[논문 리뷰] Origins of Life: A Problem for Physics

Sara Imari Walker|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 23.

Origins and Evolution of Life참고 문헌 104인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 생명의 기원이 단지 화학이 아니라 물리학의 근본적 문제라고 주장하며, 비생물적 물질이 생물 시스템으로 전이되는 것을 설명하기 위해 정보, 계층성, 상향식 인과관계를 바탕으로 한 통합된 생명 물리 이론이 필요하다고 제안한다. RNA 세계 이론에서 자가촉매 네트워크, 열역학적 임계성에 이르기까지 주요 모델들을 검토한 결과, 생명의 기원은 정보 기반 조직과 계층적 인과관계를 고려한 새로운 물리학이 필요하다는 결론을 내린다.

ABSTRACT

The origins of life stands among the great open scientific questions of our time. While a number of proposals exist for possible starting points in the pathway from non-living to living matter, these have so far not achieved states of complexity that are anywhere near that of even the simplest living systems. A key challenge is identifying the properties of living matter that might distinguish living and non-living physical systems such that we might build new life in the lab. This review is geared towards covering major viewpoints on the origin of life for those new to the origin of life field, with a forward look towards considering what it might take for a physical theory that universally explains the phenomenon of life to arise from the seemingly disconnected array of ideas proposed thus far. The hope is that a theory akin to our other theories in fundamental physics might one day emerge to explain the phenomenon of life, and in turn finally permit solving its origins.

연구 동기 및 목표

• 생명 기원을 단지 생화학적 또는 생물학적 문제로 보는 것에서 벗어나, 근본 물리학의 核심 문제로 재정의하기.
• 생명의 정의와 그 기원을 별개의 문제로 보는 것이 아니라, 통합된 이론이 필요로 하는 상호연결된 과제로 보는 주장.
• 상향식 인과관계, 정보 처리, 계층적 조직과 같은 핵심 물리 원리가 살아있는 상태의 기초가 될 수 있음을 특정하기.
• 기존 모델들(예: RNA 세계, 자가촉매 집합, 열역학적 임계성)이 생명 기원의 기원을 설명하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기.
• 다른 물리학의 기본 이론들과 유사하게, 생명을 보편적으로 설명할 수 있는 새로운 물리 이론을 주장하기.

제안 방법

• 생명 기원 연구에서 주요 이론적 프레임워크인 유전자가 우선인 모델, 대사가 우선인 모델, 자가촉매 네트워크 모델 등을 조사하기.
• 특히 상향식 제어를 통해 정보가 인과적 요소로 작용하는 바이오로지컬 시스템에서의 정보의 역할 분석하기.
• 열역학, 임계 현상, 동일성의 비대칭성(Homochirality)과 같은 물리 원리가 생명의 보편적 특성일 수 있음을 검토하기.
• 현재 모델들이 최소 생명체의 복잡성과 역학적 풍부함을 달성하는 데에 미치는 한계 평가하기.
• 생명의 이론이 계층적 조직과 거시적, 정보 기반 제어의 기원을 설명해야 한다고 제안하기.
• 粗화(코arse-graining), 재규격화(Renormalization)와 같은 기초 물리 개념에 비유하여 생명의 조직이 어떻게 물리적으로 기초가 될 수 있는지 제안하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물적 시스템과 비생물적 시스템을 구분하는 물리 원리는 무엇이며, 어떻게 보편적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 기존의 화학적·생화학적 모델들이 왜 최소 생명체의 복잡성조차 구현하지 못하는가?
• RQ3 정보가 물리 시스템에서 인과적 요소로 작용할 수 있는 방법은 무엇이며, 특히 상향식 인과관계를 통해 어떻게 작용하는가?
• RQ4 계층적 구조와 군집화된 거시 상태(Macrostates)는 생명 기원에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 기초 물리 이론으로서의 생명 이론은 어떤 모습일 것이며, 다양한 생명 기원 가설을 어떻게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 물리 이론이 생명 현상을 설명하지 못함에도 불구하고, 생명 기원은 여전히 해결되지 않은 문제이며, 이는 알려진 법칙을 위반하지는 않는다.
• 생명은 상향식 인과관계를 포함할 가능성이 높으며, 이는 고차원의 정보 구조가 저차원의 동역학에 영향을 미치는 방식으로, 기존의 환원주의에 도전한다.
• 정보는 생물 시스템에서 물리적이고 인과적인 역할을 하지만, 기존 물리학이 생물학적 복잡성의 조직화에 있어 그 정확한 역할을 설명하지 못하고 있다.
• RNA 세계 이론이나 자가촉매 집합과 같은 모델들은 통찰력이 있긴 하지만, 실제 생명체의 역학적 풍부함과 진화 가능성에 도달하지 못한다.
• 생명의 기원은 계층적 조직, 정보 흐름, 역사적 우연성 등을 고려한 새로운 물리적 프레임워크가 필요할 수 있다.
• 비생물적 물질에서 생물적 물질으로의 전이를 설명할 수 있는 보편적 생명 이론은 아직 실현되지 않았지만, 생명 기원 문제를 해결하기 위해 필수적이다.