Он наиболее известен тем, что утверждал, что сложность биологических систем и организмов может быть результатом как самоорганизации и далекой от равновесия динамики, так и дарвиновского естественного отбора , как обсуждалось в его книге Origins of Order (1993). В 1967 [1] и 1969 [2] он использовал случайные булевы сети для исследования общих свойств самоорганизации сетей регуляции генов, предполагая, что типы клеток являются динамическими аттракторами в сетях регуляции генов и что дифференциация клеток может пониматься как переходы между аттракторами. Последние данные свидетельствуют о том, что типы клеток у людей и других организмов являются аттракторами. [3] [4] В 1971 году он предположил, что зигота может не иметь доступа ко всем аттракторам типов клеток в своей сети регуляции генов во время развития и что некоторые из недоступных для развития типов клеток могут быть типами раковых клеток. [5] Это предполагало возможность «терапии дифференциации рака». Он также предложил самоорганизованное возникновение коллективно автокаталитических наборов полимеров , в частности пептидов , для происхождения молекулярного воспроизводства, [6] [7], что нашло экспериментальное подтверждение. [8] [9]
С 2005 по 2009 год Кауфман занимал совместную должность в Университете Калгари по биологическим наукам, физике и астрономии. Он также был внештатным профессором на кафедре философии в Университете Калгари . Он был председателем iCORE (Informatics Research Circle of Excellence) и директором Института биокомплексности и информатики. Кауфман также был приглашен для участия в запуске инициативы «Наука и религия» в Гарвардской школе богословия ; в 2009 году он был приглашенным профессором.
В январе 2010 года Кауфман присоединился к преподавательскому составу Университета Вермонта , где он продолжил свою работу в течение двух лет в Центре сложных систем UVM. [16] С начала 2011 года по апрель 2013 года Кауфман был постоянным автором блога NPR 13.7, «Космос и культура», [17] с темами, варьирующимися от наук о жизни, системной биологии и медицины до духовности, экономики и права. [17]
В мае 2013 года он присоединился к Институту системной биологии в Сиэтле, штат Вашингтон. После смерти жены Кауфман стал соучредителем Transforming Medicine: The Elizabeth Kauffman Institute. [18]
В 2014 году Кауффман совместно с Самули Ниираненом и Габором Ваттаем получил основополагающий патент [19] на равновесие (см. ниже), по-видимому, новое «состояние материи», обратимо колеблющееся между квантовой и классической сферами. [20]
В 2015 году его пригласили помочь инициировать общую дискуссию по переосмыслению экономического роста для Организации Объединенных Наций . [21] Примерно в то же время он проводил исследования совместно с профессором Оксфордского университета Теппо Фелином . [22]
Значения приспособленности определяются в соответствии с конкретным воплощением модели, но ключевой особенностью модели NK является то, что приспособленность данной строки представляет собой сумму вкладов каждого локуса в строке:
и вклад каждого локуса в целом зависит от значения других локусов:
где находятся другие локусы, от которых зависит приспособленность .
Таким образом, функция приспособленности представляет собой отображение между строками длины K + 1 и скалярами, которые в более поздней работе Вайнбергера называются «фитнес-вкладами». Такие фитнес-вклады часто выбираются случайным образом из некоторого заданного распределения вероятностей.
В 1991 году Вайнбергер опубликовал подробный анализ [23] случая, когда и вклады приспособленности выбираются случайным образом. Позднее было показано, что его аналитическая оценка числа локальных оптимумов была ошибочной. [ необходима цитата ] Однако численные эксперименты, включенные в анализ Вайнбергера, подтверждают его аналитический результат о том, что ожидаемая приспособленность строки нормально распределена со средним значением приблизительно
и дисперсией приблизительно .
Признание и награды
Кауфман был стипендиатом Макартура с 1987 по 1992 год. Он также имеет почетную степень в области науки от Университета Лувена (1997); он был награжден золотой медалью памяти Норберта Винера за кибернетику в 1973 году, золотой медалью Академии деи Линчеи в Риме в 1990 году, премией Троттера за информацию и сложность в 2001 году и премией Герберта Саймона за сложные системы в 2013 году. Он стал членом Королевского общества Канады в 2009 году.
Работы
Кауфман наиболее известен тем, что утверждает, что сложность биологических систем и организмов может быть результатом как самоорганизации и далекой от равновесия динамики, так и дарвиновского естественного отбора в трех областях эволюционной биологии , а именно популяционной динамики , молекулярной эволюции и морфогенеза . Что касается молекулярной биологии, структуралистский подход Кауфмана подвергся критике за игнорирование роли энергии в управлении биохимическими реакциями в клетках, которые можно справедливо назвать самокатализирующими , но которые не просто самоорганизуются. [24] Некоторые биологи и физики, работающие в области Кауфмана, подвергли сомнению его утверждения о самоорганизации и эволюции. Показательным примером являются некоторые комментарии в книге 2001 года «Самоорганизация в биологических системах» . [25] Книга Роджера Сэнсома 2011 года «Гениальные гены: как сети регуляции генов эволюционируют, чтобы контролировать развитие» представляет собой развернутую критику модели самоорганизации Кауфмана в отношении сетей регуляции генов. [26]
Заимствуя модели спинового стекла в физике, Кауфман изобрел ландшафты приспособленности «NK», которые нашли применение в биологии [27] и экономике. [28] [29] В смежной работе Кауфман и его коллеги исследовали докритическое, критическое и супракритическое поведение в экономических системах. [30]
Работа Кауффмана переносит его биологические открытия в проблему разума и тела и вопросы нейронауки, предлагая атрибуты новой «равновесной области», которая бесконечно колеблется между квантовой когерентностью и классичностью . Он опубликовал на эту тему статью «Ответ Декарту: за пределами Тьюринга». [31] Совместно с Джузеппе Лонго и Маэлем Монтевилем он написал (январь 2012 г.) «Нет влекущих законов, но есть возможность в эволюции биосферы», [32] в которой утверждал, что эволюция не «вытекает из закона», как физика.
Работы Кауффмана размещены на Physics ArXiv , включая «За гранью тупика: разум/тело, квантовая механика, свободная воля, возможный панпсихизм, возможное решение квантовой загадки» (октябрь 2014 г.) [33] и «Квантовая критичность у истоков жизни» (февраль 2015 г.) [20] .
Кауфман внес вклад в развивающуюся область кумулятивной технологической эволюции, представив математику смежных возможностей . [34] [35]
Он опубликовал более 350 статей и 6 книг: «Истоки порядка» (1993), «Дома во Вселенной» (1995), «Исследования» (2000), «Переосмысление священного» (2008), «Человечество в творческой Вселенной» (2016) и «Мир за пределами физики» (2019).
В 2016 году Кауфман написал детскую историю «Патрик, Руперт, Слай и Гас Протоклетки», повествующую о непредсказуемом создании ниши в биосфере, которая позже была выпущена в виде короткометражного анимационного видео. [36]
В 2017 году, исследуя концепцию, согласно которой реальность состоит как из онтологически реальных «возможностей» (res potentia), так и из онтологически реальных «фактов» (res extensa), Кауффман в соавторстве с Рут Кастнер и Майклом Эпперсоном написал книгу «Серьёзное отношение к потенции Гейзенберга». [37]
Библиография
Избранные статьи
Кауфман, С.А.; Маккалок, В.С. (1967). Случайные сети формальных генов (технический отчет). Ежеквартальный отчет о ходе работ 34. Кембридж, Массачусетс: Исследовательская лаборатория электроники, Массачусетский технологический институт.
Кауфман, Стюарт (1969). «Метаболическая стабильность и эпигенез в случайно сконструированных генетических сетях». Журнал теоретической биологии . 22 (3): 437–467. Bibcode : 1969JThBi..22..437K. doi : 10.1016/0022-5193(69)90015-0. PMID 5803332.
Кауфман, С.А. (1971a). «Клеточный гомеостаз, эпигенез и репликация в случайно агрегированных макромолекулярных системах». Журнал кибернетики . 1 (1): 71–96. doi :10.1080/01969727108545830.
Кауфман, С.А. (1971b). «Дифференциация злокачественных клеток в доброкачественные». Журнал теоретической биологии . 31 (3): 429–451. Bibcode : 1971JThBi..31..429K. doi : 10.1016/0022-5193(71)90020-8. PMID 5556142.
Кауфман, Стюарт (август 1991 г.). «Антихаос и адаптация» (PDF) . Scientific American . 265 (2): 78–84. Bibcode :1991SciAm.265b..78K. doi :10.1038/scientificamerican0891-78. PMID 1862333 . Получено 28 апреля 2015 г. .
Kauffman, SA; Johnsen, S (1991). «Коэволюция к краю хаоса: сопряженные ландшафты приспособленности, сбалансированные состояния и коэволюционные лавины» (PDF) . Журнал теоретической биологии . 149 (4): 467–505. Bibcode :1991JThBi.149..467K. CiteSeerX 10.1.1.502.3299 . doi :10.1016/s0022-5193(05)80094-3. PMID 2062105.
Кауфман, Стюарт (2004). «Автономные агенты». В Барроу, Джон Д .; Дэвис, Пол К. В .; Харпер, Чарльз Л. Мл. (ред.). Наука и конечная реальность: квантовая теория, космология и сложность . Cambridge University Press. ISBN 978-0521831130.
Кауфман, Стюарт (2004). «Пролегомен к общей биологии». В Дембски, Уильям А .; Руз, Майкл (ред.). Обсуждение дизайна: от Дарвина до ДНК . Cambridge University Press. ISBN 978-1139459617.
Кауфман, Стюарт А. (12 ноября 2006 г.). «За пределами редукционизма: переосмысление сакрального». Edge.com . Edge Foundation . Получено 28 апреля 2015 г. .
Hanel, R.; Kauffman, SA; Thurner, S. (2007). «К физике эволюции: критическая динамика разнообразия на грани коллапса и всплески разнообразия». Physical Review E. 76 ( 3): 036110. Bibcode : 2007PhRvE..76c6110H. doi : 10.1103/physreve.76.036110. PMID 17930309.
Кауфман, Стюарт (7 мая 2008 г.). «Почему человечеству нужен Бог творчества». New Scientist . 198 (2655): 52–53. doi :10.1016/s0262-4079(08)61171-9 . Получено 28 апреля 2015 г. .
Nykter, M.; Price, ND; Aldana, M.; Ramsey, SA; Kauffman, SA; Hood, L.; Yli-Harja, O.; Shmulevich, I. (2008). "Динамика экспрессии генов в макрофагах демонстрирует критичность". Proc Natl Acad Sci USA . 105 (6): 1897–1900. Bibcode :2008PNAS..105.1897N. doi : 10.1073/pnas.0711525105 . PMC 2538855 . PMID 18250330.
Хуан, С.; Ху, Л.; Кауфман, С.; Чжан, В.; Шмулевич, И. (2009). «Использование аттракторов клеточной судьбы для раскрытия транскрипционной регуляции дифференцировки нейтрофилов HL60». BMC Systems Biology . 3 (1): 20. doi : 10.1186/1752-0509-3-20 . PMC 2652435 . PMID 19222862.
Хуан, С.; Кауфман, С.А. (2009). «Сети комплексной регуляции генов — от структуры до биологических наблюдаемых: определение судьбы клеток». В Мейерсе, Р.А. (ред.). Энциклопедия сложности и системной науки . Springer. ISBN 978-0-387-75888-6.
Кауфман, С.А. (2011). «Подходы к происхождению жизни на Земле». Жизнь . 1 (1): 34–48. Bibcode : 2011Life....1...34K. doi : 10.3390/life1010034 . PMC 4187126. PMID 25382055 .
Лонго, Г.; Монтевиль, М.; Кауфман, С. (январь 2012 г.). «Никаких влекущих законов, но обеспечение возможности в эволюции биосферы». arXiv : 1201.2069 [q-bio.OT].
Кауфман, Стюарт; Хилл, Колин; Худ, Лерой; Хуан, Суй (2014b). «Трансформация медицины: манифест». Scientific American Worldview . Архивировано из оригинала 13 июля 2014 г. . Получено 28 апреля 2015 г. .
Кауфман, Стюарт (октябрь 2014 г.). «За пределами тупика: Сознательный разум-тело — Квантовая механика — Свободная воля — Возможный панпсихизм — Возможная интерпретация квантовой загадки». arXiv : 1410.2127 [physics.hist-ph].
Фелин, Т.; Кауфман, С.; Коппл, Р.; Лонго, Г. (декабрь 2014 г.). «Экономические возможности и эволюция: за пределами ландшафтов и ограниченной рациональности» (PDF) . Strategic Entrepreneurship Journal . 8 (4): 269–282. doi :10.1002/sej.1184. SSRN 2197512.
Vattay, G.; Salahub, D.; Csaibai, I.; Nassmi, A.; Kauffman, S. (февраль 2015 г.). «Квантовая критичность у истоков жизни». Journal of Physics: Conference Series . 626 (1): 012023. arXiv : 1502.06880 . Bibcode : 2015JPhCS.626a2023V. doi : 10.1088/1742-6596/626/1/012023. S2CID 18439451.
Кауфман, С. (2016). «Отвечая Декарту: за пределами Тьюринга». В Купер, С. Барри ; Ходжес, Эндрю (ред.). Былое и будущее Тьюринга . Издательство Кембриджского университета.
Книги
Кауфман, Стюарт (1993). Происхождение порядка: самоорганизация и отбор в эволюции . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-507951-7.
Кауфман, Стюарт (1995). Дома во Вселенной: Поиск законов самоорганизации и сложности . Oxford University Press. ISBN 978-0195111309.
Кауфман, Стюарт (2000). Расследования . Oxford University Press. ISBN 978-0199728947.
Кауфман, Стюарт (2008). Переосмысление сакрального: новый взгляд на науку, разум и религию . Базовые книги. ISBN 978-0-465-00300-6.
Кауфман, Стюарт (2016). Человечество в творческой вселенной . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-939045-8.
Кауфман, Стюарт (2019). Мир за пределами физики . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-087133-8.
Примечания
^ Кауфман и Маккалок 1967.
^ Кауфман 1969.
^ Хуан и Кауфман 2009.
^ Нюктер и др. 2008.
^ Кауфман 1971б.
^ Кауфман 1971a.
^ Кауфман 2011.
^ Дадон, Вагнер и Ашкенази 2008.
^ Дадон и др. 2012.
^ EP 0229046A1, «Процедура получения ADN, ARN, пептидов, полипептидов или белков, одна из методик рекомбинации ADN»
^ US 5,723,323 «Способ идентификации стохастически сгенерированного пептида, полипептида или белка, обладающего свойством связывания лиганда, и их композиций»
^ CA 1339937C, «Процедура получения ДНК, РНК-пептидов, полипептидов или белков методами рекомбинантной ДНК»
^ "NuTech Solutions приобретает подразделение BiosGroup по разработке программного обеспечения". BusinessWire. 20 февраля 2003 г. Получено 5 июля 2015 г.
^ "Netezza Corporation Acquires NuTech Solutions". BusinessWire. 15 мая 2008 г. Получено 5 июля 2015 г.
^ "IBM приобретает Netezza". IBM News Room . IBM. 20 сентября 2010 г. Архивировано из оригинала 23 сентября 2010 г. Получено 5 июля 2015 г.
^ "Стюарт Кауффман, пионер сложных систем, присоединится к преподавательскому составу UVM". Vermontbiz.com . Vermont Business Magazine. 30 сентября 2009 г. Получено 28 апреля 2015 г.
^ ab "Stuart Kauffman". NPR.org . Получено 28 апреля 2015 г. .
^ Кауфман и др. 2014b.
^ США, «Использование систем со степенями свободы, балансирующими между полностью квантовыми и полностью классическими состояниями»
^ ab Vattay et al. 2015.
^ «Переосмысление экономического роста». academicimpact.un.org . 11 мая 2015 г. Получено 26 мая 2020 г.
^ Фелин, Теппо; Кауфман, Стюарт; Коппл, Роджер; Лонго, Джузеппе (2014). «Экономические возможности и эволюция: за пределами ландшафтов и ограниченной рациональности» (PDF) . Strategic Entrepreneurship Journal . 8 (4): 269–282. doi :10.1002/sej.1184.
^ Weinberger, Edward (15 ноября 1991 г.). «Локальные свойства модели Nk Кауфмана: настраиваемый неровный энергетический ландшафт». Physical Review A. 10. 44 (10): 6399–6413. Bibcode : 1991PhRvA..44.6399W. doi : 10.1103/physreva.44.6399. PMID 9905770.
^ Фокс, Рональд Ф. (декабрь 1993 г.). «Обзор книги Стюарта Кауфмана «Истоки порядка: самоорганизация и отбор в эволюции». Biophys. J . 65 (6): 2698–2699. Bibcode :1993BpJ....65.2698F. doi :10.1016/s0006-3495(93)81321-3. PMC 1226010 .
^ Камазин, Скотт; Денебург, Жан-Луи; Фрэнкс, Найджел Р.; Снейд, Джеймс; Тераулаз, Гай; Бонабо, Эрик (2001). Самоорганизация в биологических системах . Принстонские исследования сложности. Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press . стр. 88–89, 283. doi :10.2307/j.ctvzxx9tx. ISBN0691012113. JSTOR j.ctvzxx9tx. OCLC 44876868.
^ Сэнсом, Роджер (2011). Гениальные гены: как сети регуляции генов эволюционируют, чтобы контролировать развитие . Жизнь и разум: философские вопросы биологии и психологии. Кембридж, Массачусетс: MIT Press . doi : 10.7551/mitpress/9780262195812.001.0001. ISBN9780262195812. OCLC 694600461.См. также: Wray, Gregory A. (декабрь 2012 г.). «Адаптация и генные сети: гениальные гены: как сети регуляции генов эволюционируют, чтобы контролировать развитие [рецензия на книгу]». BioScience . 62 (12): 1084–1085. doi : 10.1525/bio.2012.62.12.10 .
^ Монечи, Бернардо; Руис-Серрано, Альваро; Триа, Франческа; Лорето, Витторио (июнь 2017 г.). «Волны новшеств в расширении в смежные возможные». PLoS ONE . 12 (6): e0179303. Bibcode : 2017PLoSO..1279303M. doi : 10.1371/journal.pone.0179303 . PMC 5464662. PMID 28594909 .
↑ Историю можно прочитать здесь: «Удивительная правдивая история Патрика С., Руперта Р., Слая С. и Гаса Г. Протоклетки в их очень ранние годы» (PDF) . 16 августа 2016 г. Архивировано (PDF) из оригинала 27 мая 2020 г.Кауффман рассказывает историю в 2017 году здесь: Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: «Удивительная правдивая история Патрика, Руперта, Слая и Гаса». YouTube . 10 марта 2017 г. . Получено 26 мая 2020 г. .Анимированная версия здесь: Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: «Происхождение жизни и ее продолжающееся чудо». YouTube . Science Animated. 24 августа 2020 г. Стюарт Кауффман объясняет, как жизнь эволюционировала от ее более ранних истоков около 3700 миллионов лет назад через историю четырех протоклеток — Патрика, Руперта, Слая и Гаса. Он объясняет, почему наши знания о происхождении и ранней эволюции жизни могут значительно помочь нам понять наше истинное место в мире.
^ Кастнер, Рут Э.; Кауффман, Стюарт; Эпперсон, Майкл (2019). «Серьёзное отношение к потенциалу Гейзенберга». Приключения в Квантумленде: исследование нашей невидимой реальности . Лондон; Хакенсак, Нью-Джерси: World Scientific. стр. 223–237. arXiv : 1709.03595 . doi :10.1142/9781786346421_0011. ISBN978-1-78634-641-4. OCLC 1083673555. S2CID 4882205.
Ссылки
Dadon, Z.; Wagner, N.; Ashkenasy, G. (2008). «Дорога к неферментативным молекулярным сетям». Angew. Chem. Int. Ed . 47 (33): 6128–6136. doi :10.1002/anie.200702552. PMID 18613152.
Dadon, Z.; Wagner, N.; Cohen-Luria, R.; Ashkenasy, G. (2012). "Реакционные сети. Результаты Wagner и Askkenazy (2008) показывают, что молекулярная репликация не обязательно должна основываться на репликации ДНК или РНК-матрицы, что по-прежнему является доминирующим взглядом на происхождение жизни". В Gale, PA; Steed JW (ред.). Супрамолекулярная химия: от молекул к наноматериалам . John Wiley and Sons, Ltd. ISBN 978-0-470-74640-0.
Rivkin, JW; Siggelkow, N. (май–июнь 2002 г.). «Организационные камешки на ландшафтах Северной Кореи». Complexity . 7 (5): 31–43. Bibcode :2002Cmplx...7e..31R. doi :10.1002/cplx.10037 . Получено 28 апреля 2015 г. .
Дальнейшее чтение
Chialvo, DR (2013). «Критическая динамика мозга в больших масштабах». В Plenz D.; Niebur, E.; Schuster HG (ред.). Критичность в нейронных системах . Том 1. Wiley. ISBN 978-3-527-41104-7.
Голдштейн, Джеффри А. (2008). «Обзор книги « Переосмысление священного: новый взгляд на науку, разум и религию » Стюарта Кауфмана». Возникновение: сложность и организация . 10 (3): 117–130.
Хорган, Джон (4 февраля 2015 г.). «Искатель Стюарт Кауффман о свободе воли, Боге, экстрасенсорном восприятии и других тайнах». Scientific American . Получено 28 апреля 2015 г.
Маккензи, Дана (февраль 2002 г.). «Наука удивления». Discover . 23 (2): 59–63.
Полсон, Стив (9 ноября 2008 г.). "God Enough". Салон . Получено 28 апреля 2015 г. .
Внешние ссылки
В Викицитатнике есть цитаты, связанные со Стюартом Кауфманом .
«Мыслитель невыразимых снов: портрет Стюарта Кауфмана». Vimeo .
Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: «Облик истории». YouTube .Выступление в Институте сложных систем Новой Англии, 28 января 2019 г.