Towards a statistical physics of major evolutionary transitions: information, thermodynamics and ecology at the mathematical foundations of evolution

• Autores: Jordi Piñero Fernandez
• Directores de la Tesis: Ricard Vicente Sole (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Pompeu Fabra ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jordi García-Ojalvo (presid.), Bernat Corominas Murtra (secret.), Stuart Kauffman (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Mecánica
      • Mecánica de sólidos
    • Termodinámica
  • Ciencias de la vida
    • Biofísica
  • Ciencias agrarias
    • Peces y fauna silvestre
      • Dinámica de las poblaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen
  • español

    Esta tesis tiene como objetivo establecer las bases para una teoría de la física estadística de las grandes transiciones evolutivas. Su estructura consta de tres pilares fundamentales: (1) la termodinámica de sistemas fuera del equilibrio en combinación con la teoría de la información, (2) los procesos estocásticos en ecosistemas cooperadores y (3) los sistemas cognitivos a partir de su descripción como sistemas desordenados.

    Se procede a argumentar el por qué de la necesidad de unificar dichos pilares y cómo éstos condicionan la emergencia de las grandes transiciones evolutivas (como el origen de la vida, o de los sistemas eusociales como las colonias de insectos). A través de un análisis termodinámico, se derivan los umbrales de producción entrópica de los replicadores primitivos y se establece un límite universal para la capacidad de extracción de energía aplicable a cualquier sistema molecular fuera del equilibrio. Se estudian los efectos de la estocasticidad en ecosistemas de cooperadores neutros y se demuestra la emergencia de estructuras de ensamblaje de sistemas independientes de fuerzas selectivas. Finalmente, se introduce el morfoespacio de posibles arquitecturas cognitivas y se propone una conjetura unificadora para estos sistemas.

  • català

    Aquesta tesi té com a objectiu establir les bases per una teoria de la física estadística de les grans transicions evolutives. La seva estructura consta de tres pilars bàsics: la termodinàmica de fora de l'equilibri i la teoria de la informació, els processos estocàstics en els ecosistemes de cooperadors, i els sistemes cognitius vistos des de la perspectiva de la física estadística. S'argumenta per què aquests pilars condicionen i limiten l'emergència de les grans transicions evolutives. A través d'una anàlisi termodinàmica, es deriven els llindars de producció d'entropia dels replicadors primitius i s'estableix un límit universal a la capacitat d'extracció d'energia aplicable a qualsevol sistema molecular. S'estudien els efectes de l'estocasticitat en ecosistemes de cooperadors neutres i se'n demostra l'emergència d'estructures d'assemblatge de sistema independents de forces selectives. S'introdueix el morfoespai de possibles arquitectures cognitives i es proposa una conjectura unificadora per aquests sistemes.

  • English

    This thesis aims at establishing the basis for a statistical physics theory of major evolutionary transitions. Its structure is based on three major pillars: nonequilibrium thermodynamics and information theory, stochastic processes and cooperator ecosystems, and cognitive systems from a statistical physics perspective. We argue how each of these pillars bound and condition the emergence of major evolutionary transitions. Through a thermodynamic based analysis, we derive bounds on entropy production for primordial replicators and a universal bound on energy harvesting applicable to any molecular system. We study the effects of stochasticity in neutral cooperative ecosystems and arrive at system assembly structures that emerge independently from selective forces. We introduce a morphospace of possible cognitive architectures and propose a unifying conjecture for all such systems.