물리학에서“생명”을 어떻게 말합니까?

"나는 분자들에 의해 기능이 어떻게 달성되는지 보는 것이 정말 놀랍다"고 말했다. 영국은 ebullients, 그리고 그의 손으로 말하며 그의 머리 위에 키파를 착용합니다.

그는 DNA 폴리머 라제를 복용한다고 말했다. 생물학적 측면에서, 그 임무는 화학 기초, 설탕 및 인산으로 구성된 뉴클레오티드를 조립함으로써 새로운 DNA 분자를 만드는 것입니다. 잉글랜드는“당신이 그 이야기가 당신 앞에 나온 것을 보았을 때, 그것은 모두 말이됩니다. 그것은 목표를 달성하기 위해 노력하고있는 것처럼 우리를 우리에게 보인다”고 말했다. “그러나 이러한 것들은 무생물과 거의 구별 할 수 없습니다. 당신은 그것들을 약간 작은 조각으로 나누고 그들이 할 수있는 일은 회전하고 진동하는 것입니다.”

영국은 하버드 대학교 (Harvard University)의 학부생과 더 많은 것을 보았으며, 그곳에서 생물 생리 학자 유진 샤 니치 (Eugene Shakhnovich)와의 단백질 폴딩을 공부했습니다. 단백질 데이터 뱅크는“아름답게 묘사 된 리본과 시트”를 자세히 설명하는 파일을 보유하고 있습니다. 풀려나면서, 각 단백질은 동일한 20 개의 아미노산으로 구성됩니다. 그러나 어떻게 든, 일단 그들이 모양으로 접어지면, 각각은 생명에 필요한 구체적이고 중요한 과정을 수행합니다. 영국은“아미노산은 소네트를 쓰지 않을 것입니다. "하지만 수백 마리를 함께 묶을 때 갑자기 특정 목적을 위해 만들어진 것처럼 보이는이 기계를 얻습니다."

어떻게 든 블라인드 기어의 휘젓기에서 목적과 같은 것이 나타납니다. 물리학의 기본 법칙에 지나지 않는 작품은 집단적으로 기능을 유발합니다. 물리학의 세계에는 기능이없는 것 같습니다. 시간과 공간은 명백한 이유가 아니라 단지 존재하지 않습니다. 생물학에서는 시스템이 미세 조정되어 행동합니다. 움직이고 촉매하고 구성합니다. 삶과 삶 사이의 "기능"사다리꼴이라는 단어. 그것은 단순히 인생처럼 보이는 것들에 대해 우리가 부여하는 단어입니까, 아니면 더 고유 한 것입니까? 영국은 2014 년 스웨덴의 Karolinska Institutet에서 청중에게 말하면서 물리학은 삶과 삶을 구분하지 않습니다. 그러나 생물학은

박사 학위를받은 후, 영국 프린스턴에서 연구원이었을 때 때때로 뉴욕 시로 운전하여 철학 전공 인 어린 시절의 가장 큰 친구를 방문했습니다. 그의 친구는 영국이 가장 좋아하는 Lower East Side Haunts로 영국을 데려 가서 오스트리아 영국 철학자 Ludwig Wittgenstein에 대한 긴 대화에 참여했습니다.

Wittgenstein은 노르웨이의 숲에서 그의 삶의 일부를 위해 고독으로 살았습니다. -소위 "언어 게임"또는 의사 소통에 관한 공유 컨벤션 세트를 썼습니다. 일부 철학자들은 단어의 의미가 세상의 물리적 대상에 들어간다고 주장했습니다. 그러나 Wittgenstein은 단어의 의미가 그 맥락에 달려 있다고 주장했다. 언어 게임을하는 것은 코드로 말하는 것과 같습니다. 두 사람이 양 당사자가 잘 이해하는 활동에 참여하는 경우 더 적고 간단한 단어를 사용하여 스스로들을 수 있습니다. 무덤의 사람들 (무두증, 정치인, 과학자 등)은 별도의 요구에 맞는 고용 언어 게임입니다. 새로운 언어 게임은 끊임없이 존재합니다. 의미가 변화하는 형태. 단어는 적응합니다.

잉글랜드는“그런 종류의 요점을 만들 때, 그는 다른 곳에서 히브리어 성경의 개막 구절을 찾는 것과 같은 종류의 아이디어를 전달하고 있습니다.

“처음에 하나님은 하늘과 땅을 창조하셨습니다… ,“하늘”에 대한 단어는 Shamayim 입니다 "지구"라는 단어는 aretz 입니다; 그러나 그들의 진정한 의미는 다음 구절에서 그들의 맥락을 통해서만 볼 수 있다고 말했다. 예를 들어, bara 가 분명해집니다 , 창조는 사물에 이름을 부여하는 과정을 수반합니다. 세계의 창조는 언어 게임의 창조입니다. "하나님은‘빛이있게하자’라고 말씀하셨습니다. 그리고 빛이있었습니다." 하나님은 그 이름을 말함으로써 빛을 창조하셨습니다. 잉글랜드는“우리는이 문구가 여러 번 들었을 때, 우리가 그것을 숙고하기에 충분히 나이가 들었을 때, 가장 간단한 지점을 쉽게 놓칠 수 있습니다. "우리가 세상을 보는 빛은 우리가 이야기하는 방식에서 비롯됩니다." 생물학을 묘사하기 위해 물리학의 언어를 사용하려고한다면 영국이 중요 할 것입니다.

그는 강요 당했다. MIT의 젊은 교수진으로서 그는 생물학을 멈추거나 이론적 물리학에 대해 생각하고 싶지 않았습니다. "당신이 그들이 당신이 말하는 방식으로 분기되는 두 가지를 버리지 않을 때, 그는 번역의 방향으로 당신을 강요합니다."

유대인의 전통에서“기적”이 반드시 자연의 법칙을 무시하는 것은 아닙니다. 그것들은 그것보다 약간 웅장합니다. 대신, 기적은 이전에 상상할 수없는 것으로 간주 된 현상입니다. 그 기적에 대한 증인들은 그들의 가정을 재구성하고 모순을 해결하도록 요구된다. 요컨대, 그들은 새로운 시각으로 그들의 세상에 대해 생각하기 시작해야합니다.

통계 역학에 가파른 물리학 자에게 생명은 이런 의미에서 기적적인 것처럼 보일 수 있습니다. 열역학의 두 번째 법칙은 상자의 가스 나 우주와 같은 폐쇄 시스템의 경우 시간이 지남에 따라 분류기가 증가해야한다고 요구합니다. 눈은 웅덩이로 녹아 버리지 만 웅덩이는 자발적으로 눈송이의 모양을 취하지 않습니다. 웅덩이가 이렇게하는 것을 보았을 때 시간이 뒤로 움직이는 것처럼 영화를 반대로보고 있다고 가정 할 것입니다. 두 번째 법칙은 큰 입자 그룹의 행동에 비가역성을 부과하여“과거”,“현재”및“미래”와 같은 단어를 가지고 놀 수 있습니다.


장애 방향의 시점의 화살표. 그러나 생명의 화살은 반대 방향을 가리 킵니다. 단순하고 둔한 씨앗에서 복잡하게 구조화 된 꽃과 생명이없는 지구, 숲과 정글에서 자랍니다. 우리가“생명”이라고 부르는 원자를 지배하는 규칙이 우주의 나머지 원자를 지배하는 규칙과 얼마나 크게 다를 수 있습니까?

1944 년, 물리학 자 Erwin Schrödinger는이 질문을 what is life?. 라는 작은 책에서 다루었습니다. 그는 상자의 가스와 달리 살아있는 유기체가 열린 시스템임을 인식했습니다. 즉, 그들은 그들 자신과 더 큰 환경 사이의 에너지의 전이를 인정합니다. 생명은 내부 질서를 유지하더라도 환경에 대한 열 손실은 우주가 제 2 법칙에 따라 엔트로피 (또는 장애)의 전반적인 증가를 경험할 수있게합니다.

동시에, Schrödinger는 두 번째 미스터리를 가리켰다. 그는 시간의 화살을 일으키는 메커니즘은 생명의 화살을 일으키는 동일한 메커니즘이 될 수 없다고 말했다. 시간의 화살표는 많은 수의 통계에서 발생합니다. 원자가 충분한 원자가있을 때, 순서대로 구성된 구성보다 훨씬 더 많은 무질서한 구성이있어 더 많은 순서 상태로 걸려 넘어 질 가능성이 없을 것입니다. 그러나 생명에 ​​관해서는 질서와 비가역성이 미세한 규모에서도 다가와서 원자가 훨씬 적어야합니다. 이 척도에서, 원자는 제 2 법칙과 같은 규칙을 산출하기 위해 통계에 충분히 큰 숫자로 오지 않습니다. 생명의 기본 성분 인 RNA와 DNA의 빌딩 블록 인 뉴클레오티드는 예를 들어 30 개의 원자로 만들어졌습니다. 그럼에도 불구하고, Schrödinger는 유전자 코드가 때로는 수백만 세대에 걸쳐 불가능하게 잘 견뎌냅니다.

그렇다면 유전자는 어떻게 부패에 저항합니까? 취약성의 무게로 어떻게 붕괴되지 않습니까? 통계보다 더 깊은 무언가가 작용해야했는데, 소규모 원자 그룹의 원자 그룹은 부트 스트랩으로 돌이킬 수 없게 자신을 끌어 당기고“살아있는 것”이 될 수있는 것입니다.

Gavin Crooks라는 영국 화학자가 처음으로 수학적으로 미세한 비가역성을 묘사했을 때 단서가 반세기 후에 시작되었습니다. 1999 년에 출판 된 단일 방정식에서 Crooks는 외부 에너지 원에 의해 구동되는 작은 개방 시스템이 변동이없는 방식으로 변화 할 수 있음을 보여주었습니다.

울타리 앞에 서 있다고 상상해보십시오. 당신은 반대편에 도착하고 싶지만 울타리가 너무 키가 너무 높아서 뛰어 내리기. 그런 다음 친구가 당신에게 Pogo 막대기를 건네줍니다. 그러나 일단 당신이 거기에 있으면, 당신은 같은 포고 스틱을 사용하여 울타리를 다시 뛰어 넘어 시작한 곳으로 돌아갈 수 있습니다. 외부 에너지 원 (Pogo Stick)은 변경할 수 있지만 가역적 인 것입니다.

이제 포고 스틱 대신 친구가 제트 팩을 건네주십시오. 당신은 제트 팩을 발사하고 울타리 위로 당신을 발사합니다. 울타리를 깨끗이하면 제트 팩이 주변 공기로 연료를 제거하여 착륙 할 때까지 팩에 에너지가 남아 있지 않도록 울타리 위로 돌아갈 수 있습니다. 당신은 먼쪽에 붙어 있습니다. 당신의 변화는 돌이킬 수 없습니다.

Crooks는 원자 그룹이 유사하게 외부 에너지를 터뜨려 새로운 구성으로 변형하여 울타리를 감추고 말하기 위해 스스로를 전환 할 수 있음을 보여주었습니다. 원자가 변형되는 동안 에너지를 소산하면 변화는 돌이킬 수 없을 수 있습니다. 그들은 항상 다시 전환하기 위해 오는 다음에 에너지 버스트를 사용할 수 있으며 종종 그들은 그렇게 할 것입니다. 그러나 때때로 그들은 그렇지 않을 것입니다. 때때로 그들은 다음 번 버스트를 사용하여 또 다른 새로운 상태로 전환하여 에너지를 다시 한 번 소비하여 단계적으로 변화시킬 것입니다. 이런 식으로 소산은 돌이킬 수 없음을 보장하지는 않지만 돌이킬 수는 소산이 필요합니다.

Crooks의 결과는 매우 일반적으로 생명을 포함하여 평형에서 시스템의 변형에 적용되었습니다. 그러나 잉글랜드는 다음과 같이 말합니다. 이 결과가 사실 인 것처럼 보였지만 계산을 위해 운영하기가 어려웠을 것입니다.” 2013 년 영국은 캘리포니아에있는 동안 Caltech에서 대화를 나누는 동안 호텔 방에서 Crooks 방정식의 변수를 계속 가지고 놀았습니다. Crooks 방정식에서 생명의 특징 인 비가역성을 달성하기 위해서는 시스템이 특히 열을 흡수하고 방출하는 데 능숙해야한다는 것이 분명했습니다. 그러나 그는 그것이 전체 그림이 아니라는 것을 알았습니다.

"이것은 같은 기본 지점의 근처를 돌아 다니는 것과 같습니다."라고 그는 말합니다. “그런 다음 내려 놓고 잠을 자고 다른 것들에 대해 생각합니다. 당신이 그것으로 돌아 오면, 때로는 벽에 개구부가 있습니다. 시간이 다르게 물건을받습니다.”

마지막으로 무언가를 클릭했습니다. 특정 에너지 원이 주어지면 일부 원자 배열은 다른 원자보다 흡수하고 소비하는 데 더 나을 것입니다. 이러한 배열은 돌이킬 수없는 변형을 겪을 가능성이 높습니다. 일부 시스템이 시간이 지남에 따라 다른 시스템 보다이 작업을 더 잘하는 경우 어떻게해야합니까? 그런 다음 일련의 돌이킬 수없는 변형은 부트 스트랩으로 스스로를 끌어 올리는 효과가됩니다. 영국은 연필을 종이에 넣고 시스템의 소산 역사를 고려한 열역학 제 2 차 법칙의 일반화를 썼다. 작년 말 논문에서 그는 이런 식으로 넣었습니다.

시스템에 대한 주어진 모양의 변화는 대부분 무작위이지만, 시스템이 작업을 흡수하고 소산하는 데 순간적으로 더 나은 경우 이러한 구성에서 가장 내구성 있고 돌이킬 수없는 구성이 발생합니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 덜 지울 수없는 변화의 "기억"은 우선적으로 축적되며, 시스템은 소산이 발생한 역사상과 유사한 모양을 점점 더 채택합니다. 이 비평 형 프로세스의 산물의 가능성이있는 역사를 뒤로 살펴보면, 구조는 환경 조건에 "잘 적응 된"상태로 자체 조직 된 것처럼 우리에게 보일 것입니다. 이것은 소산 적응의 현상입니다.

물론, 원자 시스템은 아무것도하려고하지 않습니다. 그것은 맹목적으로 무작위로 스스로 뒤섞입니다. 그럼에도 불구하고, 한 모양에서 다른 모양으로의 여정을 통해 화학 이야기의 별자리를 통해, 그것은 우리가 적응 한 것처럼 우리에게 보이는 무언가로 자체 구성합니다. Wittgenstein은“언어는 길의 미로입니다. 영국에 번역은 옳았다. 물리학에서“생명”을 어떻게 말합니까? 그는 그것을“소산 적응”이라고 불렀다.

소산 적응이 우리를 태양의 냉각탑으로 줄이는 것처럼 들릴 수 있습니다. 그러나 이론은 그 이상을 의미합니다. 다윈의 자연 선택은보다 기본적인 언어의 방언 인 소산 적응의보다 일반화 된 현상의 특별한 경우로 재발 할 수 있습니다. 소기 스케일에서 소산 적응이 발생하는 반면, 거시적자가 복제기의 세계에서 자연 선택이 일어난다. 그리고 자기 복제는 에너지를 소비하고 소비하는 훌륭한 방법입니다. 소산 적 적응의 언어로“피트니스”와 같은 단어는 새로운 의미를 취합니다. Northeastern University의 물리 조교수 인 Meni Wanunu는“피트니스는 최적의 기능 세트가 아니라 환경에서 가용 한 에너지와 '주고받는'관계로 정의됩니다. 시스템이 에너지를 소산함에 따라, 그들은 돌이킬 수없는 방향으로 표류하고 영국이 완벽하거나 이상적이지 않은 것처럼“예외적 인”이되면서 그렇게함으로써“예외적”이됩니다. 영국은“새는 비행에 대한 전 세계적으로 최적의 최적이 아닙니다.”“바위 나 벌레보다 비행하는 것이 훨씬 좋습니다.”

이 이론은 우리가 인생을 특별하게 만드는 놀라운 기능을 다시 생각하는 데 도전합니다.“우리는 기능을 찾는 곳에서 더 많은 유연성을 가지고 있습니다.”라고 England는 말합니다. 강한 조정없이 약하게 상호 작용하는 입자의 수집으로부터 복잡한 기능의 출현은 이제 외부 드라이브에 의해 구동되는 많은 작은 돌이킬 수없는 변형으로 분해 될 수있는 과정이다. 단백질이나 효소와 같은 것들이 우리가 생각했던 것보다 더 쉬울 수 있습니다. England는“이것은 자체 복제의 EON에 대한 아미노산 서열을 절묘하게 선택하는 문제가 아닐 수도 있습니다. “일을 스스로 조직 할 수있는 더 빠른 시간 척도가있을 수 있습니다. 우리가 인생의 시작이 올바른 방향을 가리키는 작은 점진적인 변화가 많이있는 경사로 나 계단처럼 보이게 될 수 있다면, 우리가 상상해야 할 시나리오에 대한 우리의 개념을 적어도 재설정 할 수 있습니다.”

이 이론은 우리가 과거를 들여다 보는 데 도움이 될뿐만 아니라 새로운 설계 및 엔지니어링 접근법을 제안합니다. "생물이하는 일을 모방하고 싶다면 생각했던 것만 큼 생명을 모방 할 필요가 없을 것입니다." 한 예는 영국과 그의 실험실 회원들이 현재 공부하고있는“출현 계산”이라고 불릴 수 있습니다. 목표는 입자 시스템이 그렇게하는 방법에 대한 설계 지침을받지 않고 환경의 변화를 예측할 수있는 능력을 발전시키는 것입니다. 변동하는 환경에서 에너지를 흡수하고 소산하는 데 능숙 해지려면 결국 어느 정도의 기대가 필요합니다. 잉글랜드는“우리 가이 작업을 수행하는 데 성공하면 시스템의 입자가 과거의 통계에 따라 미래에 대한 계산을 효과적으로 구현하는 방식으로 상호 작용하고 있다는 주장이 될 것입니다. 그것은 예측 전력을 기반으로하는 기술에 영향을 줄 수 있으며, 신경망에서 봇에 이르기까지 비행기 티켓을 구매할시기를 알려줍니다.

이것은 번역의 놀라운 힘입니다. 그것이 효과가 있다면, 푸딩에서 소산 적응이 필요하다는 증거 일 수 있습니다. 현재 Wanunu는 판단을 예약하고 있습니다. “영국은 새로운 재료 세트를 제안합니다. 푸딩이 어떻게 밝혀 졌는지는 흥미롭고 흥미로울 것입니다.” 하버드 대학교의 시스템 생물학 부교수 인 제레미 구와르 나 (Jeremy Gunawardena) 도이 접근 방식에 대해 전적으로 판매되지 않았습니다. "Jeremy는 화학에 대해 생각하지 않고 생명의 추상적 인 필수 요소를 신체적 필요로 볼 수 있기를 바라고 있습니다." “나는 확신하지 못한다. 그러나 나는 그가 문제를 해결하는 것이 좋다고 생각하며 우리가 흥미로운 것을 배울 것이라고 확신합니다.”

충분히 공정합니다. 결국, Umberto Eco 후기의 말에 따르면,“번역은 실패의 기술입니다.” 이 새로운 번역의 실패와 트레이드 오프는 여전히 발견됩니다. 하루가 끝나면 삶의 복잡성을 표현하는 언어가 하나만있을 수 있습니다. 그러나 영국은 우리가 새로운 것을 시도하기를 원합니다. 그는 해설 에 이런 식으로 넣었다 작년 잡지 :“세상을 묘사하기위한 두 가지 이상의 실행 가능한 언어가 있으며, 하나님은 사람이 그들 모두를 말하기를 원합니다.”

Allison Eck는 과학 작가이자 디지털 어소시에이트 프로듀서입니다. 노바 온라인. 그녀는 보스턴에 산다.