Dlouho se věřilo, že život se řídí vlastními pravidly. Ale protože jednoduché systémy vykazují známky přirozeného chování, vědci debatují o tom, zda je tato zjevná složitost čistě důsledkem termodynamiky.
Jaký je rozdíl mezi fyzikou a biologií? Vezměte si golfový míček a dělovou kouli a zahoďte je ze Šikmé věže v Pise. Fyzikální zákony vám umožňují předvídat trajektorie jejich pádu tak přesně, že si nemůžete přát to nejlepší.
Nyní udělejte stejný experiment znovu, ale nahraďte dělovou kouli holubicí.
Biologické systémy se samozřejmě nesmějí řídit zákony fyziky - ale zjevně ani ty nejsou schopny předvídat své chování. Biosystémy se liší v tom, že jsou účelné, aby přežily a rozmnožovaly se. Říká se, že mají cíl - nebo to, co filozofové tradičně nazývají teleologií -, které řídí jejich chování.
Podobně, na základě stavu vesmíru na miliardtinu sekundy po Velkém třesku, nám fyzika nyní umožňuje předpovídat, jak náš vesmír vypadá dnes. Nikdo si však nemyslí, že výskyt prvních primitivních buněk na Zemi předvídatelně vedl ke vzniku lidské rasy. Zdá se, že průběh evoluce není diktován zákony.
Teleologie a historická kondice biologie ji podle evolučního biologa Ernsta Mayra dělají mezi vědami jedinečnými. Oba tyto rysy vyplývají snad z jediného společného řídícího principu biologie - evoluce. Má náhodný a libovolný charakter, ale přirozený výběr dává vzhledu úmyslu a účelu. Zvířata jsou přitahována k vodě ne pod vlivem nějaké magnetické přitažlivosti, ale kvůli instinktu, touze přežít. Nohy nás mimo jiné slouží k tomu, aby nás vedly k vodě.
Mayr argumentoval, že tyto rysy dělají z biologie výjimečnou vědu - nezávislý zákon. Mezitím tento pohled napadá nedávný pokrok ve fyzice nevyváženosti, teorie komplexních systémů a teorie informace.
Pokud považujeme živé bytosti za agenty provádějící výpočty - shromažďování a uchovávání informací o nepředvídatelném prostředí - jejich schopnosti a omezení, jako je reprodukce, adaptace, aktivita, účel a význam, nelze chápat jako vyplývající z evoluční improvizace, ale jako nevyhnutelné důsledky fyzikálních zákonů. … Jinými slovy, zdá se, že určitý druh fyziky je základem činnosti bytostí a jejich vývoje tímto směrem. Význam a záměr - které byly považovány za určující charakteristiky živých systémů - by pak mohly přirozeně vycházet ze zákonů termodynamiky a statistické mechaniky.
Propagační video:
Loni v listopadu se fyzici, matematici a počítačoví vědci setkali s evolučními a molekulárními biology, aby o těchto myšlenkách hovořili - a někdy se hádají - na semináři v institutu Santa Fe v Novém Mexiku, což je mekka pro vědce pracující na "Komplexní systémy". Byla položena následující otázka: Jak zvláštní (nebo ne) je vědecká disciplína biologie?
Není divu, že názory jsou rozděleny. Jedna myšlenka však zněla velmi jasně: pokud je za biologickými faktory a teleologií určitá fyzika, musí se zabývat stejným pojmem, který se zdá být ústředním prvkem samotné základní fyziky: informací.
Porucha a démoni
První pokusy zavést informace a záměry do zákonů termodynamiky byly učiněny v polovině 19. století, kdy skotský vědec James Clerk Maxwell vynalezl statistickou mechaniku. Maxwell ukázal, jak se zavedením těchto dvou složek zdálo možné dělat věci, o nichž byla termodynamika deklarována jako nemožná.
V té době už Maxwell ukázal, jak lze předvídatelné a spolehlivé matematické vztahy mezi vlastnostmi plynu - tlak, objem a teplota - odvodit z náhodných a nepochopitelných pohybů bezpočet molekul, které se horečně srazí pod vlivem tepelné energie. Jinými slovy, termodynamika - nová věda o tepelném toku, která zahrnuje obrovské vlastnosti hmoty, jako je tlak a teplota - byla výsledkem statistické mechaniky na mikroskopické úrovni molekul a atomů.
Podle termodynamiky se schopnost extrahovat užitečnou práci z energetických zdrojů vesmíru neustále snižuje. Centra energie jsou redukována, sraženiny tepla postupně mizí. V každém fyzickém procesu je část energie nevyhnutelně rozptýlena ve formě zbytečného tepla, ztraceného mezi náhodnými pohyby molekul. Tato náhodnost je měřena termodynamickou veličinou zvanou entropie - míra poruchy - která neustále roste. Toto je druhý termodynamický zákon. Nakonec se celý vesmír zredukuje na jednotnou nepořádnou směs: stav rovnováhy, ve kterém je entropie maximální a nic smysluplného se nikdy nestane.
Opravdu čekáme na takový bezútěšný osud? Maxwell tomu nechtěl uvěřit a v roce 1867 si vědec stanovil úkol „vyrazit díru“do druhého zákona. Jeho cílem bylo vzít nádobu plynu, kde se molekuly libovolně pohybují, a poté oddělit rychlé molekuly od pomalých, čímž se snížila entropie.
Představte si mikroskopickou bytost - fyzik William Thomson by ho později nazýval spíše Maxwellovým chagrinem, démonem - schopným vidět každou jednotlivou molekulu v nádobě. Démon rozděluje loď na dva oddíly a v přepážce mezi nimi jsou posuvné dveře. Pokaždé, když uvidí zvláště rychlou molekulu, která se blíží ke dveřím z pravého prostoru, otevře dveře a nechá je doleva. A pokaždé, když se pomalu, „studená“molekula přiblíží ke dveřím z levé strany, propustí ji také na druhou stranu. Nakonec má nádobu s prostorem pro studený plyn na pravé straně a horkým plynem na levé straně: tepelným akumulátorem, který lze použít k provedení práce.
To je možné pouze za dvou podmínek. Za prvé, démon má více informací než my: může vidět všechny molekuly individuálně, nejen statisticky průměry. A za druhé, má v úmyslu: plán oddělit horké od chladu. S využitím svých znalostí pro konkrétní účel může napadnout termodynamické zákony.
Přinejmenším se to zdálo. Trvalo sto let, než jsem pochopil, proč Maxwellov démon opravdu nemůže vyvrátit druhý zákon a zabránit jeho neúprosnému sklouznutí směrem k fatální obecné rovnováze. Důvodem toho je hluboké spojení mezi termodynamikou a zpracováním informací - nebo jinými slovy výpočet. Německý a americký fyzik Rolf Landauer ukázal, že i když démon dokáže shromažďovat informace a (vyhýbat se tření) pohnout dveřmi bez jakékoli energie, dříve či později se bude stále počítat. Protože jeho paměť, kde jsou uloženy informace o každém pohybu molekul, nemůže být neomezená, bude ji muset čas od času vyčistit - tj. Vymazat to, co již viděl, a začít znovu od začátku - než může pokračovat v akumulaci energie. Tento akt odstraňování informací přichází s nevyhnutelnými náklady: rozptyluje energii, a proto zvyšuje entropii. Všechny argumenty proti druhému zákonu, které nabízí chytrý démon, jsou přeškrtnuty „Landauerovým limitem“: konečnými náklady na vymazání informací (nebo obecněji na převod informací z jedné formy do druhé).
Živé organismy jsou poněkud podobné Maxwellovmu démonu. Zatímco kádinka plná chemikálií reagujících spolu navzájem nakonec využije svou energii a upadne do nudné stázy a rovnováhy, živé systémy kolektivně unikly neživému stavu rovnováhy od samého počátku života po dobu asi tří a půl miliardy let. Shromažďují energii z okolí, aby udrželi tento nerovnovážný stav, a dělají to s „záměrem“. I jednoduché bakterie se pohybují s „cílem“: ke zdrojům tepla a jídla. Ve své knize Co je život z roku 1944? fyzik Erwin Schrödinger tuto myšlenku vyjádřil tím, že živé organismy živí „negativní entropii“.
Podle Schrödingera to dosahují shromažďováním a ukládáním informací. Některé z těchto informací jsou zakódovány v jejich genech a předávány z generace na generaci: soubor pokynů pro shromažďování negativní entropie. Schrödinger nevěděl, kde byly informace uloženy nebo jak byly zakódovány, ale jeho intuice mu řekla, že to bylo napsáno v tom, co definoval jako „aperiodický krystal“, a tato myšlenka sloužila jako inspirace pro Francis Crick, fyzika v jeho hlavní specialitě, a James Watson, který v roce 1953 pochopil, jak by mohla být genetická informace kódována v molekulární struktuře molekuly DNA.
Genom je tedy přinejmenším částečně záznamem užitečných znalostí, které umožnily předkům organismu - již v dávné minulosti - přežít na naší planetě. Podle Davida Wolperta, matematika a fyziky v Santa Fe Institute, který sponzoroval nedávný workshop, a jeho kolegy Artemyho Kolchinskyho je klíčem to, že dobře adaptované organismy navazují vztahy s tímto prostředím. Pokud je zaručeno, že bakterie bude plavat doleva nebo doprava, když je zdroj potravy v tomto směru, je lépe přizpůsobena a bude se vyvíjet úspěšněji než bakterie, která plave libovolným směrem, a proto najde jídlo pouze náhodou. Korelace mezi stavem organismu a stavem prostředí znamená, že si vyměňují obecné informace. Volpert a Kolchinsky tvrdíže právě tato informace pomáhá tělu vyhýbat se rovnováze - protože, stejně jako Maxwellov démon, může přizpůsobit své chování tak, aby extrahoval práci z nestálosti prostředí. Pokud by tyto informace nedostal, tělo by se postupně dostalo do rovnovážného stavu, tj. K smrti.
Z tohoto hlediska lze na život pohlížet jako na výpočetní proces zaměřený na optimalizaci ukládání a používání smysluplných informací. A život, jak se ukazuje, je v tomto velmi úspěšný. Landauerovo řešení pro démonickou logickou společnost Maxwell stanovilo absolutní dolní hranici množství energie, kterou vyžaduje výpočetní systém s konečnou pamětí, jmenovitě náklady na energii zapomnění. Nejlepší počítače dnes jsou nesrovnatelně plýtvatelné: obvykle spotřebují a rozptýlí milionkrát více energie. Jak však říká Wolpert, „podle nejkonzervativnějších odhadů je termodynamická účinnost celkového výpočtového procesu prováděného buňkou pouze asi 10krát vyšší než Landauerův limit“.
Důsledkem je, že „přirozený výběr se zásadně zabývá minimalizací termodynamických nákladů na výpočet. Bude se snažit snížit celkový počet výpočtů, které musí buňka provést. “Jinými slovy, zdá se, že biologie (s možnou výjimkou nás) podniká proaktivní kroky, aby se vyhnula obtěžování s přežitím. Tato otázka nákladů a přínosů spočívajících ve výpočtu vlastní cesty organismu životem je podle biologie doposud do značné míry ignorována.
Neživý darwinismus
Na živé organismy tak lze nahlížet jako na objekty, které se přizpůsobují prostředí pomocí informací, absorbují energii a tím se odchylují od rovnováhy. Toto je samozřejmě velmi důležité prohlášení. Ale všimněte si, že to neříká nic o genech a evoluci, na kterých mnoho biologů, včetně Mayera, převzalo biologické záměry a cíle, závisí.
Jak daleko nás takový nápad může vzít? Geny vyleštěné přírodním výběrem jsou nepochybně ústředním prvkem biologie. Ale mohlo by to být tak, že evoluce přirozeným výběrem je sama o sobě pouze zvláštním případem obecnějšího imperativu, pokud jde o funkci a zjevný účel, který existuje v čistě fyzickém vesmíru? Všechno začíná vypadat takto.
Adaptace byla dlouho považována za charakteristický znak darwinovské evoluce. Mezitím Jeremy England z Massachusetts Institute of Technology tvrdí, že k přizpůsobení prostředí může dojít i ve složitých neživých systémech.
Přizpůsobení má zde konkrétnější význam než obvyklý darwinovský pohled na organismus, protože je dobře vybaven prostředky k přežití. V darwinovské teorii je jeden úlovek: máme schopnost definovat dobře přizpůsobený organismus při zpětném pohledu. „Nejsilnější“jsou ty, které jsou lépe přizpůsobeny k přežití a reprodukci, ale nemůžeme předvídat, co daná kondice vyžaduje. Velryby a plankton jsou dobře přizpůsobeny mořskému životu, ale takovým způsobem, že mezi nimi není téměř nic společného.
Anglická definice „adaptace“je blíže definici Schrödingera a ve skutečnosti Maxwellovi: dobře přizpůsobený objekt může účinně absorbovat energii z nepředvídatelného, proměnlivého prostředí - jako člověk, který je schopen postavit se na nohy během převrácení lodi, když všichni ostatní padají, protože je lépe přizpůsoben vibracím paluby. Při použití konceptů a metod statistické mechaniky v nerovnovážném prostředí Anglie a jeho kolegové tvrdí, že právě tyto dobře přizpůsobené systémy absorbují a rozptylují energii z prostředí a vytvářejí entropii v procesu.
Složité systémy mají tendenci vstoupit do těchto dobře upravených stavů s překvapivou lehkostí, říká Anglie: „Tepelně vibrující hmota se může často spontánně zhroutit do tvarů, které dobře absorbují práci z časově proměnlivého prostředí.“
Nic v tomto procesu nezahrnuje postupnou adaptaci na prostředí prostřednictvím darwinovských mechanismů reprodukce, mutace a dědičnosti zvláštností. Neexistuje žádná replikace vůbec. "To znamená, že když fyzicky vysvětlíme původ některých zjevně přizpůsobených struktur, zjistíme, že nemusí mít rodiče v obvyklém biologickém smyslu - a tato zjištění jsou neuvěřitelně vzrušující," říká Anglie. "Evoluční adaptace může být vysvětlena termodynamikou i v těch zvědavých případech, kdy neexistují samoreplikátory a darwinovská logika se rozpadá." Pokud je dotyčný systém samozřejmě složitý, flexibilní a dostatečně citlivý, aby reagoval na změny prostředí.
Mezi fyzickou a darwinovskou adaptací však není konflikt. Ve skutečnosti lze posledně jmenovaný považovat za zvláštní případ prvního z nich. Je-li replikace přítomna, pak se přirozený výběr stává cestou, kterou systémy získávají schopnost absorbovat práci - negativní Schrödingerovu entropii - z prostředí. Mechanismus vlastní reprodukce je ve skutečnosti obzvláště dobrý pro stabilizaci komplexních systémů, a proto není divu, že právě to biologie používá. Ale v neživém světě, kde k replikaci obvykle nedochází, jsou dobře přizpůsobené disipativní struktury obvykle vysoce organizovanými strukturami, jako jsou zvlněné vrstvy písku a duny krystalizující z občasného tance písku a větru. Z tohoto hlediskaDarwinovskou evoluci lze vnímat jako konkrétní příklad obecnějšího fyzikálního principu, který řídí nerovnovážné systémy.
Prognostické mechanismy
Toto pochopení komplexních struktur přizpůsobujících se měnícímu se prostředí nám také umožňuje vyvodit některé závěry o tom, jak tyto struktury ukládají informace. Stručně řečeno, protože takové struktury - živé či nikoli - jsou nuceny efektivně využívat dostupnou energii, pravděpodobně se stanou „předpovědními mechanismy“.
Skutečnost, že biologické systémy mění svůj stav v reakci na nějaký druh řídícího signálu z vnějšího prostředí, je možná hlavní charakteristickou vlastností života. Něco se stane - odpovíte. Rostliny se přitahují na světlo nebo produkují toxiny reakcí na patogeny. Tyto signály prostředí jsou obvykle nepředvídatelné, ale živé systémy se učí ze svých vlastních zkušeností, shromažďují informace o svém prostředí a používají je k utváření jejich budoucího chování. (Geny, v tomto pohledu, jen poskytují ty nejzákladnější, univerzální prvky, které potřebujete.)
Je pravda, že tato předpověď není něco pomocného. Podle studie Susanne Still z University of Hawaii, Gavin Crooks, bývalého zaměstnance Národní laboratoře Lawrence Berkeley, Kalifornie, a jejich kolegů se zdá, že schopnost předpovídat budoucnost je pro jakýkoli energeticky účinný systém náhodná měnitelné prostředí.
Stále a její kolegové ukazují, že za uchovávání informací o minulosti existují termodynamické náklady, které nejsou pro předpovídání budoucnosti cenné. Aby byl systém co nejúčinnější, musí být selektivní. Pokud si pamatuje všechno bez rozdílu, utrpí velké energetické ztráty. Na druhou stranu, pokud nebude mít potíže s ukládáním alespoň některých informací o svém prostředí vůbec, bude muset vyvinout značné úsilí po celou dobu, aby se vypořádala s neočekávanými. "Termodynamicky optimální mechanismus by měl vyrovnávat paměť a předpověď tím, že minimalizuje nostalgii - zbytečné informace o minulosti," říká spoluautor David Sivak, v současné době na Univerzitě Simona Frasera v Barnaby v Britské Kolumbii. Krátce řečeno,musí se naučit shromažďovat smysluplné informace - to, co je nejpravděpodobnější pro budoucí přežití.
Dalo by se očekávat, že přírodní výběr zvýhodňuje energeticky účinné organismy. Ale i jednotlivá biomolekulární zařízení, jako jsou čerpadla a motory v našich buňkách, se musí nějakým způsobem poučit z minulosti, aby předpověděla budoucnost. Aby tato zařízení dosáhla své pozoruhodné účinnosti, musí stále říkat, že tato zařízení musí „implicitně konstruovat bohaté porozumění jevům, s nimiž se dosud setkaly, což by jim umožnilo předpovídat budoucí události“.
Termodynamika smrti
I když některé z těchto základních rysů zpracování informací živými systémy, při neexistenci evoluce nebo replikace, jsou již způsobeny nestejnoměrnou termodynamikou, lze předpokládat, že vývojem musí být poskytovány složitější rysy - řekněme použití nástrojů nebo sociální spolupráce -.
Ale na to byste se neměli spoléhat. Tato chování, která jsou obecně považována za výlučnou doménu vysoce vyvinuté evoluční mezery, která zahrnuje primáty a ptáky, lze simulovat pomocí jednoduchého modelu interakčních částic. Trik spočívá v tom, že systém je řízen omezením: jedná tak, že maximalizuje množství entropie (v tomto případě určené s ohledem na různé možné cesty, které by částice mohly cestovat), které generuje v daném časovém období.
Maximalizace entropie byla dlouho považována za rys systémů nevyváženosti. Systém v tomto modelu se však řídí pravidlem, které mu umožňuje tlačit entropii na hranici přes pevné časové okno, které sahá do budoucnosti. Jinými slovy, je schopna předvídat. Model v podstatě bere v úvahu všechny možné cesty částic a nutí je sledovat cestu, která produkuje nejvíce entropie. Zhruba řečeno, jedná se o druh cesty, která udržuje v budoucnu největší počet možností pohybu částic.
Dá se říci, že částicový systém má určitou touhu udržet si svobodu jednání v budoucnosti a že tato touha kdykoli řídí jeho chování. Vědci, kteří tento model vyvinuli - Alexander Wissner-Gross z Harvardské univerzity a Cameron Freer, matematik na Massachusetts Institute of Technology - nazývají to „kauzální entropická síla“. V počítačových simulacích konfigurací částic ve tvaru disku pohybujících se v kruzích za určitých podmínek tato síla vede k výsledkům, které děsivě naznačují inteligenci.
V jednom případě byl velký disk schopen „použít“malý disk k odstranění druhého malého disku z úzké trubice - proces, který byl podobný použití nástroje. Uvolnění disku zvýšilo entropii systému. V jiném příkladu dva disky v samostatných pozicích synchronizovaly své chování tak, aby snížily větší disk dolů, aby s ním mohly interagovat, čímž se vytvoří vzhled sociální spolupráce.
Tito prostí interagující agenti samozřejmě získají lukrativní pohled do budoucnosti. Život zpravidla nemá. Co to tedy má společného s biologií? Odpověď není jasná, ačkoli Wissner-Gross říká, že v současné době pracuje na vytvoření „praktického, biologicky věrohodného mechanismu kauzálních entropických sil“. Zároveň věří, že takový přístup poskytuje další, užitečné v praxi příležitosti, nabízející rychlý přístup k umělé inteligenci. "Moje předpovědi jsou, že kratší cestou k dosažení tohoto cíle je nejprve odhalit toto chování a poté pracovat opačným směrem, počínaje fyzickými principy a omezeními, namísto práce na základě specifických metod výpočtu nebo predikce." on tvrdí. Jinými slovy, nejprve najděte systém,kdo dělá, co chcete, aby udělala, a pak přijde na to, jak to dělá.
Stárnutí je také tradičně vnímáno jako evoluční vlastnost. Organismy mají životnost, která vytváří příležitosti k rozmnožování, a zároveň, jak se říká, vyhlídky na přežití potomků nebrání rodičům, kteří se příliš blíží a bojují o zdroje. Zdá se, že je to pravda, ale Hildegard Meyer-Ortmanns, fyzik na Jacobsově univerzitě v Brémách v Německu, věří, že stárnutí je nakonec fyzický a nikoli biologický proces řízený termodynamikou informací.
Samozřejmě nejde jen o oblečení. "Hodně z měkkého materiálu, ze kterého jsme vyrobeni, je obnoveno dříve, než může stárnout," říká Meyer-Ortmanns. Tento proces obnovy však není dokonalý. Termodynamika kopírování informací vyžaduje rovnováhu mezi přesností a energií. Tělo má omezené energetické zdroje, proto se v průběhu času chyby jistě hromadí. Potom je tělo nuceno utrácet více a více energie, aby tyto chyby napravilo. Proces obnovy vytváří kopie, které jsou příliš poškozené na to, aby řádně fungovaly a následovaly smrt.
Zdá se, že to empirické důkazy podporují. Již dlouho je známo, že se zdá, že kultivované lidské buňky jsou schopny se množit více než 40-60krát (tzv. Hayflickův limit), než se tento proces zastaví a začne stárnutí. A nedávné studie o délce života člověka naznačují, že existuje důvod, proč většina lidí nemůže přežít století.
Je zde přirozený důsledek, že tato zjevná snaha o energeticky účinné, organizované prediktivní systémy vzniká v tekutém, nerovnovážném prostředí. My sami jsme takové systémy, jako všichni naši předci až do první primitivní buňky. A zdá se, že nám termodynamika nerovnovážné rovnováhy říká, že přesně za těchto okolností jde přesně o to. Jinými slovy, vznik života na planetě, jako je planeta Země v rané fázi existence, s mnoha zdroji energie, jako je sluneční světlo a sopečná činnost, které si i nadále udržují nerovnováhu, se již nezdá být extrémně nepravděpodobnou událostí, jak mnozí vědci věří, ale prakticky nevyhnutelný. V roce 2006 argumentovali Eric Smith a pozdější Harold Morowitz z institutu Santa Feže termodynamika nerovnovážných systémů činí vznik organizovaných komplexních systémů mnohem pravděpodobnější v prebiotických podmínkách na Zemi, daleko od rovnováhy, než by tomu bylo, kdyby původní chemické přísady seděly a tiše vařily v „malém teplém rybníku“(slovy Charlese Darwina) …
Desetiletí po prvním oznámení bylo vědcům přidáno více podrobností a hlubší vhled do tohoto jevu. Kvality, které Ernst Mayr považoval za základní pro biologii - význam a záměr - by mohly vzniknout jako přirozený důsledek statistiky a termodynamiky. A tyto obecné vlastnosti mohou zase vést k určité zdání života.
Současně nám astronomové ukazují, kolik světů se točí kolem jiných hvězd v naší Galaxii: podle některých odhadů jsou v miliardách. Mnoho z nich není ani zdaleka vyváženo a alespoň některé jsou podobné Zemi. A samozřejmě platí stejná pravidla.
Philip Ball