[논문 리뷰] Biocosmology: Biology from a cosmological perspective

Marina Cortês, Stuart Kauffman외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 20.

Earth Systems and Cosmic Evolution인용 수 20

한 줄 요약

본 논문은 우주에서 생명이 근본적으로 비등가적이지 않은 Type III 시스템이라는 주장을 제시하며, 우주론에서 환원론적 설명과 기능적 설명의 혼합이 필요하다고 주장하고, 열역학의 네 번째 법칙을 제안한다.

ABSTRACT

The Universe contains everything that exists, including life. And all that exists, including life, obeys universal physical laws. Do those laws then give adequate foundations for a complete explanation of biological phenomena? We discuss whether and how cosmology and physics must be modified to be able to address certain questions which arise at their intersection with biology. We show that a universe that contains life, in the form it has on Earth, is in a certain sense radically non-ergodic, in that the vast majority of possible organisms will never be realized. We argue from this that complete explanations in cosmology require a mixture of reductionist and functional explanations.

연구 동기 및 목표

• 생물학–우주론 인터페이스의 질문에 답하기 위해 우주론과 물리가 어떻게 수정되어야 하는지 동기를 부여한다.
• 세 가지 우주론적 통계 시스템 유형(Type I–III)을 구분하고, 그것들이 생명 시스템에 미치는 함의를 분석한다.
• 우주에서의 생물학에 대한 완전한 설명은 환원론적 접근과 기능적 접근이 모두 필요하다고 주장한다.
• 비평형 상태의 에너지 흐름에 의해 좌우되는 시스템을 설명하기 위해 열역학의 네 번째 법칙을 제안한다.
• Type III 프레임워크 내에서 생명을 정의하고 우주론과 생물학에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 열화 시간과 제약을 통해 세 가지 시스템 유형(Type I, II, III)을 도입하고 형식화한다.
• 천체 맥락(예: 별, 블랙홀, 핵합성)에서 에르고디시티, 등분배, 준비된 상태를 분석한다.
• Type III 시스템은 방대한 상태 공간과 함께 급진적으로 비에르고디시하고 생물학적 현상을 이해하기 위해 기능적 설명이 필요하다고 주장한다.
• Type III 시스템에 대한 순전한 결정론과 환원주의의 한계와 혼합 방법론의 필요성을 논의한다.
• 비평형 계에서 지속적인 에너지 흐름을 설명하기 위한 열역학의 네 번째 법칙을 제안한다.
• 에너지/엔트로피 고려에 기반한 Type III 역학에 뿌리를 둔 생명의 정의를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주론적 맥락에서 생물학을 설명하는 데 필요한 설명은 어떤 종류인가?
• RQ2 생물학적 현상과 생명을 우주의 일부로 수용하도록 우주론은 어떻게 수정되어야 하는가?
• RQ3 에르고디시티와 에너지 흐름 측면에서 Type III(생명 유사) 시스템이 Type I 및 II와 구분되는 점은 무엇인가?
• RQ4 우주론적 통계 프레임워크에서 생명과 생물학적 복잡성을 어떻게 정의할 수 있는가?
• RQ5 비평형, 에너지 흐름 시스템을 지배하는 예비적(장래의) 열역학의 네 번째 법칙의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 생명 시스템은 급진적으로 반-에르고디ック: 가능한 상태 중 극히 작은 부분만 실현된다.
• Type III 시스템(예: 생태계)은 지속적인 에너지 흐름으로 인해 평형에 도달하지 않아 순수한 환원론적 설명만으로는 충분하지 않다.
• 우주론 내 생명을 설명하기 위해 환원론적 설명과 기능적 설명의 혼합이 필요하다고 주장한다.
• 생물권과 생명은 저엔트로피 에너지 원(예: 태양)에 의해 지속되며 우주론적 시간 규모에 걸쳐 지속될 수 있다.
• 제안된 열역학의 네 번째 법칙은 비평형의 복잡한 구조를 유지하는 에너지 흐름의 역할을 형식화하는 것을 목표로 한다.
• 지구에서 관찰되는 생명은 표준 에르고딕 가정이 실패하는 하나의 예시이며 새로운 설명 프레임워크가 필요하다.