stringtranslate.com

Стюарт Кауфман

Стюарт Алан Кауффман (родился 28 сентября 1939 года) — американский врач, теоретик-биолог и исследователь сложных систем , изучающий происхождение жизни на Земле . Он был профессором Чикагского университета , Пенсильванского университета и Калгарийского университета . В настоящее время он является почетным профессором биохимии Пенсильванского университета и дочерним факультетом Института системной биологии . Он имеет ряд наград, включая стипендию Макартура и медаль Винера .

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]

Образование и начало карьеры

Кауффман окончил Дартмут в 1960 году, получил степень бакалавра с отличием в Оксфордском университете (где он был стипендиатом Маршалла ) в 1963 году и получил медицинскую степень (MD) в Калифорнийском университете в Сан-Франциско в 1968 году. После окончания стажировки он занялся генетикой развития плодовой мушки, сначала занимая должности в Чикагском университете с 1969 по 1973 год, в Национальном институте рака с 1973 по 1975 год, а затем в Пенсильванском университете с 1975 по 1994 год, где он дослужился до профессора биохимии и биофизики .

Карьера

Кауффман стал известен благодаря своей связи с Институтом Санта-Фе (некоммерческий исследовательский институт, посвященный изучению сложных систем ), где он был преподавателем-резидентом с 1986 по 1997 год, и благодаря своей работе над моделями в различных областях биологии . К ним относятся автокаталитические наборы в исследовании происхождения жизни , сети регуляции генов в биологии развития и ландшафты приспособленности в эволюционной биологии . Вместе с Марком Балливе Кауффман владеет основополагающими широкими патентами на биотехнологии в комбинаторной химии и прикладной молекулярной эволюции , впервые выданными во Франции в 1987 году, [10] в Англии в 1989 году, а затем в Северной Америке. [11] [12]

В 1996 году, совместно с Ernst and Young , Кауффман основал BiosGroup , коммерческую компанию из Санта-Фе , штат Нью-Мексико , которая применяла методологию сложных систем к решению бизнес-задач. BiosGroup была приобретена NuTech Solutions в начале 2003 года. NuTech была куплена Netezza в 2008 году, а затем IBM. [13] [14] [15]

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 2009 года Кауффман стал заслуженным профессором Финляндии (FiDiPro) в Технологическом университете Тампере , на кафедре обработки сигналов. Назначение закончилось в декабре 2012 года. Предметом исследовательского проекта FiDiPro является разработка отложенных стохастических моделей генетических регуляторных сетей на основе данных об экспрессии генов на уровне отдельных молекул .

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]

Фитнес-ландшафты

Визуализация двух измерений ландшафта приспособленности NK. Стрелки представляют различные пути мутаций, по которым может следовать популяция, эволюционируя на ландшафте приспособленности.

Модель NK Кауффмана определяет комбинаторное фазовое пространство , состоящее из каждой строки (выбранной из заданного алфавита) длины . Для каждой строки в этом поисковом пространстве определяется скалярное значение (называемое пригодностью ). Если между строками определена метрика расстояния, то результирующая структура представляет собой ландшафт .

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
Книги

Примечания

  1. ^ Кауфман и Маккалок 1967.
  2. ^ Кауфман 1969.
  3. ^ Хуан и Кауфман 2009.
  4. ^ Нюктер и др. 2008.
  5. ^ Кауфман 1971б.
  6. ^ Кауфман 1971a.
  7. ^ Кауфман 2011.
  8. ^ Дадон, Вагнер и Ашкенази 2008.
  9. ^ Дадон и др. 2012.
  10. ^ EP 0229046A1, «Процедура получения ADN, ARN, пептидов, полипептидов или белков, одна из методик рекомбинации ADN» 
  11. ^ US 5,723,323 «Способ идентификации стохастически сгенерированного пептида, полипептида или белка, обладающего свойством связывания лиганда, и их композиций» 
  12. ^ CA 1339937C, «Процедура получения ДНК, РНК-пептидов, полипептидов или белков методами рекомбинантной ДНК» 
  13. ^ "NuTech Solutions приобретает подразделение BiosGroup по разработке программного обеспечения". BusinessWire. 20 февраля 2003 г. Получено 5 июля 2015 г.
  14. ^ "Netezza Corporation Acquires NuTech Solutions". BusinessWire. 15 мая 2008 г. Получено 5 июля 2015 г.
  15. ^ "IBM приобретает Netezza". IBM News Room . IBM. 20 сентября 2010 г. Архивировано из оригинала 23 сентября 2010 г. Получено 5 июля 2015 г.
  16. ^ "Стюарт Кауффман, пионер сложных систем, присоединится к преподавательскому составу UVM". Vermontbiz.com . Vermont Business Magazine. 30 сентября 2009 г. Получено 28 апреля 2015 г.
  17. ^ ab "Stuart Kauffman". NPR.org . Получено 28 апреля 2015 г. .
  18. ^ Кауфман и др. 2014b.
  19. ^ США, «Использование систем со степенями свободы, балансирующими между полностью квантовыми и полностью классическими состояниями» 
  20. ^ ab Vattay et al. 2015.
  21. ^ «Переосмысление экономического роста». academicimpact.un.org . 11 мая 2015 г. Получено 26 мая 2020 г.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ 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 . 
  25. ^ 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. ISBN 0691012113. JSTOR  j.ctvzxx9tx. OCLC  44876868.
  26. ^ 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. ISBN 9780262195812. 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 .
  27. ^ Кауфман и Джонсен 1991.
  28. ^ Ривкин и Сиггельков 2002.
  29. ^ Фелин и др. 2014.
  30. ^ Ханель, Кауфман и Тернер 2007.
  31. ^ Кауфман 2016.
  32. ^ Лонго, Монтевиль и Кауфман 2012.
  33. ^ Кауфман 2014.
  34. ^ Tria, F.; Loreto, V.; Servedio, VDP; Strogatz, SH (июль 2014 г.). "Динамика коррелированных новинок". Scientific Reports . 4 (1): 5890. arXiv : 1310.1953 . Bibcode :2014NatSR...4E5890T. doi :10.1038/srep05890. PMC 5376195 . PMID  25080941. 
  35. ^ 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 . 
  36. 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.
  37. ^ 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. ISBN 978-1-78634-641-4. OCLC  1083673555. S2CID  4882205.

Ссылки

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки