К этой статье мое внимание привлекло не только название (Жизнь — это физика), но и имя второго соавтора. Карл Вёзе — это известный биолог, который сильно изменил наше представление о древе жизни. Реферат статьи:
‘Эволюция — это фундаментальный физический процесс, который дает начало биологическим явлениям. Тем не менее, эволюцию часто трактуют как часть популяционной генетики, и таким образом ее рамки искусственно ограничивают. В результате ключевые вопросы о том, как быстро происходит эволюция и ее связь с экологией не были удовлетворительно рассмотрены и сформулированы. Отсутствие широкого признания и понимания эволюционного процесса, возможно, затормозило развитие биологии как науки с катастрофическими последствиями для ее применения в медицине, экологии и охране окружающей среде. В этом обзоре эволюция рассматривается как проблема неравновесной статистической механики, когда ключевые динамические моды являются коллективными. О последнем свидетельствует множество мобильных генетических элементов, чья роль в развитии эволюции была открыта современными геномными исследованиями. Обсуждается каким образом концепции физики твердого тела могут быть полезными в эволюционной биологии, концептуальные недостатки современного эволюционного синтеза, открытый рост сложности и квинтэссенцию самореференциальной природы эволюционной динамики.’
Во введении подчеркивается важность коллективных процессов и нерешенность проблемы эволюции (‘списанной со счетов как решенной проблемы в рамках крылатого выражения «естественный отбор» ‘). Предполагается, что решение биологических задач даст толчок развития самой физики. Отмечу, что в статье выражение естественный отбор используется только в кавычках, что, по всей видимости, подчеркивает неудовлетворительность даваемого объяснения.
Первый раздел называется Эволюция как проблема в физике твердого тела. Вначале рассматривается и отвергается утверждение, что жизнь — это химия. Приводится пример, связанный со сверхпроводимостью. Утверждается, что сверхпроводимость нельзя объяснить на уровне химии, хотя такие попытки были в самом начале. Только физика твердого тела может объяснить коллективные явления, связанные с появлением сверхпроводимости. Соответственно, предполагается, что аналогичным образом физике удастся объяснить, что такое живое. Также подчеркивается, что биология является манифестацией эволюции и ограниченность в этом отношении популяционной генетики.
Во втором разделе За пределами современного синтеза говорится о том, что синтетическая теория эволюции включает в себя слишком узкий класс моделей с достаточно примитивной динамикой. Введение в рассмотрение коллективной динамики генов (эпистаз) и рассмотрение случаев, когда временная шкала эволюция сопоставима с временной шкалой экосистемы позволяет существенно расширить модель эволюционного процесса. В разделе приводится много ссылок на оригинальные исследования, которые подтверждают точку зрения авторов.
Третий раздел, Динамика эволюции, является ключевым. Авторы вводят и раскрывают понятие самореференциальной модели. Это такая модель, когда эволюция системы приводит к изменению законов эволюции. По мнению авторов статьи, только такая модель может объяснить живое. Следует отметить, что ответа на то, как должна выглядеть такая модель, в статье нет. Авторы признают, что на фундаментальном уровне такое невозможно. Надежда заключается в том, что, как в случае сверхпроводимости, возникнет новый уровень законов, которые в данном случае будут носить самореференциальный характер. Ожидается, что биология откроет совершенно новый раздел физики.
В конце статьи обсуждается вопрос, всегда ли эволюция развивается случайным образом, как полагает синтетическая теория эволюции. Авторы не исключают возможности направленного изменения динамики генома в ответ на изменение окружающей среды.
В завершение переведу пару предложений, которые хорошо показывают отношение физиков к естественному отбору. Высказывание про естественный отбор идет непосредственно после описания развитие физики: от простого к сложному.
‘Биологии так не повезло: сложные явления были обнаружены с самого начала, но недоставало средств чтобы справиться с трудностями. Вместо того, чтобы терпеть незнание, была разработана языковая культура для объяснения концептуальных трудностей при использовании догадок, таких как «естественный отбор». ‘
Информация
Nigel Goldenfeld and Carl Woese. Life is physics: evolution as a collective phenomenon far from equilibrium. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 2, no. 1 (2011): 375-399.
Перевод интервью с Найджел Голденфельд, Физика, сокрытая в эволюции
Jordana Cepelewicz, Seeing Emergent Physics Behind Evolution, Quanta Magazine, August 31, 2017
http://inosmi.ru/science/20170929/240390295.html
‘Люди склонны думать об эволюции как о синониме популяционной генетики. Я считаю, что это, в принципе, правильно. Но не совсем. Эволюция происходила еще до того, как появились гены, и это невозможно объяснить статистическими моделями популяционной генетики. Есть коллективные способы эволюции, которые тоже нужно воспринимать всерьез (например, процессы вроде переноса горизонтальных генов).
Именно в этом смысле наше понимание эволюции как процесса слишком узко. Нужно задумываться о динамических системах и о том, как возможно, что системы, способные развиваться и воспроизводиться, способны вообще существовать. Если думать о физическом мире, неочевидно, почему вы просто не делаете больше мертвых вещей.
Почему у планеты есть способность поддерживать жизнь? Почему жизнь вообще существует? Динамика эволюции должна уметь решать этот вопрос. Примечательно, что у нас нет даже идеи о том, как решить этот вопрос. А учитывая, что жизнь началась как нечто физическое, а не биологическое, он выражает физический интерес.’
‘Поэтому это милейшая история: взаимодействие этих бактерий и вирyсов напоминает поведение вещества в конденсированном состоянии — эту систему можно смоделировать, чтобы предсказывать ее свойства.’
‘Мы обнаружили, что перед переходом турбулентность ведет себя как экосистема. Существует особый динамический режим потока жидкости, подобный хищнику: он пытается «съесть» турбулентность, и взаимодействие между этим режимом и возникающей турбулентностью приводит к некоторым из явлений, которые вы видите, когда жидкость становится турбулентной.
В конечном итоге наша работа предполагает, что в жидкостях происходит определенный тип фазового перехода, и именно это подтверждают эксперименты. Поскольку проблема физики оказалась пригодной для решения этой биологической проблемы — о взаимоотношениях хищника и жертвы — Хонг-Ян и я знали, как имитировать и моделировать систему и воспроизводить то, что люди видят в экспериментах. Знание биологии действительно помогло нам понять физику.’