حیات چیست ؟ حیات با زنده بودن فرق دارد! (قسمت دوم)

در قسمت اول درباره حیات و نظریه اطلاعات شنون صحبت کردیم و اینکه چگونه می‌توان به کمک اطلاعات، به زنده بودن یک جسم پی برد. در قسمت دوم و پایانی، به بررسی این سوال مهم و هیجان‌انگیز می‌پردازیم که حیات با زنده بودن چه فرقی دارد؟ چرا گربه زنده است اما مبل زنده نیست و فقط حیات دارد؟ هدف ما درک حیات بر روی زمین و دیگر جهان‌ها، و همچنین درک منشا حیات است؛ اما برای دستیابی به این هدف، باید در شیوه‌ی تفکرمان درباره‌ی حیات تغییری اساسی ایجاد کنیم. با دیپ لوک همراه باشید…

اگر ما گربه‌های مریخی مرده پیدا کنیم، یعنی در مریخ حیات پیدا کرده‌ایم. برای ایجاد یک نظریه حیات، باید معنایی را که شنون به اطلاعات و به عبارت دیگر به فیزیک منتقل می‌کند، در نظریه حیات قرار دهیم. هنگامی که توپ‌های بیلیارد با یکدیگر برخورد می‌کنند، همبسته می‌شوند، یعنی شما می‌توانید سرنوشت یک توپ بیلیارد را با نگاه کردن به توپ دیگر پیش‌بینی کنید. این همان مفهوم اطلاعات در نظریه اطلاعات شنون است: این نظریه در مورد کاهش تعداد حالت‌های ممکنی صحبت می‌کند که توپ اول می‌تواند در آن‌ها باشد، وقتی شما در مورد توپ دوم اطلاعاتی دارید. از سوی دیگر، وقتی حیات، اطلاعاتی در مورد محیطش به دست می‌آورد، این اطلاعات در مورد پیش‌بینی احتمال حالت‌های دلخواه نیستند؛ بلکه اطلاعاتی هستند که ما آن را «اطلاعات عملکردی» می‌نامیم، یعنی اطلاعاتی در مورد اینکه چطور در محیط، زنده بمانیم و چطور آن‌ اطلاعات را در نسل‌های بعدی بازتولید کنیم.

یکی دیگر از دانشمندان همه چیزدان قرن بیستم، بازتولید و انتقال اطلاعات را از دیدگاه ریاضیات مورد بررسی قرار داد. جان فون نویمان (John von Neumann) که از پیشگامان بسیاری از زمینه‌های علم از جمله توسعه زودهنگام کامپیوترها، نظریه بازی و اقتصاد بود؛ متوجه شد که برای داشتن موجودات زنده یا هر دستگاه بازتولیدی دیگری (آن‌ها را سازندگان جهانی نامید) که می‌تواند خودش را بسازد، یک برنامه‌ی مشخص برای نحوه‌ی انجام آن و روشی برای کپی کردن این برنامه و انتقال آن کپی به یک هویت جدید نیاز است.

سازندگان از چیزهایی مثل مبل‌ها پیچیده‌تر هستند. مبل‌ها را می‌توان تنها با اطلاعات تولید کرد، اما سازندگان می‌توانند با پردازش اطلاعات (مانند انواع تغییرپذیری‌های آن‌ها که در وهله اول اجازه می‌دهد به تکامل برسند)، مصنوعات جدیدی تولید کنند، یعنی آن‌ها می‌توانند از اطلاعات استفاده کنند. گربه و همچنین شما در اصل یک سازنده‌ی قابل برنامه‌ریزی هستید، اما مبل، سازنده نیست. با این حال، فرایند تکامل برای تولید تمامی این موارد (مبل‌ها، گربه‌ها و غیره)، ضروری و لازم است.

بنابراین یک نظریه اطلاعات که بتواند سیستم‌های زنده را توضیح دهد، باید دو جنبه از اطلاعات را در نظر بگیرد، یکی اینکه اطلاعات چگونه به دست می‌آید و دیگر اینکه چگونه از آن اطلاعات استفاده می‌شود؛ مثلا این اطلاعات از طریق انتخاب، به وسیله‌ی بقای اصلح، به دست آمدند. همانطور که شرودینگر اشاره کرد، استفاده از اطلاعات، با به دام انداختن انتروپی منفی ناشی از افزایش ساماندهی که موجودات زنده برای بقا نیاز دارند، انجام می‌شود، زیرا آن‌ها سازندگان با اطلاعاتی درباره‌ی نحوه‌ی تولید خودشان هستند.

حیات چیست و با زنده بودن چه تفاوتی دارد؟

اجازه دهید تمایز بین دو مفهوم مربوط به اکتساب و استفاده از اطلاعات آموزنده را روشن‌تر کنیم که اینجا به ترتیب آن‌ها را حیات و زنده می‌نامیم. زنده به استفاده‌ی مداوم ‌از انتروپی منفی اشاره دارد که مخالف مرده است؛ یک گربه‌ی زنده می‌تواند برای ایجاد نظم در سلول‌های خود، از انتروپی منفی به دست آمده به شکل غذا استفاده کند تا سلول‌های خودش را بسازد. چیزهایی که زنده هستند سازنده‌اند. یک گربه‌ی مرده قادر به استفاده از انتروپی منفی برای ایجاد نظم نیست. زنده بودن نیازمند فرایند حفظ وضعیت پایدار (homeostasis) است که به طور کلی یعنی غلبه بر اختلالات و حفظ تعادل موجود زنده.

از سوی دیگر، حیات به فرایندی اشاره دارد که اطلاعات مورد نیاز را ایجاد می‌کند؛ همچنین چیزهایی را تولید می‌کند که زنده هستند و سپس اطلاعات مورد نیاز برای تولید آنها را فراهم می‌کند. همچنین، در حیات مواردی وجود دارند که شامل اطلاعاتی برای تولید چیزهای غیر زنده، مانند مبل‌ هستند. این فرایندی است که اطلاعاتی را تولید می‌کند که در طول زمان و به کمک چیزهای مختلف فیزیکی، تولید شده‌اند؛ از پدر و مادر گرفته تا فرزندان.

حیات رشته‌های طولانی اطلاعات را در طول زمان تولید می‌کند که زیست شناسان تکاملی به آنها دودمان (lineage) می‌گویند: دودمان گربه‌ها، از اجداد تمامی گربه‌ها تا گربه‌ی نشسته روی مبل؛ دودمان اطلاعات اولین وسایل مبل‌گونه تا مبل‌های امروزی، دودمان از منشا حیات تا باکتری درون روده‌ی گربه. دانشمندان به این دودمان‌ها، پایان باز (open-ended) می‌گویند، یعنی آنها نامزد تکامل مداوم و گسترش نوآوری هستند. حیاتی که ما می‌شناسیم، همان زیست کره‌ی ماست و شامل تمام دودمان‌هایی است که روی زمین وجود داشته‌اند و دودمان‌هایی که در آینده از آن‌ها تکامل خواهند یافت. چیزهای زنده با ساخت احتمالات جدید، سیستم‌هایی در فضا و زمان برای گسترش این فرایند تولید می‌کنند، بنابراین، گربه و مبل هر دو حیات دارند، اما فقط گربه زنده است.

برای اینکه بفهمید چرا تمایز بین حیات و زنده مفید است، یک مثال رایج در بحث‌های تعریف حیات را در نظر بگیرید؛ ویروس‌ها. در زیست شناسی، در مورد اینکه آیا ویروس‌ها زنده هستند یا نه، اختلاف نظر وجود دارد؟ آن‌ها مکانیسم حفظ وضعیت پایدار خود را ندارند و برای تولید ویروس‌های بیشتر، از سلول‌های میزبان کمک گرفته و سیستم مورد نیاز را از آن‌ها قرض می‌گیرند. بنابراین ویروس‌ها طبق معیارهای رایج، زنده نیستند، زیرا آن‌ها سازنده نیستند که بتوانند خودشان را بازتولید کنند؛ اما هنوز می‌توانند حیات داشته باشند.

یافتن حیات در مریخ با گربه‌های مریخی مرده

ویروس‌ها مانند سلول‌ها، گربه‌ها یا انسان‌ها از طریق یک فرایند طولانی که اطلاعات عملکردی را جمع آوری می‌کند، پدیدار می‌شوند. اگر بخواهیم منشا حیات را توضیح دهیم، باید بتوانیم توضیح دهیم چگونه این فرایند طولانی به وجود آمد. یک گربه‌ی مرده، زنده نیست، اما حیات دارد. این گربه نیز از طریق یک فرایند طولانی کسب اطلاعات عملکردی ظاهر شده است. اگر بتوانیم منشا گربه‌های مرده را توضیح دهیم، منشا حیات آنها را توضیح خواهیم داد و اگر بتوانیم گربه‌های مریخی مرده پیدا کنیم، در مریخ حیات خواهیم یافت. بنابراین آنچه اهمیت دارد تشخیص موجود زنده (چیزی که زنده است) از فرایند حیات (که اطلاعات مورد استفاده را تولید می‌کند) است.

شاید حیات در هر زمانی در جهان به وجود آید و چیزهایی ظاهر شوند که ما آن‌ها را زنده تلقی کنیم یا ویژگی‌هایی داشته باشند که ما آن‌ها را زنده بپنداریم. آن‌ها احتمالا از اطلاعات و انتروپی منفی برای حفظ خودشان استفاده خواهند کرد، اما اصلا مشخص نیست که تمام حیات به چیزهایی منجر خواهد شد که هرجایی که حیات وجود دارد، زنده باشند و مشخص نیست کدام ویژگی‌های زنده بودن برای تکامل پایان باز و گسترش یک زیست کره، ضروری هستند.

فرض کنید یک چاپگر سه بعدی پیشرفته (پیچیده) به نام آلیس ساخته‌اید. شما مانند سازنده‌ی فون نویمان، به این چاپگر اطلاعات مخصوص برنامه‌ی خود و مکانیسمی برای کپی کردن این اطلاعات را می‌دهید: آلیس اکنون سازنده‌ی کامل فون نویمان است. آیا شما با این کار روی زمین، یک حیات جدید ایجاد کرده‌اید؟ سپس فرض کنید به کمک طراحی، آلیس را برای کسب اطلاعات بیشتری آماده می‌کنید: آلیس می‌تواند از سنگ‌ها و مواد معدنی به عنوان مواد اولیه‌ی خام برای ساخت چاپگرهای سه بعدی جدید استفاده کند. آیا در حال حاضر آلیس و فرزندانش (باب، چارلی، دیزی و اِو) حیات دارند؟ در حالیکه این چاپگرها باید به طور مداوم مواد خام را برای ساخت چاپگرهای جدید پیدا کنند، شما تصمیم می‌گیرید اطلاعات بیشتری را به یکی از فرزندان (اِو) بدهید: پنل‌های خورشیدی انرژی که اِو را قادر می‌کند خود را خاموش کند و از اطلاعات به دست آمده برای شکار مواد معدنی استفاده کند. آیا اکنون اِو حیات دارد؟

آخرین نسخه‌ی چاپگر طراحی شده، به خاطر مهندسی اولین چاپگر سه بعدی خودتکثیری کاملا مستقل (بدون نیاز به هیچ نظارتی) تحسین همگان را برمی‌انگیزد. شما برای ساخت سازنده‌ی خود، اطلاعات و برنامه نویسی های بسیاری صرف کرده‌اید. اگرچه شما عمیقا مراقب خلقت خود هستید، اما اگر اِو کنترل زمین را در دست بگیرد، شرکت بیمه نگران زیان‌های نامطلوب خلقت شما می‌شود. بنابراین، شما سعی می‌کنید چاپگر سه بعدی خود به ماموریت بعدی‌اش در مریخ بفرستید.

فرض کنید اِو یک حیات شاد در یک دره‌ی پنهان مریخ دارد و به تکثیر کپی‌هایی از خود مشغول است. چند میلیون سال بعد، بشر برای فهمیدن فرایند تکاملی در چاپگرهای سه بعدی، آن دره را کشف می‌کند تا انواع گسترده‌ای از آن‌ها را که از نسخه‌ی طراحی شده‌ی اولیه، کاملا متفاوت هستند (کوچک، بزرگ، آبی، قرمز و دیگر منابع قابل استفاده در چاپگرهای سه بعدی)، تولید کند.

ارزش آزمایش این تفکر در این است که به ما اجازه‌ی بازی با مفاهیم حیات و زنده را می‌دهد. به طور شهودی احساس می‌کنیم حیات، ظهور کرده یا حتی شاید ربات‌های جدید زنده هستند. آیا چاپگرهای سه بعدی به حیات تبدیل شدند؟ اگر پاسخ مثبت است، چه زمانی به حیات تبدیل شدند؟ آیا آنها زنده هستند؟

چاپگرهای سه بعدی یک دودمان را تشکیل می‌دهند. عملکردهای جدید در مریخ، از طریق تکامل و انشعاب دودمان‌های جدید کشف شدند و هر کدام با عملکردهای مستقل حاصل از انتخاب به دست آمدند. اما منشا این دودمان بر روی زمین، مهندسی بود و شما خودتان بخشی از این دودمان تقریبا ۴ میلیارد ساله هستید که همگی به منشا حیات روی زمین اشاره دارند. توجه داشته باشید که دودمان چاپگر سه بعدی و دودمان شما مقوله‌های کاملا جداگانه نیستند. چاپگرهای سه بعدی بدون تاریخچه‌ی طولانی از اطلاعات عملکردی به دست آمده روی زمین ظاهر نشدند، همانطور که شما نیز هرگز بدون آن تاریخچه‌ی طولانی ظاهر نشدید. به همین دلیل است که برای مطالعه‌ی درست نمونه‌های مستقل از حیات، باید به کشف حیات بیگانه، آن هم نه فقط در آزمایشگاه بپردازیم.

غیر ممکن است برای ایجاد حیات مصنوعی و ساختگی، وساطت خودمان را حذف کنیم: هر چیزی که ما تولید می‌کنیم بخشی از دودمان خود ماست و بنابراین همان حیات را نشان می‌دهد. دودمان‌های زیستی مانند دودمان‌های ۴ میلیارد ساله ما، ممکن است بعضی از قدیمی‌ترین ساختارهای فیزیکی موجود در زمین باشند، زیرا آ‌ن‌ها به تکثیر خود ادامه می‌دهند. تنها این مورد نیست، آن‌ها مدام به وسیله‌ی اطلاعات گسترش و تکامل می‌یابند.

اما اجازه دهید مجددا به بررسی اطلاعات عملکردی که سبب ایجاد ما می‌شود بپردازیم. بعضی از آنها حدود ۴ میلیارد سال پیش زمانی که حیات آغاز شد، بدست آمدند، اما اکثر آن اطلاعات در طول زمان تکاملی به دست آمدند. ما حدود ۵۴۰ میلیون سال پیش یاد گرفتیم که چگونه به ساخت بدن خودمان بپردازیم و شاید میلیون‌ها سال پیش یاد گرفته بودیم غذای پخته شده را هضم کنیم. ما مجموعه‌ای از اطلاعاتی هستیم که در مراحل مختلف به دست آمدند، برخی توسط باکتری‌ها درون روده‌مان و برخی از طریق فرهنگ.

چاپگرهای سه بعدی از دیدگاه دودمان، همیشه حیات داشتند. در آزمایش ذهنی ما هیچ تبدیل غیرحیات/حیات وجود نداشت. اما طی دوره تکاملی آن‌ها، برخی چیزها تغییر کرد، آن‌ها اطلاعات عملکردی مربوط به بیش از میلیون‌ها سال را در مریخ کسب کردند و توانستند از این اطلاعات برای انجام کارهای جدید استفاده کنند، در واقع آن‌ها به مفهوم «زنده» نزدیک‌تر بودند. این بدان معناست که ممکن است ما برای نمایش نمونه‌های جدیدی از چیزهای زنده، چاپگرهای سه بعدی را در نظر بگیریم که هر کدام احتمالات جدیدی از حیات را ایجاد می‌کنند.

هدف ما درک حیات بر روی زمین و دیگر جهان‌ها و همچنین درک منشا حیات است؛ اما برای دستیابی به این هدف، باید تغییری بنیادی در شیوه‌ی تفکرمان درباره‌ی حیات ایجاد کنیم. یک گربه نمونه‌ی یک ارگانیسم است که زنده است؛ اما این گربه نیز ناشی از یک دودمان ۴ میلیارد ساله از اطلاعات عملکردی است. ممکن است «آیا گربه شرودینگر زنده است یا نه» اصلا سوال درستی نباشد؛ در هر صورت، این گربه دارای حیات است. در گوشه‌ی اتاقی، یک نسل ۴ میلیارد ساله نشسته است که الان به شکل یک گربه است؛ این یعنی حیات.