Стюарт Кауфман

Стюарт Кауфман
Стюарт Кауфман в апреле 2010 года
Рожденный	( 1939-09-28 ) 28 сентября 1939 г.
Альма-матер	Дартмутский колледж Оксфордский университет Калифорнийский университет, Сан-Франциско
Известный	NK-модель , происхождение жизни , генные регуляторные сети , возможное соседство, сбалансированная сфера
Награды	Медаль Винера (1969) Ученый Маршалла Товарищ Макартура
Научная карьера
Учреждения	Чикагский университет Пенсильванский университет Университет Калгари

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

Он 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 , как обсуждается в его книге «Происхождение порядка» (1993). В 1967 году и 1969 г. он использовал случайные логические сети для исследования общих свойств самоорганизации сетей регуляции генов, предположив, что типы клеток являются динамическими аттракторами в сетях регуляции генов и что дифференцировку клеток можно понимать как переходы между аттракторами. Последние данные свидетельствуют о том, что типы клеток у людей и других организмов являются аттракторами. В 1971 году он предположил, что зигота может быть не в состоянии получить доступ ко всем аттракторам клеточных типов в своей генной регуляторной сети во время развития и что некоторые из недоступных для развития типов клеток могут быть типами раковых клеток. Это предполагало возможность «терапии дифференциации рака». самоорганизованное возникновение коллективно автокаталитических наборов полимеров пептидов , в частности Он также предположил , для возникновения молекулярного воспроизводства. которые нашли экспериментальное подтверждение.

карьеры

Кауфман окончил Дартмут в 1960 году, получил степень бакалавра (с отличием) Оксфордского университета (где он был стипендиатом Маршалла ) в 1963 году и получил медицинскую степень (MD) в Калифорнийском университете в Сан-Франциско в 1968 году. В ходе стажировки он занялся генетикой развития плодовых мух, занимая должности сначала 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 профессор биохимии и биофизики .

Карьера

Кауфман стал известен благодаря сотрудничеству с Институтом Санта-Фе (некоммерческим исследовательским институтом, занимающимся изучением сложных систем ), где он работал преподавателем с 1986 по 1997 год, а также благодаря своей работе над моделями в различных областях биологии . К ним относятся автокаталитические наборы в исследованиях происхождения жизни , сети регуляции генов в биологии развития и ландшафты приспособленности в эволюционной биологии . Вместе с Марком Балливе Кауфман владеет основополагающими биотехнологическими патентами в области комбинаторной химии и прикладной молекулярной эволюции , впервые выданными во Франции в 1987 году. в Англии в 1989 году, а затем в Северной Америке.

В 1996 году вместе с Ernst and Young Кауфман основал BiosGroup , Санта-Фе , штат Нью-Мексико коммерческую компанию из , которая применяла методологию сложных систем для решения бизнес-задач. BiosGroup была приобретена NuTech Solutions в начале 2003 года. NuTech была куплена Netezza в 2008 году, а затем IBM.

С 2005 по 2009 год Кауфман занимал совместную должность в Университете Калгари в области биологических наук, физики и астрономии. Он также был адъюнкт-профессором кафедры философии Университета Калгари . Он был председателем iCORE (кружок передовых исследований в области информатики) и директором Института биокомплексности и информатики. Кауфмана также пригласили помочь запустить инициативу «Наука и религия» в Гарвардской школе богословия ; работал приглашенным профессором в 2009 году.

В январе 2009 года Кауфман стал заслуженным профессором Финляндии (FiDiPro) Технологического университета Тампере , кафедра 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 поступил на факультет Университета Вермонта , где в течение двух лет продолжал свою работу в Центре сложных систем UVM. С начала 2011 года по апрель 2013 года Кауфман регулярно писал статьи в блоге NPR 13.7 «Космос и культура». Темы варьируются от наук о жизни, системной биологии и медицины до духовности, экономики и права.

В мае 2013 года он присоединился к Институту системной биологии в Сиэтле, штат Вашингтон. После смерти жены Кауфман стал сооснователем Трансформирующей медицины: Института Элизабет Кауфман.

В 2014 году Кауфману вместе с Самули Ниираненом и Габором Ваттаем был выдан основополагающий патент. в уравновешенном мире (см. ниже), очевидно, новом «состоянии материи», обратимо колеблющемся между квантовым и классическим мирами.

В 2015 году его пригласили помочь инициировать общую дискуссию по переосмыслению экономического роста в Организации Объединенных Наций . Примерно в то же время он проводил исследования вместе с Оксфордского университета профессором Теппо Фелином .

Фитнес-пейзажи

Визуализация двух измерений фитнес-ландшафта НК. Стрелки обозначают различные мутационные пути, по которым может следовать популяция, развиваясь в сфере фитнеса.

Основная статья: Фитнес-ландшафт

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

Значения пригодности определяются в соответствии с конкретным воплощением модели, но ключевой особенностью модели NK является то, что пригодность данной строки $S$ представляет собой сумму вкладов от каждого локуса $S_{i}$ в строке:

$F(S)=\sum _{i}f(S_{i}),$

а вклад каждого локуса в целом зависит от значения $K$ другие локусы:

$f(S_{i})=f(S_{i},S_{1}^{i},\dots ,S_{K}^{i}),\,$

где $S_{j}^{i}$ являются другими локусами, относительно которых приспособленность $S_{i}$ зависит от.

Следовательно, функция приспособленности $f(S_{i},S_{1}^{i},\dots ,S_{K}^{i})$ представляет собой отображение между строками длины K + 1 и скалярами, которое в более поздней работе Вайнбергера названо «вкладом пригодности». Такие вклады приспособленности часто выбираются случайным образом из некоторого заданного распределения вероятностей.

В 1991 году Вайнбергер опубликовал подробный анализ. случая, в котором $1<<k\leq N$ и вклады приспособленности выбираются случайным образом. Позже выяснилось, что его аналитическая оценка числа локальных оптимумов ошибочна. Однако численные эксперименты, включенные в анализ Вайнбергера, подтверждают его аналитический результат о том, что ожидаемая пригодность струны обычно распределяется со средним значением примерно $\mu +\sigma {\sqrt {{2\ln(k+1)} \over {k+1}}}$и дисперсия примерно ${{(k+1)\sigma ^{2}} \over {N[k+1+2(k+2)\ln(k+1)]}}$.

Признание и награды

В период с 1987 по 1992 год Кауфман был стипендиатом Макартура. Он также имеет почетную степень в области естественных наук Лувенского университета (1997); Он был награжден золотой медалью Мемориала Норберта Винера за кибернетику в 1973 году, золотой медалью Академии 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 Член Королевского общества Канады в 2009 году.

Работает

Кауфман наиболее известен тем, что утверждает, что сложность биологических систем и организмов может быть результатом как самоорганизации и динамики, далекой от равновесия, так и дарвиновского естественного отбора в трех областях эволюционной биологии , а именно динамике популяций , молекулярной эволюции и морфогенезе. . Что касается молекулярной биологии, структуралистский подход Кауфмана подвергался критике за игнорирование роли энергии в запуске биохимических реакций в клетках, которые справедливо можно назвать самокатализирующими , но которые не просто самоорганизуются. Некоторые биологи и физики, работающие в области Кауфмана, подвергли сомнению его утверждения о самоорганизации и эволюции. В качестве примера можно привести некоторые комментарии в книге 2001 года « Самоорганизация в биологических системах» . Книга Роджера Сэнсома 2011 года « Гениальные гены: как сети регуляции генов развиваются, чтобы контролировать развитие» представляет собой расширенную критику модели самоорганизации Кауфмана в отношении сетей регуляции генов.

Заимствуя модели спинового стекла в физике, Кауфман изобрел фитнес-ландшафты «НК», которые нашли применение в биологии. и экономика. В соответствующей работе Кауфман и его коллеги исследовали докритическое, критическое и сверхкритическое поведение в экономических системах.

Работа Кауфмана переносит его биологические открытия на проблему разума и тела и проблемы нейробиологии, предлагая атрибуты нового «стабилизированного мира», который бесконечно колеблется между квантовой когерентностью и классичностью . Он опубликовал эту тему в своей статье «Ответ Декарту: за пределами Тьюринга». Вместе с Джузеппе Лонго и Маэлем Монтевилем он написал (январь 2012 г.) «Нет вытекающих из этого законов, но есть возможность эволюции биосферы». который утверждал, что эволюция не является «закономерной», как физика.

Работа Кауфмана размещена на сайте Physics ArXiv , в том числе «За гранью тупика: разум/тело, квантовая механика, свобода воли, возможный панпсихизм, возможное решение квантовой загадки» (октябрь 2014 г.). и «Квантовая критичность в происхождении жизни» (февраль 2015 г.).

Кауфман внес вклад в развивающуюся область кумулятивной технологической эволюции, представив математику смежных возможностей .

Он опубликовал более 350 статей и 6 книг: «Происхождение порядка» (1993 г.), «Дома во Вселенной» (1995 г.), «Исследования» (2000 г.), «Изобретение сакрального заново» (2008 г.), «Человечество в творческой вселенной (2016 г.) » Мир за пределами физики (2019).

В 2016 году Кауфман написал детскую сказку «Протоклетки Патрика, Руперта, Слая и Гаса», рассказ о создании невероятных ниш в биосфере, который позже был выпущен в виде короткого анимационного видеоролика.

В 2017 году, исследуя концепцию, согласно которой реальность состоит как из онтологически реальных «возможностей» (res potentia), так и из онтологически реальных «фактов» (res extensa), Кауфман вместе с Рут Кастнер и Майклом Эпперсоном написал в соавторстве с Рут Кастнер и Майклом Эпперсоном книгу «Принимая потенциал Гейзенберга серьезно».

Публикации

Избранные статьи

• Кауфман, SA; Маккалок, WS (1967). Случайные сети формальных генов (Технический отчет). Квартальный отчет о проделанной работе 34. Кембридж, Массачусетс: Исследовательская лаборатория электроники, Массачусетский технологический институт.
• Кауфман, Стюарт (1969). «Метаболическая стабильность и эпигенез в случайно построенных генетических сетях». Журнал теоретической биологии . 22 (3): 437–467. Бибкод : 1969JThBi..22..437K . дои : 10.1016/0022-5193(69)90015-0 . ПМИД   5803332 .
• Кауфман, С.А. (1971a). «Клеточный гомеостаз, эпигенез и репликация в случайно агрегированных макромолекулярных системах». Журнал кибернетики . 1 (1): 71–96. дои : 10.1080/01969727108545830 .
• Кауфман, С.А. (1971b). «Дифференциация злокачественных клеток в доброкачественные». Журнал теоретической биологии . 31 (3): 429–451. Бибкод : 1971JThBi..31..429K . дои : 10.1016/0022-5193(71)90020-8 . ПМИД   5556142 .
• Кауфман, Стюарт (август 1991 г.). «Антихаос и адаптация» (PDF) . Научный американец . 265 (2): 78–84. Бибкод : 1991SciAm.265b..78K . doi : 10.1038/scientificamerican0891-78 . ПМИД   1862333 . Проверено 28 апреля 2015 г.
• Кауфман, SA; Джонсен, С. (1991). «Коэволюция на грани хаоса: связанные ландшафты фитнеса, сбалансированные состояния и коэволюционные лавины» (PDF) . Журнал теоретической биологии . 149 (4): 467–505. Бибкод : 1991JThBi.149..467K . CiteSeerX   10.1.1.502.3299 . дои : 10.1016/s0022-5193(05)80094-3 . ПМИД   2062105 .
• Кауфман, Стюарт (2004). «Автономные агенты». В Барроу, Джон Д .; Дэвис, Пол CW ; Харпер, Чарльз Л. младший (ред.). Наука и высшая реальность: квантовая теория, космология и сложность . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521831130 .
• Кауфман, Стюарт (2004). «Пролегомен к общей биологии». В Дембски, Уильям А .; Русе, Майкл (ред.). Дебаты о дизайне: от Дарвина к ДНК . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1139459617 .
• Кауфман, Стюарт А. (12 ноября 2006 г.). «За пределами редукционизма: заново изобретая священное» . Edge.com . Фонд Края . Проверено 28 апреля 2015 г.
• Ханель, Р.; Кауфман, SA; Тернер, С. (2007). «На пути к физике эволюции: критическая динамика разнообразия на грани краха и всплесков диверсификации». Физический обзор E . 76 (3): 036110. Бибкод : 2007PhRvE..76c6110H . дои : 10.1103/physreve.76.036110 . ПМИД   17930309 .
• Кауфман, Стюарт (7 мая 2008 г.). «Почему человечеству нужен Бог творчества» . Новый учёный . 198 (2655): 52–53. дои : 10.1016/s0262-4079(08)61171-9 . Проверено 28 апреля 2015 г.
• Никтер, М.; Цена, без даты; Алдана, М.; Рэмси, ЮАР; Кауфман, SA; Худ, Л.; Юли-Харья, О.; Шмулевич И. (2008). «Динамика экспрессии генов в критическом состоянии макрофагов» . Proc Natl Acad Sci США . 105 (6): 1897–1900. Бибкод : 2008PNAS..105.1897N . дои : 10.1073/pnas.0711525105 . ПМЦ   2538855 . ПМИД   18250330 .
• Хуанг, С.; Ху, Л.; Кауфман, С.; Чжан, В.; Шмулевич И. (2009). «Использование аттракторов клеточных судеб для выявления транскрипционной регуляции дифференцировки нейтрофилов HL60» . Системная биология BMC . 3 (1): 20. дои : 10.1186/1752-0509-3-20 . ПМЦ   2652435 . ПМИД   19222862 .
• Хуанг, С.; Кауфман, С.А. (2009). «Сложные сети регуляции генов - от структуры к биологическим наблюдениям: определение судьбы клеток». В Мейерсе, Р.А. (ред.). Энциклопедия сложности и системных наук . Спрингер. ISBN  978-0-387-75888-6 .
• Кауфман, С.А. (2011). «Подходы к происхождению жизни на Земле» . Жизнь . 1 (1): 34–48. Бибкод : 2011Жизнь....1...34К . дои : 10.3390/life1010034 . ПМК   4187126 . ПМИД   25382055 .
• Лонго, Г.; Монтевиль, М.; Кауфман, С. (январь 2012 г.). «Нет законов, влекущих за собой, но есть возможность эволюции биосферы». arXiv : 1201.2069 [ q-bio.OT ].
• Кауфман, Стюарт; Хилл, Колин; Худ, Лерой; Хуан, Суй (2014b). «Трансформация медицины: манифест» . Научное американское мировоззрение . Архивировано из оригинала 13 июля 2014 года . Проверено 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 [ physical.hist-ph ].
• Фелин, Т.; Кауфман, С.; Коппл, Р.; Лонго, Г. (декабрь 2014 г.). «Экономические возможности и эволюция: за пределами ландшафтов и ограниченной рациональности» (PDF) . Журнал стратегического предпринимательства . 8 (4): 269–282. дои : 10.1002/sej.1184 . ССНН   2197512 .
• Ваттай, Г.; Салахуб, Д.; Цайбай, И.; Насми, А.; Кауфман, С. (февраль 2015 г.). «Квантовая критичность в происхождении жизни». Физический журнал: серия конференций . 626 (1): 012023.arXiv : 1502.06880 . Бибкод : 2015JPhCS.626a2023V . дои : 10.1088/1742-6596/626/1/012023 . S2CID   18439451 .
• Кауфман, С. (2016). «Отвечая Декарту: за пределами Тьюринга». В Купере, С. Барри ; Ходжес, Эндрю (ред.). Тьюринг «Прошлое и будущее» . Издательство Кембриджского университета.

Книги

• Кауфман, Стюарт (1993). Истоки порядка: самоорганизация и отбор в эволюции . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-507951-7 .
• Кауфман, Стюарт (1995). Дома во Вселенной: поиск законов самоорганизации и сложности . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0195111309 .
• Кауфман, Стюарт (2000). Расследования . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0199728947 .
• Кауфман, Стюарт (2008). Новое изобретение священного: новый взгляд на науку, разум и религию . Основные книги. ISBN  978-0-465-00300-6 .
• Кауфман, Стюарт (2016). Человечество в творческой Вселенной . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-939045-8 .
• Кауфман, Стюарт (2019). Мир за пределами физики . Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-087133-8 .

Ссылки

• Чиалво, Д.Р. (2013). «Критическая динамика мозга в большом масштабе». В Пленце Д.; Нибур, Э.; Шустер Х.Г. (ред.). Критичность в нейронных системах . Том. 1. Уайли. ISBN  978-3-527-41104-7 .
• Дадон, З.; Вагнер, Н.; Ашкенаси, Г. (2008). «Дорога к неферментативным молекулярным сетям». Энджью. хим. Межд. Эд . 47 (33): 6128–6136. дои : 10.1002/anie.200702552 . ПМИД   18613152 .
• Дадон, З.; Вагнер, Н.; Коэн-Лурия, Р.; Ашкенаси, Г. (2012). «Сети реакций. Результаты Вагнера и Асккенази (2008) демонстрируют, что молекулярная репликация не обязательно должна быть основана на репликации матрицы ДНК или РНК, что по-прежнему является доминирующей точкой зрения на происхождение жизни». В Гейле, Пенсильвания; Стид Дж.В. (ред.). Супрамолекулярная химия: от молекул к наноматериалам . Джон Уайли и сыновья, Ltd. ISBN  978-0-470-74640-0 .
• Ривкин, Дж.В.; Сиггелькоу, Н. (май – июнь 2002 г.). «Организационные проблемы в ландшафтах НК» . Сложность . 7 (5): 31–43. Бибкод : 2002Cmplx...7e..31R . дои : 10.1002/cplx.10037 . Проверено 28 апреля 2015 г.

Дальнейшее чтение

• Ди Бернардо, Мирко (2011). Эволюционные пути биологической сложности в работах С. А. Кауфмана (на итальянском языке). Милан: Мимесис. ISBN  978-8857504131 .
• Гольдштейн, Джеффри А. (2008). «Рецензия на книгу «Изобретение 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 Кауфман о свободе воли, Боге, экстрасенсорном восприятии и других тайнах» . Научный американец . Проверено 28 апреля 2015 г.
• Маккензи, Дана (февраль 2002 г.). «Наука сюрпризов» . Обнаружить . 23 (2): 59–63.
• Риццо, Франческо (2017). «Кауфман-читатель Витгенштейна» (на итальянском языке). Палермо: Университет Палермо. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

• Полсон, Стив (9 ноября 2008 г.). «Хватит бога» . Салон . Проверено 28 апреля 2015 г.
• «Мыслитель нерассказанных мечтаний: Портрет Стюарта Кауфмана» . Вимео .
• Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «Образ истории» . Ютуб . Выступление в Институте сложных систем Новой Англии, 28 января 2019 г.