A caminho dos princípios físicos da evolução biológica

Uma tradução abreviada de um artigo de M. Katznelson, J. Wolf e E. Kunin

É possível uma convergência de física e biologia?

Um artigo sugerindo tais pensamentos, fiquei interessado em registrar o astrofísico e popularizador da ciência Sergei Popov. Em uma de suas resenhas de preprints, foi mencionado um artigo com um título intrigante e entre os autores - Eugene Kunin. Comecei a ler o livro da “Lógica do acaso” deste autor ... É claro, apenas algumas seções. Ensino de engenharia, tradução técnica, leitura de artigos científicos populares - tudo isso me levou a um pensamento sedicioso - para fazer uma tradução curta de um artigo escrito por Eugene Kunin em colaboração com Mikhail Katsnelson e Yuri Wolf.

Rumo aos princípios físicos da evolução biológica
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284

Anotação

Os sistemas biológicos alcançam uma organização complexa que excede em muito a complexidade de qualquer um dos objetos inanimados conhecidos. As entidades biológicas, sem dúvida, obedecem às leis da física quântica e da mecânica estatística. No entanto, a física moderna é suficiente para descrever adequadamente o modelo e explicar a evolução da complexidade biológica?

Este artigo fornece uma análise detalhada das analogias entre a termodinâmica estatística e a teoria genética da população da evolução biológica. Com base nas analogias apresentadas, delineamos novas perspectivas para abordagens teóricas em biologia e os principais períodos de transição da evolução, além de oferecer o equivalente biológico do potencial termodinâmico, o que reflete a tendência de mudar a população em evolução.

Supõe-se que haja analogias profundas: entre as propriedades das entidades biológicas e os processos nelas, por um lado, e os estados de não-equilíbrio na física, para objetos como o vidro. Tais sistemas são caracterizados por uma violação através da qual um estado local com um mínimo de energia livre entra em conflito com um mínimo global, resultando em "qualidades nascentes". Nós disseminamos analogias semelhantes examinando manifestações de qualidades nascentes, como entre diferentes níveis de seleção na evolução biológica. Tais efeitos de frustração se manifestam como impulsionadores da evolução da complexidade biológica.

Além disso, nos voltamos para a evolução em paisagens adaptativas multidimensionais, considerando-as do ponto de vista da teoria do vazamento (percolação), e assumimos que o vazamento em um nível acima do limiar crítico determina a evolução em árvore de organismos complexos. Tomadas em conjunto, essas múltiplas conexões entre processos fundamentais em física e biologia significam que a construção de uma teoria física significativa da evolução biológica não pode ser uma tentativa fútil. No entanto, não seria realista esperar que tal teoria pudesse ser criada através de "uma única escavação"; mesmo se avançarmos para isso, isso pode acontecer apenas através da integração de vários modelos físicos de processos evolutivos. Além disso, a estrutura existente da física teórica dificilmente é satisfatória para modelagem adequada do nível biológico de complexidade e, provavelmente, são necessários novos desenvolvimentos na própria física.

1. Introdução

Quais são as diferenças entre organismos vivos e matéria não viva? Há uma resposta óbvia a essa pergunta quando definida em termos de composição e estrutura química. (Pelo menos, porque apenas o único caso adequado, a vida na Terra, se refere a isso). Mas quando se trata dos processos básicos da evolução da vida, a diferença se torna menos óbvia. Na tradição darwiniana, é tentador afirmar que a vida é determinada pela evolução através da sobrevivência do mais apto [1-4]. No entanto, a singularidade desse processo pode ser questionada, pois toda a história do Universo consiste em mudanças que suportam as estruturas mais estáveis ​​(adaptadas). Além disso, o processo de replicação (reprodução) não é único em si e existe não apenas na biologia: os cristais também se replicam. Nas escalas macroscópicas de tempo e espaço, no entanto, a vida certamente parece ser um fenômeno claro. Para determinar objetivamente os aspectos característicos pelos quais a vida difere de outros fenômenos existentes no Universo, parece importante estudar os processos-chave da evolução biológica no quadro da física teórica [5, 6].

Talvez a principal característica que distingue a física moderna de outras áreas da atividade de busca humana seja a conexão explícita entre teoria e experimento, na qual os programas de pesquisa são formados usando previsões teóricas verificáveis. Em um sentido geral, a biologia moderna não é uma ciência baseada na teoria, no sentido em que a física é interpretada. Mas há uma exceção significativa, a genética da população (um ramo formalizado da biologia que é efetivamente estruturado como um campo da física teórica), semelhante principalmente à termodinâmica estatística [7-10].

Além disso, modelos matemáticos de genética de populações são altamente eficazes em imunologia [11, 12] e oncologia biológica [13-16], o que, talvez, sugere que uma maior penetração da teoria na biologia possa se tornar real e produtiva. A física teórica moderna é um campo com muitas ligações fortes, nas quais as mais diversas subseções da física estão entrelaçadas. Atualmente, a genética populacional ou qualquer outra área da biologia teórica não fazem parte dessa rede. É possível argumentar que essa separação não é ótima, uma vez que muitos ramos da física teórica forneceriam informações e estimulariam desenvolvimentos teóricos em biologia.

E, no entanto, ainda existe uma questão transfronteiriça: a física moderna está suficientemente preenchida para servir (fornecer suporte) à biologia? Uma pergunta semelhante, em várias formulações (em particular, “a biologia é redutível à física”), tem uma história longa e muito dramática (por exemplo, [17, 18]).

Sem entrar em detalhes do plano histórico ou filosófico, rejeitamos qualquer suposição de que a vida possa seguir certas leis especiais da física "biológica", em vez das gerais existentes. Por exemplo, a mecânica quântica é geralmente bastante eficaz e aplicável a organismos vivos, como qualquer outra forma de matéria. O problema é que essa teoria forte, até certo ponto, pode ser considerada como uma "teoria de tudo", uma vez que traz pouco à explicação dos fenômenos biológicos [19, 20]. Certamente, os cálculos da mecânica quântica podem ser úteis na análise de reações bioquímicas, mas não podem nos ajudar a entender a evolução. Portanto, supõe-se que o conceito físico, que poderia ser fundamental na descrição teórica dos fenômenos biológicos, seja a aparência (ou ocorrência, emergência), ou seja, o comportamento coletivo de agregados grandes, que difere qualitativamente do comportamento de seus componentes constituintes. "Mais é diferente" é tão aforisticamente formulado por Anderson [19-24].

Em seu livro contendo idéias frutíferas, “O que é a vida? O aspecto físico de uma célula viva ”Schrödinger expressou vários pontos-chave, que mesmo após 70 anos continuam sendo a base de muitas discussões sobre a importância da física para a biologia [25]. Provavelmente o mais significativo é o portador molecular característico (na época hipotético) da hereditariedade como “cristais aperiódicos”. Schrödinger era impreciso nessa definição de cristal aperiódico, e até agora essa metáfora cobre as propriedades básicas que foram posteriormente descobertas (não sem a influência de Schrödinger) dos portadores de informações biológicas, DNA e RNA [26–28].

As moléculas de ácido nucleico, em particular o DNA, combinam a uniformidade (e periodicidade) da estrutura espacial com a eficiência da diversidade múltipla (aperiodicidade) da sequência principal. A combinação dessas características distintivas faz dos ácidos nucléicos as únicas moléculas conhecidas adequadas para armazenar e transmitir informações digitais [29], em total conformidade com a previsão de Schrodinger. Quanto à física moderna, "cristais aperiódicos" biológicos às vezes significam "óculos" [19, 20]. De fato, existem analogias profundas, em vários níveis, entre o estado do vidro e as estruturas biológicas e os fenômenos discutidos abaixo. Ao mesmo tempo, será mostrado que existem diferenças significativas: em certo sentido, os óculos exibem excesso de aleatoriedade.

Para ser continuado

Bibliografia
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