Terjemahan singkat dari sebuah artikel oleh M. Katznelson, J. Wolf, dan E. Kunin
Menuju prinsip fisik evolusi biologis
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284→
Bagian sebelumnyaSchrödinger terkenal lainnya mengatakan bahwa organisme menggunakan "entropi negatif" (atau negentropi, istilah yang tampaknya disukai Schrödinger tetapi tidak diambil oleh para peneliti) berpotensi menyesatkan. Hebatnya, pada masa Schrödinger, diyakini secara luas, meskipun tidak pasti, bahwa sistem yang kompleks seperti makhluk hidup kadang-kadang melanggar hukum kedua termodinamika, dan bahwa "pelanggaran" yang jelas seperti itu memerlukan penjelasan khusus [30].
Sekarang kita lebih memahami sifat entropi dan hukum termodinamika kedua, sehingga sudut pandang Schrödinger ini mungkin dan perlu diperjelas. Jelas, biosfer dan Bumi secara keseluruhan bukanlah sistem tertutup, melainkan terbuka terhadap masuknya energi secara konstan yang sebagian besar berasal dari Matahari (sumber lain yang relatif kurang penting bagi lingkungan termasuk peluruhan radioaktif unsur-unsur berat di perut Bumi).
Kehidupan di bumi mengambil keuntungan dari aliran energi ini melalui fotosintesis yang dilakukan oleh fotoautotrof (organisme yang menggunakan energi cahaya untuk komponen sel biosintesis), yang berfungsi, sampai batas tertentu, seperti mesin fotokimia. Tentu saja, ketika mempertimbangkan sistem Matahari-Bumi, bahkan tidak ada tampilan pelanggaran hukum kedua termodinamika. Setiap organisme, populasi, atau ekosistem individu juga merupakan sistem yang terbuka secara termodinamik. Dan yang lebih tepat adalah pernyataan bahwa organisme terutama mengkonsumsi energi bersama dengan bahan kimia, daripada 'negentropi' menurut pernyataan aneh Schrödinger.
Namun, mengenai motivasi aktual Schrödinger dalam menyajikan 'negentropi', kita dapat mengatakan bahwa ini berkorelasi dengan beberapa masalah biologi yang paling mendasar dan kompleks, yaitu, munculnya dan pelestarian tatanan menakjubkan dan kompleksitas raksasa dalam organisme hidup. Kompleksitas tidak diragukan lagi merupakan salah satu konsep yang paling bermasalah dalam semua sains, ia menolak definisi yang komprehensif [34]. Bahkan, definisi kompleksitas yang paling banyak digunakan adalah konteks-sensitif. Dalam biologi, kompleksitas adalah signifikan, setidaknya pada tingkat genom, organisme, dan ekosistem [35, 36].
Kompleksitas genom dapat secara eksplisit ditafsirkan dengan jumlah situs nukleotida yang akan dipilih dan dengan demikian membawa informasi yang signifikan secara biologis [37-39], meskipun definisi terperinci tidak memperhitungkan sumber kompleksitas penting lainnya pada tingkat genom, seperti inisiasi transkripsi alternatif. dan penyambungan alternatif pada eukariota. Kompleksitas dalam kaitannya dengan organisme dan ekologi biasanya dianggap sebagai jumlah komponen yang terpisah dan / atau tingkat hierarki dalam sistem yang sesuai [40]. Terlepas dari definisi yang tepat, tampak jelas bahwa tingkat kompleksitas yang terus dipertahankan dan terus meningkat adalah fitur karakteristik kehidupan yang luar biasa dan tantangan utama untuk konstruksi teoretis.
Sarana interaksi paling tradisional antara fisika dan biologi adalah biofisika, yang mempelajari sifat-sifat struktur dan dinamika makromolekul biologis, serta struktur sel dan organisme beserta fungsinya, melalui pendekatan yang diterima dalam fisika. Berbagai bidang dalam biofisika telah terbukti produktif dan sukses selama beberapa dekade [41]. Namun, ini masih merupakan area tambahan interaksi terpisah antara fisika dan biologi, di mana teori fisik digunakan untuk menggambarkan, memodelkan dan menganalisis proses biologis, khususnya, evolusi di tingkat populasi.
Sudah Bohr melampirkan kepentingan khusus (sebagai bagian dari diskusi umum tentang prinsip saling melengkapi) untuk melengkapi antara pendekatan murni fisik, struktural untuk organisme dan sifat "holistik" sebagai makhluk hidup [42]. Prinsip menggambar analogi antara termodinamika dan mekanika statistik, di satu sisi, dan genetika populasi, di sisi lain, pertama kali diusulkan oleh ahli statistik terkenal dan pendiri teori genetika populasi, Ronald Fisher kembali pada 20-an abad terakhir [43], dan pada tahun-tahun berikutnya pengembangan pendekatan teoritis untuk proses ini [7,9,10].
Dalam berbagai bentuk, formalisme teoretis (model matematika untuk menggambarkan teori) dari mekanika statistik semakin banyak digunakan untuk membenarkan model evolusi biologis. Di antara model matematika serupa lainnya, penggunaan teori perkolasi untuk menganalisis evolusi pada lanskap adaptif menemukan aplikasi yang signifikan [44-46]. Tujuan utama dari penetrasi fisika ke biologi evolusi sangat ambisius: tidak lebih dari pengembangan teori fisika evolusi biologis, atau bahkan transformasi biologi menjadi bagian dari fisika [5,6]. Jelas, program yang begitu komprehensif, bahkan jika diimplementasikan pada prinsipnya, tidak dapat diimplementasikan dalam satu gerakan. Hanya kemajuan pada satu tahap pada waktu tertentu yang dimungkinkan dengan memodelkan proses evolusi yang beragam dengan menggunakan ide-ide dan perangkat matematika fisika teoretis dengan harapan bahwa pada akhirnya akan mungkin untuk menggabungkan model-model tersebut ke dalam landasan teori yang harmonis.
Dalam artikel ini, kita membahas beberapa aspek evolusi biologis, di mana pandangan teoritis yang awalnya berasal dari konsep fisik terkondensasi tampak mungkin. Kami mengusulkan untuk mempertimbangkan pernyataan bahwa teori fisik mampu membuat kontribusi non-sepele terhadap pemahaman evolusi saat ini, dan perkembangan teori terbaru dalam fisika itu sendiri mungkin akan diminati ketika fenomena penampilan dan evolusi tingkat kompleksitas sepenuhnya diperhitungkan, yang merupakan karakteristik dari sistem biologis.
Untuk dilanjutkanDaftar pustaka1. Darwin C: Tentang Asal Mula Spesies; 1859.
2. Dobzhansky T: Genetika dan asal usul spesies, edisi kedua. New York: Columbia University Press; 1951.
3. Dobzhansky T: Tidak ada dalam biologi yang masuk akal kecuali dalam cahaya evolusi. Guru Biologi Amerika 1973, 35, 125-129.
4. Koonin EV: Logika Peluang: Alam dan Asal Usul Evolusi Biologis Upper Saddle 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 Jauh Dari Keseimbangan. 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 Darwinian Dynamics. 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: bagaimana 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 mutasi penumpang yang merusak 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 dalam 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, Cara Berhenti Khawatir dan Cinta Biologi Molekul 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. Singapour: Perusahaan Penerbitan Ilmiah Dunia; 2011
24. G Barat: Skala: Hukum Universal Pertumbuhan, Inovasi, Keberlanjutan, dan Kecepatan Hidup dalam Organisme, Kota, Ekonomi, dan Perusahaan. New York: Penguin Press; 2017
21
25. Schroedinger E: Apa itu Kehidupan? Aspek Fisik Sel Hidup. Dublin: Trinity College Press; 1944.
26. Watson JD, Crick FH: Struktur molekul asam nukleat; struktur untuk asam nukleat deoksiribosa. 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. New York: Buku Dasar; 1997.
29. Koonin EV: Mengapa Dogma Pusat: tentang sifat dari prinsip pengecualian biologis yang besar. Biol Direct 2015, 10, 52.
30. Prigogine IR, Stengers I: Order Out of Chaos. London: Bantam; 1984.
31. Lemon E, Stewart DW, Shawcroft RW: Pekerjaan Matahari di Ladang Jagung. Sains 1971, 174 (4007), 371-378.
32. Toussaint O, Schneider ED: Termodinamika dan evolusi kompleksitas dalam sistem biologis. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol 1998, 120 (1), 3-9.
33. Pascal R, Pross A, Sutherland JD: Menuju teori evolusi tentang asal usul kehidupan berdasarkan kinetika dan termodinamika. Open Biol 2013, 3 (11), 130156.
34. Gell-Mann M: The Quark and the Jaguar: Petualangan di Sederhana dan Kompleks New York: St. Griffin Martin; 1995
35. Adami C, Ofria C, Collier TC: Evolusi kompleksitas biologis. Proc Natl Acad Sci USA 2000, 97 (9), 4463-4468.
36. McShea DW, Brandon RN: Hukum Pertama Biologi: Kecenderungan Keragaman dan Kompleksitas Meningkat dalam Sistem Evolusi. Chicago: Univ Chicago Press; 2010
37. Adami C: Apa itu kompleksitas? Bioessays 2002,24 (12), 1085-1094.
38. Koonin EV: Perspektif non-adaptasionis tentang evolusi kompleksitas genom atau penggulingan manusia yang berkelanjutan. Siklus Sel 2004, 3 (3), 280-285.
39. Koonin EV: Arti informasi biologis. Philos Trans A Matematika Phys Eng Sci 2016, 374 (2063).
40. Heim NA, Payne JL, Finnegan S, Knope ML, M Kowalewski, Lyons SK, DW McShea, PM Novack-Gottshall, Smith FA, Wang SC: Kompleksitas hierarkis dan batas ukuran kehidupan. Proc Biol Sci 2017, 284 (1857).
41. Egelman E (ed.): Biofisika Komprehensif. New York: Academic Press; 2012
42. Bohr N: Teori Atom dan Deskripsi Alam. Oxford: Ox Bow Press; 1934.
43. Fisher RA: Teori Genetik Seleksi Alam. London & New York: Oxford University Press; 1930
44. Gavrilets S: Fitness Landscapes dan Origin of Species. Princeton: Princeton University Press; 2004
45. Gavrilets S, Gravner J: Perkolasi pada hypercube kebugaran dan evolusi isolasi reproduksi. J Theor Biol 1997, 184 (1), 51-64.
46. Gravner J, Pitman D, Gavrilets S: Perkolasi pada lanskap kebugaran: efek korelasi, fenotipe, dan inkompatibilitas. J Theor Biol 2007, 248 (4), 627-645.
47. Shannon CE, Weaver W: Teori Komunikasi Matematika. Chicago: University of Illinois Press; 1949.
48. Lynch M: Asal usul genome archiecture. Sunderland, MA: Sinauer Associates; 2007
49. Lynch M, Conery JS: Asal usul kompleksitas genom. Sains 2003, 302 (5649), 1401-1404.
50. Lynch M: Lemahnya hipotesis adaptif untuk asal-usul kompleksitas organisme. Proc Natl Acad Sci USA 2007, 104 Suppl 1, 8597-8604.
51. Lynch M: Asal-usul struktur gen eukariotik. Mol Biol Evol 2006, 23 (2), 450-468.
Crosspost