Η Πληροφορική Θεωρία της Ζωής

Υπάρχουν λίγα μεγαλύτερα - ή δυσκολότερα - ερωτήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν στην επιστήμη από το ερώτημα πώς προέκυψε η ζωή. Δεν ήμασταν εκεί όταν συνέβη, φυσικά, και εκτός από το γεγονός ότι η ζωή υπάρχει, δεν υπάρχουν στοιχεία που να υποδηλώνουν ότι η ζωή μπορεί να προέλθει από οτιδήποτε άλλο εκτός από την προηγούμενη ζωή. Πράγμα που παρουσιάζει ένα δίλημμα.

Ο Christoph Adami δεν ξέρει πώς ξεκίνησε η ζωή, αλλά ξέρει πολλά άλλα πράγματα. Η κύρια εξειδίκευσή του είναι στη θεωρία πληροφοριών, έναν κλάδο των εφαρμοσμένων μαθηματικών που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1940 για την κατανόηση των μεταδόσεων πληροφοριών μέσω καλωδίου. Έκτοτε, το πεδίο βρήκε ευρεία εφαρμογή και λίγοι ερευνητές έχουν κάνει περισσότερα από τον Adami, ο οποίος είναι καθηγητής φυσικής και αστρονομίας, καθώς και μικροβιολογίας και μοριακής γενετικής στο Michigan State University. Παίρνει την αναλυτική προοπτική που παρέχεται από τη θεωρία της πληροφορίας και τη μεταμοσχεύει σε ένα μεγάλο φάσμα επιστημονικών κλάδων, όπως η μικροβιολογία, η γενετική, η φυσική, η αστρονομία και οι νευροεπιστήμες. Τον τελευταίο καιρό, το χρησιμοποιεί για να ανοίξει ένα στατιστικό παράθυρο για τις συνθήκες που θα μπορούσαν να υπήρχαν τη στιγμή που η ζωή μπήκε για πρώτη φορά στη θέση του.

Για να το κάνει αυτό, ξεκινά με ένα νοητικό άλμα:Η ζωή, υποστηρίζει, δεν πρέπει να θεωρείται ως ένα χημικό γεγονός. Αντίθετα, θα πρέπει να θεωρείται ως πληροφορία. Η αλλαγή της προοπτικής παρέχει έναν τακτοποιημένο τρόπο για να αρχίσετε να αντιμετωπίζετε μια ακατάστατη ερώτηση. Στην ακόλουθη συνέντευξη, ο Adami ορίζει την πληροφορία ως «την ικανότητα να κάνεις προβλέψεις με πιθανότητα καλύτερη από την τύχη» και λέει ότι πρέπει να σκεφτούμε το ανθρώπινο γονιδίωμα - ή το γονιδίωμα οποιουδήποτε οργανισμού - ως μια αποθήκη πληροφοριών για τον κόσμο που συλλέγονται σε μικρά κομμάτια με την πάροδο του χρόνου μέσω της διαδικασίας της εξέλιξης. Το αποθετήριο περιλαμβάνει πληροφορίες για όλα όσα θα μπορούσαμε ενδεχομένως να χρειαστεί να γνωρίζουμε, όπως πώς να μετατρέψετε τη ζάχαρη σε ενέργεια, πώς να αποφύγετε ένα αρπακτικό στη σαβάνα και, το πιο κρίσιμο για την εξέλιξη, πώς να αναπαράγετε ή να αυτοαναπαραχθείτε.

Αυτή η επανεννοιολόγηση δεν επιλύει από μόνη της το ζήτημα του πώς ξεκίνησε η ζωή, αλλά παρέχει ένα πλαίσιο στο οποίο μπορούμε να αρχίσουμε να υπολογίζουμε τις πιθανότητες ανάπτυξης της ζωής εξαρχής. Ο Adami εξηγεί ότι προϋπόθεση για την πληροφόρηση είναι η ύπαρξη ενός αλφαβήτου, ενός συνόλου κομματιών που, όταν συναρμολογούνται με τη σωστή σειρά, εκφράζουν κάτι ουσιαστικό. Κανείς δεν ξέρει ποιο ήταν αυτό το αλφάβητο τη στιγμή που τα άψυχα μόρια συζεύχθηκαν για να παράγουν τα πρώτα κομμάτια πληροφοριών. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία της πληροφορίας, ωστόσο, ο Adami προσπαθεί να βοηθήσει τους χημικούς να σκεφτούν την κατανομή των μορίων που θα έπρεπε να υπήρχαν στην αρχή, προκειμένου να καταστήσει έστω και στατιστικά εύλογο να προκύψει ζωή κατά τύχη.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τον Άνταμι για το τι έχει να πει η θεωρία πληροφοριών για την προέλευση της ζωής. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική εκδοχή της συνέντευξης.

QUANTA MAGAZINE:Πώς μας βοηθά η έννοια της πληροφορίας να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί η ζωή;

ΧΡΙΣΤΟΦ ΑΔΑΜΗ:Η πληροφορία είναι το νόμισμα της ζωής. Ένας ορισμός της πληροφορίας είναι η ικανότητα να κάνουμε προβλέψεις με πιθανότητα καλύτερη από την τύχη. Αυτό πρέπει να μπορεί να κάνει οποιοσδήποτε ζωντανός οργανισμός, γιατί αν μπορείτε να το κάνετε αυτό, επιβιώνετε με υψηλότερο ρυθμό. [Οι κατώτεροι οργανισμοί] κάνουν προβλέψεις ότι υπάρχει άνθρακας, νερό και ζάχαρη. Οι ανώτεροι οργανισμοί κάνουν προβλέψεις σχετικά με, για παράδειγμα, εάν ένας οργανισμός σας κυνηγάει και θέλετε να ξεφύγετε. Το DNA μας είναι μια εγκυκλοπαίδεια για τον κόσμο στον οποίο ζούμε και πώς να επιβιώσουμε σε αυτόν.

Σκεφτείτε την εξέλιξη ως μια διαδικασία όπου οι πληροφορίες ρέουν από το περιβάλλον στο γονιδίωμα. Το γονιδίωμα μαθαίνει περισσότερα για το περιβάλλον και με αυτές τις πληροφορίες, το γονιδίωμα μπορεί να κάνει προβλέψεις για την κατάσταση του περιβάλλοντος.

Αν το γονιδίωμα είναι μια αντανάκλαση του κόσμου, αυτό δεν καθιστά συγκεκριμένο το πλαίσιο πληροφοριών;

Οι πληροφορίες σε μια ακολουθία πρέπει να ερμηνεύονται στο περιβάλλον τους. Το DNA σας δεν σημαίνει τίποτα στον Άρη ή υποβρύχιο, επειδή το υποβρύχιο δεν είναι το μέρος που ζείτε. Μια ακολουθία είναι πληροφορίες στο πλαίσιο. Η ακολουθία ενός ιού στο περιβάλλον του - ο ξενιστής του - έχει αρκετές πληροφορίες για αναπαραγωγή, επειδή μπορεί να εκμεταλλευτεί το περιβάλλον του.

Τι συμβαίνει όταν αλλάζει το περιβάλλον;

Το πρώτο πράγμα που συμβαίνει είναι ότι τα πράγματα που ήταν πληροφορίες για το περιβάλλον δεν είναι πλέον πληροφορίες. Η κατακλυσμική αλλαγή σημαίνει ότι ο όγκος των πληροφοριών που έχετε για το περιβάλλον μπορεί να έχει μειωθεί. Και επειδή η πληροφορία είναι το νόμισμα της ζωής, ξαφνικά δεν είσαι πια τόσο σε φόρμα. Αυτό συνέβη με τους δεινόσαυρους.

Μόλις αρχίσετε να σκέφτεστε τη ζωή ως πληροφορία, πώς αλλάζει ο τρόπος που σκέφτεστε για τις συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να έχει προκύψει η ζωή;

Η ζωή είναι πληροφορίες που αποθηκεύονται σε μια συμβολική γλώσσα. Είναι αυτοαναφορικό, το οποίο είναι απαραίτητο επειδή οποιαδήποτε πληροφορία είναι σπάνια και ο μόνος τρόπος για να σταματήσετε να είναι σπάνια είναι αντιγράφοντας την ακολουθία με οδηγίες που δίνονται μέσα στην ακολουθία. Το μυστικό όλης της ζωής είναι ότι μέσω της διαδικασίας αντιγραφής, παίρνουμε κάτι που είναι εξαιρετικά σπάνιο και το κάνουμε εξαιρετικά άφθονο.

David Kaplan, Petr Stepanek και Ryan Griffin για το Quanta Magazine. μουσική Kai Engel

Βίντεο: Ο David Kaplan διερευνά τις κορυφαίες θεωρίες για την προέλευση της ζωής στον πλανήτη μας.

Αλλά από πού προήλθε αυτό το πρώτο κομμάτι αυτοαναφορικών πληροφοριών;

Γνωρίζουμε φυσικά ότι όλη η ζωή στη Γη έχει τεράστιες ποσότητες πληροφοριών που προέρχονται από την εξέλιξη, η οποία επιτρέπει στις πληροφορίες να αναπτύσσονται αργά. Πριν από την εξέλιξη, δεν θα μπορούσατε να έχετε αυτή τη διαδικασία. Κατά συνέπεια, η πρώτη πληροφορία πρέπει να έχει προκύψει τυχαία.

Μεγάλο μέρος της δουλειάς σας ήταν να υπολογίσετε ακριβώς αυτή την πιθανότητα, ότι η ζωή θα είχε προκύψει τυχαία.

Από τη μια πλευρά, το πρόβλημα είναι εύκολο. από την άλλη, είναι δύσκολο. Δεν ξέρουμε ποια ήταν αυτή η συμβολική γλώσσα στην αρχή της ζωής. Θα μπορούσε να ήταν RNA ή οποιοδήποτε άλλο σύνολο μορίων. Αλλά πρέπει να ήταν αλφάβητο. Το εύκολο μέρος είναι να ρωτάς απλά ποια είναι η πιθανότητα ζωής, δεδομένου ότι δεν γνωρίζεις καθόλου την κατανομή των γραμμάτων του αλφαβήτου. Με άλλα λόγια, κάθε γράμμα του αλφαβήτου είναι στη διάθεσή σας με την ίδια συχνότητα.

Το ισοδύναμο αυτού είναι, ας πούμε, ότι αντί να ψάχνουμε για μια αυτοαναπαραγόμενη [μορφή ζωής], ψάχνουμε για μια αγγλική λέξη. Πάρτε τη λέξη «προέλευση». Αν πληκτρολογήσω γράμματα τυχαία, πόσο πιθανό είναι να πληκτρολογήσω "origins"; Είναι ένα στα 10 δισεκατομμύρια.

Ακόμα και οι απλές λέξεις είναι πολύ σπάνιες. Στη συνέχεια, μπορείτε να κάνετε έναν υπολογισμό:Πόσο πιθανό θα ήταν να λάβετε 100 bit πληροφοριών τυχαία; Γρήγορα γίνεται τόσο απίθανο ότι σε ένα πεπερασμένο σύμπαν, η πιθανότητα είναι ουσιαστικά μηδενική.

Αλλά δεν υπάρχει λόγος να υποθέσουμε ότι κάθε γράμμα του αλφαβήτου ήταν παρόν σε ίση αναλογία όταν ξεκίνησε η ζωή. Θα μπορούσε το κατάστρωμα να είχε στοιβαχτεί;

Τα γράμματα του αλφαβήτου, τα μονομερή της υποθετικής αρχέγονης χημείας, δεν εμφανίζονται με την ίδια συχνότητα. Ο ρυθμός με τον οποίο εμφανίζονται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις τοπικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία, η πίεση και τα επίπεδα οξύτητας.

Kristen Norman για το Quanta Magazine

Βίντεο: Ο Christoph Adami εξηγεί πώς η θεωρία της πληροφορίας μπορεί να εξηγήσει την επιμονή της ζωής.

Πώς επηρεάζει αυτό την πιθανότητα να προκύψει ζωή;

Τι γίνεται αν η κατανομή πιθανοτήτων των γραμμάτων είναι προκατειλημμένη, επομένως ορισμένα γράμματα είναι πιο πιθανά από άλλα; Μπορούμε να το κάνουμε αυτό για την αγγλική γλώσσα. Ας φανταστούμε ότι η κατανομή των γραμμάτων είναι αυτή της αγγλικής γλώσσας, με e πιο συνηθισμένο από το t , που είναι πιο συνηθισμένο από το i . Εάν το κάνετε αυτό, αποδεικνύεται ότι η πιθανότητα εμφάνισης "προέλευσης" αυξάνεται κατά τάξη μεγέθους. Απλώς έχοντας μια κατανομή συχνότητας που είναι πιο κοντά σε αυτό που μπορεί να θέλετε, δεν σας αγοράζει απλώς λίγο, αλλά σας αγοράζει έναν εκθετικά ενισχυτικό παράγοντα.

Τι σημαίνει αυτό για την προέλευση της ζωής; Εάν κάνετε έναν αφελή μαθηματικό υπολογισμό της πιθανότητας αυθόρμητης εμφάνισης, η απάντηση είναι ότι δεν μπορεί να συμβεί στη Γη ή σε κανέναν πλανήτη οπουδήποτε στο σύμπαν. Αλλά αποδεικνύεται ότι αγνοείτε μια διαδικασία που προσαρμόζει την πιθανότητα.

Υπάρχει μια τεράστια ποικιλία περιβαλλοντικών θέσεων στη Γη. Έχουμε κάθε είδους διαφορετικά μέρη - ίσως εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια διαφορετικά μέρη - με διαφορετικές κατανομές πιθανοτήτων. Χρειαζόμαστε μόνο ένα που κατά τύχη προσεγγίζει τη σωστή σύνθεση. Έχοντας αυτήν την τεράστια ποικιλία διαφορετικών περιβαλλόντων, ενδέχεται να λάβουμε πληροφορίες δωρεάν.

Αλλά δεν γνωρίζουμε τις συνθήκες τη στιγμή που εμφανίστηκε τυχαία η πρώτη πληροφορία.

Υπάρχει ένας εξαιρετικός αριθμός αγνώστων. Το μεγαλύτερο είναι ότι δεν ξέρουμε ποιο ήταν το αρχικό σύνολο χημικών. Έχω ακούσει πάρα πολλά ενδιαφέροντα πράγματα για το τι συμβαίνει στις ηφαιστειακές οπές [κάτω από τον ωκεανό]. Φαίνεται ότι αυτού του είδους το περιβάλλον έχει ρυθμιστεί για να λαμβάνει πληροφορίες δωρεάν. Είναι πάντα ένα ερώτημα στην προέλευση της ζωής, τι ήρθε πρώτο, ο μεταβολισμός ή η αναπαραγωγή. Σε αυτή την περίπτωση φαίνεται ότι παίρνετε μεταβολισμό δωρεάν. Η αναπαραγωγή χρειάζεται ενέργεια. δεν μπορείς να το κάνεις χωρίς ενέργεια. Από πού προέρχεται η ενέργεια εάν δεν έχετε μεταβολισμό; Αποδεικνύεται ότι σε αυτές τις οπές εξαερισμού, αποκτάτε μεταβολισμό δωρεάν.

Εάν το έχετε επιτύχει αυτό, το μόνο πράγμα που χρειάζεστε είναι ένας τρόπος να απομακρυνθείτε από αυτήν την πηγή μεταβολισμού για να δημιουργήσετε γονίδια που κάνουν τον μεταβολισμό να λειτουργεί.

Η άποψή σας για την προέλευση της ζωής είναι πολύ διαφορετική από τις πιο γνωστές προσεγγίσεις, όπως η σκέψη για τη χημεία των αμινοξέων. Υπάρχουν τρόποι με τους οποίους η προσέγγισή σας συμπληρώνει αυτούς;

Αν κοιτάξετε απλώς χημικά, δεν ξέρετε πόσες πληροφορίες υπάρχουν εκεί. Πρέπει να έχετε διαδικασίες που σας δίνουν πληροφορίες δωρεάν, και χωρίς αυτές, τα μαθηματικά απλά δεν πρόκειται να λειτουργήσουν. Η δημιουργία ορισμένων τύπων μορίων σας κάνει πιο πιθανό να δημιουργήσετε άλλα και προκατειλεί την κατανομή πιθανοτήτων με τρόπο που κάνει τη ζωή λιγότερο σπάνια. Ο όγκος των πληροφοριών που χρειάζεστε δωρεάν είναι ουσιαστικά μηδενικός.

Οι χημικοί λένε:«Ακόμα δεν καταλαβαίνω τι λες», επειδή δεν καταλαβαίνουν τη θεωρία πληροφοριών, αλλά ακούνε. Αυτή είναι ίσως η πρώτη φορά που η αυστηρή εφαρμογή της θεωρίας της πληροφορίας πέφτει βροχή σε αυτούς τους χημικούς, αλλά είναι πρόθυμοι να μάθουν. Ρώτησα τους χημικούς:«Πιστεύετε ότι η βάση της ζωής είναι οι πληροφορίες;» Και οι περισσότεροι απάντησαν, "Με έπεισες ότι είναι πληροφορίες."

Τα μοντέλα σας ερευνούν πώς η ζωή θα μπορούσε να εμφανιστεί τυχαία. Θεωρείτε ότι οι άνθρωποι είναι φιλοσοφικά αντίθετοι σε αυτήν την πιθανότητα;

Δέχτηκα επίθεση από δημιουργιστές από τη στιγμή που δημιούργησα ζωή όταν σχεδίαζα [τον προσομοιωτή τεχνητής ζωής] Avida. Ήμουν στη λίστα του πρωταρχικού στόχου τους αμέσως. Έχω συνηθίσει σε τέτοιου είδους τσακωμούς. Έκαναν δειλές επιθέσεις επειδή δεν καταλάβαιναν πραγματικά τι λέω, κάτι που είναι φυσιολογικό γιατί δεν νομίζω ότι κατάλαβαν ποτέ την έννοια της πληροφορίας.

Έχετε ερείσματα σε πολλούς τομείς, όπως η βιολογία, η φυσική, η αστρονομία και οι νευροεπιστήμες. Σε μια ανάρτηση ιστολογίου πέρυσι, αναφέρατε επιδοκιμαστικά τον Έρβιν Σρέντινγκερ, ο οποίος έγραψε:«Μερικοί από εμάς θα πρέπει να τολμήσουν να ξεκινήσουν μια σύνθεση γεγονότων και θεωριών, αν και με μεταχειρισμένη και ελλιπή γνώση ορισμένων από αυτά». Βλέπετε τον εαυτό σας και τη δουλειά σας έτσι;

Ναί. Έχω εκπαιδευτεί ως θεωρητικός φυσικός, αλλά όσο περισσότερα μαθαίνεις για διαφορετικά πεδία, τόσο περισσότερο συνειδητοποιείς ότι αυτά τα πεδία δεν χωρίζονται από τα όρια που έχουν θέσει οι άνθρωποι, αλλά στην πραγματικότητα μοιράζονται τεράστια κοινά. Ως αποτέλεσμα, έμαθα να ανακαλύπτω μια πιθανή εφαρμογή σε ένα απομακρυσμένο πεδίο και να αρχίσω να πηδάω εκεί και να προσπαθώ να σημειώσω πρόοδο. Είναι μια μέθοδος που δεν είναι χωρίς τους αρνητές της. Κάθε φορά που πηδάω σε ένα χωράφι, έχω μια νέα ομάδα κριτικών και μου λένε, "Ποιος στο διάολο είναι αυτός;" Πιστεύω ότι μπορώ να δω περισσότερο από άλλους επειδή έχω εξετάσει τόσους πολλούς διαφορετικούς τομείς της επιστήμης.

Ο Schrödinger συνεχίζει λέγοντας ότι οι επιστήμονες αναλαμβάνουν αυτού του είδους τη σύνθεση «με κίνδυνο να κοροϊδέψουν τον εαυτό μας». Ανησυχείτε για αυτό;

Το γνωρίζω πολύ καλά, γι' αυτό, όταν πηδάω σε άλλο πεδίο, προσπαθώ να διαβάσω όσο περισσότερο μπορώ γι' αυτό, επειδή έχω την προκατάληψη να μην κοροϊδεύω τον εαυτό μου. Αν πηδήξω σε έναν τομέα, πρέπει να έχω τον πλήρη έλεγχο της λογοτεχνίας και, ως εκ τούτου, πρέπει να είμαι σε θέση να ενεργώ σαν να είμαι στον τομέα για 20 χρόνια, κάτι που το καθιστά δύσκολο. Πρέπει λοιπόν να δουλέψεις διπλάσια. Οι άνθρωποι λένε, "Γιατί το κάνεις;" Αν βλέπω κάποιο πρόβλημα όπου πιστεύω ότι μπορώ να συνεισφέρω, δυσκολεύομαι να πω ότι αφήνω άλλους να το κάνουν.