Real Time Web Analytics داستان شگفت‌انگیز ظهور حیات و مرگ از دل بی‌ نظمی ! آیا ما در کائنات تنهاییم؟ | دیپ لوک

داستان شگفت‌انگیز ظهور حیات و مرگ از دل بی‌ نظمی ! آیا ما در کائنات تنهاییم؟

9

یکی از بنیادترین سوالات بی‌پاسخ علم، چگونگی ظهور حیات است، این سوال به قدری عمیق است که چند شاخه‌ی عظیم علمی مانند زیست، شیمی و فیزیک را دربرمی‌گیرد، اما هنوز پاسخ قاطعی برای آن پیدا نشده است. در ادامه‌ی سری مقالات مفهومی دیپ لوک، در این مقاله، به دنبال منشا حیات رفته و سعی خواهیم کرد از جنبه‌های مختلف به این موضوع جنجالی نگاه کنیم؛ جاییکه حیات و مرگ از دل بی نظمی برمی‌آید! این نوشتار، ترجمه‌‌ی مقاله‌ی منتشر شده در سایت معتبر quantamagazine است. با دیپ لوک همراه باشید…

دانشمندان مدت‌ها می‌پنداشتند که حیات از مجموعه قوانین مخصوص خودش پیروی می‌کند، چنانکه سیستم‌های ساده، نشانه‌هایی از رفتار حیات‌مانند، بروز می‌دهند. آنها در مورد اینکه آیا تمام این پیچیدگی ظاهری، پیامد ترمودینامیک است یا نه بحث می‌کنند. تفاوت میان فیزیک و زیست‌شناسی چیست؟ یک توپ گلف و یک توپ جنگی را بردارید و از برج پیزا پایین بیاندازید. قوانین فیزیک به شما اجازه می‌دهد تا مسیر آن‌ها را به خوبی با دقتی که می‌خواهید پیش‌بینی کنید. اکنون همین آزمایش را دوباره تکرار کنید، اما این بار به جای گلوله توپ، یک کبوتر را پایین بیندازید! البته که سیستم‌های بیولوژیکی از قوانین فیزیک تخطی نمی‌کنند، اما واقعیت این است که با صرف قوانین فیزیک نیز نمی‌توان آن‌ها را پیش‌بینی کرد، چرا که آنها هدف محور هستند: بقا پیدا کن و تولید مثل کن! ما می‌توانیم بگوییم که آن‌ها هدفی دارند یا به قول فلاسفه، غایتمند هستند و همین غایت و هدف است که رفتارشان را هدایت می‌کند.

براساس آنچه گفته شد، اکنون فیزیک، به ما اجازه می‌دهد تا جهان حدود یک میلیاردم ثانیه پس از بیگ بنگ تا جهان امروزی را پیش‌بینی کنیم، اما کسی ادعا نمی‌کند که می‌تواند شکل سلول‌های اولیه روی زمین تا رسیدن به نسل انسان را پیش‌بینی کند. به نظر می‌رسد که قوانین حاکم بر اشیای فیزیکی را نمی‌توان به این سادگی‌ها در مورد فرگشت (یا تکامل) به کار برد. به گفته ارنست مایر، غایتمندی و احتمالات تاریخی زیست‌شناسی، آن را در میان علوم یکتا کرده است. هر دوی این ویژگی‌ها، شاید از تنها قاعده کلی در زیست‌شناسی ریشه می‌گیرند: فرگشت!

فرگشت، متکی بر شانس و تصادفی بودن است، اما انتخاب طبیعی به آن، ظاهری هدفمند می‌دهد. حیوانات، نه به دلیل جاذبه‌ی مغناطیسی، بلکه به خاطر غریزه‌شان، (که همان میل به بقاست)، به سمت آب کشیده می‌شوند. پاها علاوه بر چیزهای دیگر، به هدف نیاز دارند تا ما را به سمت آب ببرند. مایر ادعا کرد که این ویژگی‌ها، زیست‌شناسی را استثنایی می‌کند: یک قانون مبتنی بر خودش؛ اما پیشرفت‌های اخیر در فیزیک نانوتعادلی، علم سیستم‌های پیچیده و نظریه اطلاعات این دیدگاه را به چالش می‌کشد.

زمانی که به موجودات زنده به عنوان عواملی که محاسبه، جمع‌آوری و ذخیره اطلاعات در مورد یک محیط پیش‌بینی‌ناپذیر را  انجام می‌دهند، بنگریم، توانایی‌ها و ملاحظاتی مانند تکثیر، تطابق، عملگری، هدف و معنا را می‌توان نه برخاسته از ابتکار فرگشت، بلکه به صورت پیامد اجتناب ناپذیر قوانین فیزیک درک کرد. به بیان دیگر، به نظر می‌رسد قوانین فیزیک خاصی برای فرآیندهای دارای فرگشت وجود دارد، در این صورت، شاید بتوان قصد و غایت را که به عنوان مشخصه‌ی سیستم‌های زنده درنظر گرفته می‌شود، به صورت محصول طبیعی قوانین ترمودینامیک و مکانیک آماری تلقی کرد.

در نوامبر گذشته، فیزیکدانان، ریاضی‌دانان و دانشمندان علوم کامپیوتری با زیست‌شناسان مولکولی و فرگشتی گرد هم آمدند تا در مورد این ایده‌ها در یک کارگاه در مؤسسه Santa Fe، قبله‌گاه علمِ «سیستم‌های پیچیده» به بحث‌وگفتگو بپردازند. آن‌ها این پرسش را مطرح کردند: زیست‌شناسی تا چه اندازه خاص است (یا نیست)؟ احتمالا خیلی تعجب نمی‌کنیم که در مورد این سوال، اجماعی وجود نداشته است، اما پیامی که به روشنی قابل درک بود این بود که اگر قوانین خاصی از فیزیک در پسِ غایت‌مندی زیست‌شناسی وجود دارد، این قوانین باید ارتباط عمیقی با یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم بطن فیزیک داشته باشد: اطلاعات.

شیطان ماکسول - ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی
شیطان ماکسول – ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی

بی‌نظمی و شیاطین

اولین تلاش‌ها برای وارد کردن اطلاعات و هدف به قوانین ترمودینامیک، در میانه‌های قرن ۱۹ شکل گرفت، زمانی که مکانیک آماری توسط دانشمند اسکاتلندی، جمیز کلارک ماکسول ابداع شد. ماکسول نشان داد که چگونه معرفی این دو عنصر (اطلاعات و هدف)، انجام کارهایی که ترمودینامیک غیرممکن می‌داند را ممکن می‌سازد. ماکسول پیش از آن، نشان داده بود که چگونه می‌توان روابط ریاضی معتبر و قابل پیش‌بینی بین خواص یک گاز (یعنی فشار، دما و حجم) را از حرکات تصادفی و نامعلوم مولکول‌های بیشماری که با انرژی گرمایی زیادی در جنبش هستند استخراج کرد. به عبارت دیگر، ترمودینامیک (که خواص ماکروسکوپی ماده مانند فشار و دما را یکپارچه ساخته بود)، نتیجه مکانیک آماری در مقیاس میکروسکوپی مولکول‌ها و اتم‌ها بود.

بر اساس ترمودینامیک، توانایی حصول کار مفید از منابع انرژی در کیهان، پیوسته رو به کاهش است. تجمع گرما به آرامی در حال از بین رفتن است. در هر فرایند فیزیکی، مقداری انرژی ناگزیر به شکل گرمای بی‌استفاده هدر رفته و در واقع در میان حرکت تصادفی مولکول‌ها گم می‌شود. این تصادفی بودن متناظر با کمیتی ترمودینامیکی به نام انتروپی (یا همان بی‌ نظمی) است که همواره در حال افزایش است: این قانون دوم ترمودینامیک است. تمام جهان در نهایت، به یک توده یکنواخت و خسته کننده فروخواهد کاست: یک حالت تعادل که در آن انتروپی در مقدار بیشینه خود است و دیگر هرگز هیچ اتفاق مهمی رخ نخواهد داد! اما آیا ما واقعا محکوم به چنین سرنوشت غم‌انگیزی هستیم؟ ماکسول به چنین باوری، علاقه نداشت و در سال ۱۸۶۷ بر آن شد تا آنگونه که خودش می‌گوید در قانون دوم «خللی بیاندازد». هدف او، آن بود که جعبه‌ای حاوی مولکول‌های بی‌نظم که به صورت تصادفی در جنبش هستند را برداشته و سپس با جدا کردن مولکول‌های سریع از مولکول‌های کُند، انتروپی را در این فرایند، کاهش دهد.

موجودی کوچک مانند شکل بالا را تصور کنید (که بعدها ویلیام تامسون، بیشتر به خاطر ترس ماکسول، آن را شیطان ماکسول نامید). این شیطان می‌تواند تک تک مولکول‌های داخل جعبه را ببیند. شیطان، جعبه را به کمک یک در لغزنده روی دیواره میانی، به دو بخش تقسیم می‌کند. او هربار که می‌بیند یک مولکول نسبتا پر انرژی از سمت راست به در نزدیک می‌شود، در را برای عبور آن باز می‌کند و هرگاه یک مولکول کُند یا سرد از سمت چپ نزدیک می‌شود نیز، اجازه عبور را به آن می‌دهد. در نهایت، یک بخش از گاز سرد در سمت راست و یک بخش از گاز داغ در سمت چپ تشکیل می‌شود: یک مخزن گرمایی که می‌توان از آن کار تولید کرد. این امر، تنها به دو دلیل ممکن است: اول این که شیطان، اطلاعاتی بیشتر از ما دارد: او می‌توند تک تک مولکول‌ها ببیند، نه تنها یک میانگین آماری! دوم اینکه او دارای هدف است، یعنی برنامه‌ای برای جدا کردن گرما و سرما دارد. با بهره‌گیری از دانش و به دلیل داشتن هدف، او می‌تواند از قانون دوم ترمودینامیک سرپیچی کند!

حدود صد سال طول کشید تا بفهمیم چرا شیطان ماکسول در واقعیت نمی‌تواند قانون دوم ترمودینامیک را شکست دهد و در نتیجه راهش را به سمت بیراهه بی‍رحمی به سوی تعادل جهانی مرگبار کج می‌کند. دلایل نشان می‌دهند که ارتباط عمیقی بین ترمودینامیک و پردازش اطلاعات، یا به عبارت دیگر، رایانش (محاسبه) وجود دارد. دانشمند آلمانی-آمریکایی، رالف لانداور نشان داد شیطان حتی اگر بتواند اطلاعات را بدست آورد و در را بدون صرف انرژی، باز و بسته کند (بدون اصطکاک)، باز هم باید هزینه‌ای پرداخت شود، زیرا او نمی‌تواند حافظه‌ای نامحدود از هر حرکت مولکولی داشته باشد. او باید هرازگاهی، پیش از این که به برداشت انرژی ادامه دهد، تمام حافظه‌اش را پاک کند (تمام چیزی که دارد را فراموش کند و از نو شروع کند). این عمل پاکسازی اطلاعات، هزینه‌ای اجتناب‌ناپذیر دارد: این کار انرژی را هدر داده و بنابراین انتروپی را افزایش می‌دهد. تمام دستاوردی که در مقابله با قانون دوم، از کار شیطان زبردست حاصل شده با «حد لاندور» خنثی می‌شود: هزینه محدود پاکسازی انرژی (یا به صورت کلی‌تر، تبدیل اطلاعات به یکدیگر).

ارگانیسم‌های زنده، بیشتر شبیه به شیطان ماکسول به نظر می‌آیند. در حالی که بوته‌ای پر از مواد شیمیایی واکنش دهنده، سرانجام انرژی‌اش را پراکنده کرده و به سکون بی‌روح و تعادل می‌رسد، سیستم‌های زنده همگی از سرآغاز حیات در حدود سه و نیم میلیارد سال پیش، از رسیدن به چنین حالت تعادلی، اجتناب کرده‌اند. آن‌ها انرژی را از محیط اطراف می‌گرفتند تا این حالت عدم تعادل خود را حفظ کنند و  جالب اینکه این کار را از روی «هدف» انجام می‌دادند. حتی یک باکتری ساده با هدف خاصی به سوی منبع گرما و مواد مغذی حرکت می‌کند. اروین شرودینگر در کتاب معروف «زندگی چیست؟» (سال ۱۹۴۴)، این موضوع را اینگونه بیان کرد که ارگانیسم‌های زنده از «انتروپی منفی» تعذیه می‌کنند. شرودینگر می‌گوید آن‌ها با به دام انداختن و ذخیره اطلاعات این کار را انجام می‌دهند. برخی از این اطلاعات در ژن‌های این موجودات، رمزنگاری شده و از نسلی به نسل بعد منتقل می‌شود: دسته‌ای از دستورالعمل‌ها که انتروپی منفی را درو می‌کنند. شرودینگر نمی‌دانست که اطلاعات کجا نگهداری می‌شود یا چگونه رمزنگاری شده است، اما بینش او که این اطلاعات در چیزی که او یک «کریستال نامتناوب» نامید، ذخره می‌شوند، الهام بخش فرانسیس کریک و جیمز واتسون شد: زمانی که آنها در سال ۱۹۵۳ دریافتند چگونه اطلاعات ژنتیکی می‌تواند در یک ساختار مولکلی DNA رمزنگاری شود.

یک ژنوم یا حداقل بخشی از آن، دانش مفید ثبت شده‌ای است که اجداد یک ارگانیسم را قادر به زنده ماندن روی سیاره ما کرده است. طبق گفته دیوید ولپرت، (یک ریاضیدان و فیزیکدان) و همکارش آرتمی کولچینسکی، نکته کلیدی این است که ارگانیسم‌های سازگار شده، با آن محیط خو گرفته‌اند. اگر یک باکتری زمانی که منبع غذایی در سمت راست یا چپش است به آن سمت شنا کند، بهتر سازگار شده است و بیشتر تکثیر خواهد شد در مقایسه با زمانیکه همان باکتری در جهات تصادفی شنا کرده و فقط به صورت تصادفی، غذا بدست می‌آورد. تعامل بین حالت یک ارگانیسم با حالت محیط، حاکی از این است که آن‌ها اطلاعات مشترکی دارند. ولپرت و کولچینسکی می‌گویند این، اطلاعات است که به ارگانیسم کمک می‌کند تا خارج از تعادل بماند، زیرا همانند شیطان ماکسول، می‌تواند رفتارش را به گونه‌ای کنترل کند که از نوسانات اطرافش، کار استخراج کند. اگر ارگانیسم این اطلاعات را نداشته باشد، به تدریج به تعادل برمی‌گردد و خواهد مرد!

با این نگرش، می‌توان حیات را مانند محاسبه‌ای در نظر گرفت که می‌خواهد ذخیره و استفاده از اطلاعات معنی‌دار را بهینه کند. زنده بودن ما، نشان می‌دهد که حیات در این راه موفق بوده است. حل لانداور برای معمای شیطان ماکسول، یک حد پایینی مطلق را برای انرژی که یک حافظه محاسباتی محدود نیاز دارد، گذاشت: یعنی هزینه انرژی لازم برای فراموش کردن. امروزه بهترین رایانه‌ها، انرژی بسیار بسیار بیشتری نسبت به این مقدار، هدر می‌دهند: معمولا حدود یک میلیون برابر بیشتر، انرژی مصرف می‌کنند. اما طبق گفته ولپرت:

یک تخمین بسیار محافظ کارانه از بازده ترمودینامیکی محاسبات انجام شده توسط یک سلول نشان می‌دهد که هدررفت انرژی تنها حدود ۱۰ برابر بیشتر از حد لانداور است!

او می‌گوید این مساله حاکی از این است که انتخاب طبیعی، بسیار دغدغه پایین آوردن هزینه ترمودینامیکی محاسبه را داشته است. او تمام آن چه در توان دارد به کار می‌گیرد تا مقدار کلی محاسبه‌ای که یک سلول باید انجام دهد را کاهش دهد. به عبارت دیگر، چنین به نظر می‌آید که زیست‌شناسی (شاید به استثنای خودمان) بسیار مواظب است تا بیش از حد به مساله بقا فکر نکند. به گفته او این مساله‌ی هزینه و فایده محاسبه‌ی راه‌های حیات، تاکنون در زیست‌شناسی، مورد بی‌توجهی قرار گرفته است.

داروینیسم - ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی
داروینیسم – ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی

داروینیسم بی‌جان

با توجه به صحبت‌های باالا می‌توان ارگانیسم‌های زنده را موجوداتی پنداشت که با استفاده از اطلاعات، از محیط اطرافشان، انرژی کسب کرده و از تعادل، دوری می‌کنند و بدین‌گونه خود را با محیط وفق می‌دهند، اما توجه داشته باشید تا اینجا در مورد ژن‌ها و فرگشت نگفته‌ایم، چیزی که مایر مانند بسیاری از زیست‌شناسان می‌پندارد که هدف و غایت از آن، ناشی می‌شود. این تصویر ما را تا کجا می‌تواند برساند؟ ژن‌های اصلاح شده با انتخاب طبیعی، بدون شک در قلب علم زیست‌شناسی قرار می‌گیرند، اما آیا ممکن است فرگشت (تکامل) از طریق انتخاب طبیعی، فقط یک مورد خاص از یک عملکرد ضروری کلی‌تر و هدفمندی ظاهری باشد که در یک جهان کاملا فیزیکی موجود است؟ به نظر می‌آید در حال رفتن به سمت چنین دیدگاهی هستیم.

سازگاری مدتهاست که به عنوان نشان فرگشت داروینی شناخته می‌شود. اما جرمی انگلند در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) دلیل می‌آورد که سازگاری با محیط می‌تواند حتی در سیستم‌های پیچیده غیر زنده نیز رخ دهد. سازگاری در اینجا مفهوم خاص‌تری نسبت به تصور داروینی معمول از یک ارگانیسم مجهز شده برای بقا دارد. یک مشکل با دیدگاه داروینی این است که راهی برای تعریف سازگاری وجود ندارد، مگر با توسل به گذشته. «مناسب‌ترین‌ها» آنهایی هستند که مشخص شده در بقا و تولید مثل، بهتر هستند، اما نمی‌توانید بگویید مناسب بودن مستلزم چه چیزهایی است. وال‌ها و پلانکتون‌ها با زندگی دریایی سازگار شده‌اند، اما از راه‌هایی که ارتباط مشهود اندکی باهم دارند.

تعریف انگلند از «سازگاری» به تعریف شرودینگر نزدیک‌تر است و در واقع به تعریف ماکسول: یک موجود سازگار می‌تواند به صورت موثر انرژی را از یک محیط متلاطم و غیر قابل پیش‌بینی بگیرد؛ مانند شخصی که تعادلش را روی یک کشتی در حال حرکت حفظ می‌کند، در حالی که دیگران به زمین می‌افتند، زیرا او در سازگاری با تلاطم عرشه بهتر عمل می‌کند. انگلند و همکارانش با استفاده از مفاهیم و روش‌های مکانیک آماری در یک موقعیت غیرتعادلی، استدلال کردند که این سیستم‌های سازگارشده همان‌هایی هستند که از محیط انرژی می‌گیرند و آن را هدر می‌دهند و در این فرآیند، انتروپی تولید می‌کنند. سیستم‌های پیچیده تمایل دارند به سادگی شگفت‌انگیزی در این حالات سازگار برسند. انگلند می‌گوید:

ماده‌ای که از نظر گرمایی در تلاطم است، غالبا خودبه‌خود به اَشکالی مبدل می‌شود که در جذب کار از محیط متغیر با زمان، خوب عمل می‌کنند

در این فرآیند، چیزی وجود ندارد که شامل تطابق تدریجی با محیط از طریق مکانیزم‌های داروینی کپی کردن، جهش و توارث صفات باشد. هیچ کپی کردن و تکثیری وجود ندارد. انگلند می‌گوید:

چیزی که هیجان‌انگیز است این است که یعنی وقتی ما از نظر فیزیکی به منشا برخی از این ساختارهای به نظر سازگار می‌نگریم، آن‌ها لزوما مجبور نیستند که به معنای زیستی کلمه، دارای والدین باشند. می‌توان سازگاری فرگشتی را با استفاده از ترمودینامیک توضیح داد، حتی در موارد جذاب‌تر زمانی که همانندسازها نباشند و منطق داروینی کم بیاورد، یعنی زمانیکه سیستم پیچیده‌ی مورد نظر، انعطاف‌پذیر و به اندازه کافی در برابر تلاطم‌های محیط اطرافش، حساس و قابل واکنش نشان دادن است.

اما تناقضی هم بین سازگاری فیزیکی و داروینی وجود ندارد. در حقیقت، دومی را می‌توان مورد خاصی از اولی در نظر گرفت. اگر همانندسازی موجود باشد، انتخاب طبیعی رویه‌ای خواهد شد که سیستم، توسط آن قابلیت جذب کار یا همان انتروپی منفی شرودینگر را از محیط خواهد داشت. همانندسازی در حقیقت سازوکاری خوب برای اثبات کردن سیستم‌های پیچیده است و بنابراین تعجب آور نیست که زیست‌شناسی چنین راهی را برگزیده است؛ اما در جهان غیر زنده که معمولا همانندسازی رخ نمی‌دهد، ساختارهای فعال سازگار تمایل دارند تا بسیار سازمان‌یافته باشند، ماننده توده‌ها و تپه‌های شنی که از جنب و جوش تصادفی شن در اثر وزش باد متبلور می‌شوند. از این منظر، فرگشت داروینی را می‌توان نمونه خاصی از یک اصل فیزیکی کلی حاکم بر سیستم‌های نامتعادل در نظر گرفت.

ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمیماشین‌های پیش‌بینی

تصویر ساختارهای پیچیده که با یک محیط متلاطم سازگار می‌شوند به ما اجازه می‌دهند تا بتوانیم درمورد چگونگی ذخیره‌ی اطلاعات توسط ساختارها، استنباط‌هایی کنیم. مادامی که چنین ساختارهایی (چه زنده، چه نه) مجبور باشند به شکل موثر از انرژی در دسترس استفاده کنند، محتمل است که تبدیل به ماشین‌های پیش‌بینی شوند. این تقریبا یک مشخصه معرف حیات است که سیستم‌های بیولوژیکی در واکنش به یک سیگنال محرک از محیط، حالت خود را تغییر می‌دهند. گیاهان به سمت نور رشد کرده یا در واکنش به پاتوژن‌ها (عوامل بیماری‌زا) سم تولید می‌کنند. این سیگنال‌های محیطی معمولا غیر قابل پیش‌بینی هستند، اما سیستم‌های زنده از محیط یاد می‌گیرند، اطلاعات در مورد محیطشان را ذخیره می‌کنند و از آن برای هدایت رفتار آینده‌شان استفاده می‌کنند. (در این تصویر، ژن‌ها ملزومات اساسی همه منظوره را به شما می‌دهند.)

با این حال پیش‌بینی انتخابی نیست، طبق کارهای سوزان استیل در دانشگاه هاوایی، گاوین کروکس و همکارانشان، پیش‌بینی آینده برای هر سیستمی که در یک محیط تصادفی متلاطم از انرژی زندگی می‌کند، ضروری است. استیل و همکارانش نشان دادند که یک هزینه ترمودینامیکی برای دخیره اطلاعات در مورد گذشته وجود دارد که هیچ ارزش پیش‌بینی کننده‌ای برای آینده ندارد. برای بیشینه شدن بازده، یک سیستم باید گزینشی عمل کند. اگر سیستم هر چیزی که اتفاق افتاده را بدون استثنا به یاد آورد، متحمل هزینه انرژی زیادی می‌شود. از سوی دیگر اگر به هیچ وجه، زحمت ذخیره اطلاعاتی از اطراف را به خود ندهد، دائما باید با اتفاقات غیر منتظره دست و پنجه نرم کند! داوید سیواک می‌گوید:

سیستمی از نظر ترمودینامیکی بهینه است که بتواند بین حافظه و پیش‌بینی، با کمینه کردن نوستالژی (اطلاعات بیهوده در مورد گذشته)، تعادل برقرار کند

به طور خلاصه، این سیستم باید در ذخیره کردن اطلاعات بامعنی، یعنی آن‌هایی که احتمالا به درد بقا در آینده می‌خورند، خوب عمل کند. شما از انتخاب طبیعی انتظار دارید به ارگانیسم‌هایی که به صورت مؤثر از انرژی استفاده می‌کنند، لطف کند، اما حتی ابزارهای بیومولکولی مانند پمپ‌ها و موتورهای درون سلولهایمان باید به شیوه مهمی از گذشته یاد بگیرند تا مهیای آینده باشند. به گفته استیل، این ابزارها برای به دست آوردن بازده قابل توجهشان، باید یک تصور مختصر از جهانی که تاکنون با آن مواجه بوده‌اند را بسازند، تا بتوانند مهیای آنچه پیش روست، باشند.

 

ترمودینامیک مرگ - ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی
ترمودینامیک مرگ – ظهور حیات و مرگ از دل بی نظمی

ترمودینامیک مرگ

حتی اگر بخشی از ویژگی‌های اساسی پردازش اطلاعات سیستم‌های زنده، از قبل حاصل شده باشد، در غیاب فرگشت یا همانندسازی، با ترمودینامیک غیرتعادلی، می‌توانید تصور کنید که صفات پیچیده‌تر مانند استفاده از ابزار یا همکاری اجتماعی باید توسط فرگشت عرضه شوند. اما به نظر نمی‌رسد این گونه باشد. این رفتارها که معمولا مختص طبقه‌ی بسیار پیشرفته فرگشت، مانند پستانداران و پرندگان است، می‌توانند در یک مدل ساده متشکل از سیستمی از ذارت در حال تعامل، مدلسازی شوند. نکته این است که سیستم، توسط یک قید (محدودیت) هدایت می‌شود: به گونه‌ای عمل می‌کند که مقدار انتروپی تولید شده در یک بازه‌ی زمانی خاص را بیشینه کند (در این مورد، مسیرهای متفاوت و ممکنی که ذره می‌تواند در پیش گیرد).

بیشینه سازی انتروپی مدتها به عنوان خصیصه سیستم‌های غیرتعادلی در نظر گرفته می‌شد، اما سیستم در این مدل، از یک قاعده پیروی می‌کند که به آن اجازه می‌دهد در یک بازه زمانی معین که به آینده امتداد می‌یابد، انتروپی را بیشینه کند. به عبارت دیگر، آینده‌نگری دارد! در عمل، مدل به تمام مسیرهایی که ذرات می‌توانند در پیش گیرد، می‌نگرد و آن‌ها را وادار می‌کند تا مسیری را برگزینند که بیشترین انتروپی را تولید می‌کند. اگر ساده بگوییم: مسیری که برای حرکات بعدی احتمالی ذرات، بیشترین انتخاب‌ها را باز بگذارد.

ممکن است بگویید که سیستم ذارت، احتمالا نوعی انگیزه برای حفظ آزادی عمل در آینده را تجربه می‌کند و این انگیزه، رفتارش را در هر لحظه هدایت می‌کند. محققانی که این مدل را توسعه داده‌اند، این را نیروی انتروپیک علیتی (causal entropic force) می‌نامند. در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از پیکربندی ذرات دیسکی شکلی که به شیوه‌ای خاص در گردش هستند، این نیرو نتایجی می‌آفریند که به شکل مرموزی، موضوع هوش را به ارمغان می‌آورند!

در یک مورد، یک دیسک بزرگ قادر بود تا از یک دیسک کوچک برای استخراج یک دیسک کوچک دیگر از یک لوله باریک استفاده کند (فرآیندی شبیه استفاده از ابزار). آزادسازی دیسک، انتروپی سیستم را افزایش داد. در نمونه دیگر، دو دیسک در بخش‌های جدا، رفتارشان را با هم هماهنگ کردند تا یک دیسک کوچکتر را پایین بکشند تا با آن تعامل داشته باشند که نشان دهنده مثال همکاری اجتماعی است.

البته، این عوامل ساده‌ی تعامل، نیم‌نگاهی به آینده دارند. حیات، به عنوان یک قاعده کلی، از این توانایی بهره‌مند نیست. پس این مساله چقدر به زیست‌شناسی مرتبط است؟ پاسخ روشن نیست، گرچه ویسنر-گراس گفت که اکنون در حال کار بر روی یک مکانیزم عملی و از نظر زیستی امکان‌پذیر برای نیروهای انتروپیک علیتی است. در عین حال، او فکر می‌کند این رویکرد می‌تواند با پیشنهاد دادن میانبرهایی به هوش مصنوعی، مزایای جانبی عملی داشته باشد. او می‌گوید:

من می‌توانم پیش‌بینی کنم که راه سریعتر برای دستیابی به آن، ابتدا کشف چنین رفتاری؛ و سپس مهندسی معکوس قوانین و قیدهای فیزیکی است. این راه بسیار سریع‌تر از زمانی است که با محاسبات خاص و تکنیک‌های پیش‌بینی، به‌طور مستقیم عمل کنیم

به عبارت دیگر، ابتدا سیستمی را بیابید که کاری که شما می‌خواهید را انجام می‌دهد، سپس بفهمید چگونه این کار را انجام می‌‎دهد، یعنی همان مهندسی معکوس. از طرفی پیر شدن هم همواره به عنوان خصیصه‌ای که توسط فرگشت دیکته می‌شود، در نظر گرفته شده است. چنین گفته می‌شود که ارگانیسم‌ها طول عمری دارند که فرصت‌هایی برای تولید مثل، بدون دورنمای جلوگیری از بقای نوزادان توسط والدینی که بسیار زنده می‌مانند و برای منابع غذایی رقابت می‌کنند، فراهم می‌آورد. به نظر می‌رسد این فقط بخشی از ماجرا باشد، اما هیلدگارد میر-اورتمنز، فیزیکدانی در دانشگاه جاکوبز در برمن، فکر می‌کند که پیر شدن در نهایت یک فرایند فیزیکی است نه زیستی که ترمودینامیک اطلاعات بر آن حاکم است. قطعا مساله ساده‌ی فرسوده شدن اشیا در میان نیست. میر اورتمنز می‌گوید:

بیشتر مواد نرمی که ما از آن ساخته شده‌ایم پیش از آنکه شانس پیر شدن داشته باشند، تجدید می‌شوند!

اما این فرآیند تجدید، کامل نیست. ترمودینامیک کپی اطلاعات ایجاب می‌کند که باید مصالحه‌ای بین دقت و انرژی وجود داشته باشد. یک ارگانیسم، ذخیره انرژی محدودی دارد، پس اشتباهات ناگزیر در طول زمان انباشته می‌شوند. سپس ارگانیسم مجبور می‌شود مقدار بزرگ و رو به افزایشی انرژی را برای ترمیم این اشتباهات صرف کند. در نتیجه فرآیند تجدید، کپی‌هایی ایجاد می‌کند که بسیار ناقص‌تر از آنند که عملکرد مناسبی داشته باشند؛ زمان مرگ فرا می‌رسد! نتایج تجربی نیز این امر را تائید می‌کنند. مدت زیادی است که می‌دانیم سلول‌های پرورش یافته انسان پیش از توقف و پیر شدن، نمی‌توانند بیش از ۴۰ تا ۶۰ بار (که حد هایفلیک نامیده می‌شود) همانندسازی کنند. مشاهدات اخیر در مورد طول عمر انسان بیان می‌کند که شاید یک دلیل اساسی برای اینکه انسان‌های کمی، بیش از ۱۰۰ سال عمر می‌کنند، وجود داشته باشد.

نتیجه‌ی این انگیزه‌ی ظاهری برای سیستم‌های کارآمد از نظر انرژی، سازمان یافته بودن و آینده‌نگری در محیط متلاطم غیرتعادلی است. ما خودمان چنین سیستمی هستیم، همانگونه که تمام اجدادمان تا نخستین سلول آغازین چنین بوده‌اند و به نظر می‌رسد ترمودینامیک غیرتعادلی به ما می‌گوید این تنها چیزی است که در چنین شرایطی مهم است. به عبارت دیگر، ظهور حیات روی یک سیاره مانند زمین آغازین و سرشار از منابع انرژی مانند نور خورشید و فعالیت‌های آتشفشانی که همه چیز را از تعادل خارج می‌کرد، ظاهرا یک پدیده شدیدا غیر محتمل نبوده (چنان که بسیاری از دانشمندان می‌پندارند)، بلکه تقریبا غیرقابل اجتناب بوده است. در سال ۲۰۰۶ اریک اسمیت و هارولد موروویتز فقید استدلال کردند که ترمودینامیک سیستم‌های غیر تعادلی، ظهور سیستم‌های پیچیده و سازمان یافته را در زمین پیش از حیات، بسیار محتمل‌تر می‌سازد تا در یک شرایط تعادل که در آن مواد شیمیایی خام در یک حوضچه کوچک گرم (چنان که چارلز داروین می‌گفت) به آرامی در حال پخت باشند.

در یک دهه از زمانی که ابتدا این استدلال مطرح شد، محققان به تحلیل جزئیات پرداختند. آن کیفیت‌هایی که ارنست مایر فکر می‌کرد برای زیست‌شناسی ضروری هستند، یعنی هدف و غایت، ممکن است به عنوان پیامد طبیعی آمار و ترمودینامیک ظهور یابند و آن خصوصیات کلی شاید به نوبه خود به صورت طبیعی منجر به چیزی شبیه حیات شوند. در همین حال، فضانوردان به ما نشان داند که چه تعداد زیادی سیاره وجود دارد (چند میلیاردها) که حول ستارگان دیگر در کهکشان ما می‌چرخند. بسیاری از آن‌ها خیلی دور از تعادل هستند و حداقل تعداد اندکی مانند زمین هستند و بدون شک همین قانون، آنجا هم در جریان است…

نظر شما در مورد زندگی، مرگ چیست؟ آیا ما در پهنه‌ی گیتی تنهاییم یا موجودات دیگری هم در جای دیگری از کیهان، حیات یافته‌اند؟

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک و علاقه مند به فیزیک مدرن و فلسفه علم.

گفتگو۹ دیدگاه

    • سپاس. دوست عزیز، توجه کنید که این مقاله، یک مقاله جامع و حاصل چندین مقاله علمی بود، بنابراین مقاله ژورنالی خاصی وجود نداشت و فقط لینک همین مقاله در سایت کوانتامگزین رو در ابتدای نوشته قرار دادیم.

  1. با سلام ودرود فراوان به شما دانشمند جوان تبریک می گویم که بی وقفه در زمینه تحقیق وترجمه گام برمی دارید وجامعه علمی ایران را از دانش وافر خود برخوردار میکنید امیدوارم همواره در این زمینه موفق باشید.

  2. سلام بر شما دانشمند جوان و خوشفکر
    بطور اتفاقی با سایت شما آشنا شدم و مطالبتون برام خیلی جالب بود. به شما و همکاران محترمتون تبریک میگویم.
    من مدتیست که پیرامون نشانه های وجود خدا در علوم تجربی دارم تحقیق میکنم. البته میخوام کاملا علمی و سختگیرانه و به دور از تعصب موافق یا مخالف این کار رو انجام بدم.
    به همین خاطر خیلی دوست دارم یکبار با شما گفتگویی داشته باشم.
    لطفا در صورت امکان و تمایل با ایمیل من rezamansi@yahoo.com تماس بگیرید.

  3. سلام
    من فکرمیکنم مااصلا تنها نیستیم.تنهایی فعلی مابرمیگرده به کم دانش بودن ما،بدوی بودن ابزارهای اندازه گیری ما،احتمالا تک کاناله (علمی)بودن ماوالبته متکبروخودخواه بودن ما!!! چراکه به دنبال همان نشانه هایی ازحیات میگردیم درجاهای دیگه که اینجاروی زمین به چشم مااومدن!توقع داریم اگردرجای دیگری هم حیات هست دقیقابه روش ماارتباط برقرارکنند واین خنده داربه نظرمیاد

  4. با سلام
    همانطوریکه البرت انیشتین هم گفته هیچ اشکالى ندارد که هریک از ما از قوهء تخیل خود جهت یافتن یا تصور غیرتجربى پدیده اى سود ببریم
    بنابراین : از یکطرف طبق نظریه امارى ، احتمال وجود حیات هوشمند بسیار بالا و نزدیک به صددرصد است
    و از طرف دیگر طبق نظریه ء فرگشت هرنوع شکل بلحاظ طاهرى کاملاً بستگى به محیط تحول و تطور موجود زنده خواهد داشت
    و دست اخر بنا بر هر دو دلیل یاد شده
    ( احتمال و محیط تکامل ) هیچ بعیید هم نیست که حیات در سیارات شبیه به زمین تا حدودى از همین مسیرهاى تکاملى و ظاهرى عبور کرده باشه
    و موجودات هوشمند کمى تا قسمتى شبیه انسان با تقارن در دیت و پاها ( نقاط تعادل لازم ) و حتى چشمها و گوشها براى درک محیط و انطباق با ان شکل گرفته باشد !

ارسال نظر

*