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

Abstract

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.

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.