Dolgo je veljalo, da življenje upošteva svoj sklop pravil. Ker pa preprosti sistemi kažejo znake naravnega vedenja, znanstveniki razpravljajo, ali je ta navidezna zapletenost zgolj posledica termodinamike.
Kakšna je razlika med fiziko in biologijo? Vzemite žogico za golf in topovsko žogo ter jih vrzite s Piranskega stolpa. Zakoni fizike vam omogočajo, da tako natančno napovedujete usmeritve padca, da si ne morete zaželeti najboljšega.
Zdaj ponovite isti poskus, vendar nadomestite topovsko kroglo z golobico.
Seveda se biološki sistemi ne prilagajajo zakonom fizike - toda očitno slednji tudi niso sposobni napovedati svojega vedenja. Biosistemi se razlikujejo po tem, da so namenjeni preživetju in razmnoževanju. Lahko bi rekli, da ima cilj - ali kar filozofi tradicionalno imenujejo teleologija -, ki usmerja njihovo vedenje.
Podobno nam fizika na podlagi stanja vesolja v milijardni sekundi sekunde po velikem udaru omogoča, da napovemo, kako je videti naše vesolje danes. A nihče ne misli, da je pojav na Zemlji prvih primitivnih celic predvidljivo privedel do nastanka človeške rase. Zdi se, da potek evolucije ne narekuje zakon.
Teleologija in zgodovinsko pogojevanje biologije po evolucijskem biologu Ernstu Mayrju omogočata edinstveno med znanostmi. Obe značilnosti izhajata morda iz edinega skupnega vodilnega načela biologije - evolucije. Ima naključen in poljuben značaj, vendar mu naravna selekcija daje videz namere in namena. Živali vlečejo v vodo ne pod vplivom neke magnetne privlačnosti, ampak zaradi nagona, želje po preživetju. Noge med drugim služijo temu, da nas vodijo do vode.
Mayr je trdil, da so zaradi teh lastnosti biologija izjemna znanost - neodvisen zakon. Medtem nedavni napredek v neuravnoteženi fiziki, teoriji zapletenih sistemov in teoriji informacij izziva to stališče.
Če živa bitja obravnavamo kot dejavnike, ki izvajajo račune - zbiranje in shranjevanje informacij o nepredvidljivem okolju -, njihove sposobnosti in omejitve, kot so reprodukcija, prilagajanje, dejavnost, namen in pomen, ne moremo razumeti kot nastale zaradi evolucijske improvizacije, temveč kot neizogibne posledice fizičnih zakonov … Z drugimi besedami, zdi se, da neka fizika temelji na dejavnosti bitja in njihovem razvoju v tej smeri. Pomen in naklep - za katerega se domneva, da sta opredeljujoči značilnosti živih sistemov - bi potem seveda lahko izhajal iz zakonov termodinamike in statistične mehanike.
Promocijski video:
Lani novembra so se fiziki, matematiki in računalničarji srečali z evolucijskimi in molekularnimi biologi, da bi na seminarju na inštitutu Santa Fe v Novi Mehiki, meki za znanstvenike, ki delajo, govorili - in včasih trdijo - o teh idejah. "Kompleksni sistemi". Zastavilo se je naslednje vprašanje: kako posebna (ali ne) znanstvena disciplina je biologija?
Ni presenetljivo, da so mnenja deljena. Toda ena misel je zvenela zelo jasno: če za biološkimi dejavniki in teleologijo stoji določena fizika, potem se mora spoprijeti z istim konceptom, za katerega se zdi, da je postalo osrednje v sami temeljni fiziki: informacija.
Nered in demoni
Prvi poskusi vpeljave informacij in namenov v zakone termodinamike so bili izvedeni sredi 19. stoletja, ko je škotski znanstvenik James Clerk Maxwell izumil statistično mehaniko. Maxwell je pokazal, kako se je z uvedbo teh dveh sestavin zdelo mogoče storiti stvari, ki jih termodinamika izjavlja za nemogoče.
Maxwell je do takrat že pokazal, kako predvidljive in zanesljive matematične povezave med lastnostmi plina - tlakom, volumnom in temperaturo - je mogoče sklepati na podlagi naključnih in nerazumljivih gibov neštetih molekul, ki grozljivo trčijo pod vplivom toplotne energije. Z drugimi besedami, termodinamika - nova znanost o toplotnem toku, ki vključuje ogromne lastnosti snovi, kot sta tlak in temperatura - je bila rezultat statistične mehanike na mikroskopski ravni molekul in atomov.
Glede na termodinamiko se sposobnost črpanja koristnega dela iz energetskih virov vesolja nenehno zmanjšuje. Centri energije se zmanjšajo, strdki toplote postopoma izginejo. V vsakem fizičnem procesu se del energije neizogibno razprši v obliki neuporabne toplote, izgubljene med naključnimi gibi molekul. Ta naključnost se meri s termodinamično količino, imenovano entropija - merilo motnje -, ki nenehno raste. To je drugi zakon termodinamike. Na koncu se bo celotno Vesolje zmanjšalo na enotno neurejeno mešanico: ravnovesje, v katerem je entropija največja in se nikoli ne bo zgodilo nič smiselnega.
Ali nas res čaka tako mrka usoda? Maxwell ni želel verjeti in znanstvenik se je leta 1867 postavil v nalogo, da "v luknjo" izvrši luknjo v drugem zakonu. Njegov cilj je bil vzeti posodo s plinom, kjer se molekule premikajo poljubno, in nato ločiti hitre molekule od počasnih, s čimer se zmanjša entropija.
Predstavljajte si mikroskopsko bitje - fizik William Thomson bi ga pozneje, namesto Maxwellovega zgražanja, poklical demona - sposobnega videti vsake posamezne molekule v posodi. Demon posodo razdeli na dva predelka, na predelni steni pa sta med njimi drsna vrata. Vsakič, ko vidi posebno hitro molekulo, ki se približuje vratom iz desnega prostora, odpre vrata, da jih spusti v levo. In vsakič, ko se počasi, "hladna" molekula približa vratom z leve strani, jo spušča tudi na drugo stran. Na koncu ima posodo s predelkom za hladni plin na desni in vročim plinom na levi: akumulator toplote, s pomočjo katerega lahko opravite delo.
To je mogoče le pod dvema pogojema. Prvič, demon ima več informacij kot mi: lahko vidi vse molekule posamezno in ne le statistično povprečje. In drugič, ima namen: načrt ločevanja vročega od hladnega. S svojim znanjem za določen namen lahko izpodbija zakone termodinamike.
Vsaj tako se je zdelo. Kar sto let je trajalo, da smo razumeli, zakaj Maxwell-ov demon resnično ni mogel pokoriti drugega zakona in preprečiti neusahljivega drsenja proti usodnemu splošnemu ravnovesju. Razlog za to je dokaz globoke povezave med termodinamiko in obdelavo informacij - ali z drugimi besedami, računanjem. Nemški in ameriški fizik Rolf Landauer je pokazal, da četudi demon lahko zbere informacije in (se izogne trenju), brez kakršnih koli porabe energije premakne vrata, prej ali slej bo še vedno treba računati. Ker njegov spomin, kjer so shranjene informacije o vsakem gibanju molekul, ne more biti neomejen, ga bo moral občasno očistiti - torej izbrisati tisto, kar je že videl, in začeti znova - preden bo lahko še naprej kopičil energijo. To dejanje odstranjevanja informacij prinaša neizogibne stroške: odvaja energijo in zato poveča entropijo. Vse argumente proti drugemu zakonu, ki jih ponuja pameten demon, prečrta "Landauerjeva meja": končni strošek izbrisa informacij (ali bolj splošno pretvorba informacij iz enega obrazca v drugega).
Živi organizmi so nekoliko podobni Maxwell-ovemu demonu. Medtem ko čaša, polna kemikalij, ki se med seboj odzivajo, sčasoma porabi svojo energijo in zapade v dolgočasno zastoj in ravnotežje, živi sistemi za približno tri milijarde let kolektivno uidejo v brezživno ravnovesje od samega začetka življenja. Zbirajo energijo iz okolja, da ohranijo to neravnovesje, in to storijo z "namero". Celo preproste bakterije se premikajo s "ciljem": do virov toplote in hrane. V svoji knjigi iz leta 1944 Kaj je življenje? fizik Erwin Schrödinger je to idejo izrazil z besedo, da se živi organizmi prehranjujejo z "negativno entropijo".
Po Schrödingerjevem mnenju to dosegajo z zbiranjem in shranjevanjem informacij. Nekateri od teh informacij so kodirani v njihovih genih in se prenašajo iz roda v rod: niz navodil za zbiranje negativne entropije. Schrödinger ni vedel, kje so bile informacije shranjene ali kako so kodirane, toda njegova intuicija mu je povedala, da je zapisano v tem, kar je opredelil kot "aperiodni kristal", in ta ideja je služila kot navdih za Francisca Cricka, fizika v njegovi glavni posebnosti in James Watson, ki je leta 1953 razumel, kako se genetske informacije lahko kodirajo v molekularni strukturi molekule DNA.
Tako je genom vsaj deloma zapis koristnega znanja, ki je omogočil, da so predniki organizma - že v daljni preteklosti - preživeli na našem planetu. Ključna beseda David Wolpert, matematik in fizik na Inštitutu Santa Fe, ki je sponzoriral nedavno delavnico, in njegov kolega Artemiy Kolchinsky sta ključna v tem, da dobro prilagojeni organizmi vzpostavijo odnose s tem okoljem. Če je bakterija zagotovljena, da plava levo ali desno, kadar je vir hrane v tej smeri, se bo bolje prilagodila in se bo razvijala bolj uspešno kot tista, ki plava v poljubnih smereh in zato najde hrano samo po naključju. Povezava med stanjem organizma in stanjem okolja pomeni, da si izmenjujejo splošne informacije. Volpert in Kolchinski trditada prav te informacije pomagajo telesu, da se izogne ravnotežju - ker lahko, podobno kot Maxwell-ov demon, svoje vedenje prilagodi tako, da izvleče delo iz nepomembnosti okolja. Če teh informacij ne bi dobil, bi telo postopoma prišlo v ravnovesno stanje, torej v smrt.
S tega vidika je življenje mogoče obravnavati kot računski postopek, katerega cilj je optimizirati shranjevanje in uporabo pomembnih informacij. In življenje je, kot se izkaže, pri tem zelo uspešno. Rešitev Landauerjeve demonske uganke Maxwell je postavila absolutno spodnjo mejo glede količine energije, ki jo potrebuje končni spominski računalniški sistem, in sicer stroškov energije pozabe. Danes so najboljši računalniki neprimerljivo bolj potratni: običajno porabijo in porabijo milijonkrat več energije. Vendar pa, kot pravi Wolpert, "je po najbolj konservativnih ocenah termodinamična učinkovitost celotnega računalniškega procesa, ki ga izvaja celica, le približno 10-krat višja od Landauerjeve meje."
Posledica tega je, da se "naravna selekcija izjemno ukvarja z zmanjševanjem termodinamičnih stroškov izračuna. Po najboljših močeh se bo zmanjšal skupno število izračunov, ki jih mora celica opraviti. " Z drugimi besedami, zdi se, da biologija (z možno izjemo nas samih) deluje proaktivno, da se ne bi mučili s preživetjem. To vprašanje stroškov in koristi izračuna lastne poti organizma v življenju je bilo po njegovem mnenju v biologiji do zdaj v veliki meri prezrto.
Neživi darvinizem
Tako lahko na žive organizme gledamo kot na predmete, ki se s pomočjo informacij prilagajajo okolju, absorbirajo energijo in s tem odstopajo od ravnovesja. Seveda je to zelo pomembna izjava. Toda opazite, da ne govori nič o genih in evoluciji, od katerih so mnogi biologi, vključno z Mayerjem, domnevali, da so biološki nameni in cilji odvisni.
Kako daleč nas lahko vodi takšna ideja? Geni, polirani z naravno selekcijo, so nedvomno osrednji del biologije. Toda ali je lahko, da je evolucija z naravno selekcijo samo poseben primer splošnejšega pomena glede funkcije in navideznega namena, ki obstaja v čisto fizičnem vesolju? Vse začne izgledati tako.
Prilagoditev je že dolgo obravnavana kot značilnost darwinovske evolucije. Medtem Jeremy England z Massachusetts Institute of Technology trdi, da se prilagajanje okolju lahko zgodi celo v zapletenih neživih sistemih.
Prilagajanje ima tukaj bolj konkreten pomen kot običajni darvinski vidik na organizem, da je dobro opremljen s sredstvi za preživetje. V darvinski teoriji obstaja en ulov: samo na hitro smo lahko opredelili dobro prilagojen organizem. "Najmočnejši" so tisti, ki so bolje prilagojeni za preživetje in razmnoževanje, vendar ne moremo predvideti, kaj zahteva določena kondicija. Kiti in plankton so dobro prilagojeni morskemu življenju, vendar tako, da med njimi skoraj ni ničesar skupnega.
Angleška definicija "prilagoditve" je bližja definiciji Schrödingerja in pravzaprav Maxwella: dobro prilagojen predmet lahko učinkovito absorbira energijo iz nepredvidljivega, spremenljivega okolja - kot človek, ki je sposoben stati na nogah med prevračanjem ladje, ko vsi drugi padejo, ker je bolje prilagojena vibracijam palube. Angleži in njegovi sodelavci s pomočjo konceptov in metod statistične mehanike v ne ravnotežnem okolju trdijo, da ti dobro prilagojeni sistemi absorbirajo in razpršijo energijo okolja ter ustvarijo entropijo v procesu.
Angleži pravijo, da zapleteni sistemi ponavadi v ta dobro prilagojena stanja vstopajo s presenetljivo lahkoto, "Termično vibrirajoča snov se lahko spontano zruši v oblike, ki dobro absorbirajo delo iz časovno spremenljivega okolja."
Nič v tem procesu ne vključuje postopnega prilagajanja okolju s pomočjo darvinskih mehanizmov razmnoževanja, mutacije in dedovanja lastnosti. Razmnoževanja sploh ni. "To pomeni, da ko fizično opišemo izvor nekaterih na videz prilagojenih struktur, vidimo, da jim ni treba imeti staršev v običajnem biološkem smislu - in te ugotovitve so neverjetno vznemirljive," pravi Anglija. "Evolucijsko prilagoditev je mogoče razložiti s termodinamiko, tudi v tistih radovednih primerih, ko ni samoreplikatorjev in se Darwinova logika razide." Če je seveda zadevni sistem dovolj kompleksen, prilagodljiv in občutljiv, da se lahko odzove na spremembe v okolju.
Vendar pa med fizičnim in darwinijskim prilagajanjem ni navzkrižja. Pravzaprav lahko slednje obravnavamo kot poseben primer prvega. Če je prisotna replikacija, potem naravna selekcija postane pot, po kateri sistemi pridobijo sposobnost absorbiranja dela - negativne Schrödingerjeve entropije - iz okolja. Mehanizem samoreprodukcije je pravzaprav še posebej dober za stabilizacijo zapletenih sistemov, zato ne preseneča, da prav to uporablja biologija. Toda v neživem svetu, kjer se kopičenja običajno ne dogaja, so dobro prilagojene disipativne strukture ponavadi visoko organizirane strukture, kot so valovite plasti peska in sipine, ki se kristalizirajo iz občasnega plesa peska in vetra. S tega vidikaDarwinovo evolucijo je mogoče razumeti kot konkreten primer splošnejšega fizikalnega principa, ki ureja neravnovesje.
Mehanizmi napovedovanja
Takšno razumevanje zapletenih struktur, ki se prilagajajo spreminjajočemu se okolju, nam omogoča tudi nekaj sklepov o tem, kako te strukture hranijo informacije. Skratka, ker so take strukture - žive ali ne - prisiljene učinkovito uporabljati razpoložljivo energijo, bodo najverjetneje postale "mehanizmi za napovedovanje".
Dejstvo, da biološki sistemi spreminjajo svoje stanje kot odgovor na nekakšen nadzorni signal iz zunanjega okolja, je morda glavna značilnost življenja. Nekaj se zgodi - odgovorite nanj. Rastline vlečejo v svetlobo ali proizvajajo toksine z reakcijo na patogene. Ti okoljski signali so običajno nepredvidljivi, vendar se živi sistemi učijo iz lastnih izkušenj, zbirajo informacije o svojem okolju in jih uporabljajo za oblikovanje svojega vedenja v prihodnosti. (V tem pogledu vam geni dajejo najosnovnejše elemente splošnega pomena, ki jih potrebujete.)
Res je, ta napoved ni nekaj pomožnega. Glede na raziskave Susanne Still z univerze na Havajih Gavina Crooksa, nekdanjega uslužbenca Nacionalnega laboratorija Lawrencea Berkeleyja v Kaliforniji, in njihovih sodelavcev se zdi, da je sposobnost napovedovanja prihodnosti ključnega pomena za vsak energetsko učinkovit sistem naključno spremenljivo okolje.
Še vedno in njeni sodelavci kažejo, da shranjevanje informacij o preteklosti, ki niso dragocene za napovedovanje prihodnosti, prihaja s termodinamičnimi stroški. Da bi bil čim bolj učinkovit, mora biti sistem selektiven. Če si bo vse skupaj zapomnila, bo utrpela velike izgube energije. Po drugi strani pa, če si sploh ne bo vzela težav, da bi shranila vsaj nekaj informacij o svojem okolju, se bo morala ves čas potruditi, da se bo spoprijela z nepričakovanim. "Termodinamično optimalen mehanizem bi moral uravnotežiti spomin in napovedovanje tako, da zmanjša nostalgijo - nekoristne informacije o preteklosti," pravi soavtor David Sivak, trenutno na univerzi Simon Fraser v Barnabyju v Britanski Kolumbiji. Na kratko,naučiti se mora zbirati pomembne informacije - tiste, ki bodo najverjetneje koristne za preživetje v prihodnosti.
Lahko bi pričakovali, da naravna selekcija daje prednost energijsko učinkovitim organizmom. Toda tudi posamezne biomolekularne naprave, kot so črpalke in motorji v naših celicah, se morajo nekako naučiti iz preteklosti na pomembne načine, da lahko predvidimo prihodnost. Kljub temu pa morajo te naprave "implicitno zgraditi bogato razumevanje pojavov, s katerimi so se srečevale do takrat, kar bi jim omogočilo napovedovanje prihodnjih dogodkov."
Termodinamika smrti
Čeprav so nekatere od teh osnovnih značilnosti obdelave informacij v živih sistemih, če ni evolucije ali podvajanja, že posledica neenakomerne termodinamike, je mogoče sklepati, da mora evolucija zagotoviti kompleksnejše lastnosti - recimo uporabo orodij ali socialno sodelovanje.
Tudi na to ne bi smeli računati. Ta vedenja, ki na splošno veljajo za izključno domeno visoko razvitih primatov in ptic, je mogoče simulirati s preprostim modelom interaktivnih delcev. Trik je v tem, da sistem nadzira omejitev: deluje tako, da maksimira količino entropije (v tem primeru se določi z upoštevanjem različnih možnih poti, ki bi jih delci lahko prehodili), ki jih ustvari v določenem časovnem obdobju.
Maksimizacija entropije je dolgo veljala za značilnost neenakomernih sistemov. Toda sistem v tem modelu spoštuje pravilo, ki mu omogoča, da entropijo potisne do meje skozi določeno časovno obdobje, ki se razteza v prihodnost. Z drugimi besedami, zna napovedati. Model v bistvu upošteva vse možne poti delcev in jih prisili, da sledijo poti, ki povzroči največ entropije. Grobo rečeno, to je neke vrste pot, ki ohranja odprto največ možnosti za gibanje delcev v prihodnosti.
Lahko rečemo, da ima sistem delcev nekakšno željo po ohranitvi svobode delovanja v prihodnosti in da ta želja kadarkoli usmerja njegovo vedenje. Raziskovalca, ki sta razvila ta model - Alexander Wissner-Gross z univerze Harvard in Cameron Freer, matematik z Massachusetts Institute of Technology, ga imenujeta "vzročno entropična sila." V računalniških simulacijah konfiguracij delcev v obliki diska, ki se gibljejo v krogih pod določenimi pogoji, ta sila ustvarja rezultate, ki nakazujejo na inteligenco.
V enem primeru je velik disk lahko majhni disk "uporabil" za odstranitev drugega majhnega diska iz ozke cevi - postopek, ki je bil podoben uporabi orodja. Sprostitev diska je povečala entropijo sistema. V drugem primeru sta dva diska v ločenih ležiščih sinhronizirala svoje vedenje in spuščala večji disk navzdol, da bi lahko komunicirala z njim in tako ustvarila videz socialnega sodelovanja.
Seveda ti preprosti interaktivni agenti dobijo donosen pogled v prihodnost. Življenje ga praviloma nima. Kaj ima potem to veze z biologijo? Odgovor ni jasen, čeprav Wissner-Gross pravi, da si trenutno prizadeva ustvariti "praktičen, biološko verodostojen mehanizem vzročno-entropskih sil." Obenem meni, da takšen pristop ponuja dodatne, uporabne v praksi priložnosti, ki ponujajo hiter dostop do umetne inteligence. "Po mojih predvidevanjih je krajša pot, da to dosežemo, najprej zaznati to vedenje in nato delati v obratni smeri, izhajajoč iz fizičnih načel in omejitev, namesto da bi delali na podlagi posebnih metod izračuna ali napovedovanja." trdi. Z drugimi besedami, najprej poiščite sistem,kdo naredi, kar hočeš, da ona počne, in potem ugotovi, kako to počne.
Tudi staranje tradicionalno gledamo kot evolucijsko lastnost. Organizmi imajo življenjsko dobo, ki ustvarja priložnosti za razmnoževanje, hkrati pa, kot pravijo, možnosti za preživetje potomcev ne ovirajo starši, ki preveč nagajajo v bližini in tekmujejo za vire. To se zdi res, toda Hildegard Meyer-Ortmanns, fizik z univerze Jacobs v Bremenu, Nemčija, verjame, da je staranje na koncu fizični in ne biološki proces, ki ga ureja termodinamika informacij.
Seveda vprašanje ni samo v obrabi. "Večina mehkega materiala, iz katerega smo izdelani, se obnavlja, preden se stara," pravi Meyer-Ortmanns. Toda ta postopek obnove ni popoln. Termodinamika kopiranja informacij zahteva ravnotežje med natančnostjo in energijo. Telo ima omejene vire energije, zato se bodo sčasoma napake zagotovo kopičile. Nato je telo prisiljeno porabiti vse več energije, da bi popravilo te napake. V postopku obnove nastanejo preveč poškodovane kopije, da bi lahko pravilno delovale, čemur bi sledila smrt.
Zdi se, da empirični dokazi to podpirajo. Že dolgo je znano, da se bodo lahko gojene človeške celice razmnožile največ 40-60-krat (tako imenovana Hayflickkova meja), preden se ta proces ustavi in začne se staranje. Nedavne študije pričakovane življenjske dobe človeka kažejo, da obstaja osnovni razlog za to, da večina ljudi ne more preživeti stoletja.
Naravna posledica je, da se ta očitna prizadevanje za energetsko učinkovite organizirane sisteme napovedovanja pojavi v tekočem, ne ravnotežnem okolju. Sami smo takšni sistemi, kot vsi naši predniki vse do prve primitivne celice. In zdi se, da neenakomerna termodinamika govori o tem, da je v teh okoliščinah točno stvar. Z drugimi besedami, nastanek življenja na planetu, kot je planet Zemlja v zgodnji fazi obstoja, s svojimi številnimi viri energije, kot so sončna svetloba in vulkanska aktivnost, ki še naprej ohranjajo neravnovesje, se zdi več ne izredno malo verjetno, kot mnogi znanstveniki verjamejo, vendar praktično neizogibno. Leta 2006 sta se Eric Smith in pokojni Harold Morowitz z inštituta Santa Fe prepiralada zaradi termodinamike neravnovesnih sistemov nastajanje organiziranih zapletenih sistemov v prebiotičnih razmerah na Zemlji veliko bolj verjetno ne bi bilo ravnovesje, kot bi bilo, če bi prvotne kemične sestavine samo sedele in tiho kuhale v "majhnem toplem ribniku" (po besedah Charlesa Darwina) …
Desetletje po prvi objavi so raziskovalci dodali več podrobnosti in globljega vpogleda v pojav. Kvalitete, za katere je Ernst Mayr menil, da so temeljni za biologijo - pomen in namen - bi lahko nastale kot posledica posledic statistike in termodinamike. In te splošne lastnosti lahko seveda privedejo do neke podobnosti življenja.
Hkrati nam astronomi pokažejo, koliko svetov se vrti okoli drugih zvezd v naši Galaksiji: po nekaterih ocenah jih je v milijard. Mnogi med njimi so daleč od ravnovesja, vsaj nekateri pa so podobni Zemlji. In tam seveda veljajo enaka pravila.
Philip Ball