[논문 리뷰] Assembly Theory Explains and Quantifies the Emergence of Selection and Evolution

A. S. Sharma, Dániel Czégel외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 05.

Origins and Evolution of LifePhysics and Astronomy인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 기본 구성 요소에서 물체를 구성하는 데 필요한 최소 단계수(조립 인덱스, a)를 측정하여 물리적 시스템에서 선택과 진화의 기원을 정량화하는 데 사용되는 조립 이론(Assembly Theory, AT)을 소개한다. 복제 수와 함께 조립을 정의함으로써 이론은 선택 압력을 정량화하고, 무작위 탐색에서 유도된 진화 과정으로의 공식적 전이를 식별하며, 생명의 가측 기준을 제공하고 법칙에 따라 움직이는 우주 속에서 복잡성의 기원을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정된 물리 법칙에 의해 작용하는 시스템에서 사전 설계 없이도 생명과 같은 복잡하고 선택된 시스템이 어떻게 기원할 수 있는지를 해결하는 데 있다.
• 물리적 시스템에서 선택과 진화 역학의 기원을 정량화하는 공식적 프레임워크를 개발하는 데 있다.
• 비생물적 시스템과 생물학적 또는 진화된 시스템을 구분하는 가측 가능한 물리 기반 기준을 제공하는 데 있다.
• 조립 공간에서 무작위 탐색 과정에서 선택 기반의 유도된 과정으로의 전이를 공식화하는 데 있다.
• 복잡하고 생물학적으로 관련된 구조를 생성하는 데 필요한 선택과 기억의 하한을 설정하는 데 있다.

제안 방법

• 기본 구성 요소에서 물체를 구성하는 데 필요한 최소 단계 수인 조립 인덱스(a)를 정의하는 것.
• 조립 인덱스(a)와 물체의 복제 수의 곱으로 정의되는 '조립(Assembly)' 개념을 도입하는 것.
• 물리적 시스템을 '조립 공간'으로 매핑하여 무작위 탐색과 유도된 선택의 역학을 분석하는 것.
• 조립 공간 내에서 무작위 탐색 과정과 선택 기반 과정을 비교하기 위해 계산 모델링을 사용하는 것.
• 생체 이전 화학에서 인간이 만든 기술적 유물에 이르기까지 다양한 시스템에서 복잡성과 선택의 기원을 추적하기 위해 이론을 적용하는 것.
• 조립 공간에서 무작위 탐색에서 비무작위적이고 누적적인 선택으로의 전이에 기반하여 선택의 시작을 정량화하는 공식 기준을 도출하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 법칙에 의해 지배되는 물리적 시스템에서 선택과 진화 과정을 어떻게 공식적으로 정량화할 수 있는가?
• RQ2 조립 공간에서 무작위 탐색 과정과 선택 기반의 유도 과정을 구분하는 데 사용할 수 있는 측정 가능한 성질은 무엇인가?
• RQ3 생물학적으로 관련된 복잡한 구조를 생성하는 데 필요한 선택과 기억의 양을 정량화하는 데 사용할 수 있는 보편적 척도를 정의할 수 있는가?
• RQ4 조립 공간에서 어떤 지점에서 무작위 발견에서 누적 선택으로의 전이가 발생하는가?
• RQ5 조립 인덱스와 복제 수의 조합이 어떻게 진화 기원을 공식적으로 정의하는가?

주요 결과

• 조립 인덱스(a)는 기본 구성 요소에서 물체를 구성하는 데 필요한 최소 단계 수로 정의되며, 어떤 관측 가능한 물체의 복잡성에 대한 측정 가능한 물리 기반 척도를 제공한다.
• 조립 인덱스와 복제 수의 곱으로 정의되는 '조립(Assembly)'은 주어진 물체 또는 집합을 생성하기 위해 필요한 누적 선택 압력을 정량화한다.
• 이론은 무작위 탐색에서 선택 기반의 유도 과정으로의 전이가 발생하는 조립 공간 내 공식적 전이 지점을 식별하며, 이는 진화의 시작을 알리는 지점이다.
• 이 프레임워크는 생물학적 맥락과 무관하게, 복잡하고 생물학적으로 관련된 구조를 생성하기 위해 필요한 선택과 기억의 하한을 정량화할 수 있다.
• 조립 이론은 선택 역사를 바탕으로 비생물적 시스템과 생물학적 또는 진화된 시스템을 구분하는 공식적이고 측정 가능한 기준을 제공한다.
• 모델은 생체 이전 화학에서 인간이 만든 기술에 이르기까지 다양한 시스템에서 복잡성의 기원을 통합된 물리적 프레임워크 내에서 성공적으로 설명한다.