[論文レビュー] Assembly Theory Explains and Quantifies the Emergence of Selection and Evolution

A. S. Sharma, Dániel Czégel+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2022

Origins and Evolution of LifePhysics and Astronomy被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、物体を基本的構成要素から構築するのに必要な最小ステップ数（アセンブリ・インデックス、a）を測定することにより、物理的システムにおける選択および進化の出現を定量化するフレームワークとしてアセンブリ理論（AT）を導入する。このアセンブリ・インデックスにコピー数を組み合わせて「アセンブリ」と定義することで、選択圧を定量化し、非指向的探索から指向的進化的プロセスへの形式的転換を特定し、生命の測定可能な基準を提示するとともに、法則に従う宇宙における複雑性の出現を説明する。

ABSTRACT

Since the time of Darwin, scientists have struggled to reconcile the evolution of biological forms in a universe determined by fixed laws. These laws underpin the origin of life, evolution, human culture and technology, as set by the boundary conditions of the universe, however these laws cannot predict the emergence of these things. By contrast evolutionary theory works in the opposite direction, indicating how selection can explain why some things exist and not others. To understand how open-ended forms can emerge in a forward-process from physics that does not include their design, a new approach to understand the non-biological to biological transition is necessary. Herein, we present a new theory, Assembly Theory (AT), which explains and quantifies the emergence of selection and evolution. In AT, the complexity of an individual observable object is measured by its Assembly Index (a), defined as the minimal number of steps needed to construct the object from basic building blocks. Combining a with the copy number defines a new quantity called Assembly which quantifies the amount of selection required to produce a given ensemble of objects. We investigate the internal structure and properties of assembly space and quantify the dynamics of undirected exploratory processes as compared to the directed processes that emerge from selection. The implementation of assembly theory allows the emergence of selection in physical systems to be quantified at any scale as the transition from undirected-discovery dynamics to a selected process within the assembly space. This yields a mechanism for the onset of selection and evolution and a formal approach to defining life. Because the assembly of an object is easily calculable and measurable it is possible to quantify a lower limit on the amount of selection and memory required to produce complexity uniquely linked to biology in the universe.

研究の動機と目的

• 固定された物理法則のもとで、事前に設計されたものがないにもかかわらず、生命のような複雑で選択されたシステムがどのように出現するかという長年の課題に取り組むこと。
• 物理的システムにおける選択および進化的ダイナミクスの出現を定量化する形式的フレームワークを構築すること。
• 非生物的でないか、進化したシステムかを区別する測定可能な、物理学に基づく基準を提供すること。
• アセンブリ空間における非指向的で探索的プロセスから、指向的で選択駆動のプロセスへの転換を形式化すること。
• 生物学的に関連する複雑な構造を生成するために必要な選択および記憶の下限を確立すること。

提案手法

• 物体を基本的構成要素から構築するのに必要な最小ステップ数としてアセンブリ・インデックス（a）を定義すること。
• アセンブリ・インデックス（a）と物体のコピー数の積として「アセンブリ」の概念を導入すること。
• 物理的システムを「アセンブリ空間」にマッピングし、非指向的発見のダイナミクスと指向的選択のダイナミクスを分析すること。
• 計算モデルを用いて、アセンブリ空間内での非指向的探索プロセスと選択駆動プロセスを比較すること。
• 前生物的化学から人為的技術的製品に至るまでのシステムにおける複雑性および選択の出現を、理論を適用して追跡すること。
• アセンブリ空間内でのランダム探索から非ランダムで累積的選択への転換に基づいて、選択の発生の形式的基準を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定された法則に従う物理的システムにおいて、選択および進化的プロセスを形式的にどのように定量化できるか。
• RQ2 アセンブリ空間において、非指向的で探索的プロセスと指向的で選択駆動のプロセスを区別する測定可能な性質は何か。
• RQ3 複雑で生物学的に関連する構造を生成するために必要な選択および記憶の量を定量化する普遍的な指標を定義できるか。
• RQ4 アセンブリ空間のどの地点で、ランダムな発見から累積的選択への転換が発生するか。
• RQ5 アセンブリ・インデックスとコピー数の組み合わせが、どのように進化的出現の形式的定義を提供するか。

主な発見

• アセンブリ・インデックス（a）は、基本的構成要素から物体を構築するのに必要な最小ステップ数として定義されるため、観測可能な任意の物体の複雑性を測定可能で物理学的基盤を持つ指標として提供する。
• アセンブリ・インデックスとコピー数の積として定義される「アセンブリ」は、特定の物体またはエンsemblesを生成するために必要な累積的選択圧を定量化する。
• 理論は、非指向的探索から指向的で選択駆動のプロセスに移行するアセンブリ空間内の形式的転換点を特定し、進化の開始を示す。
• このフレームワークにより、生物学的文脈に依存せずに、生物学的に関連する複雑な構造を生成するために必要な選択および記憶の下限を測定可能に定量化できる。
• アセンブリ理論は、選択の歴史に基づいて、非生物的システムと生物的または進化したシステムを区別する形式的で測定可能な基準を提供する。
• このモデルは、前生物的化学から人為的技術に至るまでのシステムにおける複雑性の出現を、統一された物理的枠組みの中でうまく説明する。