© "Семь искусств"
  май 2018 года

Валерий Лесов: На пути к физическим принципам биологической эволюции

2,845 просмотров всего, 4 просмотров сегодня

Биологические системы достигают 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?

Валерий Лесов

На пути к физическим принципам биологической эволюции (сокращенный перевод статьи М. Кацнельсона, Ю. Вольфа и Е. Кунина)


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 недавно опубликованной статьи, написанной Евгением Куниным в соавторстве с Михаилом Кацнельсоном и Юрием Вольфом.

Towards physical principles of biological evolution
Mikhail I. Katsnelson1, Yuri I. Wolf2, Eugene V. Koonin2,

1. Radboud University, Institute for Molecules and Materials, Nijmegen, 6525AJ, Netherlands
2. National Center for Biotechnology Information, National Library of Medicine, Bethesda, MD 20894

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? Подробные аналогии проведены в данной статье между статистической термодинамикой и популяционно-генетической теорией биологической эволюции. На основании приведенных аналогий мы намечаем новые перспективы в отношении теоретических подходов в биологии и основных переходных периодов эволюции, а также представляем 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 нереалистично 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 and 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 портала 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 нами здесь 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.

Сопоставление ключевых переменных статистической физики и эволюционной биологии

  Биологический аналог
Термодинамическая переменная Sella and Hirsh [7] Применение статистической физики в эволюционной биологии

Sella G, Hirsh AE: The application of statistical physics to evolutionary biology. Proc Natl Acad Sci U S A 2005, 102(27), 9541-9546.

Обратная температура, β=1/T Эффективный размер популяции Ne
Энтропия, отнесенная к частице Entropy per particle Derived from the free fitness expression Плотность эволюционной информации: D(N)= 1-H/N

(см. текст)

Гамильтониан свободной энергии Free energy Hamiltonian Минус логарифм приспособляемости Minus log of fitness
Термодинамический потенциал Выводится посредством гамильтониана по формуле Гиббса Derived from the Hamiltonian by Gibbs formula Потенциал эволюционных изменений Evolutionary innovation potential: dI= dt(dH/dt)/Ne

Фрустрационные отношения в биологической эволюции

Система Элементы, продуцирующие фрустрацию (конкурирующие взаимодействия) Эволюционные последовательности
Proteins Hydrogen and Van der Waals bonds between side chains of monomers Emergence of stable conformations and semi-regular patterns in protein structures
Gene regulation networks Activators and repressors Emergence of meta-stable expression patterns
Cells Membranes and channels Emergence of compartments and cellular machinery dependent on electrochemical gradients
Autonomous and semi-autonomous self-replicating genetic systems Replicator and parasite genomes Emergence of self-nonself discrimination
Autonomous and semi-autonomous self-replicating genetic systems Host cells and viruses Emergence of infection mechanisms, defense and counter-defense systems, evolutionary arms race
Autonomous and semi-autonomous self-replicating genetic systems Host cells and transposons Emergence of intra-genomic DNA replication control; hotbeds of evolutionary innovation
Autonomous and semi-autonomous self-replicating genetic systems Host cells and plasmids Emergence of beneficial cargo genes, plasmid addiction systems, efficient gene exchange and transfer mechanisms
Communities of unicellular organisms Individual cells Emergence of information exchange and quorum sensing mechanisms; replication control apoptosis and multicellularity
Multicellular Soma and germline Emergence of complex bodies

Диаграмма

Примечания к статье находятся тут.

Share

Валерий Лесов: На пути к физическим принципам биологической эволюции: 31 комментарий

  1. Уведомление: На пути к физическим принципам биологической эволюции — iT ОБОЗРЕВАТЕЛЬ

  2. Уведомление: На пути к физическим принципам биологической эволюции – CHEPA website

  3. Игорь Троицкий

    То: Эдуарду Бормашенко
    После своего ответа Michael N я просмотрел ( нет, внимательно прочёл) Ваши работы, опубликованные в этом журнала.
    Очень здорово!!! Очень!

  4. Игорь Троицкий

    Уважаемый Michael N! Большое искреннее спасибо! И за адвокатство и за серьёзное, высоко профессиональное разъяснение!

  5. Марк Зайцев

    Ни с кем не спорю, никому не возражаю, просто высказываю свое мнение.
    Итак, три выдающихся ученых написали статью на стыке наук. То, что ученые выдающиеся, подтвердил Михаил Носоновский (М.Н.):

    Кунин — генетик, самый цитируемый ученый (в смысле — вообще, на земле, по всем специальностям), его работы процитированы в научной литературе 150 тысяч (!) раз. Кацнельсон — лауреат разных премий, соавтор нобелевской работы Гейма и Новоселова, и тоже один из самых цитируемых (80 тысяч) физиков-теоретиков нашего времени.

    Он же указал место статьи в иерархии наук:

    Эта статья — о возможных аналогиях между методами геномики и физики конденсированного состояния в четырех конкретных узких областях.

    Валерий Лесов нашел эту статью и сделал расширенный реферат, переведя отдельные фрагменты статьи. Он этого не скрывает и пишет:

    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 портала в качестве научно-популярного материала.

    Однако в титулах статьи он написал слово «перевод», что явно сбило с толку некоторых читателей. Не разобравшись, Эдуард Бормашенко (Э.Б.) сразу поставил приговор:

    Вся статья — набор бессвязных наукообразных фраз, худший пример псевдонауки.

    Большего оскорбления авторам научной работы нанести, по-моему, невозможно. Не думаю, что Э.Б. осмелился бы такое сказать, зная, кто есть авторы статьи. М.Н. сказал об этом позже. А так выглядит не просто хамски, но и смешно: самых цитируемых на земле ученых обвиняют в том, что они опубликовали «набор бессвязных наукообразных фраз, худший пример псевдонауки».
    Если бы сразу было сказано, что статья Лесова – это развернутый реферат статьи трех ученых, то такого недоразумения бы не было. От реферата никто и не требует, чтобы по нему можно было бы разобраться в научных построениях статьи. Задача реферата вызвать к статье интерес, заявить, прежде всего, что вот такая статья существует.
    Мне, например, было интересно узнать о существовании статьи и о том, что ученые думают о тесных аналогиях генетики и квантовой механики. Как раз для таких рефератов и место в журнале «Семь искусств» — без техники конкретной дисциплины дать представление о ее задачах. Тем более, как пишет М.Н.:

    Исходная статья (на английском) это и не обзор литературы и не публикация оригинальных результатов. Она принадлежит к своеобразному жанру, когда авторы излагают свои оригинальные идеи, а не результаты, при этом делая обзор современной литературы.

    Правда, потом он пишет

    Перевод обрывков — совершенно бессмысленное дело

    Это если говорить о переводе. А о реферате – самое оно! Важно только, чтобы перевод был правильный по смыслу. Но тут все в порядке, сам Кукин, один из авторов статьи, четко подтвердил:

    Перевод, насколько я могу видеть, адекватен по смыслу

    Так о чем сыр-бор? Стоило ли кидаться сходу убийственными обвинениями типа «псевдонауки»? Я считаю, что надо спокойно расставить все на свои места.
    1) Статья трех авторов – интересна и в плане обзора, и в плане неожиданных гипотез и предположений.
    2) Переводчик написал адекватный реферат статьи на русском языке, за что ему надо сказать спасибо. Но вместо слова «Перевод» нужно было поставить «Реферат».
    3) Вешать ярлыки в научной дискуссии так же недопустимо, как и переход на личности.
    4) Михаилу Носоновскому надо выдать премию от редакции за четкое разъяснение вопросов: кто ис ху?, что делать? и кто виноват?.

    Dixi

    1. Michael N

      Дорогой г-н Зайцев, Вы, как мне кажется, давний читетель этого издания и не можете не знать, что раскрытие фамилий авторов ников на этом сайте запрещено (см. правила http://club.berkovich-zametki.com/?p=9776).

      Статья (в том виде, в котором она появилась здесь) — безобразного качества. Г-н Лесин попросту \»подставил\» известных ученых, взяв их публикацию в научном журнале — интересную, но со множеством технических недочетов в формулировках — и представив ее в таком виде, в котором недочеты зашкаливают. На несколько конкретных примеров уже обратил внимание Бормашенко. От того, что вы назвали эту \»работу\» расширенным реферетом, суть дела не меняется. Во-первых, никакого расширения нет, а, наоборот, из перевода выброшены все пояснения, рассуждения и прочие аргументы, без которых статья выглядит странной. Во-вторых, публикация небрежна (чего стоят сбитые колонки в таблице, когда \»термодиманической переменной\» соответствует статья). А в-третьих, качество перевода никуда не годится. Ну вот только одно предложение из абстракта:

      \»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. \»

      Между тем, в оригинале написано: \»Deep analogies have been suggested to also exist between the properties of biological entities and processes, and those of frustrated states in physics, such as glasses. \» То есть \»Уже было высказано предположение, что также существуют глубокие аналогии…\» Не в этой статье, а раньше! Затем совершенно неуместное двоеточее. После — неведомые \»биологические сущности\», \»процессы в сущностях\»(!?). Это хороший переводчик? Дальше — \»фрустрированные состояния\» почему-то переведены как \»неравновесные состояния\». Но ведь это совсем разные вещи! Дальше, в оригинале речь об аналогии между \»properties of biological entities and processes\» и \»those [properties and processes] of frustrated states, such as glasses\». Немного коряво (стекло — это не процесс, не свойство и не состояние), но понятно. Переводчик эту корявость усилил в десять раз. У него аналогия между \»процессами в биологических сущностях\» (?) и \»состояниями\» для таких объектов, как стекло. То есть авторы все же сравнивали однородные вещи (свойства и процессы в разных системах), а у переводчика процессы стали аналогичны состояниям.

      Двойка переводчику-халтурщику! 🙂

  6. Michael N

    Я почему-то оказался в роли адвоката дьявола, но позволю себе еще один комментарий. Это ни с какой стороны не философская статья. Я, конечно, говорю об оригинале на английском, а не о бессмысленной обрывочной версии здешнего переводчика. Эта статья — о возможных аналогиях между методами геномики и физики конденсированного состояния в четырех конкретных узких областях:

    1. Популяционная генетика и термодинамика, где, при удачно введенной «эволюционной энтропии» (ур. 2) можно эволюционные переходы мыслить как фазовые переходы первого рода.

    2. Не-эргодические «спиновые стекла» (в частности, self-induced glassiness и спонтанно нарушаемая симметрия) и пространство эволюции генома. Включая «фрустрацию» (competing interactions) и ее сходство с «гонкой вооружений» между организмом-паразитом и организмом-хозяином.

    3. Перколяция и самоорганизующаяся критичность в эмержентных процессах (ну, это давно, это все знают). 🙂

    4. Расплывчатая кунинская аналогия между геномом и квантовой волновой функцией. Геном эволюционирует из-за мутаций подобно эволюции волновой функции, подчиняющейся (например) ур-ю Ш-ра. Затем геном транслируется в фенотип («первичный» текст ДНК превращается в нативную структуру белка, свернутого в третичную нативную структуру), и естественный отбор закрепляет только жизнеспособное. Что аналогично измерению и коллапсу волновой функции в КМ.

    Это довольно локальные вопросы, не философские. Но интересные и красивые. Продуктивны ли эти аналогии, или они являются мертвыми метафорами — покажет время. Конечно, статья написана небрежно, с неточными формулировками, с нарушением правил подписывания картинок (аспиранта или постдока за такое бы отругали), но видимо, авторы считают, что на их уровне нет необходимости уделять внимание мелочам, правила писаны не для всех. А кривой перевод превратил статью в определенное посмешище, но тут уж авторы не виноваты.

  7. Бормашенко

    Теперь разбор по существу. В аннотации сказано: «Биологические системы достигают сложной организации, которая значительно превышает сложность любого из известных неживых объектов». Сложность в современной физике может быть количественно определена или, как минимум, оценена (заметим, оценка сложности, дело — нетривиальное). Подобное утверждение должно быть, как минимум, сопровождено оценкой. И эта оценка немедленно покажет, что существуют неживые объекты, сложность которых превышает сложность живых объектов. Резонный вопрос: Солнечная Система — живой объект? Если нет, превышает ли ее сложность сложность моего организма? И включает ли полная сложность Солнечной Системы сложность моего организма? Здесь есть о чем мыслить. Но подобные разухабистые, бесшабашные рассуждения недопустимы в научной статье. Предположим, однако, что статья философская, а не научная. Ошибочно думать, что в философии можно говорить все, что угодно. Мера строгости философского — мера философского языка, которым написан философский текст. Языка Мамардашвили, Бибихина, Пятигорского, Манина, Воронеля. Ибо философия есть сознание разворачивающее себя в языке. В этом сила философии, в этом ее слабость, слабость языка человеческого общения. Но язык статьи совершенно беспомощен. Перед нами отнюдь не философский текст.

  8. Игорь Троицкий

    То: Michael N
    Уважаемый Michael N, мне просто не нравится, когда вместо научных аргументов предъявляют свои регалии. Мне также кажется, что никакой рейтинг цитирования не даёт право без всякого основания обижать своего собрата учёного. На всякий случай, с оппонентом , г-ном Бормашенко я не знаком и даже имени его не знаю.

    1. Michael N

      Уважаемый Игорь, с этим я совершенно согласен, как и с тем, что возражения уважаемого профессора Эдуарда Бормашенко — по-существу, а ответный наезд на него Евгения Кунина (зачем-то опубликававшего здесь свой рабочий адрес и номер мобильника) — неуместный переход на личности… Если научную статью перевести на русский язык, выкинуть уравнения и четкие пояснения, оставив введение, заключение и кусочки из середины, криво переписав таблицы, статья не становится от этого понятным научно-популярным текстом. А, наоборот, начинает походить на наукообразную бессмыслицу.

      Исходная статья (на английском) это и не обзор литературы и не публикация оригинальных результатов. Она принадлежит к своеобразному жанру, когда авторы излагают свои оригинальные идеи, а не результаты, при этом делая обзор современной литературы. Вероятно, заслуженным авторам позволяется отступать от общепринятых правил подачи материала в научной статье, отзюда и определенная небрежность формулировок и изложения. И все же на мой взгляд (совсем не специалиста) определенная ценность в такой работе есть. Ведь современные исследования в области биоинформатики и геномики — это самый передний край современной науки. И если специалисты в этой работе высказывают идею, что геном похож на волновую функцию, что методы описания и математического исследования спиновых стекол могут быть применены для исследования эволюции вирусов и эукариотов, то это идеи могут оказаться плодоитворными. Геном — сложный объект, его \»пространство состояний\» и эволюция сложны для математического описания, и рассказ людей, которые этим занимаются на самом переднем крае науки, должен бы быть по идее интересен. Но это не значит, что авторы могут бросаться необоснованными утверждениями, вроде того что \»Biological systems reach organizational complexity that far exceeds the complexity of any known inanimate objects,\» что и заметил уважаемый проф. Бормашенко.

  9. Игорь Троицкий

    То: Бормашенко
    Абсолютно с Вами согласен. Если бы у мистера Eugene V. Koonin вместо PhD, Senior Investigator NCBI, NLM, NIH был бы за плечами сданный Ландау теорминимум, то можно было бы ещё и подумать, а так …

    1. Michael N

      Я тоже согласен с Эдуардом, однако жесткие у Bас, Игорь , требования! 🙂 Кунин — генетик, самый цитируемый ученый (в смысле — вообще, на земле, по всем специальностям), его работы процитированы в научной литературе 150 тысяч (!) раз. Кацнельсон — лауреат разных премий, соавтор нобелевской работы Гейма и Новоселова, и тоже один из самых цитируемых (80 тысяч) физиков-теоретиков нашего времени.

  10. Бормашенко

    Мои комментарии к стате содержат возражения по существу, критику ошибочных и неряшливо оформленных утверждений. Ответ г-на Кунина содержит обсуждение моих личных качеств, это худший способ вести дискуссию. Разумеется, поддерживать ее не представляется возможным.

    1. Michael N

      Нужно смотреть оригинал, с формулами и картинками, тогда идеи мэтров понятнее (хотя оригинал тоже немного неряшлив). https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1709/1709.00284.pdf

      Например, там, где перевод обрывается вызывающей недоумение фразой «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», оригинал продолжает «Perhaps, the most notable equivalence is that between the effective population size and inverse temperature (Ne ~1/T)» и дальше развивает красивую аналогию со ссылкой на новейшие исследования по генетике.

      Перевод обрывков — совершенно бессмысленное дело, и если не заглядывать в оригинал, вызывает только недоумение.

  11. Eugene V. Koonin, PhD, Senior Investigator NCBI, NLM, NIH

    Перевод, насколько я могу видеть, адекватен по смыслу, хотя и не вполне удачен литературно. Что же до высказываний г-на Бормашенко, то он остановился в своем понимании физики конденсированного состояния на курсе Ландау-Лифшица. С тех пор произошел некоторый прогресс. Впрочем, и этот курс он явно изучал не внимательно.
    Eugene V. Koonin, PhD
    Senior Investigator
    NCBI, NLM, NIH
    Bethesda, MD 20894
    Bldg. 38a, Rm. 5N503
    Telephone:
    301-435-5913 (o)
    301-233-7294 (cell)

  12. Бормашенко

    В тексте: «Следуя выше указанной аналогии, в биологии, также как и в физике, выполнение измерений инициирует стрелу времени и создает необходимость признания эволюции». Это неверно, уравнение Шредингера обратимо во времени. Из проблемы измерения стрела времени не следует. См. Курс Теоретической Физики Ландау и Лифшица.

    1. Michael N

      Тут идеи Кунина понять сложнее. Переводчик почему-то опустил все пояснения, и Вы, Эдуард, совершенно правы, что ничего понять невозможно. Насколько я понимаю, аналогия, которою предлагает мэтр, состоит в том, что существует генотип как вещь в себе (текст), и фенотип как реализация (результат прочтения генетической информации). вот этот биологический процесс чтения и актуализации и аналогичен процессу измерения (коллапсу волновой функции) в КМ. Поскольку при актуализации естественный отбор отсекает только реализуемое/выживающее и уничтожает остальное (как коллапс волновой функции). Причем тут стрела времени, трудно сказать. 🙂 Это довольно красиво, но догадаться из такого перевода о чем речь невозможно.

  13. Игорь Троицкий

    Автор (или авторы) накидали в одну кровать разные термины из физики и биологии, надеясь на современную технологию деторождения – авось что-то вызреет. Пока ничего. Но, как говорится: ещё не вечер. Подождём-с!

  14. Benny

    Физика основана на исторически проверенной вере в то, что мир познаваем.
    Если предположить, что законы истории и эволюции похожи (эволюции в этологическом понимании: эволюция «социальных инстинктов» у животных и «институтов общества» у людей), то получается что именно наше физическое понимание мира основанною на биологическом понимании мира.

    Это предположение подтверждается многочисленными наблюдениями. Например, феномен «обратная эволюция»: естественный отбор шёл под влиянием окружающей среды и он был настолько успешен, что в определённый момент он начал идти под влиянием внутривидовой конкуренции. Нобелевский лауреат Конрад Лоренц приводит пример с «темпом работы в Западной цивилизации»: раньше крестьянин-воркоголик лучше обеспечивал свою вечно голодающую семью едой, а сейчас инженер-воркоголик рожает меньше детей и обеспечивает себе «сгорание на работе».

    С биологическим пониманием мира это элементарно, но с физическим пониманием у нас есть некая биологическая или социальная гипотеза, которая в прошлом многократно подтверждалась реальностью — и вдруг в один момент она тотально перестаёт работать !!!
    С «физическим пониманием» это отрицает сам принцип познаваемости мира и физики часто ведут себя как «упрямый Фома» из стихотворения С. Михалкова:
    … Уже крокодил
    У Фомы за спиной,
    Уже крокодил
    Поперхнулся Фомой …

    1. Валерий Лесов

      Уважаемый оппонент, без постулатов и предположений и говорить не о чем. Со времен Аристотеля наука развивается на этой основе. Логика плодотворнее софистики и схоластики.
      PS О «проблеме трудоголика». Во-первых, всегда были люди, полностью отдающиеся работе.
      Во-вторых, формализация «проблемы» не учитывает прочих существенных аспектов, например, рост потребностей.

      1. Benny

        Со времен Аристотеля наука развивается на этой основе.
        —————
        Наука развивалась на исторически проверенной мировоззренческой предпосылке (=вере) в то, что мир познаваем.
        Но до последнего времени наука НИКОГДА не развивалась на многократно опровергнутой вере в то, что «дилеммой заключённого» (= «проблема взаимного доверия») можно пренебречь в биологии, социологии и истории.

        А когда это происходит, то физик Стивен Хокинг говорит о Брекзите и Трампе с глубочайшей уверенностью, что его знание физики помогает ему лучше понять эти феноменны, в которых полностью игнорированная им «проблема взаимного доверия» играет ключевую роль.
        Я извиняюсь за неприятное сравнение, но это очень похоже на исторический анекдот о Марии Антуанете с её «если у них нет хлеба, то почему они не едят пирожные?». Её невежество было НЕ из-за её незнания физики, но из-за её изолированности от «простого народа», благодаря которой она забыла о инстинктивно известной любому ребёнку «проблеме взаимного доверия».

  15. Бормашенко

    «В чем отличия живых организмов от неживой материи? Существует очевидный ответ на этот вопрос при определении в терминах химического состава и структуры». Где он этот ответ? Этот ответ совершенно не очевиден.
    «в физике “все имеет смысл” — это совершенно не так, физика вообще не занимается вопросами смысла.
    «“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» При чем тут сопротивление? Я советую обратиться за определением равновесного состояния к классическому курсу Ланаду и Лифшица.
    Вся статья — набор бессвязных науукообразных фраз, худший пример певдонауки.
    Зачем печатать на популярном сайте, статью цитирующую 167 источников? Впервые уважаемый редактор сайта допустил грубую ошибку, опубликовав статью, которой попросту не место на популярном сайте. Не говоря уже о том, что статья ошибочна.

    1. Валерий Лесов

      Уважаемые поклонники и радетели портала! Спорить по существу стоило бы с авторами статьи. Мудрый и азартный оппонент — такого только и подавай. Наверное, ее обсуждение ведется в научных сообществах.
      В тексте данного сокращенного перевода я упомянул, что возможно, он будет интересен в качестве научно-популярного материала. Меня самого подход авторов и исследуемые ими проблемы заинтересовали. В самом общем виде. О сходстве и различиях физики и биологии.
      PS О переводе статьи на русский язык я предварительно уведомил одного из авторов.

  16. Benny

    И все же возникает еще такой рубежный вопрос: является ли современная физика достаточно наполненной для обслуживания (обеспечения поддержки) биологии?
    ———————
    В математической теории игр есть фундаментальная проблема «дилемма заключённого», которая в биологии трансформируется в ещё более фундаментальную проблему всего живого: «живые существа передают гены индивидуально, но выживают как сообщество (высшие животные) или как популяция (прочие живые существа)».
    Есть ли в современной физике что-то похожее ?

    1. Валерий Лесов

      Я только коснусь логической цепочки, приведшей к данному вопросу. Насчет обоснованности того, что данная проблема из области математики трансформируется в проблему из области биологии. Так ли это?

  17. Валерий Лесов

    1. Об этом говорится в статье.
    2. Такая таблица дана в статье.

  18. Бормашенко

    «Такие системы характеризуются нарушением, посредством которого локальное состояние с минимумом свободной энергии конфликтует с глобальным минимумом, в результате чего возникают “нарождающиеся качества”. Это совершенно неверно, никакого конфликта локального минимума свободной энерги с глобальным, нет и в помине. Это значит, что возможно несколько метастабильных состояний равновесия. Вот и все. Таблица аналогий совершенно невразумительна. Аналогом «термодинамической переменной» не может быть статья, даже статья Sella & Hirsh. Это совершенное наукообоазное безобразие.

    1. Michael N

      Эдуард, там у них в таблице должно быть три колонки: Термодинамическая переменная, биологический аналог согласно Sella and Hirsh и биологический аналог согласно авторам. Речь об аналогии, согласно которой 1/температура аналогично размеру популяции, энтропия — плотности эволюционной информацвии и т.п. Если я правильно понял, то авторы хотят сказать, что спиновое стекло эволюционирует от одного метастабильного состояния к другому аналогично тому, как популяция эволюционирует от одного успешного (матастабильного) состояния к другому. И что к геномам можно применить ту математику, которую применяют к спиновым стеклам. В целом это (насколько я понимаю) основано на неких новейших идеях из генетики/биоинформатики и относительно новый (последние 40 лет) идеях из физики «спиновых стекол». дает ли это какое-то новое философское понимание эволюции и жизни, сказать трудно. Вы правы, что обрывочный перевод без уравнений, картинок и ссылок, совершенно невразумителен.

  19. Бормашенко

    В тексте множество ссылок на статьи, но самих ссылок нет. Ничего понять нельзя.

    1. Валерий Лесов

      Список литературы к статье содержит ссылки на 167 источников.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math
     
 
В окошко капчи (AlphaOmega Captcha Mathematica) сверху следует вводить РЕЗУЛЬТАТ предложенного математического действия