Une traduction abrégée d'un article de M. Katznelson, J. Wolf et E. Kunin
Vers des principes physiques d'évolution biologique
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284→
Partie précédenteUn autre Schrödinger célèbre disant que les organismes utilisent «l'entropie négative» (ou négentropie, un terme que Schrödinger a apparemment aimé mais n'a pas été repris par les chercheurs) est potentiellement trompeur. Étonnamment, à l'époque de Schrödinger, il était largement admis, bien qu'incertain, que des systèmes complexes tels que les êtres vivants violent parfois la deuxième loi de la thermodynamique, et qu'une telle «violation» apparente nécessite une explication spéciale [30].
Maintenant, nous comprenons mieux la nature de l'entropie et la deuxième loi de la thermodynamique, donc ce point de vue de Schrödinger est possible et nécessaire à clarifier. De toute évidence, la biosphère et la Terre dans son ensemble ne sont pas des systèmes fermés, mais sont plutôt ouverts à un afflux constant d'énergie provenant principalement du Soleil (d'autres sources d'importance environnementale relativement moindre comprennent la désintégration radioactive d'éléments lourds dans les entrailles de la Terre).
La vie terrestre profite de ce flux d'énergie grâce à la photosynthèse réalisée par des photoautotrophes (organismes qui utilisent l'énergie de la lumière pour biosynthèse des composants cellulaires), qui fonctionnent, dans une certaine mesure, comme des machines photochimiques. Bien sûr, lorsque l'on considère le système Soleil-Terre, il n'y a même aucune apparence de violation de la deuxième loi de la thermodynamique. Chaque organisme, population ou écosystème individuel est également un système thermodynamiquement ouvert. Et plus approprié serait l'affirmation selon laquelle les organismes consomment principalement de l'énergie avec des éléments de construction chimiques, plutôt que de la «néguentropie» selon la déclaration bizarre de Schrödinger.
Cependant, en ce qui concerne la motivation réelle de Schrödinger à présenter la `` néguentropie '', nous pouvons dire que cela est en corrélation avec certains des problèmes les plus fondamentaux et complexes de la biologie, à savoir l'émergence et la préservation d'un ordre étonnant et d'une complexité gigantesque dans les organismes vivants. La complexité est sans aucun doute l'un des concepts les plus problématiques de toute la science, elle résiste aux définitions exhaustives [34]. En fait, les définitions de la complexité les plus utilisées sont sensibles au contexte. En biologie, la complexité est importante, au moins au niveau des génomes, des organismes et des écosystèmes [35, 36].
La complexité du génome peut être explicitement interprétée par le nombre de sites nucléotidiques qui doivent être sélectionnés et donc porter des informations biologiquement significatives [37–39], bien que la définition détaillée ne prenne pas en compte d'autres sources importantes de complexité au niveau du génome, telles que l'initiation de transcription alternative et épissage alternatif chez les eucaryotes. La complexité en relation avec l'organisme et l'écologie est généralement perçue comme le nombre de composants séparés et / ou de niveaux de hiérarchie dans les systèmes correspondants [40]. Indépendamment des définitions exactes, il semble clair que le niveau de complexité constamment maintenu et croissant est une caractéristique exceptionnelle de la vie et le principal défi pour les constructions théoriques.
Le moyen d'interaction le plus traditionnel entre la physique et la biologie est la biophysique, qui étudie les propriétés de la structure et de la dynamique des macromolécules biologiques, ainsi que la structure des cellules et des organismes ainsi que leurs fonctions, à travers des approches acceptées en physique. Divers domaines de la biophysique se sont révélés productifs et efficaces depuis plusieurs décennies [41]. Cependant, il s'agit encore d'un domaine d'interaction supplémentaire distinct entre la physique et la biologie, où la théorie physique est utilisée pour décrire, modéliser et analyser les processus biologiques, en particulier l'évolution au niveau de la population.
Bohr attachait déjà une importance particulière (dans le cadre de la discussion générale du principe de complémentarité) à la complémentarité entre l'approche purement physique et structurelle des organismes et la nature «holistique» en tant qu'êtres vivants [42]. Le principe de faire des analogies entre la thermodynamique et la mécanique statistique, d'une part, et la génétique des populations, d'autre part, a été proposé pour la première fois par le célèbre statisticien et fondateur de la théorie de la génétique des populations, Ronald Fisher dans les années 20 du siècle dernier [43], et les années suivantes. développement d'une approche théorique de ce processus [7,9,10].
Sous diverses formes, le formalisme théorique (modèles mathématiques pour décrire la théorie) de la mécanique statistique a été de plus en plus utilisé pour justifier le modèle de l'évolution biologique. Parmi d'autres modèles mathématiques similaires, l'utilisation de la théorie de la percolation pour analyser l'évolution sur des paysages adaptatifs trouve une application significative [44–46]. L'objectif principal d'une telle pénétration de la physique dans la biologie évolutive est très ambitieux: il ne s'agit que du développement d'une théorie physique de l'évolution biologique, voire de la transformation de la biologie en une partie de la physique [5,6]. De toute évidence, un programme aussi complet, même s'il est mis en œuvre en principe, ne peut pas être mis en œuvre d'un seul coup. Seul un progrès à une étape à un moment donné est possible en modélisant un processus évolutif diversifié à l'aide d'idées et de l'appareil mathématique de la physique théorique dans l'espoir qu'il sera finalement possible de combiner ces modèles en une base théorique harmonieuse.
Dans cet article, nous discutons plusieurs aspects de l'évolution biologique, où des vues théoriques qui proviennent initialement de concepts physiques condensés semblent possibles. Nous proposons d'examiner la déclaration selon laquelle la théorie physique est capable d'apporter une contribution non triviale à la compréhension actuelle de l'évolution, et les derniers développements théoriques de la physique elle-même seront probablement demandés lorsque le phénomène d'apparition et d'évolution du niveau de complexité sera pleinement pris en compte, ce qui est caractéristique des systèmes biologiques.
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