Under en lång tid trodde man att livet följer sina egna regler. Men eftersom enkla system uppvisar tecken på naturligt beteende diskuterar forskare huruvida denna uppenbara komplexitet enbart är en följd av termodynamik.
Vad är skillnaden mellan fysik och biologi? Ta en golfboll och kanonboll och släng dem från det lutande tornet i Pisa. Fysiklagarna låter dig förutsäga banorna för deras fall så exakt att du inte kan önska dig det bästa.
Gör nu samma experiment igen, men byt ut kanonbollen med en duva.
Naturligtvis lånar biologiska system sig inte till fysikens lagar - men de senare kan tydligen inte förutsäga sitt beteende. Biosystemen skiljer sig åt i att de är målmedvetna för att överleva och reproducera. De kan sägas ha ett mål - eller vad filosofer traditionellt har kallat teleologi - som styr deras beteende.
På liknande sätt, baserat på universums tillstånd på en miljardstund sekund efter Big Bang, tillåter fysik oss nu att förutsäga hur vårt universum ser ut idag. Men ingen tror att utseendet på jorden för de första primitiva cellerna förutsägbart ledde till uppkomsten av den mänskliga rasen. Det verkar som om utvecklingen inte är dikterad av lagar.
Teleologi och biologisk historisk konditionering, enligt evolutionärbiologen Ernst Mayr, gör den unik bland vetenskaperna. Båda dessa särdrag härrör kanske från den enda gemensamma vägledande principen för biologi - evolution. Det har en slumpmässig och godtycklig karaktär, men naturligt urval ger det utseendet till avsikt och syfte. Djur dras till vatten inte under påverkan av någon form av magnetisk attraktion, utan på grund av instinkt, en önskan att överleva. Benen tjänar bland annat till att leda oss till vattnet.
Mayr hävdade att dessa funktioner gör biologi till en exceptionell vetenskap - en oberoende lag. Samtidigt utmanar de senaste framstegen inom fysik utan jämvikt, teorin om komplexa system och informationsteori denna synvinkel.
Om vi betraktar levande saker som agenter som utför beräkningar - samla in och lagra information om en oförutsägbar miljö - kan deras förmågor och begränsningar, såsom reproduktion, anpassning, aktivitet, syfte och mening, inte förstås som härrörande från evolutionär improvisation, utan som oundvikliga konsekvenser av fysiska lagar … Med andra ord verkar en slags fysik ligga till grund för varelserna och deras utveckling i denna riktning. Betydelse och avsikt - som ansågs vara de definierande egenskaperna hos levande system - kunde då naturligtvis uppstå från termodynamikens och statistiska mekanikens lagar.
Kampanjvideo:
I november förra året träffades fysiker, matematiker och datavetenskapsmän med evolutionära och molekylära biologer för att prata - och ibland argumentera - om dessa idéer på ett seminarium vid Santa Fe Institute i New Mexico, ett mekka för forskare som arbetar med "Komplexa system". Följande fråga togs upp: hur speciell (eller inte) en vetenskaplig disciplin är biologi?
Inte överraskande är åsikter delade. Men en tanke lät mycket tydlig: om det finns en viss fysik bakom biologiska faktorer och teleologi, måste den ta itu med samma koncept som verkar ha blivit centralt i själva grundläggande fysiken: information.
Disorder och demoner
De första försöken att införa information och avsikt i termodynamikens lagar gjordes i mitten av 1800-talet, när den skotska forskaren James Clerk Maxwell uppfann statistisk mekanik. Maxwell visade hur det med introduktionen av dessa två ingredienser verkade möjligt att göra saker som termodynamik förklarade var omöjliga.
Vid den tiden hade Maxwell redan visat hur förutsägbara och tillförlitliga matematiska förhållanden mellan egenskaperna hos ett gas - tryck, volym och temperatur - kunde härledas från de slumpmässiga och obegripliga rörelserna av oräkneliga molekyler som kolliderar feberligt under påverkan av termisk energi. Med andra ord, termodynamik - den nya vetenskapen om värmeflöde, som innehåller de stora egenskaperna hos materien såsom tryck och temperatur - var resultatet av statistisk mekanik på mikroskopisk nivå av molekyler och atomer.
Enligt termodynamik minskar förmågan att utvinna användbart arbete från universums energiresurser. Centrumen för energi reduceras, värmestörningarna försvinner gradvis. I alla fysiska processer avlägsnas oundvikligen en del av energin i form av värdelös värme som förloras bland molekylernas slumpmässiga rörelser. Denna slumpmässighet mäts med en termodynamisk mängd som kallas entropi - ett mått på störning - som ständigt växer. Detta är termodynamikens andra lag. I slutändan kommer hela universum att reduceras till en enhetlig störande blandning: ett jämviktstillstånd där entropi är maximalt och ingenting meningsfullt kommer att hända någonsin.
Väntar vi verkligen på ett så dyster öde? Maxwell ville inte tro det, och 1867 ställde forskaren upp sig att, som han uttryckte det, "stansa ett hål" i den andra lagen. Hans mål var att ta en behållare med gas där molekyler rör sig godtyckligt och sedan separera de snabba molekylerna från de långsamma och därmed minska entropin.
Föreställ dig en mikroskopisk varelse - fysikern William Thomson skulle senare kalla honom, snarare till Maxwells chagrin, en demon - som kan se varje molekyl i ett kärl. Demonen delar fartyget i två fack, och det finns en skjutdörr i skiljeväggen mellan dem. Varje gång han ser en särskilt snabb molekyl som närmar sig dörren från det högra facket öppnar han dörren för att släppa in den till vänster. Och varje gång en långsam, "kall" molekyl närmar sig dörren från vänster sida, släpper han den också till andra sidan. Till slut har han ett fartyg med ett fack för kall gas till höger och varm gas till vänster: en värmeakkumulator som kan användas för att få arbete gjort.
Detta är endast möjligt under två förhållanden. Först har demonen mer information än vi: han kan se alla molekyler individuellt och inte bara statistiskt medelvärden. Och för det andra har det en avsikt: en plan för att separera det heta från kylan. Genom att använda sin kunskap för ett specifikt syfte kan han utmana termodynamikens lagar.
Åtminstone verkade det så. Det tog hundra år att förstå varför Maxwells demon verkligen inte kan undervisa den andra lagen och förhindra dess oförlåtliga glid mot den dödliga allmänna jämvikten. Anledningen till detta är bevis på en djup koppling mellan termodynamik och informationsbehandling - eller, med andra ord, beräkning. Den tyska och amerikanska fysikern Rolf Landauer har visat att även om en demon kan samla information och (undvika friktion) flytta en dörr utan energiförbrukning, förr eller senare kommer det fortfarande att räkna. Eftersom hans minne, där information om varje rörelse av molekyler lagras, inte kan vara obegränsat, kommer han att behöva rengöra den då och då - det vill säga radera det han redan har sett och börja om igen - innan han kan fortsätta att samla energi. Denna handling för att ta bort information kommer med en oundviklig kostnad: den sprider energi och ökar därför entropin. Alla argument mot den andra lagen, som erbjuds av den smarta dæmonen, korsas av "Landauer-gränsen": den slutliga kostnaden för att radera information (eller mer allmänt konvertera information från en form till en annan).
Levande organismer liknar Maxwells demon. Medan en bägare full av kemikalier som reagerar med varandra så småningom kommer att använda sin energi och falla i tråkig stas och jämvikt, flyttade levande system kollektivt från ett livslöst tillstånd av jämvikt från livets början under cirka tre och en halv miljard år. De samlar energi från miljön för att upprätthålla detta ojämlikhetstillstånd, och de gör det med "avsikt". Även enkla bakterier rör sig med ett "mål": till värmekällor och mat. I sin bok 1944 Vad är livet? fysikern Erwin Schrödinger uttryckte denna idé genom att säga att levande organismer livnär sig av "negativ entropi."
Enligt Schrödinger uppnår de detta genom att samla in och lagra information. En del av denna information är kodad i deras gener och överförs från generation till generation: en uppsättning instruktioner för att samla negativ entropi. Schrödinger visste inte var informationen lagrades eller hur den kodades, men hans intuition berättade för honom att den spelades in i det han definierade som en "aperiodisk kristall", och denna idé tjänade som en inspiration för Francis Crick, en fysiker i sin huvudsakliga specialitet, och James Watson, som 1953 förstod hur genetisk information kunde kodas i molekylstrukturen hos en DNA-molekyl.
Därför är genomet åtminstone delvis ett register över användbar kunskap som gjorde att förfäderna till organismen - redan i det avlägsna förflutna - kunde överleva på vår planet. Enligt David Wolpert, en matematiker och fysiker vid Santa Fe-institutet som sponsrade den senaste workshopen, och hans kollega Artemiy Kolchinsky, är nyckeln att välanpassade organismer skapar relationer med denna miljö. Om det garanteras att en bakterie simmar åt vänster eller höger när det finns en matkälla i den riktningen, är den bättre anpassad och kommer att utvecklas mer framgångsrikt än en som simmar i godtyckliga riktningar och därför finner mat endast av en slump. Korrelationen mellan organismens tillstånd och miljötillståndet innebär att de utbyter allmän information. Volpert och Kolchinsky argumenteraratt det är denna information som hjälper kroppen att undvika jämvikt - eftersom den, precis som Maxwells demon, kan anpassa sitt beteende till att extrahera arbete från miljöens impermanens. Om han inte fick denna information skulle kroppen gradvis komma till ett jämviktstillstånd, det vill säga till döds.
Från denna synvinkel kan livet ses som en beräkningsprocess som syftar till att optimera lagring och användning av meningsfull information. Och livet, som det visar sig, är mycket framgångsrikt med detta. Landauer's lösning på Maxwell demon-pussel sätter en absolut lägre gräns för mängden energi som ett begränsat datorsystem kräver, nämligen energikostnaderna för att glömma. De bästa datorerna i dag är otroligt mer slöseri: de konsumerar och sprider en miljon gånger mer kraft. Men som Wolpert säger, "med de mest konservativa uppskattningarna är den termodynamiska effektiviteten för den totala beräkningsprocessen som utförs av cellen endast cirka tio gånger större än Landauer-gränsen."
Implikationen är att”naturligt urval är mycket viktigt med att minimera den termodynamiska kostnaden för beräkning. Han kommer att göra sitt bästa för att minska det totala antalet beräkningar som cellen måste utföra. Med andra ord verkar biologi (med eventuellt undantag för oss själva) vidta proaktiva åtgärder för att undvika att överleva. Denna fråga om kostnader och fördelar med att beräkna en organisms egen väg genom livet, säger han, har hittills i stort sett ignorerats i biologin.
Inanimate Darwinism
Således kan levande organismer ses som föremål som anpassar sig till miljön med hjälp av information, absorberar energi och därmed avviker från jämvikt. Naturligtvis är detta ett mycket viktigt uttalande. Men märk att det inte säger något om gener och evolution, som många biologer, inklusive Mayer, har antagit biologiska avsikter och mål beror på.
Hur långt kan en sådan idé ta oss? Gener som är polerade med naturligt urval är utan tvekan centrala för biologin. Men kan det vara så att evolution genom naturlig selektion i sig bara är ett speciellt fall av ett mer allmänt imperativ med avseende på funktion och uppenbart syfte som finns i ett rent fysiskt universum? Allt börjar se ut så här.
Anpassning har länge betraktats som ett kännetecken för den darwinistiska utvecklingen. Samtidigt hävdar Jeremy England från Massachusetts Institute of Technology att anpassning till miljön kan ske även i komplexa icke-livssystem.
Anpassning här har en mer konkret betydelse än den vanliga darwiniska uppfattningen om organismen som välutrustad för att överleva. Det finns en fångst i darwinisk teori: vi har bara förmågan att definiera en väl anpassad organisme i efterhand. De "starkaste" är de som är bättre anpassade för att överleva och reproducera, men vi kan inte förutsäga vad en given kondition kräver. Valar och plankton är väl anpassade till marint liv, men på ett sådant sätt att det knappast finns något klart gemensamt mellan dem.
Englands definition av "anpassning" är närmare Schrödingers och i själva verket Maxwell: ett väl anpassat objekt kan effektivt absorbera energi från en oförutsägbar, föränderlig miljö - som en person som kan stå på fötterna under en skeppsvals, när alla andra faller, eftersom det är bättre anpassat till däckets vibrationer. Med hjälp av begreppen och metoderna för statistisk mekanik i en icke-jämviktsmiljö hävdar England och hans kollegor att det är dessa väl anpassade system som absorberar och sprider energi från miljön, vilket genererar entropi i processen.
Komplexa system tenderar att komma in i dessa väljusterade tillstånd med överraskande enkelhet, säger England: "Termiskt vibrerande material kan ofta spontant kollapsa i former som absorberar fungerar bra från en tidsvarierande miljö."
Ingenting i denna process innebär gradvis anpassning till miljön genom darwiniska mekanismer för reproduktion, mutation och arv av egenskaper. Det finns ingen replikering alls. "Det vill säga när vi ger en fysisk redogörelse för ursprunget till vissa uppenbarligen anpassade strukturer ser vi att de inte behöver ha föräldrar i vanlig biologisk mening - och dessa resultat verkar otroligt spännande," säger England. "Evolutionär anpassning kan förklaras i termer av termodynamik, även i de nyfikna fall när det inte finns några självreplikatorer och Darwinisk logik faller isär." Om systemet i fråga naturligtvis är komplex, flexibelt och känsligt nog för att reagera på förändringar i miljön.
Det finns dock ingen konflikt mellan fysisk och darwinisk anpassning. Det sistnämnda kan faktiskt betraktas som ett speciellt fall för det förstnämnda. Om replikering finns, blir naturligt urval den väg genom vilken system förvärvar förmågan att absorbera arbete - den negativa Schrödinger-entropin - från miljön. Mekanismen för självreproduktion är faktiskt särskilt bra för att stabilisera komplexa system, och därför är det inte förvånande att det är exakt vad biologi använder. Men i den livlösa världen, där replikering vanligtvis inte inträffar, tenderar välanpassade dissipativa strukturer att vara mycket organiserade strukturer såsom böljande sandlager och sanddyner som kristalliseras från enstaka dans på sand och vind. Ur denna synvinkelDarwinistisk utveckling kan uppfattas som ett konkret exempel på en mer allmän fysisk princip som styr system för icke-quilibrium.
Prognosmekanismer
Denna förståelse av komplexa strukturer som anpassar sig till en föränderlig miljö tillåter oss också att dra några slutsatser om hur dessa strukturer lagrar information. Kort sagt, eftersom sådana strukturer - levande eller inte - tvingas använda den tillgängliga energin effektivt, är de troligtvis "prognosmekanismer".
Det faktum att biologiska system ändrar sitt tillstånd som svar på någon slags styrsignal från den yttre miljön är kanske det viktigaste kännetecknet i livet. Något händer - du svarar på det. Växter dras mot ljus eller producerar toxiner genom att reagera på patogener. Dessa miljösignaler är vanligtvis oförutsägbara, men levande system lär sig av sin egen erfarenhet, samlar in information om sin miljö och använder den för att forma deras beteende i framtiden. (Gener, i den här vyn, bara ge dig de mest grundläggande, allmänna ändamål du behöver.)
Det är riktigt att denna prognos inte är något extra. Enligt forskning från Susanne Still från University of Hawaii, Gavin Crooks, en tidigare anställd vid Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien, och deras kollegor, verkar förmågan att förutsäga framtiden vara grundläggande för alla energieffektiva system på ett slumpmässigt sätt förändrad miljö.
Fortfarande och hennes kollegor visar att lagring av information om det förflutna som inte är värdefullt för att förutsäga framtiden kommer med en termodynamisk kostnad. För att vara så effektiv som möjligt måste systemet vara selektivt. Om hon memorerar allt oskärligt, kommer hon att drabbas av stora energiförluster. Å andra sidan, om hon inte tar sig besväret med att lagra åtminstone lite information om sin miljö alls, kommer hon att behöva göra mycket arbete hela tiden för att klara det oväntade. "En termodynamiskt optimal mekanism bör balansera minne och förutsägelse genom att minimera nostalgi - värdelös information om det förflutna," säger medförfattare David Sivak, för närvarande vid Simon Fraser University i Barnaby, British Columbia. Kort sagthan måste lära sig att samla meningsfull information - det som troligtvis är användbart för framtida överlevnad.
Man kan förvänta sig att naturligt urval främjar energieffektiva organismer. Men även enskilda biomolekylära anordningar, som pumpar och motorer i våra celler, måste på något sätt lära av det förflutna på viktiga sätt för att kunna förutse framtiden. För att uppnå sin anmärkningsvärda effektivitet måste dessa enheter "implicit konstruera en rik förståelse av fenomen som de har mött fram till dess, vilket skulle göra det möjligt för dem att förutsäga framtida händelser."
Dödens termodynamik
Även om några av dessa grundläggande funktioner i informationsbearbetning av levande system, i avsaknad av evolution eller replikering, redan beror på icke-quilibrium termodynamik, kan det antas att mer komplexa funktioner - säger användningen av verktyg eller socialt samarbete - måste tillhandahållas av evolutionen.
Men du bör inte heller räkna med det. Dessa beteenden, som vanligtvis anses vara den exklusiva domänen för starkt utvecklade primater och fåglar, kan simuleras med hjälp av en enkel modell för samverkande partiklar. Tricket är att systemet styrs av en begränsning: det fungerar på ett sådant sätt att det maximerar mängden entropi (i detta fall bestäms med hänsyn till de olika möjliga vägar som partiklarna kan röra sig) som det genererar under en viss tidsperiod.
Entropimaximering har länge betraktats som en funktion i system med icke-quilibrium. Men systemet i denna modell följer en regel som gör det möjligt att skjuta entropin till gränsen över ett fast tidsfönster som sträcker sig in i framtiden. Med andra ord kan hon förutsäga. I huvudsak tar modellen hänsyn till alla möjliga banor för partiklarna och tvingar dem att följa den väg som ger mest entropi. Grovt sagt är detta en typ av väg som håller öppet det största antalet möjligheter för partikelrörelse i framtiden.
Det kan sägas att partikelsystemet har en slags önskan att upprätthålla handlingsfrihet i framtiden, och att denna önskan när som helst styr sitt beteende. Forskarna som utvecklade denna modell - Alexander Wissner-Gross från Harvard University och Cameron Freer, en matematiker vid Massachusetts Institute of Technology - kallar det "kausal entropisk kraft." I datorsimuleringar av konfigurationer av skivformade partiklar som rör sig i cirklar under vissa förhållanden ger denna kraft resultat som är dumt antydande för intelligens.
I ett fall kunde den stora skivan "använda" den lilla skivan för att ta bort den andra lilla skivan från det smala röret - en process som liknade användning av ett verktyg. Att frigöra disken ökade systemets entropi. I ett annat exempel har två diskar i separata fack synkroniserat sitt beteende för att sänka den större disken så att de kan interagera med den och därmed skapa utseendet på socialt samarbete.
Naturligtvis får dessa enkla interagerande medel ett lukrativt inblick i framtiden. Livet har som regel inte det. Vad har det då med biologi att göra? Svaret är inte klart, även om Wissner-Gross säger att han för närvarande arbetar för att skapa en "praktisk, biologiskt plausibel mekanism för orsakssamfundets entropiska krafter." Samtidigt anser han att ett sådant tillvägagångssätt ger ytterligare, användbara möjligheter i praktiken, och erbjuder snabb tillgång till konstgjord intelligens. "I mina förutsägelser är en kortare väg att uppnå det först att upptäcka detta beteende och sedan arbeta i motsatt riktning, utifrån fysiska principer och begränsningar, istället för att arbeta på grundval av specifika beräkningsmetoder eller förutsägelse." han påstår. Med andra ord, först hitta systemet,vem gör vad du vill att hon ska göra och sedan ta reda på hur hon gör det.
Åldrande betraktas också traditionellt som en evolutionär egenskap. Organismer har sin livslängd, vilket skapar möjligheter till reproduktion, och samtidigt, som de säger, förhindras inte utsikterna för överlevnad av avkommor av föräldrar som är alltför truende i närheten och tävlar om resurser. Detta verkar vara sant, men Hildegard Meyer-Ortmanns, en fysiker vid Jacobs universitet i Bremen, Tyskland, tror att åldrandet i slutändan är en fysisk, inte en biologisk process som styrs av informationens termodynamik.
Naturligtvis handlar problemet inte bara om slitage. "Mycket av det mjuka materialet vi är gjorda av förnyas innan det kan åldras," säger Meyer-Ortmanns. Men denna förnyelseprocess är inte perfekt. Termodynamiken i informationskopiering kräver att det finns en balans mellan precision och energi. Kroppen har begränsade energiresurser, därför kommer över tid säkert att ackumuleras fel. Då tvingas kroppen spendera mer och mer energi för att korrigera dessa misstag. Förnyelseprocessen producerar kopior som är för skadade för att fungera korrekt, följt av döden.
De empiriska bevisen verkar stödja detta. Det har länge varit känt att odlade mänskliga celler verkar kunna reproducera sig mer än 40-60 gånger (den så kallade Hayflick-gränsen) innan denna process upphör och åldrande börjar. Och nyligen genomförda studier av människors livslängd tyder på att det finns ett underliggande skäl till att de flesta inte kan överleva ett sekel.
Det är en naturlig konsekvens att denna uppenbara drivkraft för energieffektiva, organiserade prediktionssystem uppstår i en flytande, icke-jämviktsmiljö. Vi själva är sådana system, liksom alla våra förfäder fram till den första primitiva cellen. Och ingen termilynmisk termodynamik verkar säga oss att det är exakt vad materien gör under dessa omständigheter. Med andra ord, uppkomsten av liv på en planet som planetjorden i ett tidigt stadium av existens, med dess många energikällor, såsom solljus och vulkanisk aktivitet, som fortsätter att upprätthålla en obalans, börjar verkar inte längre vara en extremt osannolik händelse, som många forskare tror, men praktiskt taget oundviklig. År 2006 argumenterade Eric Smith och avdøde Harold Morowitz från Santa Fe Instituteatt termodynamiken i icke-quilibrium-system gör uppkomsten av organiserade komplexa system mycket mer troligt under prebiotiska förhållanden på jorden, långt ifrån jämvikt än det skulle vara om de ursprungliga kemiska ingredienserna bara satt och tyst kokade i ett "litet varmt damm" (med Charles Darwins ord) …
Ett decennium efter att tillkännagivandet för första gången har forskare lagt till mer detaljerade och djupare insikter om fenomenet. De egenskaper som Ernst Mayr ansåg vara grundläggande för biologin - mening och avsikt - kan uppstå som en naturlig följd av statistik och termodynamik. Och dessa allmänna egenskaper kan i sin tur naturligtvis leda till en viss livstid.
Samtidigt visar astronomer oss hur många världar kretsar kring andra stjärnor i vår galax: enligt vissa uppskattningar finns de i miljarder. Många av dem är långt ifrån jämvikt, och åtminstone några liknar jorden. Och där gäller naturligtvis samma regler.
Philip Ball
