Η προέλευση της ζωής σύμφωνα με τη θεωρία της πληροφορίας. Information Theory And The Origin of Life

Most research into the origin of life focuses on the messy business of chemistry, on the nature of self-replicating molecules and on the behavior of autocatalytic reactions. Now one theorist says the properties of information also place important limits on how life must have evolved, without getting bogged down in the biochemical details. The new approach uses information theory to highlight a key property that distinguishes living from non-living systems: their ability to store information and replicate it almost indefinitely. A measure of this how much these systems differ from a state of maximum entropy or thermodynamic equilibrium. The new approach is to create a mathematical model of these informational differences and use it to make predictions about how likely it is to find self-replicating molecules in an artificial life system called Avida. And interestingly, the predictions closely match what researchers have found in practice. The bottom line is that according to information theory, environments favorable to life are unlikely to be unusual.

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.

Dr. Adami is Professor for Microbiology and Molecular Genetics & Physics and Astronomy at Michigan State University in East Lansing, Michigan. As a computational biologist, Dr. Adami’s main focus is Darwinian evolution, which he studies theoretically, experimentally, and computationally, at different levels of organization (from simple molecules to brains). He has pioneered the application of methods from information theory to the study of evolution, and designed the “Avida” system that launched the use of digital life (mutating and adapting computer viruses living in a controlled computer environment) as a tool for investigating basic questions in evolutionary biology. He was also a Principal Scientist at the Jet Propulsion Laboratory where he conducted research into the foundations of quantum mechanics and quantum information theory. Dr. Adami earned a BS in physics and mathematics and a Diplom in theoretical physics from the University of Bonn (Germany) and MA and PhD degrees in physics from the State University of New York at Stony Brook. He wrote the textbook “Introduction to Artificial Life” (Springer, 1998) and is the recipient of NASA’s Exceptional Achievement Medal. He was elected a Fellow of the American Association for the Advancement of Science (AAAS) in 2011.

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.

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.

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.

Historically, scientists have defined living creatures by the presence of DNA, but how living creatures process information may be a better hallmark of life, a new study argues. The nature of information places important new limits on how the first living things must have emerged. Credit: NASA

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.

Η θεμελιώδης μονάδα της ζωής, το κύτταρο, είναι ένα ανοικτό θερμοδυναμικό σύστημα.

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».

Πηγή: medium.com