[논문 리뷰] Biocosmology: Towards the birth of a new science

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

Earth Systems and Cosmic EvolutionEarth and Planetary Sciences인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 생물학과 천체물리학을 연결하는 새로운 다학문적 과학인 바이오코스모로지(biocosmology)를 제안한다. 생태권의 구성 복잡성이 우주의 정보 내용을 지배할 수 있다는 주장을 통해, 이론적 인접 가능성(Theory of the Adjacent Possible, TAP)을 사용하여 조합적 혁신을 통해 생물학적 상태 공간의 폭발적 성장을 모델링한다. 이는 기본 물리학이 우주의 정보를 지배한다고 보는 감소론적 관점에 도전하며, 생명체가 기본 물리학보다 더 많은 정보를 생성할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Cosmologists wish to explain how our Universe, in all its complexity, could ever have come about. For that, we assess the number of states in our Universe now. This plays the role of entropy in thermodynamics of the Universe, and reveals the magnitude of the problem of initial conditions to be solved. The usual budgeting accounts for gravity, thermal motions, and finally the vacuum energy whose entropy, given by the Bekenstein bound, dominates the entropy budget today. There is however one number which we have not accounted for: the number of states in our complex biosphere. What is the entropy of life and is it sizeable enough to need to be accounted for at the Big Bang? Building on emerging ideas within theoretical biology, we show that the configuration space of living systems, unlike that of their fundamental physics counterparts, can grow rapidly in response to emerging biological complexity. A model for this expansion is provided through combinatorial innovation by the Theory of the Adjacent Possible (TAP) and its corresponding TAP equation, whose solutions we investigate, confirming the possibility of rapid state-pace growth. While the results of this work remain far from being firmly established, the evidence we provide is many-fold and strong. The implications are far-reaching, and open a variety of lines for future investigation, a new scientific field we term biocosmology. In particular the relationship between the information content in life and the information content in the Universe may need to be rebuilt from scratch.

연구 동기 및 목표

• 기본 물리학이 엔트로피와 정보 내용을 지배한다고 보는 데서 비롯된 가정을 도전하며, 생물학적 시스템이 우주의 정보 예산에서 차지하는 역할 재평가.
• 기생식 생물학적 복잡성이 블랙홀과 진공 에너지 기여에 맞먹거나 초월할 정도로 충분히 큰 상태 공간을 생성할 수 있는지 탐구.
• 생물학에서의 비감소론적, 기원적 복잡성이 천체물리학적 초기 조건과 우주의 정보 기원에 끼치는 영향 탐색.
• 이론적 인접 가능성(TAP)에 기반한 이론적 프레임워크 개발을 통해 생물학적 구성 공간의 폭발적 성장을 모델링.
• 뉴턴 역학적 관점(모든 정보가 빅뱅 시점에 존재한다고 가정)이 생명체의 출현과 그 정보 기반 상태의 기원을 설명할 수 있는지 질문.

제안 방법

• 이론적 인접 가능성(TAP)을 생물학적 시스템의 조합적 혁신에 적용하여, 기존 구성에서 새로운 구성이 어떻게 유도되는지 모델링.
• TAP 식을 사용해 가능한 생물학적 상태 수의 증가율을 기술함으로써, 표준 순열 계산을 초월하는 초조합적 확장을 가능하게 함.
• 세포와 다세포 생태권과 같은 계층적 생물학적 시스템에 TAP 모델을 적용하여 구성 상태 공간을 추정.
• 결과적으로 유도된 상태 공간 성장률을 블랙홀과 진공 에너지의 전통적 엔트로피 추정치와 비교하며, 베켄슈타인 한계를 기준으로 삼음.
• '창의적 잠재력'(Q) 개념을 도입하여 뉴턴 물리학(Q^NP = 1)과 변화하는 법칙 프레임워크(Q^EL ≫ 1)를 구분함. 여기서 새로운 정보는 시간이 지남에 따라 생성됨.
• 생물학적 정보는 단지 게놈에만 저장되는 것이 아니라, 반복 가능한 혁신과 복제가 가능한 지속 가능한 생태계에 의존함을 강조함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학적 시스템의 구성 공간이 충분히 빠르게 성장하여 우주의 총 정보 내용에 지배적인 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 복잡한 생물학적 시스템의 기원이 뉴턴적 관점(모든 정보가 빅뱅 시점에 존재함)을 지배하는 감소론적 관점에 얼마나 도전하는가?
• RQ3 TAP 식은 어떻게 생물학적 상태 공간의 폭발적 성장을 모델링하는가? 그리고 전통적 순열 계산보다 빠를 수 있는가?
• RQ4 유전 정보, 문화, 특허와 같이 '기억된' 정보가 생물학에서 지속 가능한 조합적 혁신을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 생명체의 기원은 새로운 정보가 시간이 지남에 따라 생성되는 창조적 우주를 암시하는가? 이는 초기 조건이 고정된 뉴턴 철학과 모순되는가?

주요 결과

• 생태권의 구성 공간은 표준 순열 계산을 초월하는 조합적 혁신을 통해 폭발적으로 성장할 수 있으며, 초조합적 확장이 가능함.
• TAP 식의 해는 생물학적 상태 공간이 폭발적으로 증가할 수 있음을 보여주며, 복잡성의 급속한 기원을 위한 메커니즘을 시사함.
• 생물학적 시스템은 블랙홀이나 진공 에너지보다도 우주의 정보 내용에 더 큰 기여를 할 수 있으며, 중력 엔트로피의 지배적 지위에 도전함.
• '창의적 잠재력'(Q) 개념은 변화하는 법칙 천체물리학에서 우주가 시간이 지남에 따라 새로운 정보를 생성할 수 있음을 드러내며, Q^EL ≫ 1임을 보여줌.
• 생명체의 존재는 초기 조건에 비용을 부과하지 않음. 왜냐하면 생명체가 생성한 상태들은 빅뱅 시점에 존재하지 않았기 때문임. 따라서 초기 조건 문제는 악화되지 않음.
• 생물학적 정보는 단지 물리적 존재를 넘어서, 반복 가능하고 저장 가능한 시스템(예: 게놈, 문화 전파)에 기반하며, 단일 사건을 넘어서 혁신을 지속함.