유명한 권위있는 옥스포드 영어 사전과 논쟁하기는 어렵지만 물리학은 생물을 연구하기 때문에“생생한 물질과 에너지의 본질과 속성에 관한 과학의 지부”로서의 물리학의 정의는 불완전합니다. 물리학 자들은 1900 년 첫 국제 회의에서 생물학적 연구를보고했으며 물리학과 수학은 여전히 생물 학자들이 생물을 이해하도록 돕습니다.
놀라운 역 연결에서 1940 년대에 상대 론적 및 양자 물리학의 창시자 인 Albert Einstein과 Erwin Schrödinger는 각각 생물학적 중요성에 대한 질문을 해결하면 물리학을 향상시킬 수 있다고 예상했습니다. 오늘날 연구원들은 모호하게 정의 된 아이디어 이상으로“정보”를 탐색하고 있습니다. 대신 물리학과 생물학 모두에서 깊은 의미를 가진 구체적이고 통일 된 개념이되었습니다.
물리학과 수학을 생물학에 넣는 첫 번째 주요 작업은 훨씬 일찍 시작되었습니다. 스코틀랜드 생물 학자이자 Polymath D 'Arcy Wentworth Thompson은 Growth and Form 에 대해 출판했습니다. 1917 년, 1942 년에 1,116 페이지의 두 번째 판이 대규모로 1,116 페이지로되었습니다. 유기체의 구조는“물리적, 수학적 법칙에 따라”존재한다고 설명합니다. 다윈의 자연 선택은 불완전하다고 주장하면서 톰슨은 분석을 통해 진화론을 확장하는 방법을 보여 주었다. 그는 역학의 법칙을 통해 동물과 골격의 모양과 크기를 설명하고 순수한 수학을 사용하여 동물의 몸이 어떻게 발달 할 수 있는지 보여줍니다. 이 책은 과학자들에게 다윈의 진화에 대한 도전과 자연계의 아름다움에 대한 강력한 설명에 영향을 미쳤다. 최근 재고는 그것을“도발적이고 영감을주는”것으로 칭찬합니다.
그런 다음 1944 년에 Schrödinger는 다른 삶과 깊은 효과를 가진 작은 책을 출판했습니다. , 1943 년 더블린의 트리니티 칼리지에서 공개 강의 기록. 기본적으로 해결되지 않은 질문에 반응합니다. 유기체는 어떻게 세대를 통해 유전 정보를 보존하고 전달합니까?
양자 및 통계 물리학의 추론으로, Schrödinger는 유전자 데이터는 생물학적 진화의 돌연변이를 설명하기 위해 광범위한 변이를 할 수있는 작고 내구성있는 단위에 의해 유전자 기록을 암호화하는 다른 안정적인 양자 구성을 가진 분자입니다. DNA 가이 유전 분자로 확인 된 후 James Watson과 Francis Crick은 1953 년에 이중 나선 구조 (Rosalind Franklin의 X- 선 결정학 데이터 사용)를 발견했으며 Life is Wath 그들의 일을 자극하면서. 이 책은 분자 생물학을 발견하는 데 도움을 주었고 Schrödinger는 또한 무언가를 더 엿볼 수있게했습니다. 그는“일반적인 물리학 법칙에 의한 삶을 해석하는 데 어려움이 있기 때문에“우리는 새로운 유형의 물리 법칙을 찾을 준비가되어 있어야한다”고 썼다. 그는 이것이 양자 이론 내에있을 수 있다고 생각했다.
아인슈타인은 또한 생물학적 연구가 독일-오스트리아 노벨상 수상자 동물 학자 인 Karl von Frisch의 조사부터 물리학을 확장 할 수 있다고 생각했다. 이 작품은 꿀벌을 동물 행동의 모델로 확립했으며 꿀벌이 양극화 된 채광창을 사용하여 스스로를 지향한다는 것을 보여주었습니다. 1949 년에 아인슈타인은이 마지막 결과가 물리학에서 새로운 경로를 열지 않았다고 지적했다. 편광은 잘 이해 된 빛의 속성이기 때문이다. 그러나 그는 이렇게 덧붙였다.“철새와 캐리어 비둘기의 행동에 대한 조사는 언젠가 아직 알려지지 않은 물리적 과정에 대한 이해로 이어질 수있다”고 덧붙였다. 분명히 그는 물리학과 생물학 사이의 양방향 흐름의 가치를 보았습니다.
수십 년 후, Thompson, Schrödinger 및 Einstein이 본 관계가 커졌습니다. Thompson의 작품에서 한 가지 주제는 생물의 형태를 이해하기 위해 순수한 수학을 사용하는 것입니다. Thompson은 정사각형 그리드에 유기체의 개요를 그리고 그리드를 한 방향으로 스트레칭하는 것과 같은 수학적 변환을 적용하여 이것을 탐구했습니다. 결과적인 이미지는 또 다른 밀접하게 관련된 유기체와 비슷합니다. 앵무새의 긴 몸은 수학적으로 앙겔 피쉬의 곡선 모양이되었습니다. 이것은 수학만으로는 생화학 적 및 물리적 과정이 무엇을 유발할 수 있는지 설명하지 않지만 유기체의 신체가 세포 성장을위한 선호되는 방향을 따라 발달한다는 것을 시사합니다.
.이제 새로운 수학적 접근 방식은 유기체가 자신의 신체 구조를 어떻게 개발하는지에 대한 더 깊은 견해를 제공합니다.
2020 년 이스라엘 Technion의 물리학 자와 생물 학자들은 최대 센티미터까지 담수 동물 인 Hydra를 분석했습니다. 그것의 원통형 몸은 표면에 부착되는 발과 촉수가있는 머리와 입을 잡고 먹는 입을 가지고 있습니다. 이 생물은 생물 학자들에게 관심을 갖습니다. 조직 조각은 완전하고 기능하는 새로운 동물로 재생 될 수 있기 때문입니다. (Hydra는 뱀과 같은 머리가 많은 신화적인 바다 괴물의 이름을 따서 명명되었으며, 끊어진 모든 사람마다 두 개의 새로운 머리를 키울 수 있습니다.) 재생은 인간의 생애에 대한 단서를 가질 수있는 일종의 불멸을 제공합니다.
Technion Group은 재생 된 히드라 조직 조각, 특히 성숙한 히드라의 장축과 평행하게 놓인 다세포 섬유를 현미경으로 검사 하였다. 조직은 먼저 섬유가 지구의 경도 선과 같은 패턴을 형성하여 스페 로이드로 먼저 접 히고, 이는 적도 근처에서 평행하지만 북쪽과 남쪽에서 수렴 할 때 급격히 변화합니다. 이것은 하나의 유형의 토폴로지 결함이며, 수경의 평행 섬유 또는 결정질 고체의 원자 배열과 같은 규칙적인 지오메트리가 어디에서나 다양한 형태로 발생하는 변칙은 순서가 심각하게 방해됩니다. 이해와 분석이 토폴로지를 필요로하기 때문에“토폴로지”라고 불립니다. 왜냐하면 뻗어 나거나 구부러 지거나 뒤틀릴 때 모양이 어떻게 변하는 지 연구하는 순수한 수학의 지점 인 토폴로지가 필요하기 때문입니다.
Hydra 조직에서 관찰 된 두 개의 토폴로지 결함의 중요성은 그들이 발의 부위가되어 새로운 원통형 동물의 머리가되기 때문에 전신 계획을 정의한다는 것입니다. 토폴로지 결함을 중요하게 만드는 기계적 및 생화학 적 과정을 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하지만, 살아있는 물질의 상당한 변화를 나타내는 것도 박테리아의 식민지에서, 어떤 경우에는 복잡한 다세포 구조로 성장함에 따라 입증되었습니다.
.Thompson이 큰 이점을 얻은 또 다른 접근법은 힘과 같은 기계적 양이 유기체의 크기와 행동에 어떤 영향을 미치는지 결정하는 물리적 인 것입니다. 그는 차원 분석에 의해이를 수행했는데, 모든 기계적 양이 3 가지 물리적 기초 질량의 조합으로 표현 될 수 있음을 인식합니다. , 길이 l 및 시간 t ; 예를 들어, 속도는 치수 l/t 를 갖는다 , 치수를 강제 ml/t . 이 기본에서 Thompson은 큰 물고기가 작은 물고기보다 더 빨리 수영을했으며 곤충이 엄청나게 거칠어 질 수 없다는 것을 보여주었습니다. 크기가 증가함에 따라 무게가지지 다리의 강도보다 더 빠르게 증가하므로 자라면서 곧 작동 할 수 없게 될 것입니다.
덴마크 기술 대학교 해양 생물 센터의 켄 안데르센 (Ken Andersen)은 현재 해양 생태계의 일부인 거대한 유기체 그룹 인 플랑크톤을 설명하기 위해 차원 분석을 확장하고 있습니다. 그는 2020 년 Emory University에서 조직 된 워크숍“올바른 규모”에서이 연구를 발표하여 기본 물리적 원칙이 살아있는 생물의 크기와 기능을 결정하는 방법에 대해 논의했습니다. (워크숍 타이틀은 유기체의 능력을 설정하는 데있어 크기의 중요성에 대해 저명한 영국 생물 학자 J.B.S. Haldane의 유명한 1928 에세이에서 비롯된 것입니다.)
플랑크톤은 작은 동물과 바다를 통해 표류하는 식물로 구성됩니다. 지구의 탄소 및 산소주기와 인간 식단의 상당 부분을 생산하는 먹이 사슬에서 중요합니다. Andersen은 다양성을 분석하기 위해 유기체를 영양소를 취하는 방식으로 분류했습니다. 적극적으로 먹이를주는 유기체의 경우, 음식을 만나는 섭취 속도는 치수 속도 l/t 에 달려 있습니다. 단면적 l 를 곱한다 , 또는 l/t 여기서 l 유기체의 특징적인 크기입니다. 일부 동물 플랑크톤은 대신에 용해 된 유기물 분자가 신체로 확산되기 때문에 영양소를 수동적으로 흡수하며, 이는 상세한 물리적 분석을 보여줍니다. . 그러나 식물은 광합성으로 자신의 영양소를 만듭니다. 이를 위해서는 태양 에너지를 모아야하며 차원 속도 l/t 의 유기체의 표면적에 따라 달라집니다. , 비율의 확산에 의한 약간의 영양과 함께 l/t .
Andersen은 유기체의 크기에 대한 이러한 영양소 섭취 속도를 10 밀리미터에서 1 밀리미터에서 플로팅했으며 크기는 공급 모드와 관련이 있음을 발견했습니다. 작은 유기체는 확산에 의해 공급되고, 큰 유기체는 적극적으로 공급되며, 크기의 중간 범위는 광합성을 사용하는 식물 인 경향이 있습니다. 따라서 세 가지 유형의 상대적인 수는 바다에서 발생하는 영양소와 햇빛의 수준에 따라 다릅니다. 예를 들어, 풍부한 영양소는 거의 없지만 가볍고 활성 및 확산 기반 동물 사료 공급기가 식물을 지배합니다. Andersen은 현재 다른 해양 조건에서 플랑크톤 다양성과 기능의 추정치를 제공하기 위해 기본 물리적 아이디어를 기반으로 플랑크톤 시뮬레이터 소프트웨어를 개발하고 있습니다.
Hydra와 Plankton의 결과는 Thompson의 전체 유기체 분석을 확장합니다. 분자에서 원자가 조심스럽게 배열되어 세대를 통해 생물학적 질서를 어떻게 운반 할 수 있는지 보여 주면서, Schrödinger의 생명은 무엇입니까? 분자 규모의 새로운 접근법을 나타냅니다. 분자 생물학은 이후 유전자 편집 및 세포 과정에 대한 더 나은 이해와 같은 다른 발전으로 이어졌습니다.
이러한 성공은 분자에서 생화학 적 수명 과정의 기본 단위로 시작하여 세포, 조직, 장기 및 전체 유기체를 구축 할 수있는 매력적인 가능성을 시사합니다. 이러한 환원주의 접근법은 원칙적으로 기본 입자를 핵과 원자로 조립할 수있는 물리학에서 유효한 것으로 보이며, 이는 전체 우주까지 분자와 더 큰 물질과 에너지를 형성한다. 분자가 복잡한 생물과 삶 자체를 이해하는 기초를 형성 할 수 있습니까? 아마도 일부 관찰자들은이 상향식 과정이 더 높은 수준의 생물학적 구조와 기능을 설명하기에 충분하지 않다고 생각합니다. 대표적인 예는 우리 자신의 내부 의식, 마음의 속성을 뇌의 분자와 뉴런의 행동과 연결하는 데 어려움이 있다는 것입니다. 아마도 분자에서 생물을 완성하는 데 점프하기 위해서는 다른 아이디어가 필요할 것입니다.
Schrödinger는 삶을 이해하기 위해서는 양자 이론에서 나올 수있는“새로운 유형의 물리 법칙”에 의해 알려진 물리학을 보완해야한다고 생각했습니다. 이후 연구원들은 양자 행동의 일부 징후를보고하거나 광합성 및 후각 반응과 같은 영역에서 이론화했습니다. 그러나 이러한 결과는 논란의 여지가 있으며, 양자 효과의 광범위한 생물학적 영향에 대한 설득력있는 사례는 여전히 남아 있습니다.
그러나 Schrödinger 시대에는 널리 인식되지 않았지만 이제는 물리학 및 생물학에서 중요합니다. 1867 년 스코틀랜드 수학 물리학 자 제임스 서기 맥스웰은 소위“맥스웰의 악마”를 상상했습니다. 이 작은 존재는 가스 상자에 존재하고 빠르고 느린 분자를 별도의 챔버로 분류합니다. 온도는 속도와 관련이 있으므로 결과는 유용한 작업을 생성 할 수있는 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 온도 차이입니다. 따라서 Maxwell의 악마는 순수한 정보에서 에너지를 생산하는 방법을 보여 주면서 정보를 물리적으로 제공했습니다. 그런 다음 1940 년대에 수학자 Claude Shannon은 주어진 시스템을 설명하는 정보가 시스템의 순서 정도를 반영한다는 것을 보여주었습니다. 열역학은 엔트로피라고 불리는 수량을 통해 다른 방식으로 순서를 설명합니다. Shannon의 통찰력은 주문, 엔트로피 및 열역학에 연결하여 정보에 더 많은 물리적 무게를 제공했습니다.
정보를 질서와 열역학과 관련 시키면 내부 조직을 유지함으로써 살아있는 유기체에서 특별한 의미가 있습니다. 이것은 분자 생물학의 소위 "중심 교리"에 암시 적이며, Francis Crick의 DNA 분자에 저장된 정보는 단백질을 만드는 다른 분자 과정으로 흐르고 계획에 따라 전체 유기체를 흐른다는 진술입니다. 따라서 정보의 흐름에 따라 전체 생물학적 시스템의 열역학을 설명하는 방법입니다. 이것은 뇌의 뉴런과 같은 시스템 구성 요소 간의 상호 작용이 새로운 "출현"높은 수준의 행동을 생성 할 때 발생하는 특성에 대한 연구를 열어줍니다.
.이보다 광범위한 접근 방식은 Trinity College에서 개최 된 2018 년 심포지엄에서 볼 수 있듯이 물리학 및 생물학 인터페이스에서 연구에 영향을 미치는 것입니다. 이 행사에는 복잡한 시스템과 같은 정보 및 출현 속성과 관련된 새로운 영역에 대한 연구와 뇌를 구성하는 뉴런 네트워크가 앞으로 몇 년 안에 물리학과 생물학을 모두 취할 것입니다. 이러한 결과가 무엇이든, 확실히 중요한 것은 물리적 및 생물학적 과학을 포함하는 정보를 기반으로 광범위한 접근법의 사용이 증가하는 것입니다. 그러한 강력한 다 분야의, 심지어 학제 간 노력조차 마침내 Schrödinger의 원래 질문에 대답하기를 희망 할 수 있습니다 :삶은 무엇입니까?
Sidney Perkowitz는 Emory University의 Physics Emeritus의 Candler 교수입니다. 그의 최신 책은 입니다 물리학 :매우 짧은 소개 , 실제 과학자는 넥타이를 착용하지 않고 를 착용하지 않습니다 과학 스케치 (앞으로).
참조
1. 톰슨, D.W. 성장과 형태 :완전한 개정판 Dover, Mineola, NY (1992).
2. Dyer, A.G., et al. 아인슈타인, 폰 프리쉬 및 꿀벌 :역사적인 편지가 밝혀집니다. 비교 생리학 저널 A (2021).
리드 이미지 :아프리카 스튜디오/ 셔터 스톡
