[논문 리뷰] No entailing laws, but enablement in the evolution of the biosphere

Giuseppe Longo, Maël Montévil외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 10.

Earth Systems and Cosmic Evolution인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 생물 진화가 새로운 형질, 생태적 서식지, 생태계의 극도로 예측 불가능한 출현으로 인해 엄격한 함의 법칙을 따르지 못함을 주장한다. 이러한 요소들은 가능성의 위상공간을 계속해서 재구성한다. 결정론적 법칙 대신 진화는 '능력화(enablement)'에 의해 이뤄지며, 칸트주의 전체체(생물체)와 환경이 상호 공진화하면서 역사적이고 비에르고딕적인 궤적을 통해 새로운 가능성을 실현하는 동적이고 상호 창조적인 과정이다.

ABSTRACT

Biological evolution is a complex blend of ever changing structural stability, variability and emergence of new phenotypes, niches, ecosystems. We wish to argue that the evolution of life marks the end of a physics world view of law entailed dynamics. Our considerations depend upon discussing the variability of the very "contexts of life": the interactions between organisms, biological niches and ecosystems. These are ever changing, intrinsically indeterminate and even unprestatable: we do not know ahead of time the "niches" which constitute the boundary conditions on selection. More generally, by the mathematical unprestatability of the "phase space" (space of possibilities), no laws of motion can be formulated for evolution. We call this radical emergence, from life to life. The purpose of this paper is the integration of variation and diversity in a sound conceptual frame and situate unpredictability at a novel theoretical level, that of the very phase space. Our argument will be carried on in close comparisons with physics and the mathematical constructions of phase spaces in that discipline. The role of (theoretical) symmetries as invariant preserving transformations will allow us to understand the nature of physical phase spaces and to stress the differences required for a sound biological theoretizing. In this frame, we discuss the novel notion of "enablement". This will restrict causal analyses to differential cases (a difference that causes a difference). Mutations or other causal differences will allow us to stress that "non conservation principles" are at the core of evolution, in contrast to physical dynamics, largely based on conservation principles as symmetries. Critical transitions, the main locus of symmetry changes in physics, will be discussed, and lead to "extended criticality" as a conceptual frame for a better understanding of the living state of matter.

연구 동기 및 목표

• 생물 진화를 설명하는 데 있어 사전에 정의된 위상공간과 함의 법칙에 의존하는 고전적 물리학적 세계관에 도전하기 위해.
• 생물 진화의 위상공간이 본질적으로 사전에 정의될 수 없고 동적으로 변화하므로, 운동 방정식을 수립하는 것이 불가능하다는 것을 보여주기 위해.
• 인과성 대신 진화 역학에서 중심적인 이론적 개념으로 '능력화'를 도입하여 생물체와 환경 간의 상호 창조적 과정을 강조하기 위해.
• 물리적 역학에서 핵심적인 보존 법칙과 대칭성은 생물 진화에는 적용되지 않으며, 오히려 비보존적이고 대칭성이 깨지는 과정이 일어남을 보여주기 위해.
• 진화적 복잡성은 법칙에 의해 결정되는 것이 아니라 역사적이고 누적적이며 비에르고딕적인 극적인 출현 과정의 산물임을 재정의하기 위해.

제안 방법

• 사전에 정의된 위상공간과 지오데식 운동에 기반한 물리적 역학과 대비하여, 생물 진화에서는 위상공간이 사전에 정의되지 않고 역사적 과정을 통해 출현한다는 점을 분석한다.
• 물리학에서 대칭성과 불변 변환의 수학적 분석을 통해 보존 법칙이 물리적 위상공간에서 핵심적인 역할을 한다는 점을 강조한다.
• 칸트주의 전체체(생물체의 부분들이 전체를 위해 존재하고 전체에 의해 존재함) 개념을 적용하여, 功能적 역할이 선택과 공진화를 통해 유일하게 출현한다는 점을 분석한다.
• 비평형 상태에서의 대칭성 깨짐 전이를 설명하는 개념적 프레임워크로 '확장된 임계성(extended criticality)'을 도입한다.
• ‘가까운 가능성(adjacent possible)’을 분석하여, 생물체와 환경의 공진화를 통해 생성되는 가능성이 동적으로 변화하는 미래 가능성의 공간을 설명한다.
• 생물 시스템의 비에르고딕성(다른 분자의 구성형태 대부분이 우주에서 실현되지 않음)으로 인해, 진화 궤적의 알고리즘적 또는 유한한 형식적 기술이 불가능하다는 것을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리학적 스타일의 법칙과 함의적 역학으로는 생태계의 진화를 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 생물 진화의 위상공간은 본질적으로 사전에 정의될 수 없고 변화가 없으며 불변하지 않은가?
• RQ3 ‘능력화’ 개념이 진화생물학에서 전통적인 인과성과 어떻게 대체되는가?
• RQ4 칸트주의 전체체는 새로운 진화 궤적을 가능하게 하는 환경과 서식지를 어떻게 공동 창조하는가?
• RQ5 생명의 비에르고딕적이고 역사적인 성격이 진화 이론에 보존 법칙과 대칭성의 적용을 어떻게 무력화하는가?

주요 결과

• 생물 진화의 위상공간은 사전에 정의될 수 없으며, 항상 변화하는 가능한 형질과 서식지의 집합으로 인해 전통적인 운동 방정식이 적용될 수 없다.
• 경계 조건(즉, 서식지)이 사전에 정의될 수 없기 때문에, 심지어 가설적인 운동 방정식조차도 통합될 수 없으며, 이는 진화에서 결정론적 예측이 불가능하다는 것을 의미한다.
• 생태계의 출현은 어떤 법칙에 의해 함의되지 않으며, 고도로 복잡한 체계가 함의 법칙 없이도 탄생할 수 있음을 보여주며, 강력한 환원주의를 반박한다.
• 진화는 ‘확장된 임계성(extended criticality)’으로 특징지어지며, 랜덤과 비랜덤 과정이 결합된 대칭성 깨짐 사건의 연쇄 작용으로 인해 비에르고딕적이고 역사적인 궤적을 형성한다.
• 생물학적 구성형태의 대부분(예: 아미노산 200개로 이루어진 단백질)은 물리적 제약으로 인해 우주에서 실현되지 않으며, 이는 생명의 복잡성이 역사적이고 우연적인 성격을 지닌다는 점을 강조한다.
• ‘능력화’ 개념은 생물체가 환경과 미래 가능성들을 공동 창조함으로써 인과성 대신 동적이고 상호 창조적인 과정이 진화적 출현의 핵심임을 잘 묘사한다.