다음과 같은 개념에 대해서는 분명히 합리적인 것이 있습니다. 만약 모든 생명이 우리가 알고있는 정확한 방정식에 순종하는 원자에서 세워진다면, 생명의 존재는 우리가 아직 계산하기 위해 얻지 못한 이러한 법의 다운 스트림 결과 일 수 있습니다. 이것은 본질적으로 물리학 자의 사고 방식이며, 그 신용으로, 생명체가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 큰 도움이되었습니다.
.20 세기 중반에 물리학에서 생물학으로 넘어간 Max Delbrück과 같은 개척자들 덕분에 물리 과학의 정량 분석의 영향은 세포 생물학 및 생화학에서 기계적, 분자 적 접근을 야기하는 데 도움이되어 많은 혁신적인 발견을 초래했습니다. X- 선 결정학, 핵 자기 공명 및 초 고해상도 현미경과 같은 이미징 기술은 DNA, 단백질 및 다른 구조물의 생생한 초상화를 분자 척도에서 생명을 진드기로 만드는 단일 세포보다 작은 기타 구조를 제공했습니다.
더욱이, 유전자 코드를 깨뜨려, 우리는 우리 자신의 고안의 새로운 거대 분자를 조립함으로써 살아있는 세포의 기계를 활용할 수있게되었다. 우리가 인생의 가장 작고 가장 단순한 빌딩 블록이 전체를 형성하기 위해 어떻게 어울리는 지에 대한 더 정확한 그림을 얻었으므로 생물학의 가장 힘든 퍼즐은 물리학 용어에 대해 어떻게 다루는 방법을 알아 내면 해결 될 수 있다고 상상하고 싶어합니다.
.그러나이 태도로 삶의 주제에 접근하면 적어도 두 가지 이유로 우리가 실패 할 것입니다. 우리가 축소주의의 오류라고 부르는 첫 번째 이유. 환원주의는 우리가 공부하기로 선택할 수있는 우주의 모든 부분이 골동품, 와인업 시계의 일부 표본처럼 작용하므로 각 부분이 어떻게 밀고 움직이는지를 알리는 규칙을 알면 전체의 행동을 쉽게 예측하는 것이 쉽거나 적어도 가능합니다.
.몇 가지 간단한 규칙에서 모든 것을 설명하고 예측하려는 꿈은 오랫동안 많은 과학자, 특히 물리학 자들의 상상력을 사로 잡았습니다. 그리고 모든 공정성에서, 일부 연구자들의 굶주림에 의해 많은 훌륭한 과학이 추진되었습니다. 결국, 세상에는 다양한 단순한 조각들 사이에서 알려진 상호 작용의 결과로 이해 될 수있는 것들이 있습니다. 달의 중력 줄기와 함께 바다 조수의 상승과 하락에서, 일부 유전자 질환이 단백질 표면에서 하나의 작은 패치의 변경된 화학으로 인해 발생하는 분자 사건으로 추적 될 수있는 방식에 이르기까지, 때로는 우리가 연구하는 것이 부분의 포괄적 인 부분처럼 보입니다.
.아아, 모든 과학적 퍼즐이 감소를 통해 정복 될 것이라는 희망은 20 세기가 다가 오기 전에 물리학 자들에게 더 인기가있었습니다. 그 이후로, 물리학의 여러 노벨상 수상자들 (그리고 수많은 다른 사람들도)이 감소 주의적 사고가 종종 실패하는 방법과 이유에 대해 명쾌하게 글을 썼습니다. 뉴턴의 법칙이나 양자 이론을 사용하여 주식 시장을 예측하거나 난류 유체 또는 과냉각 자석과 같은 "많은 입자"시스템의 훨씬 간단한 특성을 예측할 수 없습니다. 그러한 모든 경우에, 물리 법칙은 아마도 우리가 모르는 것, 측정 할 수 없거나 직접 계산할 수있는 능력이 부족한 것의 엄청난 점에 휩싸입니다. 물리학은 여전히 그러한 시스템에서 작동하지만 미세한 부분을 지배하는 기본 방정식으로 시작하는 것은 아닙니다.
사람들이 삶과 비 생명의 경계를 보았던 방식의 두 번째 실수는 오늘날에도 여전히 만연하고 우리가 언어를 사용하는 방식에서 시작됩니다. 많은 사람들이 우리가 물리학을 충분히 이해한다면, 우리는 물이 물리적 현상이 무엇인지 이해할 것이며, 우리는 물이 어떻게 그리고 왜 끓는지를 이해하는 것과 같은 방식으로 물리적 현상이 무엇인지 이해할 것이라고 상상할 수 있습니다. 실제로, 사람들은 종종 충분한 물리 이론이 살아있는 것과 그렇지 않은 것을 말하는 새로운 금 표준이 될 것으로 기대하는 것 같습니다.
그러나이 접근법은 세상의 현상에 이름을 부여하는 데있어 우리 자신의 역할이 살아있는 것을 부르는 것이 무엇을 의미하는지 명확하게 말할 수있는 능력보다 우선한다는 것을 인정하지 않습니다. 생명체가 어떻게 행동하거나 떠오르는 지에 대한 이론을 고안하고자하는 물리학자는 우리가 살아야 할 삶의 특성을 육체적 언어로 번역하는 방법에 대한 직관적 인 선택을하는 것으로 시작해야합니다. 그렇게 한 후에, 살아있는 것과 그렇지 않은 것 사이의 경계는 물리학이 제공하는 것과는 다른 말의 방식을 통해 이미 처음에 그려진 것입니다.
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어느 정도까지, 축소주의에 대한 희망적인 성향은 삶이 어디에서 왔는지에 대한 질문에 대해 표현됩니다. 우리는 살아있는 유기체를보고, 형태와 기능에서 그러한 숨막히는 성공이 단순히 단순하고 예측 가능한 당구 공처럼 서로 튀는 더 많은 기본 조각의 결과 일 수 있는지 궁금해 할 수는 없습니다. 기계에 모든 멍청한 진동 부품 이외의 것이 있습니까? 그렇지 않다면, 우리는 결국 모든 것이 어떻게 맞는지 이해할 수 없다는 것을 의미하지 않아야합니까? 다른 방법으로 말하면, 삶의 출현에 대한 제안 된 설명이 모든 것을 일련의 합리화 된 단계로 나누어야하지 않습니까? 그렇다면, 우리가 단순하고 계산 가능한 알려진 물리적 규칙 세트가 감독하는 안무 성능으로 인생을 줄이고 싶다고 말하는 것과 같은 것은 무엇입니까?
.물리학 자들은 이미 절망적이고 신비하게 복잡해 보였던 시스템에서 매우 정확한 예측을하는 몇 가지 규칙을 이미 확인해야합니다. Kepler와 Newton과 같은 사람들의 아이디어 덕분에, 하늘의 몸의 움직임은 이제 열린 책이며, 하늘의 밝은 빛의 조명을 계산할 수있는 우리의 능력은 엄격한 대학에서 엄격한 공선 역학의 특수 부위를 탐구하지 않고 많은 훌륭한 대학에서 물리학에 대한 광범위한 교육을받을 수 있도록 할 수 있습니다. 그러나 대부분의 인류 역사에서 어느 시점에서나 화려한 자연 철학자가되고, 태양, 달, 별이 며칠과 몇 년이 지날 때 창공에서 자신을 계속 재정렬하는 것처럼 보이는 겉보기에 다루기 힘든 복잡성에 놀랍습니다. 중력과 힘을 묘사하는 방정식 쌍의 방정식이 먼 은하, 방황하는 행성 및 코일 스프링에 의해 매달려있는 상자를 하나의 포괄적 인 이론적 프레임에 가져올 수 있다는 생각은 수천 년 동안 모든 시대의 가장 위대한 천재로도 상상할 수 없었을 것입니다. 뉴턴과 그의 동시대 사람들과 함께 시작된 혁명의 범위와 중요성은 과장하기가 어렵습니다.
그리고 20 세기가 왔습니다! 아인슈타인은 빛의 움직임을 묘사하는 방정식을 고려하는 것으로 시작했으며, 통찰력의 힘을 통해 중력의 기원을 다시 상상하여 뉴턴이 만질 수없는 마지막으로 남아있는 퍼즐 (즉, 머큐리)을 설명했습니다. 한편, Erwin Schrödinger의 양자 기계파 방정식은 원자를 잠금 해제하여 다양한 유형의 전기 가스에서 방출되는 빛의 색상에 대한 우아한 정량적 설명을 제공했습니다. 이것은 너무 작은 물체의 수학적 내부 작업에 대한 기괴하고 직관적이지 않은 이론 이었지만, 볼거리 나 만지기에는 너무 작은 물체의 내부 작업 이었지만 여전히 실험적인 측정을 놀라운 정확도와 일치시킬 수 있습니다. 이 웅장한 과학적 승리로 인해, 이상한 과학자를 용서할 수도 있습니다.
그러나 면밀한 검사에서, 환원적인 이론 과학에 대한이 히트작 퍼레이드는 약간의 편견을 보여준다. 성공적인 물리적 이론의 공통점과 다른 많은 예는 그들이 측정 할 수있는 몇 가지 다른 태양계, 단일, 독방 수소 원자 등을 측정 할 수있는 몇 가지 다른 것들과 관련된 비교적 간단한 수학 공식을 예측하려고 할 때 가장 잘 수행한다는 것입니다. 이러한 각각의 경우, 이론은 우주의 나머지 부분을 필터링하고 소수의 물리적 수량 간의 관계를 정확하게 설명하는 몇 가지 방정식에 초점을 맞추면 성공합니다.
.사실, 강력한 슈퍼 컴퓨터로 무장 한 극도의 감소 주의자가 그 부분에 의해 순종 한 간단한 규칙에서 직접 전체의 행동을 직접 계산하려고 할 때 마일을 마일로 놓칠 수있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 물리학 노벨상 수상자 P.W. 앤더슨은 한때 유명하게 다음과 같이 썼습니다. 그리고 우리는 동결 결정이나 점성 유체와 같은 것들에 대한 매우 좋은 물리적 이론을 제시하는 데 성공할 수 있지만, 우리는 이러한 것들이 구축 된 원자 나 아 원자 입자의 상세한 모델을 완성하기 시작했기 때문이 아닙니다.
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분자 생물학이 그 자체로 어려운 과학으로서 자신의 길고 유서 깊은 역사를 가지고 있다는 데는 의문의 여지가 없습니다. 분자, 세포, 조직 및 전체 유기체에 대한 수많은 실험 덕분에 이제 살아있는 것의 놀라운 다양한 기능적 능력이 모두 물질 부품의 물리적 특성에 건전한 기초가 있음이 풍부합니다.
그러나 이것은 감소주의가 지배한다고 말하는 것은 아닙니다. 반대로, 출현 속성에 대한“더 많은 것”아이디어는 삶의 작동 방식에 대한 연구의 어느 곳에서나 머리를 양육합니다. 예를 들어, 혈액은 정맥을 통해 흐르고 산소를 운반하는 액체이며, 산소를 흡수하고 방출하는 생화학 적 능력은 헤모글로빈으로 알려진 적혈구에서 단백질의 원자 구조의 관점에서 잘 이해된다. 그러나 동시에, 혈액 점도 (이론적으로는 물 분자를 혈장 단백질 및 다른 많은 성분과 혼합 한 결과)와 같은 양은 누구나 첫 번째 원리로부터 정확하게 예측할 수 없을 것입니다. 이러한 이종 혼합물에서 주어진 세포 또는 분자가 다른 사람에 의해 다른 세포에 의해 미끄러지는 방법에 기여하는 다른 요인의 수는 너무나 특이적이고 각 구성 요소의 상호 작용 특성의 작은 차이에 대해 복잡하게 민감하기 때문에 신뢰할 수 있고 유익한 계산은 결코 실험을 수행하기 위해 신뢰할 수 있고 유익한 계산이 없을 것입니다.
.그러나이 경험적 대답은 중요합니다! 삶은 특정 영역에서 번성하며, 여기서 상당히 구체적이고 정확한 속성은 구성 요소에 의해 달성되어 치명적인 실패가 다르게 나타날 수 있습니다. 우리는 예를 들어 혈관을 통해 혈액이 얼마나 느리게 미끄러지거나, 세포에 특정 단백질을 구축하는 방법을 지시하는 DNA 서열에 대한 작은 변화가 있다고 가정 할 수는 없다. 인생은 다른 조각의 횡단 백이며, 일부는 다른 물리적 특성이 다른 것보다 기계적으로 예측하기 쉬운 일부이며, 생명체가 어떻게 작동하는지에 대한 적어도 중요한 요인 중 일부는 첫 번째 원칙에서 유도 할 수없는 비 이니버스의 출현 속성의 범주에 빠질 것입니다.
.기본적으로,이 도전은 항상 계속 튀어 나올 것입니다. 물리적 인 용어로 말하는 것은 생물학적 용어에서 이야기하는 것과 같은 것이 아니기 때문에 생물학적으로 중요한 질문은 신체적 트랙 가능성을 위해 선택되지 않습니다. 대신, 매우 다른 개념 공간에서 자신을 말하는 생물학적, 물리적 방법.
물리학은 거리, 질량, 지속 시간, 충전, 온도 등과 같은 특정 수량의 측정에서 뿌리를 뿌리는 과학에 대한 접근법입니다. 우리가 예측을하기 위해 경험적 관찰을하거나 이론을 발전시키는 것에 대해 이야기하든, 물리학의 언어는 본질적으로 미터법적이고 수학적입니다. 물리학의 현상은 항상 측정 가능한 숫자 세트가 고정되거나 다양하게 유지 될 때 측정 가능한 숫자의 한 세트가 어떻게 행동하는지에 따라 표현됩니다. 이것이 뉴턴의 제 2 법의 천재 인 F = ma , 그것은 단지 그것이 힘과 관련된 성공적인 방정식을 제안했다는 것은 아닙니다 ( f ), 질량 ( m ) 및 가속도 ( a ), 오히려, 이것이 일반적인 관계를 발견하기 위해 독립적으로 측정하고 비교할 수있는 세상의 모든 수량이라는 것을 깨달았습니다.
.이것은 생물학의 과학이 작동하는 방식이 아닙니다. 생물학에 대한 우수한 연구를 수행하는 데는 특히 요즘 숫자로 인신 매매가 포함된다는 것은 사실입니다. 예를 들어, 통계적 방법은 반복적 인 관찰을 통해 발견 된 추세에 대한 신뢰를 얻는 데 도움이됩니다 (예 :약물이 도입 될 때 세포 사멸 률이 크게 증가 함). 그럼에도 불구하고, 삶에 대한 과학적 연구에 대해 근본적으로 정량적 인 것은 없습니다. 대신, 생물학은 시작점으로 당연한 살아있는 것과 비 생생한 것들의 범주를 취한 다음 과학적 방법을 사용하여 삶의 행동과 자질에 대해 예측할 수있는 것을 조사합니다. 생물 학자들은 세상이 실제로 살아있는 것들과 그렇지 않은 것들로 분열된다는 설득력있는 인류를 둘러 볼 필요가 없었습니다. 대신, 별, 강, 나무와 같은 평범한 것들에 대한 인간 언어의 길이와 폭에 걸쳐 상당히 인기가있는 것과 같은 방식으로, 살아있는 것과 살아 있지 않는 것의 차이는 어휘로 표시됩니다.
.요컨대, 생물학은 기존의 삶의 개념이 그것을 고무시키기 위해 발명 할 수 없었으며, 가기 위해 필요한 것은 누군가가 살아있는 것들에 대해 과학적으로 추론함으로써 발견 될 것들이 있다는 것을 깨닫는 것이 었습니다. 그러나 이것은 생물학이 물리학의 방식으로 수학에 가장 많이 설립되지 않았다는 것을 의미합니다. 식물이 자라려면 햇빛이 필요하거나 물에서 물에서 꺼낼 때 물고기가 질식해야한다는 것을 발견하면 아무것도 정량화 할 필요가 없습니다. 물론, 우리는 식물이 얼마나 많은 햇빛을 얻었는지 측정하거나, 물고기가 만료되는 데 걸리는 시간을 측정함으로써 더 많은 것을 배울 수있었습니다. 그러나 생물학적 용어의 기본적인 경험적 법은 어떤 조건이 번성하거나 번성하는지에 관한 것이며, 번성하는 것이 무엇을 의미하는지는 살아있는 것에 대한 성공에 대한 우리의 질적이고 전체적인 판단에서 비롯됩니다. 우리가 스스로 정직하다면,이 판단을하는 능력은 과학자들에 의해 우리에게 가르치는 것이 아니라 더 일반적인 종류의 지식에서 비롯된 것입니다. 우리는 우리 자신이 살아 있고, 주변 환경의 벌레와 꽃에 생명과 죽음을 끊임없이 쫓아냅니다. 과학은 우리가 사물을 생생하거나 죽게 만드는 새로운 방법을 발견하는 데 도움이 될 수 있지만, 우리는 과학자들에게 그 단어를 사용하는 방법을 알려주는 것입니다. 우리는“생명”이라는 단어를 발명했을 때 어떤 물리학도 알지 못했고, 물리학이 갑자기 우리에게 단어가 의미하는 바를 우리에게 지시하기 시작하면 이상 할 것입니다.
Jeremy England는 Georgia Tech의 주요 연구 과학자 인 GlaxoSmithKline의 인공 지능의 선임 이사이며 MIT의 전 Thomas D.와 Virginia W. Cabot 경력 개발 부교수입니다. 이 에세이는 영국의 새로운 책 에서 채택되었습니다 모든 생명이 불타고 있습니다 :열역학이 생명체의 기원을 설명하는 방법.
Jeremy England와의 인터뷰,“물리학 자의 새로운 삶의 책”.
각주
1. Watson, J.D. &Crick, F.H.C. 핵산의 분자 구조. 자연 171 , 737–738 (1953); Wüthrich, K. NMR 분광법에 의한 용액에서의 단백질 구조 결정. 생물학적 화학 저널 265 , 22059-22062 (1990); Rust, M.J., Bates, M., &Zhuang, X. 확률 론적 광학 재구성 현미경 (Storm)에 의한 하위 분해-제한 이미징. 자연 방법 3 , 793 (2006).
2. Laughlin, R.B. &Pines, D. 모든 이론. 국립 과학 아카데미의 절차 97 , 28–31 (2000); 앤더슨, P.W. 더 다릅니다. 과학 177 , 393–396 (1972).
Anderson과 Laughlin은 많은 구성 요소를 가진 시스템이 전적으로 예측할 수 없다고 주장하는 것은 아니라고 말해야합니다. 반대로, 그들은 두 가지 복잡한 시스템에서 예측 가능성을 발견하는 경력을 쌓았습니다. 그러나 소위 농축 물질 (즉, 금속 및보다 이국적인 고체 재료)의 소위 세계에서 종종 발생하는 일은 여러 차례를 삭감하고 전체적으로 질서를 보는 방법은 집단적 행동이 시스템의 매우 구체적인 대칭에 의해 통제되어야한다는 것을 깨닫는 것입니다.
.이것은 수학적으로 희귀해질 수 있지만 간단한 예를 위해서는 평면의 평면의 평면 격자 격자가 비행기의 모든 방식을 가리키는 것을 상상해보십시오. 각 화살의 에너지가 이웃과 같은 방향으로 가리키는 정도까지 낮다고 가정하십시오. 따라서 모든 화살표가 같은 방향을 가리킬 때 집단의 경우 에너지가 가장 낮습니다. 그러나 대칭은 가장 낮은 에너지 상태가 한 방향을 가리키기 위해 평균 바이어스를 나타내지 않아야한다고 말합니다. 왜냐하면 우리가 시스템의 에너지를 결정하는 전체 방법은 우리의 관점을 회전 할 때 정확히 동일하게 보이기 때문입니다. 해상도는 무한히 동등한 에너지 상태가 많고 모든 화살표가 서로 정렬되지만 각각의 집단적으로 정렬 된 상태가 다른 방향으로 가리키는 것을 깨닫는 것입니다.
3. Quantum 이론이 주식 시장을 예측하는 데 사용될 수 있다는 생각만큼이나 외설적 인 것을 상상했을 수도있는 이유는 구체적으로 말할 가치가 있습니다. 요점은 물리학 자의 관점에서, 모든 사람과 문서, 컴퓨터, 공장, 공장, 광산, 산림, 바람 (및 기타 모든 것)이 원자로 만들어진다는 것입니다. 이들 원자가 분자에 함께 결합하는 방식은 가장 작은 비늘에서 전하, 빛 및 물질의 상호 작용을 지배하는 알려진 방정식에 의해 상당히 잘 설명된다. 그렇다면 왜 우리는이 방정식을 사용하여 주식 (그리고 실제로 주식에 영향을 미치는 세계의 모든 사건)을 예측하려고하지 않습니까? 그러한 미세한 세부 사항을 나타내는 데 필요한 계산의 척도는 작업을 훨씬 넘어 낼뿐만 아니라 모델에 대한 입력 역할을하는 대부분의 숫자를 알 수있는 방법이 거의 없습니다. 따라서, 주주들이 공개적으로 거래 된 회사에 병든 모든 것을 쉽게 알지 못하는 것과 거의 같은 방식으로, 우리는 또한 기본적으로 지구상의 각 원자 나 분자가 무엇을하고 있는지 정확히 거의 알지 못합니다. 이러한 세부 사항을 모두 측정하려고 시도하는 대신, 우리는 모델을 만들려고하는 것들에 대한 더 간단한 그림을 그리는 예측 모델을 만드는 것이 훨씬 좋습니다 (예 :공급과 수요 사이의 균형에 의해 가격이 결정되는 것만으로도).
.4. 앤더슨, P.W. 더 다릅니다. 과학 177 , 393–396 (1972).
리드 이미지 :Sergey Nivens
