Terjemahan singkat dari sebuah artikel oleh M. Katznelson, J. Wolf, dan E. KuninApakah konvergensi fisika dan biologi memungkinkan?
Sebuah artikel yang menunjukkan pemikiran seperti itu, saya menjadi tertarik untuk mengajukan astrofisikawan dan popularis sains Sergei Popov. Dalam salah satu ulasannya tentang pracetak, sebuah artikel dengan judul yang menarik disebutkan, dan di antara penulis - Eugene Kunin. Saya mulai membaca buku "Logic of chance" penulis ini ... Tentu saja, hanya bagian-bagian tertentu. Pendidikan teknik, terjemahan teknis, membaca artikel sains populer - semua ini membawa saya pada pemikiran yang menghasut - untuk melakukan terjemahan singkat dari sebuah artikel yang ditulis oleh Eugene Kunin bekerja sama dengan Mikhail Katsnelson dan Yuri Wolf.
Menuju prinsip fisik evolusi biologis
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Kooninarxiv.org/abs/1709.00284Anotasi
Sistem biologis mencapai organisasi yang kompleks yang jauh melebihi kerumitan benda mati yang diketahui. Entitas biologis tidak diragukan lagi mematuhi hukum fisika kuantum dan mekanika statistik. Namun, apakah fisika modern cukup untuk menggambarkan model dan menjelaskan evolusi kompleksitas biologis secara memadai?
Artikel ini memberikan analisis terperinci tentang analogi antara termodinamika statistik dan teori genetika-populasi dari evolusi biologis. Berdasarkan analogi yang disajikan, kami menguraikan prospek baru untuk pendekatan teoritis dalam biologi dan periode transisi utama evolusi, serta mengusulkan padanan biologis dari potensi termodinamika, yang mencerminkan kecenderungan untuk mengubah populasi yang berkembang.
Diasumsikan bahwa ada analogi yang dalam: antara sifat-sifat entitas biologis dan proses di dalamnya di satu sisi, dan keadaan non-kalibrasi dalam fisika, untuk objek seperti kaca. Sistem seperti itu dicirikan oleh pelanggaran yang melaluinya negara lokal dengan minimum konflik energi bebas dengan minimum global, mengakibatkan “kualitas yang baru lahir”. Kami menyebarkan analogi yang sama dengan memeriksa manifestasi kualitas yang baru lahir, seperti antara berbagai tingkat seleksi dalam evolusi biologis. Efek frustrasi seperti itu memanifestasikan diri sebagai pendorong dalam evolusi kompleksitas biologis.
Selanjutnya, kita beralih ke evolusi dalam lanskap adaptif multidimensi, dengan mempertimbangkannya dari sudut pandang teori kebocoran (perkolasi), dan kami berasumsi bahwa kebocoran pada tingkat di atas ambang kritis menentukan evolusi mirip pohon dari organisme kompleks. Secara bersama-sama, beberapa hubungan antara proses fundamental dalam fisika dan biologi berarti bahwa membangun teori fisika evolusi biologis yang bermakna tidak mungkin merupakan upaya yang sia-sia. Namun, tidak realistis untuk berharap bahwa teori seperti itu dapat diciptakan melalui "satu menyendok"; bahkan jika kita bergerak maju untuk ini, ini hanya dapat terjadi melalui integrasi berbagai model fisik dari proses evolusi. Selain itu, kerangka fisika fisika yang ada hampir tidak memuaskan untuk pemodelan tingkat kompleksitas biologis yang memadai, dan, mungkin, perkembangan baru dalam fisika itu sendiri diperlukan.
Pendahuluan
Apa perbedaan antara organisme hidup dan benda tidak hidup? Ada jawaban yang jelas untuk pertanyaan ini ketika didefinisikan dalam hal komposisi dan struktur kimia. (Setidaknya, karena satu-satunya kasus yang cocok, yaitu kehidupan di Bumi, merujuk pada ini). Tetapi ketika sampai pada proses dasar evolusi kehidupan, perbedaannya menjadi kurang jelas. Dalam tradisi Darwin, menggoda untuk mengklaim bahwa kehidupan ditentukan oleh evolusi melalui kelangsungan hidup yang terkuat [1-4]. Namun, keunikan proses ini dapat dipertanyakan, karena seluruh sejarah Semesta terdiri dari perubahan yang tahan terhadap struktur yang paling stabil (diadaptasi). Selain itu, proses replikasi (reproduksi) tidak unik dalam dirinya sendiri dan tidak hanya ada dalam biologi: kristal juga mereplikasi. Namun, dalam skala makroskopis ruang dan waktu, kehidupan jelas merupakan fenomena yang jelas. Untuk menentukan secara obyektif fitur-fitur yang membedakan kehidupan dari fenomena lain yang ada di Semesta, tampaknya penting untuk mempelajari proses-proses utama evolusi biologis dalam kerangka fisika teoretis [5, 6].
Mungkin fitur utama yang membedakan fisika modern dari area lain aktivitas pencarian manusia adalah hubungan eksplisit antara teori dan eksperimen, di mana program penelitian dibentuk menggunakan prediksi teoritis yang dapat diverifikasi. Dalam pengertian umum, biologi modern bukanlah ilmu yang didasarkan pada teori, dalam arti di mana fisika ditafsirkan. Tetapi ada pengecualian signifikan, yaitu, genetika populasi (cabang biologi formal yang secara efektif terstruktur sebagai bidang fisika teoretis), mirip terutama dengan termodinamika statistik [7-10].
Selain itu, model matematika genetika populasi sangat efektif dalam imunologi [11, 12] dan onkologi biologis [13-16], yang, mungkin, menunjukkan bahwa penetrasi lebih lanjut dari teori ke dalam biologi dapat berubah menjadi nyata dan produktif. Fisika teoretis modern adalah bidang dengan banyak ikatan kuat, di mana subbagian fisika yang paling beragam saling terkait. Saat ini, genetika populasi atau bidang biologi teoretis lainnya bukan bagian dari jaringan semacam itu. Dimungkinkan untuk berpendapat bahwa pemisahan ini tidak optimal, karena banyak cabang fisika teoretis akan memberikan informasi dan merangsang perkembangan teori dalam biologi.
Namun, masih ada pertanyaan lintas-batas: apakah fisika modern cukup terisi untuk melayani (memberikan dukungan) biologi? Pertanyaan serupa, dalam berbagai formulasi (khususnya, "apakah biologi dapat direduksi menjadi fisika"), memiliki sejarah yang panjang dan sangat dramatis (misalnya, [17, 18]).
Tanpa merinci rencana historis atau filosofis, kami menolak anggapan bahwa kehidupan dapat mengikuti hukum khusus tertentu dari fisika "biologis" dan bukan yang umum. Sebagai contoh, mekanika kuantum umumnya cukup efektif dan dapat diterapkan pada organisme hidup, sama seperti bentuk materi lainnya. Masalahnya adalah bahwa teori yang kuat ini, sampai batas tertentu, dapat dianggap sebagai "teori segalanya", karena tidak banyak menjelaskan fenomena biologis [19, 20]. Tentu saja, perhitungan kuantum-mekanis mungkin berguna dalam analisis reaksi biokimia, tetapi mereka tidak dapat membantu kita dalam memahami evolusi. Oleh karena itu, diasumsikan bahwa konsep fisik, yang dapat menjadi fundamental dalam deskripsi teoretis fenomena biologis, adalah penampilan (atau kejadian, darurat), yaitu perilaku kolektif agregat besar, yang berbeda secara kualitatif dari perilaku komponen penyusunnya. “More is different” diformulasikan secara aphoristik oleh Anderson [19-24].
Dalam bukunya yang berisi ide-ide yang bermanfaat, "Apa itu kehidupan? Aspek fisik sel hidup ”Schrödinger mengungkapkan beberapa poin kunci bahwa, bahkan setelah 70 tahun, tetap menjadi dasar dari banyak diskusi mengenai pentingnya fisika untuk biologi [25]. Mungkin yang paling signifikan adalah karakteristik (pada waktu itu hipotesis) pembawa molekul hereditas sebagai "kristal aperiodik". Schrödinger tidak akurat dalam definisi kristal aperiodik, dan sejauh ini metafora ini mencakup sifat-sifat dasar yang kemudian ditemukan (bukan tanpa pengaruh Schrödinger) dari pembawa informasi biologis, DNA dan RNA [26-28].
Molekul asam nukleat, khususnya DNA, menggabungkan keseragaman (dan periodisitas) dari struktur ruang dengan efisiensi keanekaragaman ganda (aperiodisitas) dari sekuens utama. Kombinasi dari fitur-fitur yang membedakan ini menjadikan asam nukleat satu-satunya molekul yang dikenal yang cocok untuk menyimpan dan mentransmisikan informasi digital [29], sesuai sepenuhnya dengan prediksi Schrodinger. Adapun fisika modern, "kristal aperiodik" biologis kadang-kadang berarti "kacamata" [19, 20]. Bahkan, ada analogi yang mendalam, di berbagai tingkatan, antara keadaan kaca dan struktur biologis dan fenomena yang dibahas di bawah ini. Pada saat yang sama, akan ditunjukkan bahwa ada perbedaan yang signifikan: dalam arti tertentu, kacamata menunjukkan keacakan yang berlebihan.
Untuk dilanjutkanDaftar pustaka
1. Darwin C: Tentang Asal Mula Spesies; 1859.
2. Dobzhansky T: Genetika dan asal usul spesies, edisi kedua. New York: Universitas Columbia
Tekan; 1951.
3. Dobzhansky T: Tidak ada dalam biologi yang masuk akal kecuali dalam cahaya evolusi. Orang amerika
Guru Biologi 1973, 35, 125-129.
4. Koonin EV: Logika Peluang: Sifat dan Asal Usul Evolusi Biologis Sadel Atas
River, NJ: FT press; 2011
5. Goldenfeld N, Woese C: Revolusi biologi selanjutnya. Nature 2007, 445 (7126), 369.
6. Goldenfeld N, Woese CR: Hidup itu Fisika: Evolusi sebagai Fenomena Kolektif yang Jauh Dari
Kesetimbangan. Annu Rev CondensMatter Phys 2011, 2, 375-399.
7. Sella G, Hirsh AE: Penerapan fisika statistik untuk biologi evolusi. Proc Natl Acad
Sci USA 2005, 102 (27), 9541-9546.
8. Ao P: Munculnya Kesetaraan Dynamical Stochastic dan Thermodynamics Stabil dari
Dinamika Darwin. Commun Theor Phys 2008, 49 (5), 1073-1090.
9. Barton NH, Coe JB: Tentang penerapan fisika statistik untuk biologi evolusi. J theor biol
2009, 259 (2), 317-324.
10. de Vladar HP, Barton NH: Kontribusi fisika statistik untuk biologi evolusi. Tren
Ecol Evol 2011, 26 (8), 424-432.
11. Barreiro LB, Quintana-Murci L: Dari genetika evolusioner ke imunologi manusia: caranya
seleksi membentuk gen pertahanan inang. Nat Rev Genet 2010, 11 (1), 17-30.
12. Seppala O: Seleksi alam pada sifat pertahanan kekebalan kuantitatif: perbandingan antara
teori dan data. J Evol Biol 2015, 28 (1), 1-9.
13. Bozic I, Antal T, Ohtsuki H, Carter H, Kim D, Chen S, Karchin R, Kinzler KW, Vogelstein B, Nowak
MA: Akumulasi mutasi pengemudi dan penumpang selama perkembangan tumor. Proc natl
Acad Sci USA 2010, 107 (43), 18545-18550.
14. Casas-Selves M, Degregori J: Bagaimana kanker membentuk evolusi, dan bagaimana evolusi membentuk kanker.
Evolution (NY) 2011, 4 (4), 624-634.
15. McFarland CD, Korolev KS, Kryukov GV, Sunyaev SR, Mirny LA: Dampak dari penumpang yang merusak
mutasi pada perkembangan kanker. Proc Natl Acad Sci USA 2013, 110 (8), 2910-2915.
16. McFarland CD, Mirny LA, Korolev KS: Tarik-menarik antara mutasi pengemudi dan penumpang di
kanker dan proses adaptif lainnya. Proc Natl Acad Sci USA 2014, 111 (42), 15138-15143.
17. Polanyi M: Struktur kehidupan yang tidak dapat direduksi. Sains 1968, 160, 1308-1312.
18. Rosenberg A: Reduksionisme Darwininan, Atau, Bagaimana Menghentikan Khawatir dan Mencintai MoOlecular
Biologi Chicago: Univ Chicago Press; 2006
19. Laughlin RB, Pines D: Teori segalanya. Proc Natl Acad Sci USA 2000, 97 (1), 28-31.
20. Laughlin RB, Pines D, Schmalian J, Stojkovic BP, Wolynes P: Jalan tengah. Proc Natl Acad Sci USA 2000, 97 (1), 32-37.
21. Anderson PW: Lebih banyak berbeda. Sains 1972, 177 (4047), 393-396.
22. Laughlin RB: A Universe Berbeda: Reinventing Physics Dari Bawah ke Bawah. New York:
Buku Dasar 2008
23. Anderson PW: Semakin Banyak dan Berbeda: Catatan dari Curmudgeon yang Bijaksana. Singapura: dunia
Perusahaan Penerbitan Ilmiah; 2011
24. G Barat: Skala: Hukum Universal Pertumbuhan, Inovasi, Keberlanjutan, dan Langkah Hidup di Indonesia
Organisme, Kota, Ekonomi, dan Perusahaan. New York: Penguin Press;
25. Schroedinger E: Apa itu Kehidupan? Aspek Fisik Sel Hidup. Dublin: Trinity College
Tekan; 1944.
26. Watson JD, Crick FH: Struktur molekul asam nukleat; struktur untuk nukleat deoksiribosa
asam. Alam 1953, 171 (4356), 737-738.
27. Watson JD, Crick FH: Implikasi genetik dari struktur asam deoksiribonukleat. Alam
1953, 171 (4361), 964-967.
28. Frank-Kamenetskii MD: Unraveling Dna: Molekul Kehidupan Paling Penting, edisi ke-2. Baru
York: Buku Dasar; 1997.
CrossPost
7i.7iskusstv.com/2018-nomer5-lesov