Stuart Kauffman

Stuart Kauffman
Stuart Kauffman in April 2010
Born	(1939-09-28) September 28, 1939 (age 82)
Alma mater	Dartmouth College Oxford University University of California, San Francisco
Known for	NK model, origin of life, gene regulatory networks, adjacent possible, poised realm
Awards	Wiener Medal (1969) Marshall Scholar MacArthur Fellow
Scientific career
Institutions	University of Chicago University of Pennsylvania University of Calgary

Stuart Alan Kauffman (born September 28, 1939) is an American medical doctor, theoretical biologist, and complex systems researcher who studies the origin of life on Earth. He was a professor at the University of Chicago, University of Pennsylvania, and University of Calgary. He is currently emeritus professor of biochemistry at the University of Pennsylvania and affiliate faculty at the Institute for Systems Biology. He has a number of awards including a MacArthur Fellowship and a Wiener Medal.

He is best known for arguing that the complexity of biological systems and organisms might result as much from self-organization and far-from-equilibrium dynamics as from Darwinian natural selection, as discussed in his book Origins of Order (1993). In 1967^[1] and 1969^[2] he used random Boolean networks to investigate generic self-organizing properties of gene regulatory networks, proposing that cell types are dynamical attractors in gene regulatory networks and that cell differentiation can be understood as transitions between attractors. Recent evidence suggests that cell types in humans and other organisms are attractors.^[3][4] In 1971 he suggested that a zygote may not be able to access all the cell type attractors in its gene regulatory network during development and that some of the developmentally inaccessible cell types might be cancer cell types.^[5] This suggested the possibility of "cancer differentiation therapy". He also proposed the self-organized emergence of collectively autocatalytic sets of polymers, specifically peptides, for the origin of molecular reproduction,^[6][7] which have found experimental support.^[8][9]

교육과 초기 경력

카우프만은 1960년 다트머스를 졸업하고 1963년 옥스퍼드대(마샬 스콜라로 재직하던 곳)로부터 BA(Hons)를 받았으며, 1968년 샌프란시스코 캘리포니아 대학에서 의학박사학위(M.D)를 수료했다. 인턴십을 마친 후, 그는 과일파리의 발달 유전학으로 옮겨 1969년부터 1973년까지 시카고 대학교, 1973년부터 1975년까지 국립 암 연구소에서, 그리고 1975년부터 1994년까지 펜실베이니아 대학교에서 약속을 잡고, 생화학 및 생물물리학 교수로 올랐다.

경력

카우프만은 1986년부터 1997년까지 거주하면서 교수로 재직했던 산타페 연구소(복합 시스템 연구에 전념하는 비영리 연구기관)와의 협회와 생물학의 다양한 분야에서 모델에 대한 연구를 통해 알려지게 되었다. 여기에는 생명 연구의 기원에 있는 자기 분석적 집합, 발달 생물학의 유전자 규제 네트워크, 진화 생물학의 피트니스 환경이 포함되었다. 마크 발리벳과 함께 카우프만은 1987년 프랑스에서,^[10] 1989년 영국에서, 그리고 이후 북미에서 처음으로 발행된 결합 화학 및 응용 분자 진화 분야의 광범위한 생명공학 특허를 보유하고 있다.^[11][12]

1996년 에른스트와 영과 함께 카우프만은 복잡한 시스템 방법론을 비즈니스 문제에 적용한 뉴멕시코주 산타페에 본사를 둔 영리기업인 바이오스그룹을 시작했다. 바이오스그룹은 2003년 초 뉴테크솔루션즈가 인수했다. NuTech는 Netezza에 의해 2008년에, 그리고 후에 IBM에 의해 구입되었다.^[13][14][15]

2005년부터 2009년까지 카우프만은 캘거리 대학에서 생물학, 물리학, 천문학 분야의 공동임용식을 가졌다. 그는 또한 캘거리 대학 철학과 부교수였다. 그는 iCORE (Informatics Research Circle of Excellence) 의장이자 바이오콤플렉스와 인포매틱스 연구소 소장이었다. 카우프만은 또한 2009년 초빙교수로 재직하면서 하버드 신학대학에서 과학과 종교 이니셔티브를 시작하는데 도움을 주기 위해 초대되었다.

2009년 1월 카우프만은 신호처리학부 탐페레 공과대학의 핀란드 유공교수(FiDiPro)가 되었다. 그 약속은 2012년 12월에 끝났다. FiDiPro 연구과제의 주제는 단일 분자 수준에서 유전자 발현 데이터를 기반으로 유전자 규제 네트워크의 지연된 확률론적 모델 개발이다.

2010년 1월, 카우프만은 버몬트 대학교 교수진에 입사하여 UVM의 Complex Systems Center에서 2년간 연구를 계속하였다.^[16] 2011년 초부터 2013년 4월까지 카우프만은 생명과학, 시스템 생물학, 의학, 영성, 경제, 법률에 이르기까지 다양한 주제를 가지고 NPR 블로그 13.7, 코스모스와 문화에 정기적으로 기여했다.^[17][17] 그는 또한 아마존닷컴의 정기적인 기부자였다.^[18]

2013년 5월, 그는 워싱턴 시애틀에 있는 시스템 생물학 연구소에 가입했다. 아내의 죽음 이후 카우프만은 트랜스포메이션 의학을 공동 설립했다. 엘리자베스 카우프만 연구소.^[19]

2014년 사물리 니이란렌과 가보르 바테이의 카우프만이 양자 영역과 고전 영역 사이에서 역행적으로 맴도는 명백하게 새로운 "물질의 상태"^[21]인 준비된 영역에 대한 창립특허를^[20] 발급받았다).

2015년에 그는 유엔의 경제 성장을 재고하는 것에 대한 논의를 시작할 수 있도록 돕기 위해 초대되었다.^[22] 비슷한 시기에 그는 테포 펠린 옥스퍼드대 교수와 함께 연구를 했다.^[23]

피트니스 환경

카우프만의 NK 모델은 길이가 $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$인 모든 문자열(예정의 알파벳에서 온 코드)으로 구성된 결합 위상 공간을 정의한다$.$ 이 검색 공간의 각 문자열에는 스칼라 값(피트니스라고 함)이 정의된다. 문자열 사이에 거리 메트릭이 정의되면 결과 구조는 한 폭이다.

Fitness values are defined according to the specific incarnation of the model, but the key feature of the NK model is that the fitness of a given string ${\displaystyle S}$ is the sum of contributions from each locus ${\displaystyle S_{i}}$ in the string:

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

and the contribution from each locus in general depends on the value of ${\displaystyle K}$ other loci:

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

where ${\displaystyle S_{j}^{i}}$ are the other loci upon which the fitness of ${\displaystyle S_{i}}$ depends.

Hence, the fitness function ${\displaystyle f(S_{i},S_{1}^{i},\dots ,S_{K}^{i})}$ is a mapping between strings of length K + 1 and scalars, which Weinberger's later work calls "fitness contributions". Such fitness contributions are often chosen randomly from some specified probability distribution.

In 1991, Weinberger published a detailed analysis^[24] of the case in which ${\displaystyle 1<<k\leq N}$ and the fitness contributions are chosen randomly. His analytical estimate of the number of local optima was later shown to be flawed.^{[citation needed]} However, numerical experiments included in Weinberger's analysis support his analytical result that the expected fitness of a string is normally distributed with a mean of approximately ${\displaystyle \mu +\sigma {\sqrt {{2\ln(k+1)} \over {k+1}}}}$ and a variance of approximately ${\displaystyle {{(k+1)\sigma ^{2}} \over {N[k+1+2(k+2)\ln(k+1)]}}}$.

인정 및 시상

카우프만은 1987-1992년 맥아더 펠로우십을 개최했다. 그는 또한 루바인 대학교에서 명예 과학 학위를 받았다. 1973년 사이버네틱스로 노르베르트 비에너 기념금상, 1990년 로마 아카디아 데이 린시 금상, 2001년 트로터상, 2013년 콤플렉스 시스템즈상 허버트 사이먼상을 수상했다. 그는 2009년에 캐나다 왕립 협회의 회원이 되었다.

작동하다

카우프만은 생물학적 체계와 유기체의 복잡성이 진화생물학의 세 가지 분야, 즉 인구역학, 분자진화, 형태생성에서 다윈의 자연선택에서 비롯되는 것만큼 자기조직화 및 멀리 평형화 역학에서 비롯될 수 있다고 주장하는 것으로 가장 잘 알려져 있다. 분자생물학에 관해서, 카우프만의 구조주의적 접근법은 세포에서 생화학 반응을 일으키는 에너지의 역할을 무시한다는 비판을 받아왔는데, 이는 공정하게 자기분자 분석이라고 할 수 있지만 단순히 자기분자적으로 조직되는 것은 아니다.^[25] 카우프만 지역에서 일하는 생물학자들과 물리학자들은 자기 조직과 진화에 대한 그의 주장에 의문을 제기했다. 대표적인 예가 2001년 저서 '생물학적 시스템에서의 자기 조직화'에 나온 일부 논평이다.^[26] 로저 산솜의 2011년 저서 '기발한 유전자: 유전자 조절 네트워크가 어떻게 발전 제어로 진화하는가'는 카우프만의 유전자 규제 네트워크와 관련한 자기 조직화 모델에 대한 확장된 비판이다.^[27]

물리학의 스핀 글라스 모델에서 차용한 카우프만은 생물학과^[28] 경제학에서 응용 분야를 찾아낸 "N-K" 피트니스 환경을 발명했다.^[29][30] 관련 업무에서, 카우프만과 동료들은 경제 시스템의 미임계, 비판적, 초임계적 행동을 조사했다.^[31]

카우프만의 연구는 그의 생물학적 발견을 정신-신체 문제와 신경과학의 문제들로 해석하고, 양자 일치와 고전성 사이에서 무한히 맴도는 새로운 "포화 영역"의 속성을 제안한다. 그는 이 주제에 대해 그의 논문 "Answearing Descartes: Turing 너머"에 발표했다.^[32] 주세페 롱고, 마엘 몬테빌과 함께 (2012년 1월) 물리학처럼 진화는 "법"이 수반되는 것이 아니라고 주장한 "침투 법칙은 없지만 생물권의 진화에 있어서의 활성화"^[33]를 저술했다.

Kauffman's work is posted on Physics ArXiv, including "Beyond the Stalemate: Mind/Body, Quantum Mechanics, Free Will, Possible Panpsychism, Possible Solution to the Quantum Enigma" (October 2014)^[34] and "Quantum Criticality at the Origin of Life" (February 2015).^[21]

Kauffman has contributed to the emerging field of cumulative technological evolution by introducing a mathematics of the adjacent possible.^[35][36]

He has published over 350 articles and 6 books: The Origins of Order (1993), At Home in the Universe (1995), Investigations (2000), Reinventing the Sacred (2008), Humanity in a Creative Universe (2016), and A World Beyond Physics (2019).

In 2016, Kauffman wrote a children's story, "Patrick, Rupert, Sly & Gus Protocells", a narrative about unprestatable niche creation in the biosphere, which was later produced as a short animated video.^[37]

In 2017, exploring the concept that reality consists of both ontologically real "possibles" (res potentia) and ontologically real "actuals" (res extensa), Kauffman co-authored, with Ruth Kastner and Michael Epperson, "Taking Heisenberg's Potentia Seriously".^[38]

Publications

Selected articles

• Kauffman, S. A.; McCulloch, W. S. (1967). "Random Nets of Formal Genes. Quarterly Progress Report 34". Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology. Cite journal requires journal= (help)
• Kauffman, Stuart (1969). "Metabolic stability and epigenesis in randomly constructed genetic nets". Journal of Theoretical Biology. 22 (3): 437–467. doi:10.1016/0022-5193(69)90015-0. PMID 5803332.
• Kauffman, S. A. (1971a). "Cellular Homeostasis, Epigenesis, and Replication in Randomly Aggregated Macromolecular Systems". Journal of Cybernetics. 1: 71–96. doi:10.1080/01969727108545830.
• Kauffman, S. A. (1971b). "Differentiation of Malignant to Benign Cells". Journal of Theoretical Biology. 31 (3): 429–451. doi:10.1016/0022-5193(71)90020-8. PMID 5556142.
• Kauffman, Stuart (August 1991). "Antichaos and Adaptation" (PDF). Scientific American. 265 (2): 78–84. Bibcode:1991SciAm.265b..78K. doi:10.1038/scientificamerican0891-78. PMID 1862333. Retrieved April 28, 2015.
• Kauffman, S. A.; Johnsen, S (1991). "Co-Evolution to the Edge of Chaos: Coupled Fitness Landscapes, Poised States, and Co-Evolutionary Avalanches" (PDF). Journal of Theoretical Biology. 149 (4): 467–505. CiteSeerX 10.1.1.502.3299. doi:10.1016/s0022-5193(05)80094-3. PMID 2062105.
• Kauffman, Stuart (2004). "Autonomous Agents". In Barrow, John D.; Davies, Paul C. W.; Harper, Charles L. Jr. (eds.). Science and Ultimate Reality: Quantum Theory, Cosmology, and Complexity. Cambridge University Press. ISBN 978-0521831130.
• Kauffman, Stuart (2004). "Prolegomenon to a General Biology". In Dembski, William A.; Ruse, Michael (eds.). Debating Design: From Darwin to DNA. Cambridge University Press. ISBN 978-1139459617.
• Kauffman, Stuart A. (November 12, 2006). "Beyond reductionism: Reinventing The Sacred". Edge.com. Edge Foundation. Retrieved April 28, 2015.
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• Kauffman, Stuart (May 7, 2008). "Why Humanity Needs a God of Creativity". New Scientist. 198 (2655): 52–53. doi:10.1016/s0262-4079(08)61171-9. Retrieved April 28, 2015.
• Nykter, M.; Price, N. D.; Aldana, M.; Ramsey, S. A.; Kauffman, S. A.; Hood, L.; Yli-Harja, O.; Shmulevich, I. (2008). "Gene Expression Dynamics in the Macrophage Exhibit Criticality". Proc Natl Acad Sci USA. 105 (6): 1897–1900. Bibcode:2008PNAS..105.1897N. doi:10.1073/pnas.0711525105. PMC 2538855. PMID 18250330.
• Huang, S.; Hu, L.; Kauffman, S.; Zhang, W.; Shmulevich, I. (2009). "Using cell fate attractors to uncover transcriptional regulation of HL60 neutrophil differentiation". BMC Systems Biology. 3: 20. doi:10.1186/1752-0509-3-20. PMC 2652435. PMID 19222862.
• Huang, S.; Kauffman, S. A. (2009). "Complex Gene Regulatory Networks - from Structure to Biological Observables: Cell Fate Determination". In Meyers, R. A. (ed.). Encyclopedia of Complexity and Systems Science. Springer. ISBN 978-0-387-75888-6.
• Kauffman, S. A. (2011). "Approaches to the Origin of Life on Earth". Life. Vol. 1 no. 1. pp. 34–48. doi:10.3390/life1010034. PMC 4187126. PMID 25382055.
• Longo, G.; Montévil, M.; Kauffman, S. (January 2012). "No entailing laws, but enablement in the evolution of the biosphere". arXiv:1201.2069 [q-bio.OT].
• Kauffman, Stuart; Hill, Colin; Hood, Leroy; Huang, Sui (2014b). "Transforming Medicine: A Manifesto". Scientific American Worldview. Archived from the original on July 13, 2014. Retrieved April 28, 2015.
• Kauffman, Stuart (October 2014). "Beyond the Stalemate: Conscious Mind-Body - Quantum Mechanics - Free Will - Possible Panpsychism - Possible Interpretation of Quantum Enigma". arXiv:1410.2127 [physics.hist-ph].
• Felin, T.; Kauffman, S.; Koppl, R.; Longo, G. (December 2014). "Economic Opportunity and Evolution: Beyond Landscapes and Bounded Rationality" (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. (February 2015). "Quantum Criticality at the Origin of Life". Journal of Physics: Conference Series. 626 (1): 012023. arXiv:1502.06880. Bibcode:2015JPhCS.626a2023V. doi:10.1088/1742-6596/626/1/012023. S2CID 18439451.
• Kauffman, S. (2016). "Answering Descartes: Beyond Turing". In Cooper, S. Barry; Hodges, Andrew (eds.). The Once and Future Turing. Cambridge University Press.

Books

• Kauffman, Stuart (1993). The Origins of Order: Self Organization and Selection in Evolution. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-507951-7.
• Kauffman, Stuart (1995). At Home in the Universe: The Search for Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford University Press. ISBN 978-0195111309.
• Kauffman, Stuart (2000). Investigations. Oxford University Press. ISBN 978-0199728947.
• Kauffman, Stuart (2008). Reinventing the Sacred: A New View of Science, Reason, and Religion. Basic Books. ISBN 978-0-465-00300-6.
• Kauffman, Stuart (2016). Humanity in a Creative Universe. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-939045-8.
• Kauffman, Stuart (2019). A World Beyond Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-087133-8.

Notes

References

• Chialvo, D. R. (2013). "Critical Brain Dynamics at Large Scale". In Plenz D.; Niebur, E.; Schuster H. G. (eds.). Criticality in Neural Systems. 1. Wiley. ISBN 978-3-527-41104-7.
• Dadon, Z.; Wagner, N.; Ashkenasy, G. (2008). "The Road to Non-Enzymatic Molecular Networks". 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). "Reaction Networks. Wagner and Askkenazy's (2008) results demonstrate that molecular replication need not be based on DNA or RNA template replication, still the dominate view for the origin of life". In Gale, P. A.; Steed J. W. (eds.). Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials. John Wiley and Sons, Ltd. ISBN 978-0-470-74640-0.
• Rivkin, J. W.; Siggelkow, N. (May–June 2002). "Organizational Sticking Points on NK Landscapes". Complexity. 7 (5): 31–43. Bibcode:2002Cmplx...7e..31R. doi:10.1002/cplx.10037. Retrieved April 28, 2015.

Further reading

• Di Bernardo, Mirko (2011). I sentieri evolutivi della complessità biologica nell'opera di S. A. Kauffman (in Italian). Milano: Mimesis. ISBN 978-8857504131.
• Goldstein, Jeffrey A. (2008). "Book Review of Reinventing the Sacred: A New View of Science, Reason, and Religion, by Stuart Kauffman". Emergence: Complexity & Organization. 10 (3): 117–130.
• Horgan, John (February 4, 2015). "Seeker Stuart Kauffman on Free Will, God, ESP and Other Mysteries". Scientific American. Retrieved April 28, 2015.
• MacKenzie, Dana (February 2002). "The Science of Surprise". Discover. 23 (2): 59–63.
• Rizzo, Francesco (2017). "Kauffman lettore di Wittgenstein" (in Italian). Palermo: Università degli studi di Palermo. Cite journal requires journal= (help)

External links

Wikiquote has quotations related to: Stuart Kauffman

• Paulson, Steve (November 9, 2008). "God Enough". Salon. Retrieved April 28, 2015.
• "Thinker of Untold Dreams: A Portrait of Stuart Kauffman". Vimeo.
• Archived at Ghostarchive and the Wayback Machine: "The Shape of History". YouTube. A talk at the New England Complex Systems Institute, January 28, 2019.