[論文レビュー] Statistical Physics of Adaptation

Nikolay Perunov, Robert Marsland+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 5, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、駆動され、非平衡状態にある系における物理的適応のための熱力学的枠組みを提案し、非平衡統計力学から自然に、高い信頼性のある仕事の吸収と散逸を示す状態への自己組織化が生じることを示している。有限時間の確率的ダイナミクスにおけるヘルムホルツ自由エネルギーの一般化を通じて、著者たちは系がエネルギー散逸を最大化する配置へと進化することを示し、自己複製を仮定することなく適応を説明した。これは生物学的・非生物学的自己組織化の統一的物理的基盤を提供する。

ABSTRACT

All living things exhibit adaptations that enable them to survive and reproduce in the natural environment that they inhabit. From a biological standpoint, it has long been understood that adaptation comes from natural selection, whereby maladapted individuals do not pass their traits effectively to future generations. However, we may also consider the phenomenon of adaptation from the standpoint of physics, and ask whether it is possible to delineate what the difference is in terms of physical properties between something that is well-adapted to its surrounding environment, and something that is not. In this work, we undertake to address this question from a theoretical standpoint. Building on past fundamental results in far-from-equilibrium statistical mechanics, we demonstrate a generalization of the Helmholtz free energy for the finite-time stochastic evolution of driven Newtonian matter. By analyzing this expression term by term, we are able to argue for a general tendency in driven many-particle systems towards self-organization into states formed through exceptionally reliable absorption and dissipation of work energy from the surrounding environment. Subsequently, we illustrate the mechanism of this general tendency towards physical adaptation by analyzing the process of random hopping in driven energy landscapes.

研究の動機と目的

• 生物的適合度ではなく、熱力学的性質に基づいて、生物学的でない適応の物理的定義を構築すること。
• 非平衡状態における有限時間、駆動、確率的系のヘルムホルツ自由エネルギーを一般化すること。
• 外部駆動からの高い信頼性のある仕事の散逸を示す構造の出現を促進する物理的メカニズムを同定すること。
• 統計的不可逆性とエネルギー吸収を通じて、非生物的系においても適応に類似した振る舞いが生じることを示すこと。
• 非平衡系における生命に類似た組織化が、散逸に根ざした普遍的な物理的現象である可能性を検討すること。

提案手法

• 非平衡状態にある駆動、確率的、多数粒子ニュートン系の一般化されたヘルムホルツ自由エネルギーの式を導出すること。
• 一般化された自由エネルギーを項ごとに分析し、自己組織化を引き起こす物理的要因を同定すること。
• 非平衡統計力学の結果（例：クロウスのフラクチュエーション定理）を用いて、確率的遷移とエントロピー生成、仕事の吸収を結びつけること。
• 駆動されたエネルギー障壁上のランダムなジャンプをモデル化し、仕事の散逸が向上した状態へ系がどのように進化するかを示すこと。
• 正弦波的力によって駆動される簡易化学系にフレームワークを適用し、共鳴とエネルギー吸収を追跡すること。
• シミュレーション結果を、光場周波数に従って整列する銀ナノロッドの実験的観察と比較し、非生物的系における物理的適応を示唆すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物的複製や適合度に依存しない物理的適応の定義を、独立して構築できるか？
• RQ2 駆動され、非平衡状態にある系において、適応度が高い状態と低い状態を区別する熱力学的性質は何か？
• RQ3 駆動された系における有限時間の確率的進化が、高い信頼性のある散逸を示す状態への自己組織化をどのように引き起こすか？
• RQ4 非生物的系に複雑で安定した構造が出現する現象は、エネルギー吸収とエントロピー生成の増加への傾向によってどの程度説明可能か？
• RQ5 自己複製が存在しない系において物理的適応が観察可能か。また、ダーウィニズム的適応と比べてどのように異なるか？

主な発見

• 駆動され、有限時間の系における一般化されたヘルムホルツ自由エネルギーは、環境からの高い信頼性のある仕事の散逸を示す状態への物理的傾向を明らかにした。
• 駆動されたエネルギーランドスケープにおける確率的進化は、仕事の吸収を最大化し、揺らぎを抑制する経路を好むため、『適応』した配置への自己組織化を引き起こす。
• 物理的適応のメカニズムは、位相空間における統計的不可逆なドリフトに起因し、持続的で高い散逸状態を可能にする。
• 自己複製がなくても、系は駆動場に強く適応した配置へ進化することができ、駆動された簡易化学混合系のシミュレーションでそのことが示された。
• シミュレーションでは、振動スペクトルのピークが駆動周波数と一致する共鳴が顕著に現れ、物理的適応を示唆した。
• これらの発見は、入射光の周波数に従って自己組織化する銀ナノロッドの実験的観察と整合しており、適応の普遍的物理的特徴を示唆している。