Uma tradução abreviada de um artigo de M. Katznelson, J. Wolf e E. Kunin
Rumo aos princípios físicos da evolução biológica
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
arxiv.org/abs/1709.00284→
Parte anteriorOutro famoso Schrödinger dizendo que os organismos usam “entropia negativa” (ou negentropia, um termo que Schrödinger aparentemente gostou, mas não foi escolhido pelos pesquisadores) é potencialmente enganador. Surpreendentemente, na época de Schrödinger, acreditava-se amplamente, embora incerto, que sistemas complexos, como seres vivos, às vezes violam a segunda lei da termodinâmica, e que essa "violação" aparente requer uma explicação especial [30].
Agora entendemos melhor a natureza da entropia e a segunda lei da termodinâmica, de modo que este ponto de vista de Schrödinger é possível e necessário para esclarecer. Obviamente, a biosfera e a Terra como um todo não são sistemas fechados, mas abertos a um fluxo constante de energia, proveniente principalmente do Sol (outras fontes de significado ambiental relativamente menor incluem a deterioração radioativa de elementos pesados nas entranhas da Terra).
A vida terrena tira proveito desse fluxo de energia através da fotossíntese por fotoautotróficos (organismos que usam a energia da luz para biossintetizar componentes celulares) que funcionam, em certa medida, como máquinas fotoquímicas. Obviamente, quando se considera o sistema Sol-Terra, nem sequer aparece a violação da segunda lei da termodinâmica. Cada organismo, população ou ecossistema individual também é um sistema aberto termodinamicamente. E mais apropriado seria a afirmação de que os organismos consomem principalmente energia junto com os componentes químicos, em vez de "negentropia", de acordo com a declaração bizarra de Schrödinger.
No entanto, com relação à real motivação de Schrödinger em apresentar 'negentropia', podemos dizer que isso se correlaciona com alguns dos problemas mais fundamentais e complexos da biologia, a saber, o aparecimento e a preservação de uma ordem surpreendente e uma complexidade gigantesca nos organismos vivos. A complexidade é sem dúvida um dos conceitos mais problemáticos de toda a ciência; resiste a definições abrangentes [34]. De fato, as definições de complexidade mais usadas são sensíveis ao contexto. Na biologia, a complexidade é significativa, pelo menos no nível de genomas, organismos e ecossistemas [35, 36].
A complexidade do genoma pode ser explicitamente interpretada pelo número de locais de nucleotídeos a serem selecionados e, portanto, carrega informações biologicamente significativas [37–39], embora a definição detalhada não leve em consideração outras fontes importantes de complexidade no nível do genoma, como a iniciação alternativa à transcrição e emenda alternativa em eucariotos. A complexidade em relação ao organismo e à ecologia é geralmente percebida como o número de componentes separados e / ou níveis hierárquicos nos sistemas correspondentes [40]. Independentemente das definições exatas, parece claro que o nível de complexidade constantemente mantido e sempre crescente é uma característica característica excepcional da vida e o principal desafio para construções teóricas.
O meio mais tradicional de interação entre a física e a biologia é a biofísica, que estuda as propriedades da estrutura e dinâmica das macromoléculas biológicas, bem como a estrutura das células e organismos juntamente com suas funções, utilizando as abordagens adotadas na física. Várias áreas da biofísica provaram ser produtivas e bem-sucedidas por várias décadas [41]. No entanto, essa ainda é uma área adicional separada de interação entre a física e a biologia, na qual a teoria física é usada para descrever, modelar e analisar processos biológicos, em particular a evolução no nível populacional.
Bohr já atribuiu uma importância particular (como parte da discussão geral do princípio da complementaridade) à complementaridade entre a abordagem estrutural puramente física dos organismos e a natureza "holística" como seres vivos [42]. O princípio de estabelecer analogias entre termodinâmica e mecânica estatística, por um lado, e genética de populações, por outro, foi proposto pela primeira vez pelo famoso estatístico e fundador da teoria da genética de populações, Ronald Fisher, nos anos 1920 [43] e nos anos subseqüentes. desenvolvimento de uma abordagem teórica para esse processo [7,9,10].
De várias formas, o formalismo teórico (modelos matemáticos para descrever a teoria) da mecânica estatística tem sido cada vez mais utilizado para justificar o modelo da evolução biológica. Entre outros modelos matemáticos semelhantes, o uso da teoria da percolação para analisar a evolução em paisagens adaptativas encontra aplicação significativa [44–46]. O objetivo principal dessa penetração da física na biologia evolutiva é muito ambicioso: nada mais é do que o desenvolvimento de uma teoria física da evolução biológica, ou mesmo a transformação da biologia em uma parte da física [5,6]. Obviamente, um programa tão abrangente, mesmo se implementado em princípio, não pode ser implementado de uma só vez. Somente o progresso de um estágio em um dado momento é possível modelando um processo evolutivo diversificado usando idéias e o aparato matemático da física teórica, na esperança de que, no final, seja possível combinar esses modelos em uma base teórica harmoniosa.
Neste artigo, discutimos vários aspectos da evolução biológica, onde visões teóricas que surgem inicialmente de conceitos físicos condensados parecem possíveis. Propomos para consideração a afirmação de que a teoria física é capaz de dar uma contribuição não trivial ao entendimento atual da evolução, e os mais recentes desenvolvimentos teóricos na própria física provavelmente estarão em demanda quando o fenômeno da aparência e evolução do nível de complexidade for totalmente levado em consideração, o que é característico dos sistemas biológicos.
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