Πώς η ζωή (και ο θάνατος) πηγάζει από την αναταραχή

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ φυσικής και βιολογίας; Πάρτε μια μπάλα του γκολφ και μια βολίδα και αφήστε τα από τον Πύργο της Πίζας. Οι νόμοι της φυσικής σάς επιτρέπουν να προβλέψετε τις τροχιές τους όσο ακριβέστερα θα θέλατε.

Τώρα κάντε ξανά το ίδιο πείραμα, αλλά αντικαταστήστε την οβίδα με ένα περιστέρι.

Τα βιολογικά συστήματα δεν αψηφούν τους φυσικούς νόμους, φυσικά - αλλά ούτε φαίνεται να προβλέπονται από αυτούς. Αντίθετα, έχουν στόχο:επιβιώνουν και αναπαράγονται. Μπορούμε να πούμε ότι έχουν έναν σκοπό — ή αυτό που οι φιλόσοφοι αποκαλούσαν παραδοσιακά τελεολογία — που καθοδηγεί τη συμπεριφορά τους.

Με την ίδια λογική, η φυσική μας επιτρέπει τώρα να προβλέψουμε, ξεκινώντας από την κατάσταση του σύμπαντος ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πώς μοιάζει σήμερα. Κανείς όμως δεν φαντάζεται ότι η εμφάνιση των πρώτων πρωτόγονων κυττάρων στη Γη οδήγησε αναμενόμενα στην ανθρώπινη φυλή. Φαίνεται ότι οι νόμοι δεν υπαγορεύουν την πορεία της εξέλιξης.

Η τελεολογία και το ιστορικό ενδεχόμενο της βιολογίας, είπε ο εξελικτικός βιολόγος Ernst Mayr, την καθιστούν μοναδική μεταξύ των επιστημών. Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά προέρχονται από τη μοναδική ίσως γενική κατευθυντήρια αρχή της βιολογίας:την εξέλιξη. Εξαρτάται από την τύχη και την τυχαιότητα, αλλά η φυσική επιλογή της δίνει την εμφάνιση της πρόθεσης και του σκοπού. Τα ζώα έλκονται από το νερό όχι από κάποια μαγνητική έλξη, αλλά λόγω του ενστίκτου τους, της πρόθεσής τους να επιβιώσουν. Τα πόδια εξυπηρετούν τον σκοπό, μεταξύ άλλων, να μας πάνε στο νερό.

Ο Mayr ισχυρίστηκε ότι αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τη βιολογία εξαιρετική - έναν νόμο από μόνος της. Αλλά οι πρόσφατες εξελίξεις στη φυσική μη ισορροπίας, η επιστήμη των πολύπλοκων συστημάτων και η θεωρία της πληροφορίας αμφισβητούν αυτήν την άποψη.

Από τη στιγμή που θεωρούμε τα έμβια όντα ως πράκτορες που εκτελούν έναν υπολογισμό - συλλέγοντας και αποθηκεύουν πληροφορίες για ένα απρόβλεπτο περιβάλλον - οι ικανότητες και οι εκτιμήσεις όπως η αναπαραγωγή, η προσαρμογή, ο σκοπός και το νόημα μπορούν να κατανοηθούν ότι δεν προκύπτουν από τον εξελικτικό αυτοσχεδιασμό, αλλά ως αναπόφευκτες συνέπειες της φυσικής του νόμου. Με άλλα λόγια, φαίνεται να υπάρχει ένα είδος φυσικής πραγμάτων που κάνει πράγματα και εξελίσσεται για να κάνει πράγματα. Το νόημα και η πρόθεση —που πιστεύεται ότι είναι τα καθοριστικά χαρακτηριστικά των ζωντανών συστημάτων— μπορεί στη συνέχεια να προκύψουν φυσικά μέσω των νόμων της θερμοδυναμικής και της στατιστικής μηχανικής.

Τον περασμένο Νοέμβριο, φυσικοί, μαθηματικοί και επιστήμονες υπολογιστών συναντήθηκαν με εξελικτικούς και μοριακούς βιολόγους για να μιλήσουν -και μερικές φορές να διαφωνήσουν- για αυτές τις ιδέες σε ένα εργαστήριο στο Ινστιτούτο Santa Fe στο Νέο Μεξικό, τη Μέκκα για την επιστήμη των «σύνθετων συστημάτων». Ρώτησαν:Πόσο ιδιαίτερη (ή όχι) είναι η βιολογία;

Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι δεν υπήρξε συναίνεση. Αλλά ένα μήνυμα που προέκυψε πολύ ξεκάθαρα ήταν ότι, αν υπάρχει ένα είδος φυσικής πίσω από τη βιολογική τελεολογία και πρακτορεία, έχει να κάνει με την ίδια έννοια που φαίνεται να έχει εγκατασταθεί στην καρδιά της ίδιας της θεμελιώδους φυσικής:την πληροφορία.

Αναταραχή και δαίμονες

Η πρώτη προσπάθεια εισαγωγής πληροφοριών και προθέσεων στους νόμους της θερμοδυναμικής ήρθε στα μέσα του 19ου αιώνα, όταν η στατιστική μηχανική εφευρέθηκε από τον Σκωτσέζο επιστήμονα Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ. Ο Maxwell έδειξε πώς η εισαγωγή αυτών των δύο συστατικών φαινόταν να καθιστά δυνατή την πραγματοποίηση πραγμάτων που η θερμοδυναμική θεωρούσε αδύνατη.

Ο Maxwell είχε ήδη δείξει πώς οι προβλέψιμες και αξιόπιστες μαθηματικές σχέσεις μεταξύ των ιδιοτήτων ενός αερίου - πίεση, όγκος και θερμοκρασία - θα μπορούσαν να προκύψουν από τις τυχαίες και άγνωστες κινήσεις αμέτρητων μορίων που κινούνται μανιωδώς με τη θερμική ενέργεια. Με άλλα λόγια, η θερμοδυναμική - η νέα επιστήμη της ροής θερμότητας, η οποία συνδύαζε ιδιότητες μεγάλης κλίμακας της ύλης όπως η πίεση και η θερμοκρασία - ήταν το αποτέλεσμα της στατιστικής μηχανικής στη μικροσκοπική κλίμακα των μορίων και των ατόμων.

Σύμφωνα με τη θερμοδυναμική, η ικανότητα εξαγωγής χρήσιμου έργου από τους ενεργειακούς πόρους του σύμπαντος μειώνεται πάντα. Οι θύλακες ενέργειας μειώνονται, οι συγκεντρώσεις θερμότητας εξομαλύνονται. Σε κάθε φυσική διαδικασία, κάποια ενέργεια αναπόφευκτα διαχέεται ως άχρηστη θερμότητα, χάνεται ανάμεσα στις τυχαίες κινήσεις των μορίων. Αυτή η τυχαιότητα εξισώνεται με το θερμοδυναμικό μέγεθος που ονομάζεται εντροπία - μια μέτρηση της διαταραχής - η οποία συνεχώς αυξάνεται. Αυτός είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Τελικά όλο το σύμπαν θα αναχθεί σε ένα ομοιόμορφο, βαρετό συνονθύλευμα:μια κατάσταση ισορροπίας, όπου η εντροπία μεγιστοποιείται και δεν θα ξανασυμβεί τίποτα ουσιαστικό.

Είμαστε πραγματικά καταδικασμένοι σε αυτή τη θλιβερή μοίρα; Ο Μάξγουελ ήταν απρόθυμος να το πιστέψει και το 1867 ξεκίνησε, όπως το έθεσε, να «διαλέξει μια τρύπα» στον δεύτερο νόμο. Ο στόχος του ήταν να ξεκινήσει με ένα άτακτο κουτί με τυχαία τρελά μόρια και στη συνέχεια να διαχωρίσει τα γρήγορα μόρια από τα αργά, μειώνοντας την εντροπία στη διαδικασία.

Φανταστείτε ένα μικρό πλάσμα - ο φυσικός William Thomson το αποκάλεσε αργότερα, μάλλον προς απογοήτευση του Maxwell, δαίμονα - που μπορεί να δει κάθε μεμονωμένο μόριο στο κουτί. Ο δαίμονας χωρίζει το κουτί σε δύο διαμερίσματα, με μια συρόμενη πόρτα στον τοίχο μεταξύ τους. Κάθε φορά που βλέπει ένα ιδιαίτερα ενεργητικό μόριο να πλησιάζει την πόρτα από το δεξί διαμέρισμα, την ανοίγει για να περάσει. Και κάθε φορά που ένα αργό, «κρύο» μόριο πλησιάζει από τα αριστερά, το αφήνει να περάσει και αυτό. Τελικά, έχει ένα διαμέρισμα με κρύο αέριο στα δεξιά και ζεστό αέριο στα αριστερά:μια δεξαμενή θερμότητας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασία.

Αυτό είναι δυνατό μόνο για δύο λόγους. Πρώτον, ο δαίμονας έχει περισσότερες πληροφορίες από εμάς:Μπορεί να δει όλα τα μόρια ξεχωριστά, και όχι μόνο στατιστικούς μέσους όρους. Και δεύτερον, έχει πρόθεση:ένα σχέδιο διαχωρισμού του ζεστού από το κρύο. Εκμεταλλευόμενος τις γνώσεις του με πρόθεση, μπορεί να αψηφήσει τους νόμους της θερμοδυναμικής.

Τουλάχιστον, έτσι φαινόταν. Χρειάστηκαν εκατό χρόνια για να καταλάβουμε γιατί ο δαίμονας του Μάξγουελ δεν μπορεί στην πραγματικότητα να νικήσει τον δεύτερο νόμο και να αποτρέψει την αδυσώπητη διολίσθηση προς τη θανατηφόρα, καθολική ισορροπία. Και ο λόγος δείχνει ότι υπάρχει μια βαθιά σύνδεση μεταξύ της θερμοδυναμικής και της επεξεργασίας πληροφοριών - ή με άλλα λόγια, υπολογισμού. Ο Γερμανοαμερικανός φυσικός Ρολφ Λαντάουερ έδειξε ότι ακόμα κι αν ο δαίμονας μπορεί να συλλέξει πληροφορίες και να μετακινήσει την πόρτα (χωρίς τριβές) χωρίς κόστος ενέργειας, πρέπει τελικά να καταβληθεί ποινή. Επειδή δεν μπορεί να έχει απεριόριστη μνήμη για κάθε μοριακή κίνηση, πρέπει περιστασιακά να σκουπίζει τη μνήμη του - να ξεχάσει τι έχει δει και να ξεκινήσει ξανά - προτού μπορέσει να συνεχίσει να συλλέγει ενέργεια. Αυτή η πράξη διαγραφής πληροφοριών έχει ένα αναπόφευκτο τίμημα:διαχέει ενέργεια και επομένως αυξάνει την εντροπία. Όλα τα κέρδη έναντι του δεύτερου νόμου που προέκυψαν από το έξυπνο έργο του δαίμονα ακυρώνονται από το "όριο του Landauer":το πεπερασμένο κόστος της διαγραφής πληροφοριών (ή γενικότερα, της μετατροπής πληροφοριών από τη μια μορφή στην άλλη).

Οι ζωντανοί οργανισμοί μοιάζουν μάλλον με τον δαίμονα του Maxwell. Ενώ ένα ποτήρι γεμάτο με χημικά που αντιδρούν θα ξοδέψει τελικά την ενέργειά του και θα πέσει σε βαρετή στάση και ισορροπία, τα ζωντανά συστήματα συλλογικά αποφεύγουν την άψυχη κατάσταση ισορροπίας από την αρχή της ζωής πριν από περίπου τρεισήμισι δισεκατομμύρια χρόνια. Συλλέγουν ενέργεια από το περιβάλλον τους για να διατηρήσουν αυτήν την κατάσταση μη ισορροπίας και το κάνουν με «πρόθεση». Ακόμη και απλά βακτήρια κινούνται με «σκοπό» προς πηγές θερμότητας και διατροφής. Στο βιβλίο του το 1944 Τι είναι η ζωή; , ο φυσικός Erwin Schrödinger το εξέφρασε αυτό λέγοντας ότι οι ζωντανοί οργανισμοί τρέφονται με «αρνητική εντροπία».

Το πετυχαίνουν, είπε ο Schrödinger, συλλαμβάνοντας και αποθηκεύοντας πληροφορίες. Μερικές από αυτές τις πληροφορίες κωδικοποιούνται στα γονίδιά τους και μεταβιβάζονται από τη μια γενιά στην άλλη:ένα σύνολο οδηγιών για τη συγκομιδή αρνητικής εντροπίας. Ο Σρέντινγκερ δεν ήξερε πού φυλάσσονται οι πληροφορίες ή πώς κωδικοποιούνται, αλλά η διαίσθησή του ότι είναι γραμμένη σε αυτό που ονόμασε «απεριοδικό κρύσταλλο» ενέπνευσε τον Φράνσις Κρικ, ο ίδιος εκπαιδευμένο ως φυσικός, και τον Τζέιμς Γουάτσον όταν το 1953 κατάλαβαν δείτε πώς μπορούν να κωδικοποιηθούν οι γενετικές πληροφορίες στη μοριακή δομή του μορίου DNA.

Ένα γονιδίωμα, λοιπόν, είναι τουλάχιστον εν μέρει μια καταγραφή της χρήσιμης γνώσης που επέτρεψε στους προγόνους ενός οργανισμού - ακριβώς πίσω στο μακρινό παρελθόν - να επιβιώσουν στον πλανήτη μας. Σύμφωνα με τον David Wolpert, μαθηματικό και φυσικό στο Ινστιτούτο Santa Fe που συγκάλεσε το πρόσφατο εργαστήριο, και τον συνάδελφό του Artemy Kolchinsky, το βασικό σημείο είναι ότι οι καλά προσαρμοσμένοι οργανισμοί συσχετίζονται με αυτό το περιβάλλον. Εάν ένα βακτήριο κολυμπά αξιόπιστα προς τα αριστερά ή προς τα δεξιά όταν υπάρχει μια πηγή τροφής προς αυτή την κατεύθυνση, είναι καλύτερα προσαρμοσμένο και θα ανθίσει περισσότερο, από ένα βακτήριο που κολυμπά σε τυχαίες κατευθύνσεις και έτσι βρίσκει την τροφή μόνο τυχαία. Μια συσχέτιση μεταξύ της κατάστασης του οργανισμού και του περιβάλλοντος του συνεπάγεται ότι μοιράζονται κοινές πληροφορίες. Ο Wolpert και ο Kolchinsky λένε ότι αυτές οι πληροφορίες είναι που βοηθούν τον οργανισμό να μείνει εκτός ισορροπίας - επειδή, όπως ο δαίμονας του Maxwell, μπορεί στη συνέχεια να προσαρμόσει τη συμπεριφορά του για να εξάγει εργασία από τις διακυμάνσεις στο περιβάλλον του. Εάν δεν αποκτούσε αυτές τις πληροφορίες, ο οργανισμός θα επέστρεφε σταδιακά στην ισορροπία:Θα πέθαινε.

Με αυτόν τον τρόπο, η ζωή μπορεί να θεωρηθεί ως ένας υπολογισμός που στοχεύει στη βελτιστοποίηση της αποθήκευσης και της χρήσης σημαντικών πληροφοριών. Και η ζωή αποδεικνύεται εξαιρετικά καλή σε αυτό. Η επίλυση του γρίφου του δαίμονα του Maxwell από τον Landauer έθεσε ένα απόλυτο χαμηλότερο όριο στην ποσότητα ενέργειας που απαιτεί ένας υπολογισμός πεπερασμένης μνήμης:δηλαδή, το ενεργειακό κόστος της λήθης. Οι καλύτεροι υπολογιστές σήμερα είναι πολύ, πολύ πιο σπατάλη ενέργειας από αυτό, συνήθως καταναλώνουν και διαχέουν περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο. Ωστόσο, σύμφωνα με τον Wolpert, «μια πολύ συντηρητική εκτίμηση της θερμοδυναμικής απόδοσης του συνολικού υπολογισμού που γίνεται από μια κυψέλη είναι ότι είναι μόνο 10 φορές μεγαλύτερη από το όριο Landauer».

Το συμπέρασμα, είπε, είναι ότι «η φυσική επιλογή ασχολήθηκε πολύ με την ελαχιστοποίηση του θερμοδυναμικού κόστους του υπολογισμού. Θα κάνει ό,τι μπορεί για να μειώσει τον συνολικό υπολογισμό που πρέπει να εκτελέσει ένα κελί.» Με άλλα λόγια, η βιολογία (ενδεχομένως εξαιρουμένου του εαυτού μας) φαίνεται να φροντίζει πολύ να μην σκέφτεται υπερβολικά το πρόβλημα της επιβίωσης. Αυτό το ζήτημα του κόστους και των οφελών του υπολογισμού της πορείας του ατόμου στη ζωή, είπε, έχει παραβλεφθεί σε μεγάλο βαθμό στη βιολογία μέχρι στιγμής.

Άψυχος Δαρβινισμός

Έτσι, οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να θεωρηθούν ως οντότητες που συντονίζονται με το περιβάλλον τους χρησιμοποιώντας πληροφορίες για τη συλλογή ενέργειας και την αποφυγή της ισορροπίας. Σίγουρα, είναι λίγο μπουκιά. Προσέξτε όμως ότι δεν έλεγε τίποτα για τα γονίδια και την εξέλιξη, από τα οποία ο Mayr, όπως πολλοί βιολόγοι, υπέθεσε ότι εξαρτάται η βιολογική πρόθεση και σκοπός.

Πόσο μακριά μπορεί να μας πάει αυτή η εικόνα; Τα γονίδια που ακονίζονται από τη φυσική επιλογή είναι αναμφίβολα κεντρικά στη βιολογία. Θα μπορούσε όμως η εξέλιξη μέσω της φυσικής επιλογής να είναι η ίδια μια συγκεκριμένη περίπτωση μιας γενικότερης επιταγής προς τη λειτουργία και τον προφανή σκοπό που υπάρχει στο καθαρά φυσικό σύμπαν; Έχει αρχίσει να φαίνεται έτσι.

Η προσαρμογή θεωρείται από καιρό ως το χαρακτηριστικό της δαρβινικής εξέλιξης. Αλλά ο Jeremy England στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης υποστήριξε ότι η προσαρμογή στο περιβάλλον μπορεί να συμβεί ακόμη και σε πολύπλοκα μη ζωντανά συστήματα.

Η προσαρμογή εδώ έχει ένα πιο συγκεκριμένο νόημα από τη συνηθισμένη δαρβινική εικόνα ενός οργανισμού καλά εξοπλισμένου για επιβίωση. Μια δυσκολία με τη δαρβινική άποψη είναι ότι δεν υπάρχει τρόπος να ορίσουμε έναν καλά προσαρμοσμένο οργανισμό παρά μόνο εκ των υστέρων. Οι «πιο ικανοί» είναι εκείνοι που αποδείχθηκαν καλύτεροι στην επιβίωση και την αναπαραγωγή, αλλά δεν μπορείτε να προβλέψετε τι συνεπάγεται η φυσική κατάσταση. Οι φάλαινες και το πλαγκτόν είναι καλά προσαρμοσμένα στη θαλάσσια ζωή, αλλά με τρόπους που έχουν ελάχιστη προφανή σχέση μεταξύ τους.

Ο ορισμός της «προσαρμογής» της Αγγλίας είναι πιο κοντά στον Schrödinger, και μάλιστα στον Maxwell:Μια καλά προσαρμοσμένη οντότητα μπορεί να απορροφήσει ενέργεια αποτελεσματικά από ένα απρόβλεπτο, κυμαινόμενο περιβάλλον. Μοιάζει με το άτομο που κρατά τα πόδια του σε ένα πλοίο ενώ άλλοι πέφτουν επειδή είναι καλύτερη στο να προσαρμόζεται στις διακυμάνσεις του καταστρώματος. Χρησιμοποιώντας τις έννοιες και τις μεθόδους της στατιστικής μηχανικής σε ένα περιβάλλον μη ισορροπίας, ο England και οι συνάδελφοί του υποστηρίζουν ότι αυτά τα καλά προσαρμοσμένα συστήματα είναι αυτά που απορροφούν και διαχέουν την ενέργεια του περιβάλλοντος, δημιουργώντας εντροπία στη διαδικασία.

Τα πολύπλοκα συστήματα τείνουν να εγκαθίστανται σε αυτές τις καλά προσαρμοσμένες καταστάσεις με εκπληκτική ευκολία, είπε η Αγγλία:«Η θερμικά κυμαινόμενη ύλη συχνά χτυπιέται αυθόρμητα σε σχήματα που είναι καλά στην απορρόφηση εργασίας από το μεταβαλλόμενο περιβάλλον».

Δεν υπάρχει τίποτα σε αυτή τη διαδικασία που να περιλαμβάνει τη σταδιακή προσαρμογή στο περιβάλλον μέσω των Δαρβινικών μηχανισμών αντιγραφής, μετάλλαξης και κληρονομικότητας χαρακτηριστικών. Δεν υπάρχει καθόλου αντιγραφή. «Αυτό που είναι συναρπαστικό σε αυτό είναι ότι σημαίνει ότι όταν δίνουμε μια φυσική περιγραφή της προέλευσης ορισμένων από τις προσαρμοσμένες δομές που βλέπουμε, δεν χρειάζεται απαραίτητα να είχαν γονείς με τη συνήθη βιολογική έννοια», είπε η Αγγλία. . «Μπορείτε να εξηγήσετε την εξελικτική προσαρμογή χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική, ακόμη και σε ενδιαφέρουσες περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν αυτοαναπαραγόμενοι και η δαρβινική λογική καταρρέει» — εφόσον το εν λόγω σύστημα είναι πολύπλοκο, ευέλικτο και αρκετά ευαίσθητο ώστε να ανταποκρίνεται στις διακυμάνσεις του περιβάλλοντός του. /P>

Αλλά ούτε υπάρχει σύγκρουση μεταξύ φυσικής και δαρβινικής προσαρμογής. Στην πραγματικότητα, το τελευταίο μπορεί να θεωρηθεί ως μια ιδιαίτερη περίπτωση του πρώτου. Εάν υπάρχει αντιγραφή, τότε η φυσική επιλογή γίνεται η οδός μέσω της οποίας τα συστήματα αποκτούν την ικανότητα να απορροφούν έργο - την αρνητική εντροπία του Schrödinger - από το περιβάλλον. Ο αυτοαναδιπλασιασμός είναι, στην πραγματικότητα, ένας ιδιαίτερα καλός μηχανισμός για τη σταθεροποίηση πολύπλοκων συστημάτων, και επομένως δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι αυτό χρησιμοποιεί η βιολογία. Αλλά στον μη ζωντανό κόσμο όπου η αναπαραγωγή δεν συμβαίνει συνήθως, οι καλά προσαρμοσμένες δομές διάχυσης τείνουν να είναι πολύ οργανωμένες, όπως κυματισμοί άμμου και αμμόλοφοι που κρυσταλλώνονται από τον τυχαίο χορό της ανεμοφυσημένης άμμου. Με αυτόν τον τρόπο, η δαρβινική εξέλιξη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα συγκεκριμένο παράδειγμα μιας γενικότερης φυσικής αρχής που διέπει τα συστήματα μη ισορροπίας.

Μηχανές πρόβλεψης

Αυτή η εικόνα περίπλοκων δομών που προσαρμόζονται σε ένα κυμαινόμενο περιβάλλον μας επιτρέπει επίσης να συμπεράνουμε κάτι σχετικά με το πώς αυτές οι δομές αποθηκεύουν πληροφορίες. Εν ολίγοις, εφόσον τέτοιες δομές - είτε ζουν είτε όχι - αναγκάζονται να χρησιμοποιούν αποτελεσματικά τη διαθέσιμη ενέργεια, είναι πιθανό να γίνουν «μηχανές πρόβλεψης».

Είναι σχεδόν ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό της ζωής ότι τα βιολογικά συστήματα αλλάζουν την κατάστασή τους ως απόκριση σε κάποιο σήμα οδήγησης από το περιβάλλον. Κατι γινεται; απαντάς. Τα φυτά αναπτύσσονται προς το φως. παράγουν τοξίνες ως απόκριση στα παθογόνα. Αυτά τα περιβαλλοντικά σήματα είναι συνήθως απρόβλεπτα, αλλά τα ζωντανά συστήματα μαθαίνουν από την εμπειρία, αποθηκεύοντας πληροφορίες για το περιβάλλον τους και χρησιμοποιώντας τις για να καθοδηγήσουν τη μελλοντική τους συμπεριφορά. (Τα γονίδια, σε αυτήν την εικόνα, σας δίνουν απλώς τα βασικά, γενικής χρήσης απαραίτητα.)

Ωστόσο, η πρόβλεψη δεν είναι προαιρετική. Σύμφωνα με την εργασία της Susanne Still στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης, ο Gavin Crooks, πρώην στο Lawrence Berkeley National Laboratory στην Καλιφόρνια, και οι συνάδελφοί τους, η πρόβλεψη του μέλλοντος φαίνεται να είναι απαραίτητη για οποιοδήποτε ενεργειακά αποδοτικό σύστημα σε ένα τυχαίο, κυμαινόμενο περιβάλλον.

Υπάρχει ένα θερμοδυναμικό κόστος για την αποθήκευση πληροφοριών για το παρελθόν που δεν έχει προγνωστική αξία για το μέλλον, δείχνουν ο Still και οι συνεργάτες του. Για να είναι το μέγιστο αποτελεσματικό, ένα σύστημα πρέπει να είναι επιλεκτικό. Αν θυμάται αδιακρίτως όλα όσα συνέβησαν, επιβαρύνεται με μεγάλο ενεργειακό κόστος. Από την άλλη πλευρά, εάν δεν μπαίνει στον κόπο να αποθηκεύει καθόλου πληροφορίες για το περιβάλλον του, θα αγωνίζεται συνεχώς να αντιμετωπίσει το απροσδόκητο. «Ένα θερμοδυναμικά βέλτιστο μηχάνημα πρέπει να εξισορροπεί τη μνήμη έναντι της πρόβλεψης ελαχιστοποιώντας τη νοσταλγία του - τις άχρηστες πληροφορίες για το παρελθόν», είπε ένας συν-συγγραφέας, ο David Sivak, τώρα στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser στο Burnaby της Βρετανικής Κολομβίας. Εν ολίγοις, πρέπει να γίνει καλό στη συλλογή σημαντικών πληροφοριών — αυτές που είναι πιθανό να είναι χρήσιμες για τη μελλοντική επιβίωση.

Θα περιμένατε η φυσική επιλογή να ευνοήσει τους οργανισμούς που χρησιμοποιούν αποτελεσματικά την ενέργεια. Αλλά ακόμη και μεμονωμένες βιομοριακές συσκευές, όπως οι αντλίες και οι κινητήρες στα κύτταρά μας, θα πρέπει, με κάποιο σημαντικό τρόπο, να διδαχθούν από το παρελθόν για να προβλέπουν το μέλλον. Για να αποκτήσουν την αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητά τους, είπε ο Still, αυτές οι συσκευές πρέπει «να κατασκευάζουν σιωπηρά συνοπτικές αναπαραστάσεις του κόσμου που έχουν συναντήσει μέχρι τώρα, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να προβλέπουν τι πρόκειται να ακολουθήσει».

Η Θερμοδυναμική του Θανάτου

Ακόμα κι αν ορισμένα από αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας πληροφοριών των ζωντανών συστημάτων έχουν ήδη προκληθεί, ελλείψει εξέλιξης ή αναπαραγωγής, από θερμοδυναμική μη ισορροπίας, μπορεί να φανταστείτε ότι πιο περίπλοκα χαρακτηριστικά - χρήση εργαλείου, ας πούμε, ή κοινωνική συνεργασία - πρέπει να παρέχονται από εξέλιξη.

Λοιπόν, μην το υπολογίζετε. Αυτές οι συμπεριφορές, που συνήθως πιστεύεται ότι είναι ο αποκλειστικός τομέας της εξαιρετικά προηγμένης εξελικτικής θέσης που περιλαμβάνει πρωτεύοντα και πτηνά, μπορούν να μιμηθούν σε ένα απλό μοντέλο που αποτελείται από ένα σύστημα αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Το κόλπο είναι ότι το σύστημα καθοδηγείται από έναν περιορισμό:Λειτουργεί με τρόπο που μεγιστοποιεί την ποσότητα της εντροπίας (στην περίπτωση αυτή, που ορίζεται ως προς τις διαφορετικές πιθανές διαδρομές που θα μπορούσαν να ακολουθήσουν τα σωματίδια) που δημιουργεί μέσα σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα.

Η μεγιστοποίηση της εντροπίας θεωρείται από καιρό ότι είναι ένα χαρακτηριστικό των συστημάτων μη ισορροπίας. Αλλά το σύστημα σε αυτό το μοντέλο υπακούει σε έναν κανόνα που του επιτρέπει να μεγιστοποιεί την εντροπία σε ένα σταθερό χρονικό παράθυρο που εκτείνεται στο μέλλον. Έχει δηλαδή προνοητικότητα. Στην πραγματικότητα, το μοντέλο εξετάζει όλα τα μονοπάτια που θα μπορούσαν να ακολουθήσουν τα σωματίδια και τα αναγκάζει να υιοθετήσουν το μονοπάτι που παράγει τη μεγαλύτερη εντροπία. Σε γενικές γραμμές, αυτό τείνει να είναι το μονοπάτι που διατηρεί ανοιχτό τον μεγαλύτερο αριθμό επιλογών για το πώς τα σωματίδια ενδέχεται να κινηθούν στη συνέχεια.

Θα μπορούσατε να πείτε ότι το σύστημα των σωματιδίων βιώνει ένα είδος παρόρμησης να διατηρήσει την ελευθερία της μελλοντικής δράσης και ότι αυτή η παρόρμηση καθοδηγεί τη συμπεριφορά του ανά πάσα στιγμή. Οι ερευνητές που ανέπτυξαν το μοντέλο - ο Alexander Wissner-Gross στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και ο Cameron Freer, μαθηματικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης - το αποκαλούν «αιτιατική εντροπική δύναμη». Σε προσομοιώσεις υπολογιστή διαμορφώσεων σωματιδίων σε σχήμα δίσκου που κινούνται σε συγκεκριμένες ρυθμίσεις, αυτή η δύναμη δημιουργεί αποτελέσματα που υποδηλώνουν παράξενα νοημοσύνη.

Σε μια περίπτωση, ένας μεγάλος δίσκος μπόρεσε να «χρησιμοποιήσει» έναν μικρό δίσκο για να εξάγει έναν δεύτερο μικρό δίσκο από έναν στενό σωλήνα - μια διαδικασία που έμοιαζε με χρήση εργαλείου. Η απελευθέρωση του δίσκου αύξησε την εντροπία του συστήματος. Σε ένα άλλο παράδειγμα, δύο δίσκοι σε ξεχωριστά διαμερίσματα συγχρονίζουν τη συμπεριφορά τους για να τραβήξουν έναν μεγαλύτερο δίσκο προς τα κάτω, ώστε να μπορούν να αλληλεπιδρούν μαζί του, δίνοντας την εμφάνιση κοινωνικής συνεργασίας.

Φυσικά, αυτοί οι απλοί παράγοντες αλληλεπίδρασης έχουν το πλεονέκτημα μιας ματιάς στο μέλλον. Η ζωή, κατά γενικό κανόνα, δεν το κάνει. Πόσο σχετικό είναι λοιπόν αυτό για τη βιολογία; Αυτό δεν είναι ξεκάθαρο, αν και ο Wissner-Gross είπε ότι τώρα εργάζεται για να δημιουργήσει «έναν πρακτικό, βιολογικά εύλογο, μηχανισμό για αιτιώδεις εντροπικές δυνάμεις». Στο μεταξύ, πιστεύει ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να έχει πρακτικά spinoffs, προσφέροντας μια συντόμευση στην τεχνητή νοημοσύνη. «Προβλέπω ότι ένας πιο γρήγορος τρόπος για να το επιτύχουμε θα είναι να ανακαλύψουμε πρώτα μια τέτοια συμπεριφορά και μετά να εργαστούμε προς τα πίσω από τις φυσικές αρχές και τους περιορισμούς, αντί να προχωρήσουμε μπροστά από συγκεκριμένες τεχνικές υπολογισμού ή πρόβλεψης», είπε. Με άλλα λόγια, βρείτε πρώτα ένα σύστημα που κάνει αυτό που θέλετε και μετά μάθετε πώς το κάνει.

Η γήρανση, επίσης, έχει θεωρηθεί συμβατικά ως χαρακτηριστικό που υπαγορεύεται από την εξέλιξη. Οι οργανισμοί έχουν μια διάρκεια ζωής που δημιουργεί ευκαιρίες αναπαραγωγής, λέει η ιστορία, χωρίς να αναστέλλονται οι προοπτικές επιβίωσης των απογόνων από τους γονείς που μένουν για πολύ καιρό και ανταγωνίζονται για πόρους. Αυτό φαίνεται σίγουρα να είναι μέρος της ιστορίας, αλλά η Hildegard Meyer-Ortmanns, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Jacobs στη Βρέμη της Γερμανίας, πιστεύει ότι τελικά η γήρανση είναι μια φυσική διαδικασία, όχι μια βιολογική, που διέπεται από τη θερμοδυναμική των πληροφοριών.

Σίγουρα δεν είναι απλώς θέμα φθορά των πραγμάτων. «Το μεγαλύτερο μέρος του μαλακού υλικού από το οποίο κατασκευαζόμαστε ανανεώνεται πριν προλάβει να γεράσει», είπε ο Meyer-Ortmanns. Αλλά αυτή η διαδικασία ανανέωσης δεν είναι τέλεια. Η θερμοδυναμική της αντιγραφής πληροφοριών υπαγορεύει ότι πρέπει να υπάρχει συμβιβασμός μεταξύ ακρίβειας και ενέργειας. Ένας οργανισμός έχει μια πεπερασμένη παροχή ενέργειας, επομένως τα σφάλματα συσσωρεύονται αναγκαστικά με την πάροδο του χρόνου. Στη συνέχεια, ο οργανισμός πρέπει να ξοδέψει ολοένα και μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας για να επιδιορθώσει αυτά τα σφάλματα. Η διαδικασία ανανέωσης τελικά αποδίδει αντίγραφα πολύ ελαττωματικά για να λειτουργήσουν σωστά. ακολουθεί θάνατος.

Εμπειρικά στοιχεία φαίνεται να το επιβεβαιώνουν. Είναι γνωστό εδώ και καιρό ότι τα καλλιεργημένα ανθρώπινα κύτταρα φαίνονται ικανά να αναπαράγονται όχι περισσότερες από 40 έως 60 φορές (που ονομάζεται όριο Hayflick) προτού σταματήσουν και γεράσουν. Και πρόσφατες παρατηρήσεις της ανθρώπινης μακροζωίας έχουν δείξει ότι μπορεί να υπάρχει κάποιος θεμελιώδης λόγος για τον οποίο οι άνθρωποι δεν μπορούν να επιβιώσουν πολύ πέρα ​​από την ηλικία των 100 ετών.

Υπάρχει μια συνέπεια σε αυτή την προφανή ανάγκη για ενεργειακά αποδοτικά, οργανωμένα, προγνωστικά συστήματα να εμφανίζονται σε ένα κυμαινόμενο περιβάλλον μη ισορροπίας. Εμείς οι ίδιοι είμαστε ένα τέτοιο σύστημα, όπως και όλοι οι πρόγονοί μας πίσω στο πρώτο πρωτόγονο κύτταρο. Και η θερμοδυναμική μη ισορροπίας φαίνεται να μας λέει ότι αυτό ακριβώς κάνει η ύλη υπό τέτοιες συνθήκες. Με άλλα λόγια, η εμφάνιση ζωής σε έναν πλανήτη όπως η πρώιμη Γη, εμποτισμένη με πηγές ενέργειας όπως το φως του ήλιου και η ηφαιστειακή δραστηριότητα που κρατούν τα πράγματα σε αναταράξεις εκτός ισορροπίας, αρχίζει να φαίνεται όχι εξαιρετικά απίθανο γεγονός, όπως έχουν υποθέσει πολλοί επιστήμονες, αλλά ουσιαστικά αναπόφευκτη. Το 2006, ο Έρικ Σμιθ και ο αείμνηστος Χάρολντ Μόροβιτς στο Ινστιτούτο Σάντα Φε υποστήριξαν ότι η θερμοδυναμική των συστημάτων μη ισορροπίας καθιστά την εμφάνιση οργανωμένων, πολύπλοκων συστημάτων πολύ πιο πιθανή σε μια πρεβιοτική Γη μακριά από την ισορροπία από ό,τι θα ήταν αν τα ακατέργαστα χημικά συστατικά ήταν απλά κάθεσαι σε μια «ζεστή μικρή λιμνούλα» (όπως το έθεσε ο Κάρολος Δαρβίνος) σιγοβράζοντας απαλά.

Στη δεκαετία από τότε που διατυπώθηκε για πρώτη φορά αυτό το επιχείρημα, οι ερευνητές πρόσθεσαν λεπτομέρειες και διορατικότητα στην ανάλυση. Αυτές οι ιδιότητες που ο Ernst Mayr θεώρησε ουσιώδεις για τη βιολογία - νόημα και πρόθεση - μπορεί να προκύψουν ως φυσική συνέπεια της στατιστικής και της θερμοδυναμικής. Και αυτές οι γενικές ιδιότητες μπορεί με τη σειρά τους να οδηγήσουν φυσικά σε κάτι σαν ζωή.

Ταυτόχρονα, οι αστρονόμοι μας έδειξαν πόσοι κόσμοι υπάρχουν - σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις που εκτείνονται σε δισεκατομμύρια - σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια στον γαλαξία μας. Πολλά απέχουν πολύ από την ισορροπία, και τουλάχιστον μερικά είναι σαν τη Γη. Και σίγουρα οι ίδιοι κανόνες ισχύουν και εκεί έξω.