Η προέλευση της ζωής σύμφωνα με τη θεωρία της πληροφορίας
Ο «4ος νόμος της Θερμοδυναμικής»: όποτε υπάρχουν ο απαιτούμενος χρόνος, τα απαραίτητα ατομικά δομικά στοιχεία – άνθρακας (C) , Οξυγόνο (Ο), άζωτο (Ν) κ.λ.π. -, η κατάλληλη θερμοκρασία και μια σταθερή παροχή ελεύθερης ενέργειας, παρουσιάζεται αναγκαστικά κάποιος «οργανισμός» με πολυπλοκότητα που συνεχώς αυξάνεται. Ο οργανισμός αυτός θα έχει την ιδιότητα να ελαττώνει την εντροπία του, ξοδεύοντας τα μεγάλα ποσά ελεύθερης ενέργειας που παρέχει ο ήλιος…. διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ
Η κατανόηση της προέλευσης της ζωής είναι ίσως το πιο σημαντικό πρόβλημα της επιστήμης που περιμένει ακόμα μια ολοκληρωμένη απάντηση. Ερωτήματα όπως: «ποιες συνθήκες επικρατούσαν όταν εμφανίστηκε η ζωή;» ή «πόσο πιθανό είναι να αναδυθεί η ζωή μέσα από τις προ-βιοτικές σούπες οπουδήποτε στο σύμπαν;», απασχολούν μέχρι και σήμερα πάρα πολλούς ερευνητές.
Αν και πρόκειται για συναρπαστικά ερωτήματα, είναι δύσκολο να διατυπωθούν με ένα τρόπο που να μπορούν να ερευνηθούν επιστημονικά. Το μεγαλύτερο κομμάτι της σχετικής έρευνας επικεντρώνεται στα μόρια που αποτελούν τους ζωντανούς οργανισμούς, την αυτό-οργάνωση, την αυτοκατάλυση και εν γένει στις χημικές αντιδράσεις που συμμετέχουν στο φαινόμενο της ζωής. Αλλά ακόμη και τότε είναι δύσκολο να συμφωνήσουμε για έναν ορισμό της ζωής. Οπότε δεν αποτελεί έκπληξη ότι η πρόοδος είναι αργή.
Ο Christoph Adami, από το πανεπιστήμιο του Michigan, στην εργασία του με τίτλο «Information-Theoretic Considerations Concerning the Origin of Life«, παρακάμπτει πολλά από αυτά τα προβλήματα αναλύοντας την προέλευση της ζωής από μια εντελώς διαφορετική σκοπιά. Η βάση για τη νέα προσέγγιση είναι η ιδέα ότι η ζωή είναι στην ουσία ένα φαινόμενο που σχετίζεται με την πληροφορία. Αυτό επιτρέπει τον Adami να αγνοήσει όλες τις περίπλοκες λεπτομέρειες της χημείας και της βιολογίας και αντ’ αυτών να θεωρήσει τις πιο βασικές ιδιότητες της ζωής, όπως αυτές καθορίζονται από τη φύση της πληροφορίας και των νόμων της φυσικής που τη διέπουν.
Πρώτα, ας πούμε λίγα πράγματα σχετικά με τη φύση της πληροφορίας και το πώς σχετίζεται με τη ζωή. Στους φυσικούς είναι γνωστό ότι η πληροφορία μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μέτρο της τάξης. Σε κανονικές συνθήκες, η ποσότητα των πληροφοριών μειώνεται πάντα με την πάροδο του χρόνου. Με άλλα λόγια, το μέγεθος της εντροπίας (δηλαδή της αταξίας) αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε κάποια μέγιστη τιμή. Σε αυτό το σημείο της μέγιστης εντροπίας, λέμε ότι το σύστημα βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία.
Η βασική ιδέα στην εργασία του Adami είναι ότι τα έμβια συστήματα δεν βρίσκονται σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, αλλά με κάποιο τρόπο καταφέρνουν να βρίσκονται σε μια κατάσταση με μικρότερη εντροπία σε σχέση με την κατάσταση της μέγιστης εντροπίας. Αυτό το έλλειμμα εντροπίας στα έμβια συστήματα είναι ισοδύναμο με τις πληροφορίες που περιέχουν. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των έμβιων συστημάτων είναι ότι μπορούν να διατηρήσουν τη διαφορά αυτή για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Η προσέγγιση του Adami είναι να βάλει όλα τα παραπάνω σε μια μαθηματική βάση.
Ξεκινά υποθέτοντας ότι ένα ποσοστό του συνόλου των μορίων με ένα συγκεκριμένο μήκος μπορούν να (αυτό)-αντιγράφονται. Δεν έχει σημασία αν πρόκειται για πολυμερή όπως το DNA ή σύνολα αυτοκαταλυτικών μορίων που αναπαράγουν τον εαυτό τους. Το βασικό ζήτημα είναι ότι οι πληροφορίες που περιέχουν αναπαράγονται.
Αναπτύσσει ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη διαφορά μεταξύ της εντροπίας του συστήματος και ενός συστήματος σε θερμοδυναμική ισορροπία. Αυτή η διαφορά είναι η πληροφορία που οι αυτο-αντιγραφείς διατηρούν και χρειάζεται ώστε να αναπαράγουν τον εαυτό τους στο περιβάλλον τους.
Στη συνέχεια διερευνά πως τα μαθηματικά χαρακτηριστικά αυτού του συστήματος αλλάζουν δεδομένου ότι τα μόρια που εμπλέκονται μπορούν να προκύψουν με διαφορετικές συχνότητες.
Τελικά το μέγεθος της διαφοράς μεταξύ της εντροπίας ενός μη-εμβίου συστήματος και ενός εμβίου σύστηματος αποδεικνύεται ότι είναι μια σημαντική ιδιότητα.
Όταν αυτή η διαφορά είναι μεγάλη, η πιθανότητα αναπαραγωγής ενός μορίου ή ενός συνόλου μορίων είναι πολύ μικρή – η αναπαραγωγή φαίνεται πως χρειάζεται περισσότερη πληροφορία, κάτι που την κάνει δύσκολη.
Τουναντίον, μικρές διαφορές οδηγούν σε αύξηση της πιθανότητας αναπαραγωγής. Και όχι μόνο κατά μια μικρή ποσότητα. Ο Adami δείχνει ότι μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 64 τάξεις μεγέθους.
Με άλλα λόγια, η πιθανότητα να εμφανιστεί αυθόρμητα η ζωή μεταβάλλεται δραματικά και μπορεί να είναι ιδιαίτερα ευνοϊκή σε ορισμένες συνθήκες. Υπάρχουν πολλές παράμετροι που αν ρυθμιστούν κατάλληλα, μπορούν να αυξήσουν την πιθανότητα αναπαραγωγής κατά πολλές τάξεις μεγέθους.
Ο Adami εφάρμοσε τη μέθοδο του σε ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης, ένα λογισμικό με το όνομα Avida το οποίο είχε χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τη μελέτη βιολογικών συστημάτων.
Το λογισμικό Avida επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν την εξελικτική βιολογία in silico.
Πρόκειται για μια συναρπαστική προσέγγιση που ανοίγει σημαντικές δυνατότητες σε μελλοντικές εργασίες. Το μεγάλο πλεονέκτημα μιας προσέγγισης βασισμένη στη θεωρία της πληροφορίας είναι ότι δεν χρειάζεται καθόλου η χημεία. Και αυτό είναι μεγάλο πλεονέκτημα αν λάβει κανείς υπόψη το τεράστιο πλήθος των χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε ένα ζωντανό οργανισμό.
Πάντως είναι αξιοσημείωτο, πως και αυτός ο νέος τρόπος προσέγγισης δείχνει πως η ζωή μπορεί να αναπτυχθεί αυθόρμητα, όπως άλλωστε προβλέπει ο «τέταρτος νόμος της θερμοδυναμικής».
