Cómo Brota la Vida del Desorden
De vida mucho tiempo se pensó que obedece su propio conjunto de reglas. Pero a medida que los sistemas simples muestran signos de comportamiento muy real, los científicos están discutiendo sobre si esta aparente complejidad es todo consecuencia de la termodinámica.
¿Cual es la diferencia entre la física y la biología? Tome una pelota de golf y una bala de cañón y sueltalos de la Torre de Pisa. Las leyes de la física le permiten predecir sus trayectorias más o menos con la mayor precisión que se puede desear.
Ahora haga lo mismo experimento de nuevo, pero reemplazar la bala de cañón con una paloma.
Los sistemas biológicos no desafían las leyes físicas, por supuesto - pero tampoco parecen ser predicho por ellos. Por el contrario, son dirigido a un objetivo: sobrevivir y reproducirse. Podemos decir que tienen un propósito - o lo que los filósofos han llamado tradicionalmente una teleología - que guía su comportamiento.
Por la misma razón, la física ahora nos permite predecir, a partir del estado del universo de una mil millonésima de segundo después del Big Bang, lo que parece en la actualidad. Pero nadie se imagina que la aparición de las primeras células primitivas de la Tierra llevó predecible a la raza humana. Las leyes no, al parecer, dictan el curso de la evolución.
La teleología y la contingencia histórica de la biología, dijo el biólogo evolucionista Ernst Mayr, la hacen única entre las ciencias . Ambas características se derivan de tal vez sólo principio rector general de la biología: la evolución. Depende de la suerte y el azar, pero la selección natural le da la apariencia de la intención y el propósito. Los animales se sienten atraídos por el agua no por alguna atracción magnética, pero debido a su instinto, su intención, para sobrevivir. Piernas sirven al propósito de, entre otras cosas, que nos llevará al agua.
Mayr afirmó que estas características hacen de la biología excepcional - una ley en sí misma. Sin embargo, los recientes desarrollos en la física de no equilibrio, los sistemas complejos ciencia y la teoría de la información están desafiando esa vista.
Una vez que consideramos cosas como agentes realizar una computación de vivir - recoger y almacenar información acerca de un entorno impredecible - capacidades y consideraciones tales como la replicación, la adaptación, la agencia, el propósito y el significado puede ser entendido como algo que surge no de la improvisación evolutiva, pero corolarios como inevitables de la física leyes. En otras palabras, parece que hay una especie de la física de las cosas que hacen las cosas, y en evolución para hacer cosas. Significado e intención - cree que las características definitorias de los sistemas vivos - puede entonces surgen naturalmente a través de las leyes de la termodinámica y la mecánica estadística.
En noviembre pasado, los físicos, matemáticos y científicos informáticos se reunieron con los biólogos evolutivos y moleculares para hablar - y, a veces argumentan - acerca de estas ideas en un taller ". Los sistemas complejos" en el Instituto de Santa Fe en Nuevo México, la meca de la ciencia de Le preguntaron: ¿qué tan especial (o no) es la biología?
No es de extrañar que no había consenso. Sin embargo, un mensaje que surgió con mucha claridad era que, si hay un tipo de física detrás de la teleología biológica y la agencia, que tiene algo que ver con el mismo concepto que parece haberse convertido instalado en el corazón de la física fundamental en sí: la información.
El Desorden y Demonios
El primer intento de llevar la información y la intención de las leyes de la termodinámica se produjo en la mitad del siglo 19, cuando la mecánica estadística se han inventado por el científico escocés James Clerk Maxwell. Maxwell demostró cómo la introducción de estos dos ingredientes parecía para que sea posible hacer las cosas de la termodinámica que proclamaban imposible.
Maxwell ya había demostrado cómo las relaciones matemáticas previsibles y fiables entre las propiedades de un gas - presión, volumen y temperatura - se podrían derivar de los movimientos aleatorios y desconocidas de incontables moléculas balanceándose frenéticamente con energía térmica. En otras palabras, la termodinámica - la nueva ciencia de flujo de calor, que unía a las propiedades a gran escala de la materia como la presión y la temperatura - fue el resultado de la mecánica estadística en la escala microscópica de las moléculas y los átomos.
De acuerdo con la termodinámica, la capacidad de extraer un trabajo útil a partir de los recursos energéticos del universo siempre está disminuyendo. Bolsillos de energía están disminuyendo, las concentraciones de calor están siendo suavizadas de distancia. En todos los procesos físicos, parte de la energía se disipa en forma de calor, inevitablemente inútil, perdida entre los movimientos aleatorios de las moléculas. Esta aleatoriedad se equipara con la cantidad llamada entropía termodinámica - una medida del desorden - que siempre está en aumento. Esa es la segunda ley de la termodinámica. Finalmente, todo el universo se reducirá a un uniforme, aburrido revoltijo: un estado de equilibrio, en el que la entropía se maximiza y nada significativo nunca volverá a suceder.
¿Realmente estamos condenados a que el destino triste? Maxwell era reacio a creer, y en 1867 se propuso, como él mismo dijo, "escoger un agujero" en la segunda ley. Su objetivo era comenzar con una caja desordenado de moléculas balanceándose al azar, a continuación, separar las moléculas rápidas de las lentas, la reducción de la entropía en el proceso.
Imagínese alguna pequeña criatura - el físico William Thomson llamó más tarde, en lugar de la consternación de Maxwell, un demonio - que puede ver cada molécula individual en la caja. El demonio se separa la caja en dos compartimentos, con una puerta corredera en la pared entre ellos. Cada vez que ve una molécula particular energía acercarse a la puerta del compartimiento de la derecha, lo abre para dejar salir adelante. Y cada vez que una molécula "fría" lenta se acerca desde la izquierda, que permite que a través, también. Finalmente, se dispone de un compartimento de gas frío a la derecha y el gas caliente de la izquierda: un depósito de calor que puede ser aprovechado para hacer el trabajo.
Esto sólo es posible por dos razones. En primer lugar, el demonio tiene más información que lo que hacemos: Puede ver todas las moléculas de forma individual, en lugar de simplemente promedios estadísticos. Y en segundo lugar, tiene intención: un plan para separar el calor del frío. Mediante la explotación de sus conocimientos con la intención, que puede desafiar las leyes de la termodinámica.
Al menos, eso parecía. Tomó un centenar de años para entender por qué el demonio de Maxwell no puede, de hecho, derrotar a la segunda ley y evitar el inexorable deslizamiento hacia mortal, equilibrio universal. Y la razón muestra que hay una conexión profunda entre la termodinámica y el procesamiento de la información - o en otras palabras, la computación. El físico alemán-americano Rolf Landauer mostróque, incluso si el demonio puede reunir información y mover la puerta (sin fricción) sin costo de energía, una pena el tiempo debe ser pagado. Porque no puede tener una memoria ilimitada de cada movimiento molecular, debe de vez en cuando limpie la memoria limpia - olvidar lo que ha visto y empezar de nuevo - antes de que pueda continuar con la energía de la cosecha. Este acto de borrado de información tiene un precio inevitable: Se disipa la energía, y por lo tanto aumenta la entropía. Todas las ganancias contra la segunda ley hecha por obra ingeniosa del demonio son cancelados por "límite de Landauer": el coste finito de la información de eliminación (o, más generalmente, de convertir la información de una forma a otra).
Los organismos vivos parecen más bien como el demonio de Maxwell. Mientras que un cubilete lleno de productos químicos reaccionar con el tiempo gastar su energía y caer en la estasis aburrido y equilibrio, los sistemas vivos han sido colectivamente evitando el estado de equilibrio sin vida desde el origen de la vida cerca de tres y hace mil quinientos millones de años. Cosechan la energía de su entorno para mantener este estado de no equilibrio, y lo hacen con "intención." Incluso las bacterias simples se mueven con "propósito" hacia fuentes de calor y la nutrición. En su libro de 1944 ¿Qué es la vida? , El físico Erwin Schrödinger expresa esto diciendo que los organismos vivos se alimentan de "entropía negativa".
Lo logran, Schrödinger, dijo, mediante la captura y almacenamiento de información. Parte de esta información está codificada en sus genes y se transmite de una generación a la siguiente: un conjunto de instrucciones para cosechar entropía negativa. Schrödinger no sabía donde se guarda la información o la forma en que se codifica, pero su intuición de que está escrito en lo que él llama un "cristal aperiódico" inspirado Francis Crick, el propio entrenado como físico, y James Watson en 1953, cuando se dieron cuenta cómo la información genética puede ser codificado en la estructura molecular de la molécula de ADN.
Un genoma es, pues, al menos en parte, un registro del conocimiento útil que ha permitido a los antepasados de un organismo - de vuelta a un pasado lejano - para sobrevivir en nuestro planeta. De acuerdo con David Wolpert , un matemático y físico del Instituto de Santa Fe, que convocó el taller reciente, y su colega Artemy Kolchinsky , el punto clave es que los organismos bien adaptados están correlacionados con ese entorno. Si una bacteria nada fiable hacia la izquierda o hacia la derecha cuando hay una fuente de alimento en esa dirección, que se adapta mejor, y florecerá más, que uno que nada en direcciones al azar y por lo tanto, sólo se buscan la comida por casualidad. Una correlación entre el estado del organismo y la de su medio ambiente implica que comparten información en común. Wolpert y Kolchinsky dicen que es esta información que ayuda al organismo estancia fuera de equilibrio - porque, como el demonio de Maxwell, que luego puede adaptar su comportamiento para extraer el trabajo de las fluctuaciones de su entorno. Si no adquirió esta información, el organismo volverá gradualmente al equilibrio: Se moriría.
Visto de esta manera, la vida puede ser considerado como un cálculo que tiene como objetivo optimizar el almacenamiento y uso de información significativa . Y la vida resulta ser muy bueno en eso. Resolución del enigma del demonio de Maxwell de Landauer establece un límite inferior absoluto de la cantidad de energía que un cálculo finito memoria es necesario: a saber, el costo energético del olvido. Los mejores ordenadores hoy en día son mucho, mucho más derrochador de energía que, por lo general lento y disipar más de un millón de veces más. Pero de acuerdo con Wolpert, "una estimación muy conservadora de la eficiencia termodinámica de la computación total realizado por una célula es que es sólo 10 o menos veces más que el límite de Landauer."
La implicación, dijo, es que "la selección natural ha sido enormemente preocupado por reducir al mínimo el coste termodinámico de la computación. Se hará todo lo posible para reducir la cantidad total de cómputo una célula debe realizar. "En otras palabras, la biología (exceptuando posiblemente a nosotros mismos) parece tener mucho cuidado de no pensar demasiado en el problema de la supervivencia. Este problema de los costes y beneficios de la computación de una manera a través de la vida, dijo, se ha pasado por alto en la biología hasta el momento.
Darwinismo Inanimada
Así organismos vivos pueden considerarse como entidades que sintonizarse con su entorno mediante el uso de información para captar energía y evadir equilibrio. Claro, es un poco de un bocado. Pero Tenga en cuenta que no dijo nada acerca de los genes y la evolución, en el que Mayr, al igual que muchos biólogos, que se supone que la intención y el propósito biológica dependen.
¿Hasta dónde puede de este cuadro entonces llevarnos? Los genes perfeccionado por la selección natural son, sin duda, fundamental para la biología. Pero podría ser que la evolución por selección natural es la misma que un caso particular de un imperativo más general hacia la función y el propósito aparente que existe en el universo puramente físico? Se está empezando a verse de esa manera.
La adaptación ha sido visto como el sello de la evolución darwiniana. Pero Jeremy Inglaterra en el Instituto de Tecnología de Massachusetts ha argumentado que la adaptación al medio ambiente puede ocurrir incluso en los sistemas no vivos complejos.
Adaptación de aquí tiene un significado más específico que la imagen darwiniana habitual de un organismo bien equipado para la supervivencia. Una dificultad con la visión darwiniana es que no hay manera de definir un organismo bien adaptada, excepto en retrospectiva. Los "más aptos" son los que resultó ser mejor en la supervivencia y la reproducción, pero no se puede predecir lo que implica la aptitud. Las ballenas y plancton están bien adaptados a la vida marina, pero en formas que tienen poca relación obvia entre sí.
Definición de "adaptación" de Inglaterra está más cerca de Schrödinger, y de hecho a Maxwell: Una entidad de bien adaptado puede absorber la energía de manera eficiente desde un entorno impredecible, fluctuante. Es como la persona que mantiene el equilibrio en un barco de pitcheo, mientras que otros se caen debido a que es mejor para el ajuste según las fluctuaciones de la cubierta. El uso de los conceptos y métodos de la mecánica estadística en un entorno de no equilibrio, Inglaterra y sus colegas argumentan que estos sistemas bien adaptados son los que absorben y disipan la energía del medio ambiente, la generación de entropía en el proceso.
Los sistemas complejos tienden a asentarse en estos estados bien adaptadas con sorprendente facilidad, England dijo: "térmicamente fluctuante cuestión a menudo es golpeado de forma espontánea en formas que son buenos en la absorción de trabajo del entorno variable en el tiempo".
No hay nada en este proceso que implica el alojamiento gradual hacia el entorno a través de los mecanismos darwinianos de replicación, mutación y la herencia de rasgos. No hay replicación en absoluto. "Lo que es interesante acerca de esto es que esto significa que cuando nos damos cuenta de una física de los orígenes de algunas de las estructuras que mira adaptados que vemos, que no necesariamente tiene que haber tenido los padres en el sentido biológico de costumbre," dijo Inglaterra . "Usted puede explicar la adaptación evolutiva utilizando la termodinámica, incluso en los casos intrigantes donde no hay auto-replicantes y la lógica darwiniana se rompe" - siempre y cuando el sistema en cuestión es compleja, versátil y lo suficientemente sensible para responder a las fluctuaciones de su entorno.
Pero tampoco hay ningún conflicto entre la adaptación física y darwinista. De hecho, este último se puede ver como un caso particular de la primera. Si la replicación está presente, entonces la selección natural se convierte en la ruta por la cual los sistemas adquieren la capacidad de absorber trabajo - entropía negativa de Schrödinger - desde el entorno. Autorreplicación es, de hecho, especialmente un buen mecanismo para la estabilización de los sistemas complejos, y por lo tanto no es de extrañar que esto es lo que utiliza la biología. Pero en el mundo no vivientes en la replicación no suele suceder, las estructuras disipativas bien adaptados tienden a ser los que están altamente organizados, como las ondas de arena y dunas de cristalización de la danza al azar de la arena arrastrada por el viento. Visto de esta manera, la evolución darwiniana puede considerarse como un caso específico de un principio físico más general que rige los sistemas fuera del equilibrio.
Máquinas de predicción
Esta imagen de las estructuras complejas de adaptación a un entorno fluctuante también nos permite deducir algo acerca de cómo estas estructuras almacenar información. En resumen, siempre que tales estructuras - ya sea vivo o no - se ven obligados a utilizar la energía disponible de manera eficiente, que pueden llegar a ser "máquinas de predicción."
Es casi una característica definitoria de la vida que los sistemas biológicos cambian su estado en respuesta a alguna señal de activación del medio ambiente. Algo pasa; tu respondes. Las plantas crecen hacia la luz; que producen las toxinas en respuesta a los patógenos. Estas señales ambientales suelen ser impredecible, pero los sistemas vivos aprenden de la experiencia, almacenando información sobre su entorno y que sirva para orientar el comportamiento futuro. (Los genes, en esta imagen, que le permiten observar los elementos esenciales, para fines generales básicos.)
Predicción no es opcional, sin embargo. De acuerdo con el trabajo de Susanne Todavía en la Universidad de Hawai, Gavin ladrones , anteriormente en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California, y sus colegas, predecir el futuro parece ser esencial para cualquier sistema eficiente de la energía en un entorno aleatorio, fluctuante.
Hay un coste termodinámico para almacenar información sobre el pasado que no tiene valor predictivo para el futuro, Still y sus colegas muestran. Para ser máximamente eficiente, un sistema debe ser selectiva. Si indiscriminadamente recuerda todo lo que pasó, se incurre en un coste energético de gran tamaño. Por otro lado, si no se molesta almacenar cualquier información sobre su entorno en absoluto, será una lucha constante para hacer frente a lo inesperado. "Una máquina termodinámicamente óptimo debe equilibrar la memoria contra la predicción minimizando su nostalgia - la información inútil sobre el pasado '', dijo un co-autor, David Sivak , ahora en la Universidad Simon Fraser en Burnaby, Columbia Británica. En resumen, debe ser bueno en la recolección de información significativa - lo que es probable que sea útil para la supervivencia futura.
Uno esperaría que la selección natural para favorecer a los organismos que utilizan la energía de manera eficiente. Pero incluso los dispositivos biomoleculares individuales como las bombas y motores en nuestras células deben, de alguna manera importante, aprender del pasado para anticipar el futuro. Para adquirir su notable eficiencia, Sin embargo, dijo, estos dispositivos deben "implícitamente construir representaciones concisas del mundo que se han encontrado hasta el momento, lo que les permite anticipar lo que está por venir."
La termodinámica de la Muerte
Incluso si algunas de estas funciones básicas de procesamiento de información de los sistemas vivos ya se le pide, en ausencia de la evolución o la replicación, por la termodinámica de no equilibrio, se puede imaginar que los rasgos más complejos - el uso de herramientas, por ejemplo, o la cooperación social - deben ser suministrados por evolución.
Bueno, no contar con ella. Estos comportamientos, comúnmente se cree que son del dominio exclusivo del nicho evolutivo muy avanzada que incluye los primates y aves, se pueden imitar un modelo simple que consiste en un sistema de partículas que interactúan. El truco es que el sistema es guiado por una restricción: Actúa de una manera que maximiza la cantidad de entropía (en este caso, se define en términos de los diferentes caminos posibles las partículas podrían adoptar) se genera en un plazo determinado.
Entropía maximización ha sido durante mucho tiempo pensado para ser un rasgo de los sistemas fuera del equilibrio. Pero el sistema en este modelo obedece a una regla que le permite maximizar la entropía sobre una ventana de tiempo fijo que se extiende en el futuro. En otras palabras, se ha previsión. En efecto, el modelo se ve en todos los caminos de las partículas podrían tomar y los obliga a adoptar el camino que produce la mayor entropía. Hablar crudamente, esto tiende a ser el camino que mantiene abierto el mayor número de opciones para la forma en que las partículas podrían desplazarse posteriormente.
Se podría decir que el sistema de partículas experimenta una especie de necesidad de preservar la libertad de acción futura, y que este impulso orienta su comportamiento en todo momento. Los investigadores que desarrollaron el modelo - Alexander Wissner-Gross de la Universidad de Harvard y Cameron Freer , un matemático en el Instituto de Tecnología de Massachusetts - llamar a esto una " fuerza entrópica causal En las simulaciones por ordenador de las configuraciones de partículas en forma de disco que se mueven alrededor en particular." configuración, esta fuerza crea resultados que son extrañamente sugerente de la inteligencia.
En un caso, un disco grande fue capaz de "usar" un pequeño disco para extraer un segundo disco pequeño de un tubo estrecho - un proceso que parecía el uso de herramientas. Liberar el disco aumenta la entropía del sistema. En otro ejemplo, dos discos en compartimientos separados sincronizan su comportamiento para tirar de un disco más grande hacia abajo de modo que pudieran interactuar con él, dando la apariencia de la cooperación social.
Por supuesto, estos agentes que interactúan simples obtienen el beneficio de una visión hacia el futuro. La vida, como regla general, no lo hace. Entonces, ¿cómo es esto relevante para la biología? Eso no es clara, aunque Wissner-Gross dijo que ahora está trabajando para establecer "una práctica, biológicamente plausible, mecanismo de fuerzas entrópicos causales." Mientras tanto, él cree que el enfoque podría tener escisiones prácticos, ofreciendo un acceso directo a la inteligencia artificial . "Mi predicción es que una forma más rápida de lograrlo será descubrir tal comportamiento primero y luego trabajar hacia atrás desde los principios físicos y las limitaciones, en lugar de trabajar hacia adelante desde particular, técnicas de predicción de cálculo o," dijo. En otras palabras, en primer lugar encontrar un sistema que hace lo que quiere que haga y luego averiguar cómo lo hace.
El envejecimiento, también, ha sido visto tradicionalmente como un rasgo dictado por la evolución. Los organismos tienen una vida útil que crea oportunidades para reproducir, cuenta la historia, sin inhibir las posibilidades de supervivencia de la descendencia de los padres pegan demasiado tiempo y que compiten por los recursos. Eso parece, sin duda para ser parte de la historia, pero Hildegard Meyer-Ortmanns , físico de la Universidad Jacobs en Bremen, Alemania, cree que en última instancia, el envejecimiento es un proceso físico, no una biológica, que se rige por la termodinámica de la información.
Desde luego no es simplemente una cuestión de cosas que lleva a cabo. "La mayor parte del material blando que estamos hechos se renueva antes de que tenga la oportunidad de edad", dijo Meyer-Ortmanns. Pero este proceso de renovación no es perfecto. La termodinámica de copiar la información dicta que debe haber un equilibrio entre la precisión y la energía . Un organismo tiene un suministro finito de energía, por lo que los errores necesariamente se acumulan con el tiempo. El organismo entonces tiene que pasar una cada vez mayor cantidad de energía para reparar estos errores. El proceso de renovación, finalmente, produce copias demasiado defectuosos como para funcionar correctamente; sobreviene la muerte.
La evidencia empírica parece confirmar eso. Se ha sabido por mucho tiempo que las células humanas cultivadas parecen ser capaces de replicar no más de 40 a 60 veces (llamados el límite de Hayflick ) antes de que paren y se convierten en senescentes. Y observaciones recientes de la longevidad humana han sugerido que puede haber alguna razón fundamental por la cual los seres humanos no pueden sobrevivir mucho más allá de los 100 años .
Hay un corolario de esta aparente impulso de los sistemas organizados de eficacia energética, predictivos, para aparecer en un entorno de no equilibrio fluctuante. Nosotros mismos somos un sistema de este tipo, al igual que todos nuestros antepasados de nuevo a la primera célula primitiva. Y desequilibrio termodinámico parece estar diciéndonos que esto es sólo lo que importa hace en tales circunstancias. En otras palabras, la aparición de la vida en un planeta como la Tierra primitiva, imbuido de las fuentes de energía como la luz solar y la actividad volcánica que mantienen las cosas batiendo fuera del equilibrio, comienza a parecer no es un caso muy poco probable, ya que muchos científicos han asumido, pero virtualmente inevitable. En 2006, Eric Smith y el fallecido Harold Morowitz en el Instituto de Santa Fe argumentaron que la termodinámica de sistemas fuera del equilibrio hace que la aparición de los sistemas organizados y complejos mucho más probable en una Tierra prebiótica lejos del equilibrio de lo que sería si los ingredientes químicos primas eran sentado en un "pequeño estanque caliente" (como Charles Darwin decía) guisar con suavidad.
En la década desde que se hizo por primera vez este argumento, los investigadores han añadido los detalles y los conocimientos para el análisis. Esas cualidades que Ernst Mayr creía esencial para la biología - significado y la intención - pueden surgir como una consecuencia natural de la estadística y la termodinámica. Y esas propiedades generales pueden a su vez dar lugar a algo natural como la vida.
Al mismo tiempo, los astrónomos nos han mostrado sólo cuántos mundos hay - según algunas estimaciones se extiende en los miles de millones - orbitando otras estrellas en nuestra galaxia. Muchos están lejos del equilibrio, y por lo menos unos pocos son similares a la Tierra. Y las mismas reglas son, sin duda jugando por ahí, también.
