Евгений Кунин: Статистическая физика генома

Просмотрел книгу Кунина Логика случая. Удивил резко выраженный генно-центрический подход, представленный в книге. Пожалуй, это первая увиденная мною книга по биологии, где организм как таковой просто игнорируется (я как-то начинал читать Эгоистичный ген Докинза, но книга не пошла).

Ниже я остановлюсь на отношениях между физикой и биологией в книге Кунина и рассмотрю четыре вопроса:

  • Случайность и физика;
  • Немеренное количество параллельных вселенных и физика;
  • Статистическая физика и статистическая физика генома;
  • Законы физики и возникновение жизни.

Начну со сравнения книги Кунина с книгой Шапиро Эволюция: взгляд из 21-го века. В книге Шапиро изложены экспериментальные результаты, полученные в рамках молекулярной биологии по исследованию механизмов работы клетки. Шапиро говорит о том, что не следует рассматривать ДНК как самую главную молекулу в клетке, что клетка использует ДНК как систему чтения-записи и что клетку, скорее всего, следует признать когнитивной системой.

Книга Кунина содержит описание экспериментальных результатов исследований последовательности нуклеотидов в геноме (геномика).  Сравнение последовательностей нуклеотидов в геномах разных организмах позволяет сделать заключения об эволюционных связях и именно такой подход лежит в основе книге. Изучение последовательностей нуклеотидов существенно изменило представление о древе жизни и книга Кунина дает хорошее представление о том, как поменялись взгляды биологов по этому поводу.

Также разница между книгами Шапиро и Кунина заключается в мере теоретизирования. Шапиро, по сути дела, ограничивается представлением экспериментальных результатов. Например, Шапиро говорит, что в настоящее время не имеет смысл обсуждать вопрос возникновения жизни, поскольку для этого недостаточно исходных данных. Кунин более амбициозен, он в какой-то степени хочет достичь уровня, похожего на таковой в физике:

‘Пресловутая «зависть к физикам», которая, кажется, беспокоит многих биологов (включая меня), может быть утолена недавними и предстоящими теоретическими изысканиями.’

Следует отметить, что в главе Постсовременное состояние эволюционной биологии Кунин обсуждает вопрос о тщетности таких попыток, но четко выраженной позиции в этом отношении я не увидел.

Случайность и физика

Книга Кунина называется Логика случая. Тем не менее, я не нашел в книге, что Кунин понимает под случайностью. Такая позиция характерна для биолога — говорить про случай и не сказать, что такое случай. По-моему, главный вопрос при рассмотрении случайности связан с тем, связана ли случайность с природой или с нашим знанием о природе. Следует отметить, что Дарвин, по всей видимости, склонялся ко взгляду на случай, как меру нашего незнания, поскольку в его времена в физике места случаю просто не было.

Приведу цитату из книги Кунина (принцип подверженной ошибкам репликации):

Репликация цифровых носителей информации неизбежно подвержена ошибкам, что влечет за собой эволюцию этих носителей путем естественного отбора и случайного дрейфа генов при условии, что уровень ошибок репликации ниже катастрофического порога, имеющего порядок величины от одной до десяти ошибок на геном за один цикл репликации.

Насколько я понял, случай связывается именно с этим процессом. Однако, каким образом такой случай связан со случайностью в физике? В физике можно найти место случаю, связанного с природой, только в рамках копенгагенской интерпретации квантовой механики: схлопывание волновой функции является случайным процессом. Вряд ли Кунин рассматривает такой сценарий, поскольку в книге волновая функция не упоминается. В то же время, из книги нельзя понять, связывает ли Кунин случай с мерой нашего незнания.

Цитата выше показывает другую типичную проблему биолога. С одной стороны, биолог хочет избежать обвинений в телеологии

‘Конечно, это не подразумевает никакого метафизического или телеологического контекста, например будто клетки и организмы существуют «с целью» репликации генов.’

С другой, термин ошибка с необходимостью вносит в рассмотрение нормативность — ситуация, которая произошла, сопоставляется с ситуацией, которая должна была произойти. В физике такого не найти, поскольку состояние системы с неизбежностью переходит из предыдущего в последующее по законам физики. Как получилось, так и получилось.

Немеренное количество параллельных вселенных и физика

Кунин хотел бы создать теорию, которая напоминает теории в физике. К сожалению, в свой книге Кунин выбрал в качестве точки отсчета крайне неудачный «закон» из космологии (теория вечной инфляции)

‘Модель «мира многих миров» (МММ) делает поразительное предсказание, что все макроскопические, «крупнозернистые» истории событий, не запрещаемых физическими законами сохранения, были реализованы (или, возможно, будут реализованы) где-то в бесконечной мультивселенной, и не только однажды, но бесконечное число раз.’

Такое утверждение действительно можно найти у современных космологов, но это, по-моему, только поднимает вопрос о том, можно ли космологию отнести к физике. С моей точки зрения такое утверждение выходит за пределы науки и принадлежит исключительно спекулятивной философии. Такие заявления только доказывают, что ученый в глубине души неотличим от натурфилософа.

Статистическая физика и статистическая физика генома

Основаная программа Кунина досточно амбициозна (глава 4, Геномика, системная биология и универсалии эволюции: эволюция генома как феномен статистической физики). Приведу одну цитату:

‘Параллели между эволюционной биологией и статистической физикой оказались точными и фундаментальными до такой степени, что кажется вполне справедливым заключение о том, что это не аналогии, а проявление общих статистических принципов (если не сказать законов) поведения больших ансамблей слабовзаимодействующих объектов.

Другими словами, Кунин хочет перенести идеи статистической физики в биологию. Я не думаю, что это получится.

Физика связана с изучением механизма протекающих процессов. Статистическая физика возникла из молекулярно-кинетической теории, то есть, из предположения, что в действительности все состоит из двигающихся атомов и молекул, которые взаимодействуют между собой. В рамках эргодической гипотезы среднее по времени равно среднее по ансамблю, поэтому статистическое рассмотрение ансамбля разных микросистем, соотвествующих одной и той же макросистеме, позволяет нам сделать количественные выводы о поведении макросистемы.

В статистической физике вероятность трактуется как мера нашего незнания, другими словами, как способ нахождения средних по траектории. Таким образом, статистическая физика напрямую связана с предполагаемым механизмом протекания процессов.

В статистической физике генома Кунина связь с реально протекающими механизмами полностью отсутствует. Кунин рассматривает и анализирует корреляции между последовательностями нуклеотидов в разных геномах. Без всякого сомнения, такой анализ позволяет сделать новые гипотезы о протекании эволюции, однако он ни в коей мере не может претендовать на описание механизма протекания эволюции. Корреляции остаются всего лишь корреляциями.

В приложении Философия постмодерна, метанарративы; природа и цели научных исследований Кунин несколько уменьшает ожидания от статистической физике генома, но, с другой стороны, он также пишет

‘Если не сейчас, то, возможно, в будущем это направление в эволюционной теории и в самом деле будет законной частью физики.’

С моей точки зрения, описание корреляций никогда не сможет претендовать на роль описания протекаемого механизма. С этой точки зрения я не вижу общего между подходом Кунина и статистической физикой.

Законы физики и возникновение жизни

Кунин считает возникновение жизни частью биологической эволюции:

‘есть основания считать, что важнейшее достижение эволюции – это появление клетки, все остальное уже не так важно.’

Именно при рассмотрении этого вопроса Кунин привлекает бесконечное количество параллельных вселенных из теории вечной инфляции. Я обращу внимание на другую проблему, которая игнорируется биологами, в том числе Куниным. При рассмотрении возникновения жизни нельзя обойти стороной вопрос, что такое жизнь. Кунин предлагает следующий ответ:

‘Однако в контексте обсуждения в предыдущих главах прийти к определению того, что следует считать живым, удивительно просто: любой стабильный во времени репликатор является формой жизни.’

Возьмем это определение в качестве рабочего и рассмотрим следующий вопрос: Что поменялось в мире после появления первого стабильного репликатора? До появления репликатора согласно тому, что говорят физики, мир переходил из предыдущего состояния в последующее по законам физики. Что изменилось в этом процессе после появляения первого репликатора? Так ведь, абсолютно ничего не изменилось, поскольку после появления первого стабильного репликатора мир точно также переходит из предыдущего состояния в последующее по законам физики. Репликатор в этом переходе не играет никакой особенной роли.

Для иллюстрации ниже на видео показан репликатор в клеточном автомате HighLife (один из вариантов игры Жизнь). Клеточный автомат переходит из предыдушего состояния в последующее по простым заранее установленных законам и именно поэтому физики используют игру Жизнь в качестве аналогии мира. Вопрос в том, можно ли согласиться с тем, что такой репликатор является примером жизни?

https://youtu.be/Mw-YPFlPv2U

Информация

Евгений Викторович Кунин, Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции, 2014.

Перевод с английского: Eugene V. Koonin, The logic of chance: the nature and origin of biological evolution, 2011.

Джеймс Шапиро. Эволюция: взгляд из 21-го века

Дарвин о случайности

Обсуждение

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/192258.html

https://www.facebook.com/evgenii.rudnyi/posts/1386266268174455


Comments are closed.