जैविक विकास के भौतिक सिद्धांतों के रास्ते पर

एम। काटज़ल्सन, जे। वुल्फ, और ई। कुनिन के एक लेख का संक्षिप्त अनुवाद

क्या भौतिकी और जीव विज्ञान का अभिसरण संभव है?

इस तरह के विचारों का सुझाव देने वाला एक लेख, मुझे खगोल वैज्ञानिक और विज्ञान लोकप्रिय सर्गेई पोपोव को दाखिल करने में दिलचस्पी थी। प्रीप्रिंट्स की उनकी समीक्षाओं में, एक पेचीदा शीर्षक के साथ एक लेख का उल्लेख किया गया था, और लेखकों में - यूजीन कुनिन। मैंने इस लेखक की पुस्तक "लॉजिक ऑफ़ चांस" को पढ़ना शुरू किया ... बेशक, केवल कुछ खंड। इंजीनियरिंग शिक्षा, तकनीकी अनुवाद, लोकप्रिय विज्ञान लेखों को पढ़ना - यह सब मुझे देशद्रोही विचार के लिए प्रेरित करता है - मिखाइल कैट्सल्सन और यूरी वुल्फ के साथ मिलकर यूजीन कुनिन द्वारा लिखे गए लेख का एक छोटा अनुवाद करने के लिए।

जैविक विकास के भौतिक सिद्धांतों की ओर
मिखाइल आई। कैट्सल्सन, यूरी आई। वुल्फ, यूजीन वी। कूनिन
arxiv.org/abs/1709.00284

अमूर्त

जैविक प्रणाली एक जटिल संगठन को प्राप्त करती है जो अब तक ज्ञात निर्जीव वस्तुओं में से किसी की जटिलता से अधिक है। जैविक निकाय निस्संदेह क्वांटम भौतिकी और सांख्यिकीय यांत्रिकी के नियमों का पालन करते हैं। हालांकि, आधुनिक भौतिकी पर्याप्त रूप से मॉडल का वर्णन करने और जैविक जटिलता के विकास की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त है?

यह लेख सांख्यिकीय ऊष्मप्रवैगिकी और जैविक विकास के जनसंख्या-आनुवंशिक सिद्धांत के बीच सादृश्यों का विस्तृत विश्लेषण प्रदान करता है। प्रस्तुत उपमाओं के आधार पर, हम जीव विज्ञान में सैद्धांतिक दृष्टिकोण और विकास की मुख्य संक्रमणकालीन अवधि के लिए नई संभावनाओं को रेखांकित करते हैं, साथ ही साथ थर्मोडायनामिक क्षमता के जैविक समकक्ष की पेशकश करते हैं, जो विकसित होती जनसंख्या को बदलने की प्रवृत्ति को दर्शाता है।

यह माना जाता है कि गहरी उपमाएँ हैं: जैविक संस्थाओं के गुणों और एक तरफ उन में प्रक्रियाओं के बीच, और भौतिक विज्ञान में कोई भीququibibrium कांच जैसी वस्तुओं के लिए नहीं है। इस तरह की प्रणालियों का उल्लंघन होता है, जिसके माध्यम से एक वैश्विक न्यूनतम के साथ मुक्त ऊर्जा संघर्ष का एक स्थानीय राज्य होता है, जिसके परिणामस्वरूप "नवजात गुण" होते हैं। हम नवजात गुणों की अभिव्यक्तियों की जांच करके इसी तरह की उपमाओं का प्रसार करते हैं, जैसे कि जैविक विकास में चयन के विभिन्न स्तरों के बीच। इस तरह के निराशा प्रभाव जैविक जटिलता के विकास में खुद को चालक के रूप में प्रकट करते हैं।

इसके अलावा, हम बहुआयामी अनुकूली परिदृश्यों में विकास की ओर मुड़ते हैं, उन्हें रिसाव (परावर्तन) के सिद्धांत के दृष्टिकोण से देखते हैं, और हम मानते हैं कि महत्वपूर्ण सीमा से ऊपर के स्तर पर रिसाव जटिल जीवों के वृक्ष-समान विकास को निर्धारित करता है। साथ में लिया गया है, भौतिक विज्ञान और जीव विज्ञान में मौलिक प्रक्रियाओं के बीच ऐसे कई कनेक्शन का मतलब है कि जैविक विकास के एक सार्थक भौतिक सिद्धांत का निर्माण एक निरर्थक प्रयास नहीं हो सकता है। हालांकि, यह उम्मीद करना यथार्थवादी नहीं होगा कि इस तरह के सिद्धांत को "एक स्कूपिंग" के माध्यम से बनाया जा सकता है; यहां तक ​​कि अगर हम इसके लिए आगे बढ़ते हैं, तो यह विकासवादी प्रक्रियाओं के विभिन्न भौतिक मॉडल के एकीकरण के माध्यम से ही हो सकता है। इसके अलावा, सैद्धांतिक भौतिकी की मौजूदा रूपरेखा जटिलता के जैविक स्तर के पर्याप्त मॉडलिंग के लिए शायद ही संतोषजनक है, और, शायद, भौतिकी में नए विकास की आवश्यकता है।

परिचय

जीवित जीव और निर्जीव पदार्थ के बीच अंतर क्या हैं? रासायनिक संरचना और संरचना के संदर्भ में इस प्रश्न का स्पष्ट उत्तर है। (कम से कम, क्योंकि केवल एकमात्र उपयुक्त मामला, अर्थात् पृथ्वी पर जीवन, यह संदर्भित करता है)। लेकिन जब जीवन के विकास की बुनियादी प्रक्रियाओं की बात आती है, तो अंतर कम स्पष्ट हो जाता है। डार्विनियन परंपरा में, यह दावा करना लुभावना है कि जीवन का विकास योग्यतम के जीवित रहने के माध्यम से किया जाता है [1-4]। हालांकि, इस प्रक्रिया की विशिष्टता पर सवाल उठाया जा सकता है, क्योंकि ब्रह्मांड के पूरे इतिहास में सबसे स्थिर (अनुकूलित) संरचनाओं का सामना करने वाले परिवर्तन शामिल हैं। इसके अलावा, प्रतिकृति (प्रजनन) की प्रक्रिया अपने आप में अनोखी नहीं है और न केवल जीव विज्ञान में मौजूद है: क्रिस्टल भी दोहराते हैं। समय और स्थान के स्थूल तराजू पर, हालांकि, जीवन निश्चित रूप से एक स्पष्ट घटना लगता है। ब्रह्माण्ड में विद्यमान अन्य परिघटनाओं से भिन्न जीवन की विशेषताओं को निर्धारित करने के लिए सैद्धांतिक भौतिकी के ढांचे में जैविक विकास की प्रमुख प्रक्रियाओं का अध्ययन करना महत्वपूर्ण प्रतीत होता है [5, 6]।

शायद मानव खोज गतिविधि के अन्य क्षेत्रों से आधुनिक भौतिकी को अलग करने वाली मुख्य विशेषता सिद्धांत और प्रयोग के बीच स्पष्ट संबंध है, जिसमें सत्यापन योग्य सैद्धांतिक भविष्यवाणियों का उपयोग करके अनुसंधान कार्यक्रम बनाए जाते हैं। एक सामान्य अर्थ में, आधुनिक जीव विज्ञान, सिद्धांत पर आधारित विज्ञान नहीं है, जिस अर्थ में भौतिकी की व्याख्या की जाती है। लेकिन एक महत्वपूर्ण अपवाद है, जनसंख्या आनुवंशिकी (जीव विज्ञान की एक औपचारिक शाखा जो सैद्धांतिक भौतिकी के एक क्षेत्र के रूप में प्रभावी रूप से संरचित है), मुख्य रूप से सांख्यिकीय थर्मोडायनामिक्स [7-10] के समान है।

इसके अलावा, जनसंख्या आनुवंशिकी के गणितीय मॉडल इम्यूनोलॉजी [11, 12] और जैविक ऑन्कोलॉजी में अत्यधिक प्रभावी हैं [13-16], जो, शायद, यह सुझाव देता है कि जीव विज्ञान में सिद्धांत के आगे पैठ वास्तविक और उत्पादक हो सकता है। आधुनिक सैद्धांतिक भौतिकी कई मजबूत बंधनों वाला एक क्षेत्र है, जिसमें भौतिकी के सबसे विविध उपखंडों को परस्पर जोड़ा जाता है। वर्तमान में, जनसंख्या आनुवंशिकी या सैद्धांतिक जीव विज्ञान के किसी अन्य क्षेत्र में इस तरह के नेटवर्क का हिस्सा नहीं है। यह तर्क करना संभव है कि यह पृथक्करण इष्टतम नहीं है, क्योंकि सैद्धांतिक भौतिकी की कई शाखाएं जीव विज्ञान में जानकारी प्रदान करेगी और सैद्धांतिक विकास को प्रोत्साहित करेगी।

और फिर भी, अभी भी इस तरह के एक सीमा-पार का सवाल है: क्या आधुनिक भौतिकी पर्याप्त रूप से सेवा (सहायता प्रदान) जीव विज्ञान से भरी हुई है? इसी तरह का एक सवाल, विभिन्न योगों में (विशेष रूप से, "जीव विज्ञान के लिए जीव विज्ञान के अनुकूल है"), एक लंबा और बहुत नाटकीय इतिहास है (उदाहरण के लिए, [17, 18])।

ऐतिहासिक या दार्शनिक योजना के विवरण में जाने के बिना, हम किसी भी धारणा को अस्वीकार करते हैं कि जीवन मौजूदा सामान्य लोगों के बजाय "जैविक" भौतिकी के कुछ विशेष कानूनों का पालन कर सकता है। उदाहरण के लिए, क्वांटम यांत्रिकी आम तौर पर काफी प्रभावी है और जीवित जीवों पर लागू होती है, किसी भी अन्य पदार्थ की तरह। समस्या यह है कि यह मजबूत सिद्धांत, एक निश्चित सीमा तक, "हर चीज का सिद्धांत" माना जा सकता है, क्योंकि यह जैविक घटना [19, 20] की व्याख्या के लिए बहुत कम है। बेशक, क्वांटम-मैकेनिकल गणना जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं के विश्लेषण में उपयोगी हो सकती है, लेकिन वे विकास को समझने में हमारी मदद नहीं कर सकते हैं। इसलिए, यह माना जाता है कि भौतिक अवधारणा, जो जैविक घटनाओं के सैद्धांतिक विवरण में मौलिक हो सकती है, वह है उपस्थिति (या घटना, आपातकाल), यानी बड़े समुच्चय का सामूहिक व्यवहार, जो उनके घटक घटकों के व्यवहार से गुणात्मक रूप से भिन्न होता है। "अधिक अलग है" इसलिए एंडरसन [19-24] द्वारा औपचारिक रूप से तैयार किया गया है।

फलदायक विचारों वाली उनकी पुस्तक में, “जीवन क्या है? एक जीवित कोशिका का भौतिक पहलू ”श्रोडिंगर ने कई प्रमुख बिंदुओं को व्यक्त किया, जो 70 वर्षों के बाद भी, जीव विज्ञान के लिए भौतिकी के महत्व के बारे में कई चर्चाओं का आधार बने हुए हैं। संभवतः सबसे महत्वपूर्ण विशेषता है (उस समय काल्पनिक) आणविक वाहक की आनुवंशिकता "एपेरियोडिक क्रिस्टल" के रूप में। एप्रोडिक क्रिस्टल की एक ऐसी परिभाषा में श्रोडिंगर गलत था, और अब तक इस रूपक में बुनियादी गुण शामिल हैं जिन्हें बाद में जैविक सूचना वाहक, डीएनए और आरएनए [26-28] के (श्रोडिंगर के प्रभाव के बिना नहीं) खोजा गया था।

न्यूक्लिक एसिड के अणु, विशेष रूप से डीएनए में, स्थानिक संरचना की एकरूपता (और आवधिकता) को मुख्य अनुक्रम के कई विविधता दक्षता (एपेरियोडैसिटी) के साथ जोड़ते हैं। इन विशिष्ट विशेषताओं का संयोजन न्यूक्लियर एसिड को केवल ज्ञात अणुओं को स्टोर करने और डिजिटल जानकारी को प्रसारित करने के लिए उपयुक्त बनाता है [29], जो श्रोडिंगर की भविष्यवाणी के अनुसार पूर्ण है। जैसा कि आधुनिक भौतिकी के लिए, जैविक "एपेरियोडिक क्रिस्टल" का अर्थ कभी-कभी "चश्मा" [19, 20] होता है। वास्तव में, कांच और जैविक संरचनाओं की स्थिति और नीचे चर्चा की गई घटनाओं के बीच, विभिन्न स्तरों पर गहरी समानताएं हैं। इसी समय, यह दिखाया जाएगा कि महत्वपूर्ण अंतर हैं: एक निश्चित अर्थ में, चश्मा अत्यधिक यादृच्छिकता का प्रदर्शन करते हैं।

जारी रखा जाए

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