FLASH
Shkruar nga Pamfleti
Eventually the entire universe will be reduced to a uniform, boring mess: a state of equilibrium, where entropy is maximized and nothing meaningful will happen anymore.
What is the difference between physics and biology? Take a golf ball and a war ball and throw them from the Leaning Tower of Pisa. The laws of physics allow you to predict their trajectories as accurately as you can wish.
Now do the same experiment again, but replace the ball with a pigeon.
Biological systems do not defy physical laws, of course, but neither do they seem to be predicted by them. Instead, they are goal-driven: survive and reproduce. We can say that they have a purpose or what philosophers have traditionally called a teleology that guides their behavior.
In the same way, physics now allows us to predict, from the state of the universe a billionth of a second after the Big Bang, to what it looks like today. But no one imagines that the appearance of the first primitive cells on Earth predictably led to the human race. Laws, it seems, do not dictate the course of evolution.
The teleology and historical contingency of biology, evolutionary biologist Ernst Mayr has said, make it unique among the sciences. Both of these features stem from perhaps the only general guiding principle of biology: evolution. It depends on chance and chance, but natural selection gives it the appearance of purpose. Animals are attracted to water not by any magnetic attraction, but by their instinct, their purpose to survive. The legs serve the purpose of, among other things, taking us to the water.
Mayr claimed that these features make extraordinary biology a law unto itself. But recent developments in complex systems science and information theory are challenging this view.
Once we consider living things as agents performing a computation, gathering and storing information about an unpredictable environment, capacities and considerations such as replication, adaptation, function, purpose, and meaning can be understood to arise not from evolutionary improvisation, but as inevitable consequence. of physical laws. In other words, there seems to be a physical kind of things that do things and evolve to do things. Meaning and purpose—thought to be the defining characteristics of living systems—can then emerge naturally through the laws of thermodynamics and statistical mechanics.
The first attempt to bring information and purpose to the laws of thermodynamics came in the mid-19th century, when statistical mechanics was being invented by the Scottish scientist James Clerk Maxwell. Maxwell showed how the introduction of these two ingredients made it possible to do things that thermodynamics declared impossible.
Maxwell had already shown how predictable and reliable mathematical relationships between the properties of a gas of pressure, volume, and temperature could be derived from the random and unknown motions of countless molecules whirling wildly from thermal energy. In other words, thermodynamics—the new science of heat flow, which brought together large-scale properties of matter such as pressure and temperature—was the result of microscopic-scale statistical mechanics of molecules and atoms.
According to thermodynamics, the ability to extract useful work from the energy resources of the universe is always decreasing. Energy pockets are decreasing, heat concentrations are decreasing. In any physical process, some energy is inevitably dissipated as useless heat, lost among the random motions of molecules. This ordinariness gives rise to the thermodynamic quantity called entropy, a measure of disorder which is always increasing. This is the second law of thermodynamics. Eventually the entire universe will be reduced to a uniform, boring mess: a state of equilibrium, where entropy is maximized and nothing meaningful will happen anymore.
Are we really doomed to that grim fate? Maxwell was reluctant to believe it, and in 1867 he tried, as he put it, to "fix a loophole" in the second law. His goal was to start with a disordered box of randomly moving molecules, then separate the fast molecules from the slow ones, reducing entropy.
Imagine a tiny creature—physicist William Thomson later called it, to Maxwell's horror, a demon—that can see every molecule in the box. The demon splits the box in two, with a sliding door between them. Whenever it sees a particularly energetic molecule approaching the door from the right compartment, it opens it to let it through. And whenever a slow, "cold" molecule approaches from the left, he lets it in as well. Finally, it has a compartment with cold gas on the right and hot gas on the left: a reservoir of heat that can be used to do work.
This is only possible for two reasons. First, the demon has more information than we do: It can see all the molecules individually, not just statistical averages. And second, there is purpose: a plan to separate hot from cold. Using his knowledge, he can defy the laws of thermodynamics.
Të paktën, kështu dukej. U deshën njëqind vjet për të kuptuar pse demoni i Makswellit në fakt nuk mund të mposht ligjin e dytë dhe të shmangë rrëshqitjen e pandalshme drejt ekuilibrit vdekjeprurës dhe universal. Dhe arsyeja tregon se ekziston një lidhje e thellë midis termodinamikës dhe përpunimit të informacionit – ose me fjalë të tjera, llogaritjes. Fizikani gjermano-amerikan Rolf Landauer tregoi se edhe nëse demoni mund të mbledhë informacion dhe të lëvizë derën (pa fërkime) pa kosto energjie, përfundimisht duhet të paguhet një gjobë. Për shkak se nuk mund të ketë memorie të pakufizuar për çdo lëvizje molekulare, herë pas here duhet të fshijë memorien e tij të pastër – të harrojë atë që ka parë dhe të fillojë përsëri – përpara se të vazhdojë të mbledhë energji. Ky akt i fshirjes së informacionit ka një çmim të pashmangshëm: shpërndan energjinë dhe për rrjedhojë rrit entropinë. Të gjitha përfitimet kundër ligjit të dytë të bëra nga puna e shkëlqyer e demonit anulohen nga “kufiri i Landauerit”: kostoja e kufizuar e fshirjes së informacionit (ose më në përgjithësi, e konvertimit të informacionit nga një formë në tjetrën).
Organizmat e gjalla duken më tepër si demoni i Maxwellit. Ndërsa një gotë e mbushur me kimikate reaguese përfundimisht do të shpenzojë energjinë e saj dhe do të bjerë në ekuilibër të mërzitshëm, sistemet e gjalla e kanë shmangur kolektivisht gjendjen e ekuilibrit të pajetë që nga origjina e jetës rreth tre miliardë e gjysmë vjet më parë. Ata marrin energji nga rrethina e tyre për të mbajtur këtë gjendje jo ekuilibri dhe e bëjnë këtë me “qëllim”. Edhe bakteret e thjeshta lëvizin me “qëllim” drejt burimeve të nxehtësisë dhe ushqimit. Në librin e tij të vitit 1944 “Çfarë është jeta?”, fizikani Erwin Schrödinger e shprehu këtë duke thënë se organizmat e gjallë ushqehen me “entropinë negative”.
Ata e arrijnë atë, tha Schrödingeri, duke kapur dhe ruajtur informacionin. Një pjesë e këtij informacioni është e koduar në gjenet e tyre dhe kalohet nga një brez në tjetrin: një grup udhëzimesh për rrokjen e entropisë negative. Schrödingeri nuk e dinte se ku ruhet informacioni ose si është i koduar, por intuita e tij se është shkruar në atë që ai e quajti “kristal aperiodik” frymëzoi Francis Crickun dhe James Watsonin, kur në 1953 ata e kuptuan se si informacioni gjenetik mund të kodohet në strukturën molekulare të molekulës së ADN-së.
Një gjenom, pra, është të paktën pjesërisht një regjistr i njohurive të dobishme që u kanë mundësuar paraardhësve të një organizmi – që në të kaluarën e largët – të mbijetojnë në planetin tonë. Sipas David Wolpertit, një matematikan dhe fizikan në Institutin Santa Fe, dhe kolegut të tij Artemy Kolchinsky, pika kryesore është se organizmat e përshtatur mirë janë të ndërlidhura me atë mjedis. Nëse një bakter noton në mënyrë të besueshme në të majtë ose në të djathtë kur ka një burim ushqimi në atë drejtim, ai përshtatet më mirë dhe do të lulëzojë më shumë, sesa ai që noton në drejtime të rastësishme dhe kështu e gjen ushqimin vetëm rastësisht. Një korrelacion midis gjendjes së organizmit dhe mjedisit të tij nënkupton që ata ndajnë informacione të përbashkëta. Wolpert dhe Kolchinsky thonë se është ky informacion që e ndihmon organizmin të qëndrojë jashtë ekuilibrit – sepse, ashtu si demoni i Maxwell-it, ai më pas mund të përshtatë sjelljen e vet për të nxjerrë energji nga luhatjet në rrethinën e tij. Nëse nuk e merrte këtë informacion, organizmi gradualisht do të kthehej në ekuilibër: do të vdiste.
E parë në këtë mënyrë, jeta mund të konsiderohet si një llogaritje që synon të optimizojë ruajtjen dhe përdorimin e informacionit kuptimplotë. Dhe jeta rezulton të jetë jashtëzakonisht e mirë në kët drejtim. Zgjidhja e Landauer-it për enigmën e demonit të Maxwell-it vendosi një kufi absolut më të ulët në sasinë e energjisë që kërkon një llogaritje me memorie të kufizuar: domethënë, koston energjike të harresës. Kompjuterët më të mirë sot janë shumë, shumë më shpërdorues energjie se kaq, zakonisht konsumojnë dhe shpërndajnë më shumë se një milion herë më shumë. Por sipas Wolpertit, “një vlerësim shumë konservativ i efikasitetit termodinamik të llogaritjes totale të bërë nga një qelizë është se ai është vetëm 10 herë më shumë se kufiri i Landauerit”.
Pra, sipas tij, “përzgjedhja natyrore ka qenë jashtëzakonisht e shqetësuar me minimizimin e kostos termodinamike të llogaritjes. Do të bëjë gjithçka që mundet për të reduktuar sasinë totale të llogaritjes që duhet të kryejë një qelizë.” Me fjalë të tjera, biologjia (ndoshta duke përjashtuar veten tonë) duket se kujdeset shumë për të mos e tepruar problemin e mbijetesës. Kjo çështje e kostove dhe përfitimeve të llogaritjes së rrugës së jetës, tha ai, është anashkaluar kryesisht në biologji deri më tani.
Pra, organizmat e gjallë mund të konsiderohen si entitete që përshtaten me mjedisin e tyre duke përdorur informacionin për të mbledhur energji dhe për të shmangur ekuilibrin. Por vini re se ai nuk thoshte asgjë për gjenet dhe evolucionin, nga të cilat Mayr, si shumë biologë, supozoi se varet qëllimi biologjik.
Sa larg mund të na çojë atëherë kjo panoramë? Gjenet e përpunuara nga përzgjedhja natyrore janë padyshim qendrore për biologjinë. Por a mundet që evolucioni nga seleksionimi natyror të jetë në vetvete vetëm një rast i veçantë i një imperativi më të përgjithshëm, drejt funksionit dhe qëllimit të dukshëm që ekziston në universin e pastër fizik? Ka filluar të duket kështu.
Përshtatja është parë prej kohësh si shenjë dalluese e evolucionit darvinian. Por Jeremy England në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts ka argumentuar se përshtatja me mjedisin mund të ndodhë edhe në sisteme komplekse jo të gjalla.
Përshtatja këtu ka një kuptim më specifik sesa tabloja e zakonshme darviniane e një organizmi të pajisur mirë për mbijetesë. Një vështirësi me pikëpamjen darviniane është se nuk ka asnjë mënyrë për të përcaktuar një organizëm të përshtatur mirë, përveç se në retrospektivë. “Më të fortit” janë ato që rezultuan të ishin më të mirë në mbijetesë dhe riprodhim, por nuk mund të parashikosh se çfarë përfshin fitness-i. Balenat dhe planktoni janë përshtatur mirë me jetën detare, por në mënyra që kanë pak lidhje të dukshme me njëra-tjetrën.
Përkufizimi i England për “përshtatjen” është më i afërt me atë të Schrödinger-it dhe në të vërtetë edhe Maxwell-it: Një entitet i përshtatur mirë mund të thithë energji në mënyrë efikase nga një mjedis i paparashikueshëm dhe i luhatshëm. Është njësoj si personi që mban këmbën e në një anije që lëkundet ndërsa të tjerët rrëzohen sepse ai është më i mirë për t’u përshtatur me luhatjet e kuvertës. Duke përdorur konceptet dhe metodat e mekanikës statistikore në një mjedis jo ekuilibri, England dhe kolegët e tij argumentojnë se këto sisteme të përshtatura mirë janë ato që thithin dhe shpërndajnë energjinë e mjedisit, duke gjeneruar entropi.
Nuk ka asgjë në këtë proces që të përfshijë përshtatjen graduale me rrethinën përmes mekanizmave darviniane të replikimit, mutacionit dhe trashëgimisë së tipareve. Nuk ka fare riprodhim. “Ajo që është emocionuese në këtë, është se do të thotë se kur japim një përshkrim fizik të origjinës së disa prej strukturave me pamje të përshtatur që shohim, ato nuk duhet domosdoshmërisht të kenë pasur prindër në kuptimin e zakonshëm biologjik,” thotë England. “Ju mund të shpjegoni përshtatjen evolucionare duke përdorur termodinamikën, madje edhe në raste intriguese ku nuk ka vetë-replikim dhe logjika darviniane prishet” – për sa kohë që sistemi në fjalë është kompleks, i gjithanshëm dhe mjaft i ndjeshëm për t’iu përgjigjur luhatjeve në mjedisin e tij.
Por as nuk ka ndonjë konflikt midis përshtatjes fizike dhe asaj darviniane. Në fakt, kjo e fundit mund të shihet si një rast i veçantë i të parës. Nëse përsëritja është e pranishme, atëherë seleksionimi natyror bëhet rruga përmes së cilës sistemet fitojnë aftësinë për të thithur punën – entropinë negative të Schrödingerit – nga mjedisi. Vetë-replikimi është, në fakt, një mekanizëm veçanërisht i mirë për stabilizimin e sistemeve komplekse, dhe kështu nuk është çudi që kjo është ajo që përdor biologjia. Por në botën jo të gjallë ku replikimi zakonisht nuk ndodh, strukturat shpërhapëse të përshtatura mirë priren të jenë ato që janë shumë të organizuara, si valëzimet e rërës dhe dunat që kristalizohen nga vallëzimi i rastësishëm i rërës së fryrë nga era. Parë në këtë mënyrë, evolucioni darvinian mund të konsiderohet si një shembull specifik i një parimi fizik më të përgjithshëm që rregullon sistemet jo-ekuilibër.
Kjo pamje e strukturave komplekse që përshtaten me një mjedis të luhatshëm na lejon gjithashtu të nxjerrim diçka rreth mënyrës se si ato ruajnë informacionin. Me pak fjalë, për sa kohë që struktura të tilla – qofshin të gjalla apo jo – janë të detyruara të përdorin energjinë e disponueshme në mënyrë efikase, ato ka të ngjarë të bëhen “makina parashikimi”.
Është pothuajse një karakteristikë përcaktuese e jetës që sistemet biologjike ndryshojnë gjendjen e tyre në përgjigje të disa sinjaleve lëvizëse nga mjedisi. Diçka ndodh; ti përgjigjesh. Bimët rriten drejt dritës; ato prodhojnë toksina në përgjigje të patogjenëve. Këto sinjale mjedisore janë zakonisht të paparashikueshme, por sistemet e gjalla mësojnë nga përvoja, duke ruajtur informacionin rreth mjedisit të tyre dhe duke e përdorur atë për të udhëhequr sjelljen në të ardhmen.
Megjithatë, parashikimi nuk është fakultativ. Sipas punës së Susanne Still në Universitetin e Hawait, Gavin Crooks, më parë në Laboratorin Kombëtar Lawrence Berkeley në Kaliforni, dhe kolegëve të, parashikimi i së ardhmes duket të jetë thelbësor për çdo sistem me efikasitet energjie në një mjedis të rastësishëm dhe luhatës.
Ka një kosto termodinamike për ruajtjen e informacionit për të kaluarën që nuk ka vlerë parashikuese për të ardhmen, thonë Still dhe kolegët. Për të qenë maksimalisht efikas, një sistem duhet të jetë selektiv. Nëse kujton pa dallim gjithçka që ka ndodhur, kjo shkakton një kosto të madhe energjie. Nga ana tjetër, nëse nuk e vret mendjen fare për të ruajtur ndonjë informacion rreth mjedisit të tij, do të jetë vazhdimisht në vështirësi për të përballuar të papriturën. “Një makinë termodinamikisht optimale duhet të balancojë kujtesën kundrejt parashikimit duke minimizuar nostalgjinë e saj – informacionin e padobishëm për të kaluarën,” tha një bashkautor, David Sivak, tani në Universitetin Simon Fraser në Burnaby, British Columbia. Me pak fjalë, duhet të bëhet i mirë në mbledhjen e informacionit kuptimplotë – atë që ka të ngjarë të jetë i dobishëm për mbijetesën e ardhshme.
Normalisht seleksionimi natyror do të favorizojë organizmat që përdorin energjinë në mënyrë efikase. Por edhe pajisjet individuale biomolekulare si pompat dhe motorët në qelizat tona duhet, në një farë mënyre, të mësojnë nga e kaluara për të parashikuar të ardhmen. Për të fituar efikasitetin e tyre të jashtëzakonshëm, thotë Still, këto pajisje duhet “të ndërtojnë në mënyrë të nënkuptuar imazhe koncize të botës që kanë hasur deri më tani, për t’u mundësuar të parashikojnë atë që do të vijë”.
Edhe nëse disa nga këto tipare bazë të përpunimit të informacionit të sistemeve të gjalla janë nxitur tashmë, në mungesë të evolucionit ose riprodhimit, nga termodinamika e joekuilibrit, ju mund të imagjinoni se tipare më komplekse – përdorimi i mjeteve, le të themi, ose bashkëpunimi social – duhet të sigurohen nga evolucioni.
Epo, mos jini të sigurt. Këto sjellje, që zakonisht mendohet se janë domeni ekskluziv i zonës shumë të avancuar evolucionare që përfshin primatët dhe zogjtë, mund të imitohen në një model të thjeshtë që përbëhet nga një sistem grimcash ndërvepruese. Truku është se sistemi udhëhiqet nga një kufizim: ai vepron në një mënyrë që maksimizon sasinë e entropisë që gjeneron brenda një periudhe kohore të caktuar.
Maksimizimi i entropisë është menduar prej kohësh të jetë një tipar i sistemeve jo ekuilibër. Por sistemi në këtë model i bindet një rregulli që e lejon atë të maksimizojë entropinë mbi një dritare kohore fikse, që shtrihet në të ardhmen. Me fjalë të tjera, ajo ka largpamësi. Në fakt, modeli shikon të gjitha shtigjet që grimcat mund të marrin dhe i detyron ato të ndjekin rrugën që prodhon entropinë më të madhe. Kjo priret të jetë rruga që mban të hapur numrin më të madh të opsioneve për mënyrën se si grimcat mund të lëvizin më pas.
Mund të thuhet se sistemi i grimcave përjeton një lloj nxitjeje për të ruajtur lirinë e veprimit në të ardhmen dhe se kjo nxitje drejton sjelljen e tij në çdo moment. Studiuesit që zhvilluan modelin – Alexander Wissner-Gross në Universitetin e Harvardit dhe Cameron Freer, një matematikan në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts – e quajnë këtë një “forcë entropike rastësore”. Në simulimet kompjuterike të konfigurimeve të grimcave në formë disku që lëvizin në mjedise të veçanta, kjo forcë krijon rezultate që sugjerojnë në mënyrë të frikshme inteligjencën.
Në një rast, një disk i madh ishte në gjendje të “përdorte” një disk të vogël për të nxjerrë një disk të dytë të vogël nga një tub i ngushtë – një proces që dukej si përdorimi i veglave. Lirimi i diskut rriti entropinë e sistemit. Në një shembull tjetër, dy disqe në ndarje të veçanta sinkronizuan sjelljen e tyre për të tërhequr një disk më të madh poshtë në mënyrë që ata të mund të ndërveprojnë me të, duke dhënë pamjen e bashkëpunimit social.
Sigurisht, këta agjentë të thjeshtë ndërveprues përfitojnë nga një vështrim i shkurtër në të ardhmen. Jeta, si rregull i përgjithshëm, nuk e bën. Pra, sa e rëndësishme është kjo për biologjinë? Kjo nuk është e qartë, megjithëse Wissner-Gross tha se tani po punon për të krijuar “një mekanizëm praktik, biologjikisht të besueshëm, për forcat kauzale entropike”. Ndërkohë, ai mendon se qasja mund të ketë dobi praktike, duke ofruar një rrugë të shkurtër për inteligjencën artificiale.
Gjithashtu, plakja është parë në mënyrë konvencionale si një tipar i diktuar nga evolucioni. Organizmat kanë një jetëgjatësi që krijon mundësi për t’u riprodhuar, thotë historia, pa penguar perspektivat e mbijetesës së pasardhësve nga prindërit që qëndrojnë shumë gjatë dhe konkurrojnë për burime. Kjo me siguri duket se është pjesë e historisë, por Hildegard Meyer-Ortmanns, një fizikan në Universitetin Jacobs në Bremen, Gjermani, mendon se në fund të fundit plakja është një proces fizik, jo biologjik, i drejtuar nga termodinamika e informacionit.
Sigurisht që nuk është thjesht një çështje e vjetërimit të gjërave. “Shumica e materialit të butë nga i cili jemi bërë është rinovuar përpara se të ketë mundësinë të plaket,” thotë Meyer-Ortmanns. Por ky proces rinovimi nuk është i përsosur. Termodinamika e kopjimit të informacionit dikton që duhet të ketë një shkëmbim midis saktësisë dhe energjisë. Një organizëm ka një furnizim të kufizuar energjie, kështu që akumulohen domosdoshmërisht gabime me kalimin e kohës. Më pas, organizmi duhet të shpenzojë një sasi gjithnjë e më të madhe energjie për të riparuar këto gabime. Procesi i rinovimit përfundimisht ofron kopje me shumë të meta për të funksionuar siç duhet; dhe vjen vdekja.
Provat empirike duket se e vërtetojnë këtë. Dihet prej kohësh që qelizat e kultivuara njerëzore duken të afta të përsëriten jo më shumë se 40 deri në 60 herë (i quajturi kufiri Hayflick) përpara se të ndalojnë dhe të plaken. Dhe vëzhgimet e fundit të jetëgjatësisë njerëzore kanë sugjeruar se mund të ketë disa arsye themelore pse njerëzit nuk mund të mbijetojnë përtej moshës 100 vjeç.
There is a corollary to this apparent drive for predictive, organized, and energy-efficient systems to emerge in a fluctuating non-equilibrium environment. We ourselves are such a system, as were all our ancestors in the first primitive cell. And non-equilibrium thermodynamics seems to be telling us that this is exactly what matter does under such circumstances. In other words, the appearance of life on a planet like the early Earth, filled with energy sources like sunlight and volcanic activity that keeps things out of balance, begins to look not as wildly unlikely as many scientists have assumed. , but practically unavoidable. In 2006, Eric Smith and the late Harold Morowitz at the Santa Fe Institute argued that the thermodynamics of non-equilibrium systems makes the emergence of organized and complex systems far more likely on a prebiotic Earth far from equilibrium than it would be if the chemical constituents of uncultivated they would simply have descended into a "warm little pond" (as Charles Darwin put it).
In the decade since this argument began, scholars have added detail and insight to the analysis. Those qualities that Ernst Mayr thought essential to biology—meaning and purpose—can emerge as a natural consequence of statistics and thermodynamics. And these general properties can naturally lead to something like life.
At the same time, astronomers have told us how many worlds there are—by some estimates in the billions—orbiting other stars in our galaxy. Many are far from equilibrium, and at least some are Earth-like. And the same rules are probably playing there too. / Quanta Magazine – Bota.al
Lini një Përgjigje