На пути к физическим принципам биологической эволюции. Окончание + полный текст перевода

Возможна ли конвергенция физики и биологии?

Статьей, наводящей на подобные размышления, я заинтересовался с подачи астрофизика и популяризатора науки Сергея Попова. В одном из его обзоров препринтов была упомянута статья с интригующим названием, а среди авторов — Евгений Кунин. Книгу этого автора «Логика случая» я начал читать… Конечно, только отдельные разделы. Инженерное образование, занятие техническими переводами, чтение научно-популярных статей — все это довело меня до крамольной мысли — выполнить краткий перевод статьи, написанной Евгением Куниным в соавторстве с Михаилом Кацнельсоном и Юрием Вольфом.

Аннотация

Биологические системы достигают сложной организации, которая значительно превышает сложность любого из известных неживых объектов. Биологические сущности, несомненно, подчиняются законам квантовой физики и статистической механики. Однако, достаточно ли современной физики для адекватного описания модели и объяснения эволюции биологической сложности?

В данной статье приведен подробный разбор аналогий между статистической термодинамикой и популяционно-генетической теорией биологической эволюции. На основании представленных аналогий мы намечаем новые перспективы в отношении теоретических подходов в биологии и основных переходных периодов эволюции, а также предлагаем биологический эквивалент термодинамического потенциала, который отражает склонность к изменениям эволюционирующей популяции.

Предполагается, что существуют глубокие аналогии: между свойствами биологических сущностей и процессами в них с одной стороны, и неравновесными состояниями в физике, для таких объектов как стекла. Такие системы характеризуются нарушением, посредством которого локальное состояние с минимумом свободной энергии конфликтует с глобальным минимумом, в результате чего возникают “нарождающиеся качества”. Мы распространяем подобные аналогии посредством исследования проявления нарождающихся качеств, как например, между различными уровнями отбора в биологической эволюции. Такие фрустрационные эффекты проявляются в качестве драйверов в эволюции биологической сложности.

Далее мы обращаемся к эволюции в многомерных адаптивных ландшафтах, рассматривая их с точки зрения теории просачивания (перколяции), и предполагаем, что просачивание на уровне выше критического порога обуславливает древовидный тип эволюции сложных организмов. Взятые вместе такие множественные соединения между фундаментальными процессами в физике и биологии означают, что построение многозначительной физической теории биологической эволюции не может быть бесполезной попыткой. Однако было бы не реалистично ожидать, что такая теория может быть создана посредством «одного зачерпывания»; если даже мы продвинемся к этому, то это может случиться только посредством интеграции различных физических моделей эволюционных процессов. К тому же существующие рамки теоретической физики вряд ли являются удовлетворительными для адекватного моделирования биологического уровня сложности, и, вероятно, требуются новые разработки в самой физике.

Введение

В чем отличия живых организмов от неживой материи? Существует очевидный ответ на этот вопрос при определении в терминах химического состава и структуры. (По крайней мере, потому, что только единственный подходящий случай, а именно жизни на Земле, относится к этому). Но когда это касается основных процессов эволюции жизни, различие становится менее очевидным. В дарвиновской традиции заманчиво утверждать, что жизнь определяется эволюцией посредством выживания наиболее приспособленного [1-4].

Однако уникальность этого процесса может подвергаться сомнению, так как вся история Вселенной состоит из изменений, которые выдерживают наиболее стабильные (приспособленные) структуры. Более того, процесс репликации (размножения) сам по себе не является уникальным и существует не только в биологии: кристаллы также реплицируют. На макроскопических масштабах времени и пространства, однако, жизнь, несомненно, представляется явным феноменом. Для объективного определения характерных признаков, по которым жизнь отличается от прочих феноменов, существующих во Вселенной, представляется важным исследовать ключевые процессы биологической эволюции в рамках теоретической физики [5, 6].

Возможно, главнейшей особенностью, которой отличается современная физика от других областей человеческой поисковой деятельности, является явная связь между теорией и экспериментом, при которой программы исследований формируются посредством проверяемых теоретических предсказаний. В общем смысле, современная биология не является наукой, базирующейся на теории, в том смысле, в котором трактуется физика. Но при этом имеется существенное исключение, а именно — популяционная генетика (формализованный раздел биологии, который эффективно структурирован как область теоретической физики), подобная главным образом статистической термодинамике [7-10].

При этом, математические модели популяционной генетики являются высокоэффективными в иммунологии [11, 12] и биологической онкологии [13-16], что, пожалуй, наводит на мысль о том, что дальнейшее проникновение теории в биологию могло бы оказаться реальным и продуктивным. Современная теоретическая физика является областью со множеством сильных связей, в которой переплетаются самые различные подразделы физики. В настоящее время популяционная генетика или какое-либо другое направление теоретической биологии не являются частью такой сети. Возможно утверждать, что это разъединение не является оптимальным, так как множество разделов теоретической физики позволили бы обеспечить информацией и стимулировать теоретические разработки в биологии.

И все же возникает еще такой рубежный вопрос: является ли современная физика достаточно наполненной для обслуживания (обеспечения поддержки) биологии? Подобный вопрос, в различных формулировках (в частности, “сводима ли биология к физике”), имеет долгую и весьма драматическую историю (например, [17, 18]).

Не вдаваясь в подробности исторического или философского плана, мы отклоняем любое предположение о том, что жизнь, возможно, следует неким специальным законам “биологической” физики вместо имеющихся общих. Так например, квантовая механика, в общем вполне действенна и приложима к живым организмам, точно также как к любой другой форме материи. Проблема в том, что эта сильная теория, до известной степени, может рассматриваться в качестве “теории всего”, так как привносит немного при объяснении биологических феноменов [19, 20]. Конечно, квантово-механические вычисления могут быть полезны при анализе биохимических реакций, но они никак не могут помочь нам в понимании эволюции. Поэтому предполагается, что физическая концепция, которая могла бы быть основной при теоретическом описании биологических феноменов — это появление (или возникновение, emergency), то есть, коллективное поведение больших совокупностей, которое качественно отличается от поведения составляющих их компонентов. “More is different” так афористично формулирует это Anderson [19-24].

В своей книге, содержащей плодотворные идеи «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки» Шрёдингер высказал несколько основных положений, которые даже по прошествии 70 лет остаются в основе множества обсуждений относительно значимости физики для биологии [25]. Вероятно, наиболее существенным является характеристика (в то время гипотетическая) молекулярных носителей наследственности как “апериодических кристаллов”. Шрёдингер был неточен в таком определении апериодического кристалла, и до сих пор такая метафора охватывает основные свойства, которые были открыты впоследствии (не без влияния Шрёдингера) биологических носителей информации, ДНК и РНК [26-28].

Молекулы нуклеиновых кислот, в частности ДНК, соединяют единообразие (и периодичность) пространственной структуры с эффективностью множественного разнообразия (апериодичностью) основной последовательности. Соединение этих отличительных признаков делает нуклеиновые кислоты единственными из известных молекулами, подходящими для хранения и передачи цифровой информации [29], в полном соответствии с предвидением Шрёдингера. Что касается современной физики, под биологическими “апериодическими кристаллами” иногда подразумеваются “стекла” [19, 20]. На самом деле существуют глубокие аналогии, на различных уровнях, между состоянием стекла и биологическими структурами и обсуждаемыми ниже явлениями. При этом, будет показано, что имеются и существенные различия: в известном смысле, стекла проявляют чрезмерную беспорядочность.

Другое известное высказывание Шрёдингера о том, что организмы пользуются “отрицательной энтропией” (или негэнтропией, термин, который очевидно нравился Шрёдингеру, но не был подхвачен исследователями) является потенциально обманчивым. Поразительно, во времена Шрёдингера, представлялось широко распространенным, хотя и неопределенным, мнение о том, что такие сложные системы как живые существа, иногда нарушают второй закон термодинамики, и что такое кажущееся “нарушение” требует специального объяснения [30].

Сейчас мы лучше понимаем природу энтропии и второй закон термодинамики, так что такую точку зрения Шрёдингера возможно и необходимо прояснить. Очевидно, биосфера и Земля в целом не являются закрытыми системами, а скорее открыты для постоянного притока энергии, поступающего большей частью от Солнца (к другим источникам относительно меньшей экологической значимости относится радиактивный распад тяжелых элементов в недрах Земли).

Земная жизнь пользуется этим потоком энергии посредством фотосинтеза, осуществляемого фотоавтотрофами (организмами, использующими энергию света для биосинтеза компонентов клеток), которые функционируют, в определенной степени, подобно фотохимическим машинам. Конечно, при рассмотрении системы Солнце-Земля отсутствует даже видимость нарушения второго закона термодинамики. Каждый отдельный организм, популяция или экосистема также являются термодинамически открытыми системами. И более соответствующим будет утверждение о том, что организмы главным образом потребляют энергию вместе с химическими строительными блоками, а не ‘негэнтропию’ согласно причудливому высказыванию Шрёдингера.

Однако, в отношении актуальной мотивации Шрёдингера при представлении ‘негэнтропии’, можно сказать, что это соотносится с некоторыми наиболее фундаментальными и сложными проблемами биологии, а именно, появлением и сохранением удивительного порядка и гигантской сложности у живых организмов. Сложность, несомненно, одна из наиболее проблематичных концепций во всей науке, она противостоит всеохватывающим определениям [34]. В самом деле, наиболее используемые определения сложности являются зависящими от контекста. В биологии, сложность является значимой, по крайней мере, на уровне геномов, организмов и экосистем [35, 36].

Сложность генома можно явно интерпретировать посредством количества нуклеотидных сайтов, которые подлежат отбору и таким образом являются носителями биологически значимой информации [37-39], хотя подробное определение не учитывает другие важные источники сложности на уровне генома, такие как альтернативная инициация транскрипции (alternative transcription initiation) и альтернативный сплайсинг у эукариот (alternative splicing in eukaryotes). Сложность в отношении организма и экологии обычно воспринимается как количество отдельных составных частей и/или уровней иерархии в соответствующих системах [40]. Вне зависимости от точных определений, представляется ясным, что стабильно сохраняемый, всевозрастающий уровень сложности является исключительным характерным признаком жизни и основным вызовом для теоретических построений.

Наиболее традиционным средством взаимодействия между физикой и биологией является биофизика, которая изучает свойства строения и динамики биологических макромолекул, а также строение клеток и организмов вместе с их функциями, посредством принятых в физике подходов. Различные направления в биофизике показали себя продуктивными и успешными уже на протяжении нескольких десятилетий [41]. Однако это, всё таки, отдельная дополнительная область взаимодействия физики и биологии, посредством чего физическая теория используется для описания, моделирования и анализа биологических процессов, в частности, эволюции на уровне популяции.

Уже Бор придавал особое значение (в качестве составной части общей дискуссии о принципе дополнительности) дополнительности между чисто физическим, структурным подходом к организмам и “целостной” природой в качестве живых существ [42]. Принцип проведения аналогий между термодинамикой и статистической механикой, с одной стороны, и популяционной генетикой с другой стороны, впервые были предложен известным статистиком и основателем теории популяционной генетики, Рональдом Фишером еще в 20-е годы прошлого века [43], а в последующие годы происходило развитие теоретического подхода к этому процессу [7,9,10].

В различной форме, теоретический формализм (математические модели описания теории) из статистической механики все больше и больше использовался для обоснования модели биологической эволюции. Среди прочих подобных математических моделей заметное применение находит использование теории перколяции для анализа эволюции на адаптивных ландшафтах [44-46]. Основная цель такого проникновения физики в эволюционную биологию является весьма амбициозной: это ничто иное как разработка физической теории биологической эволюции, или даже преобразование биологии в часть физики [5,6].

Очевидно, подобная всеобъемлющая программа, даже выполнимая принципиально, не может быть реализована одним махом. Возможен только прогресс на одном из этапов в данный момент времени посредством моделирования разностороннего эволюционного процесса с использованием идей и математического аппарата теоретической физики в надежде на то, что в итоге станет возможным объединить подобные модели в гармоничное теоретическое обоснование.

В этой статье мы обсуждаем несколько аспектов биологической эволюции, где теоретические воззрения, исходящие изначально из сконденсированных физических понятий, представляются возможными. Мы предлагаем на рассмотрение утверждение о том, что физическая теория способна внести нетривиальный вклад в текущее понимание эволюции, а новейшие теоретические разработки в самой физике будут, вероятно, востребованными при полном учете феномена появления и эволюции уровня сложности, что является характерным для биологических систем.

*Следующие разделы статьи в кратком изложении

Аналогии в термодинамике и популяционной генетике и основные эволюционные переходы

Хотя существование аналогий при сравнении статистической механики и популяционной генетики уже было отмечено предыдущими исследователями, подробное сопоставление было установлено в работе авторов Sella и Hirsch, 2005 [7] с последующим развитием в работах Barton с соавторами [9, 10] (Таблица 1).

Таким образом, эволюционные переходы представляются аналогами адиабатических переходов первого рода, при том что плотность эволюционной информации и эволюционная температура (эффективный размер популяции) являются термодинамически связанными переменными.

Жизнь, стекла и паттерны: фрустрирующие системы и биологическая эволюция

Согласно впервые представленной «теории спиновых стекол» в работе авторов Edwards и Anderson [58], в современной физике считается, что стекло представляет определенное состояние материи, промежуточное между равновесным и неравновесным [59-62].

Характерным свойством стекла является старение, или структурная релаксация. Для примера допустим, мы определяем конкретную характеристику в равновесной фазе вещества в жидком или твердом состоянии, например, удельное сопротивление металла (или жидкого металла). “Равновесное” состояние характеризуется тем, что при последующем измерении после цикла нагревания (медленного нагрева с последующим охлаждением до начальной температуры) мы получим то же самое значение удельного сопротивления. Для стекла возможно медленное изменение измеряемой величины от измерения к измерению. Рельеф потенциальной энергии (или ландшафт, при использовании термина в биологической коннотации) для стекла является функцией со множеством (асимптотическим, бесконечным) локальных минимумов, разделенных барьерами при экстремально широком распределении энергии. Каждый из локальных минимумов представляет из себя метастабильное состояние. В течение процесса изменения теплового состояния система медленно переходит от одного минимума к другому. Важно, что состояние стекла является неэргодическим [59-62].

Состояние стекла характеризуется «параметром порядка» всегда со множеством компонентов, обозначаемых действительными числами x ∈(0,1) [63]. Такое число может быть представлено в качестве бесконечной, непериодической двоичной дроби, такой как 0.10001110…, где 0(1) соответствует выбору бифуркации на рельефе комплексной энергии, при охлаждении из жидкого равновесного состояния. Этот процесс изменения теплового состояния обычно описывается термином ультраметричности: другими словами, нас интересует в основном, топологическое описание эволюции системы через бифуркации, скорее, чем конкретные характеристики барьеров, величина переходов и другие характеристики [60]. Эта особенность является основным определением концепции апериодического кристалла Шрёдингера [25].

Главное отличие состоит в том, что стекла являются не только апериодическими, но также и неэргодичными — признак, который вызывает эволюционный процесс. Пригодность концепции стеклообразного состояния для биологии отмечена в работе Laughlin с соавторами [19,20]. При этом определяющие признаки жизни, а именно репликация с отбором, кажутся выходящими за рамки поведения обычного стекла: потенциальный рельеф для стекла представляется слишком гибким и характерным для определенного рода веществ, что не вполне соответствует модели биологической эволюции. Стекло проявляет по сути бесконечную изменчивость, тогда как жизнь основывается на дискретных формах, таких как геномы с определенными последовательностями и определенными, продолжительными интервалами стабильности (см. далее обсуждение относительно эволюционных переходов).

*Примечание переводчика

Два следующих раздела статьи не переведены. Лучше всего, конечно, читать оригинал статьи. Автор сокращенного перевода предполагает, что данный текст, возможно, будет интересен читателям в качестве научно-популярного материала.

Перколяция + критичность: основа и состояние древовидного процесса эволюции
Картирование и разделение генотип-фенотип в качестве измерения

Заключительные замечания

“Общая физическая теория биологии”, наверное, является неосуществимой мечтой, но, действительно, представляется возможным описать ключевые эволюционные процессы на языке статистической физики. Уже является общепринятым то, что случайные (стохастические) процессы играют существенную роль в эволюции, и что драйверами биологической сложности, по крайней мере, частично, являются флуктуации. Поэтому использование статистической физики является естественным. Однако при этом не следует заходить слишком далеко. Естественный отбор и адаптация также являются существенными факторами биологической эволюции, и для встраивания этих феноменов в рамки физической теории, существующий аппарат статистической физики, вероятно, требует уточнений.

Здесь мы попытались предположить, какого рода модификации могли бы для этого потребоваться. Возникающие феномены, которые свойственны для теоретического моделирования, стекла и прочие состояния конденсированной среды также являются центральными и для биологии. Однако, представляется, что специальные принципы, пока еще не разработанные в статистической физике, необходимо создать для физической теории разделения генотип-фенотип и картирования, что заключает в себе основу эволюции.

Биологическая эволюция никоим образом не игнорирует законы физики, но возникающие биологические феномены инициируют дальнейшее развитие самой физики. Биологические существа и их эволюция не просто следуют принципу “more is different”, но и в некоторых отношениях, представляются качественно отличными от небиологических феноменов, указывающих на отдельные формы «феномена появления», что требует новой физической теории.

Различие между биологией и физикой (по крайней мере, известное нам) заключается не в том, что “ничто в биологии не имеет смысла кроме, как в свете эволюции” [3], тогда как в физике “все имеет смысл”. Последнее утверждение не представляется в действительности верным вне пределов квантовой физики, так как целую вселенную определенно возможно правильно воспринимать только в свете ее эволюции на протяжении 13,8 миллиардов лет.

Следуя выше указанной аналогии, в биологии, также как и в физике, выполнение измерений инициирует стрелу времени и создает необходимость признания эволюции. Однако, биологическая эволюция характеризуется существенными отличительными признаками, попытка охвата некоторых из которых была здесь нами предпринята, в частности, посредством применения концепций физики конденсированных сред, таких как фрустрация и перколяция (разрушение и просачивание), к центральным процессам биологической эволюции. Очевидно, анализ и обсуждение представленного здесь материала будут относиться только к предварительным рассуждениям для непрерывных, согласованных усилий, которые требуются для объединения биологии и физики.

Кросспост