermodynamique statistique [7-10].
De plus, les modèles mathématiques de la génétique des populations sont très efficaces en immunologie [11, 12] et en oncologie biologique [13-16], ce qui suggère peut-être qu'une pénétration plus poussée de la théorie dans la biologie pourrait s'avérer réelle et productive. La physique théorique moderne est un domaine avec de nombreux liens solides, dans lequel les sous-sections les plus diverses de la physique sont entrelacées. À l'heure actuelle, la génétique des populations ou tout autre domaine de la biologie théorique ne fait pas partie d'un tel réseau. Il est possible d'affirmer que cette séparation n'est pas optimale, car de nombreuses branches de la physique théorique fourniraient des informations et stimuleraient les développements théoriques en biologie.
Et pourtant, une telle question transfrontalière se pose encore: la physique moderne est-elle suffisamment remplie pour servir (fournir un support) la biologie? Une question similaire, dans diverses formulations (en particulier, «est la biologie réductible à la physique»), a une histoire longue et très dramatique (par exemple, [17, 18]).
Sans entrer dans les détails du plan historique ou philosophique, nous rejetons toute hypothèse selon laquelle la vie pourrait suivre certaines lois spéciales de la physique «biologique» au lieu des lois générales existantes. Par exemple, la mécanique quantique est généralement assez efficace et applicable aux organismes vivants, comme toute autre forme de matière. Le problème est que cette théorie forte, dans une certaine mesure, peut être considérée comme une «théorie de tout», car elle apporte peu à l'explication des phénomènes biologiques [19, 20]. Bien sûr, les calculs de mécanique quantique peuvent être utiles dans l'analyse des réactions biochimiques, mais ils ne peuvent pas nous aider à comprendre l'évolution. Par conséquent, on suppose que le concept physique, qui pourrait être fondamental dans la description théorique des phénomènes biologiques, est l'apparence (ou l'occurrence, l'urgence), c'est-à-dire le comportement collectif de grands agrégats, qui diffère qualitativement du comportement de leurs composants. «Plus c'est différent» est formulé de manière aphoristique par Anderson [19-24].
Dans son livre contenant des idées fructueuses, «Qu'est-ce que la vie? L'aspect physique d'une cellule vivante »Schrödinger a exprimé plusieurs points clés qui, même après 70 ans, restent la base de nombreuses discussions sur l'importance de la physique pour la biologie [25]. Le plus important est probablement les porteurs moléculaires caractéristiques (à l'époque hypothétiques) de l'hérédité en tant que «cristaux apériodiques». Schrödinger était inexact dans une telle définition d'un cristal apériodique, et jusqu'à présent, cette métaphore couvre les propriétés de base qui ont été découvertes par la suite (non sans l'influence de Schrödinger) des supports d'informations biologiques, l'ADN et l'ARN [26–28].
Les molécules d'acide nucléique, en particulier l'ADN, combinent l'uniformité (et la périodicité) de la structure spatiale avec l'efficacité de diversité multiple (apériodicité) de la séquence principale. La combinaison de ces caractéristiques distinctives fait des acides nucléiques les seules molécules connues appropriées pour stocker et transmettre des informations numériques [29], en totale conformité avec la prédiction de Schrodinger. Quant à la physique moderne, les «cristaux apériodiques» biologiques signifient parfois «lunettes» [19, 20]. En fait, il existe de profondes analogies, à différents niveaux, entre l'état du verre et des structures biologiques et les phénomènes discutés ci-dessous. Dans le même temps, on montrera qu'il existe des différences importantes: dans un certain sens, les verres présentent un caractère aléatoire excessif.
À suivreBibliographie
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CrossPost
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