Естественный отбор как перколяционная система

Увидел работы кафедры биофизики физфака МГУ, посвященные эволюции. В отличие от биологов, которые счастливы на уровне качественных рассуждений, физики занимаются численными моделями. Это вносит свежую струю при рассморении естественного отбора. Ниже несколько цитат, которые неплохо показывают отличие мышления физиков от такового у биологов.

‘Естественный отбор в процессе эволюции жизни на Земле — особая форма когерентного поведения элементов сложной системы, а критерием отбора служит развитие системы при изменении состава или добавлении новых элементов.’

‘В нашем представлении естественный отбор можно сопоставить явлению перколяции. В различных системах перколяции могут стать разрастающимися и разветвляющимися устойчивыми «путепроводами», в других случаях — неустойчивыми. Сеть неустойчивых перколяций стохастична и непрерывно меняется, а потому система, состоящая исключительно из неустойчивых перколяций не может служить каналом для передачи информации и основой устойчивого развития системы.’

‘С точки зрения флуктуационно-бифуркационной модели эволюции микромутации способны вызывать небольшой фенотипический эффект, но посредством ряда микромутаций в разных локусах (малых флуктуаций) возможно накопление количественных эффектов в ходе адаптации, которые способны привести к качественным преобразованиям на организменном уровне — гигантской флуктуации. Каждая мутация — это флуктуация в установившемся на некоторое время равновесии. Если по мере накопления мутаций (малых флуктуаций) система оказывается неустойчивой, она постепенно переходит в новое качественное состояние (малые флуктуации формируются в гигантскую) — новую структурно-функциональную целостность на более высоком уровне эволюции.’

‘Построенная на представлениях о бифуркациях идея прогрессивной эволюции предполагает движение биологических систем каждый раз по «удачной» ветви после очередной бифуркации. С физической точки зрения мы имеем дело с кинетической необратимостью, свойственной перколяционным системам.’

‘В целом же естественный отбор, обычно рассматриваемый как двигатель биологической эволюции, в действительности может быть представлен в качестве фильтра в потоке мутаций — распределенной пассивной среды. Тогда как эволюционирующая биосфера — распределенная иерархически организованная активная среда. Перколяционный фильтр рассмотрен в качестве физического инструмента, реализующего механизм естественного отбора оптимальных вариантов в эволюционном потоке взаимодействующих мутаций. Ограниченность числа допустимых «мутационных траекторий» делает в настоящей работе рассмотрение эволюции в достаточной степени детерминированным процессом, тогда как реализующиеся траектории эволюции в значительной степени определяются случайными процессами.’

‘По существу, естественный отбор определяет свойства протекания перколяционной решетки, т.е. определяет закономерность прохождения новых мутаций в зависимости от спектра мутаций, ранее зафиксированных в популяции. Давление для протока создает пул мутаций, аналогично давлению газа или жидкости через перколяционный фильтр, и в результате отбора-фильтра происходит выборка и фиксация мутаций. Иными словами, при наличии устойчивых (коррелированных) мутаций формируется устойчивая траектория эволюции.’

‘Узлы в перколяционной решетке (особи в популяции) работают как триггерная вентильная система в потоках мутаций, где особи – носители и преобразователи мутаций. Триггерные свойства ячейки (узла) как вентиля определяют детерминированную компоненту закрепления новых мутаций, а взаимодействие мутаций в череде поколений и случайные процессы дрейфа определяют коллективное поведение узлов и связей (мутаций) в пространстве перколяционной решетки.’

‘Поэтому формирование нового вида можно рассматривать как трехуровневый процесс. На первом уровне постоянного белого шума за счет наличия многочисленных случайных процессов процесс определяется точечными взаимодействиями особей – носителей мутаций. На этом уровне мутации для единичных особей могут являться обратимыми, но при наличии достаточного количества носителей новой мутации происходит формирование кластеров носителей мутаций. На втором уровне имеет место локальное взаимодействие кластеров, и начинаются специализация и дифференциация, которые получат завершение при образовании вида. На этом уровне взаимодействия кластеров также имеют место малые флуктуации, но конечный результат в значительной степени определяется детерминированными процессами. Переход со второго на третий уровень является точкой бифуркации: возможно формирование нового вида или элиминация носителей мутации. На третьем уровне взаимодействия между популяциями новая гигантская флуктуация связана с формированием новой структуры – нового вида.’

‘Нелинейные системы способны эволюционировать по разным траекториям, проходя через точки бифуркации, которые характеризуются неустойчивым состоянием систем. Вблизи бифуркационной точки неравновесная система оказывается особо чувствительной и к незначительным флуктуациям того или иного параметра, и флуктуации становятся «гигантскими». Так в процессе биологической микроэволюции происходит видообразование – разделение во времени и пространстве генетически открытой системы (популяции) на генетически закрытые самодостаточные системы – виды.’

Информация

Сидорова, А. Э., Н. Т. Левашова, В. А. Твердислов, А. Я. Гараева. Естественный отбор как перколяционная система. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия 5 (2019): 19-33.

Гараева, А.Я., Сидорова, А.Э., Левашова, Н.Т. and Твердислов, В.А., 2020. Перколяционная решетка естественного отбора как коммутатор детерминированных и случайных процессов в потоке мутаций. Биофизика, 65(3), pp.614-624.

Обсуждение

https://evgeniirudnyi.livejournal.com/288807.html


Comments are closed.