Universul nu este guvernat în întregime de nicio lege.
La trei secole după ce Newton a formulat realitatea în termeni de legi fixe și ecuații deterministe, știința a ajuns la o frontieră radical nouă, susțin Stuart Kauffman, biochimist și expert în sisteme complexe, și Andrea Roli, profesor de știința calculatoarelor. Biosfera – rețeaua în continuă evoluție a vieții – nu este un mecanism de ceas, ci un sistem auto-creativ și imprevizibil. Organismele se reconfigurează constant în moduri care nu pot fi prevăzute nici măcar în principiu și care nu pot fi captate într-un cadru matematic. Știința trebuie acum să înfrunte o idee îndrăzneață: realitatea nu este guvernată în întregime de nicio lege, iar cheia misterelor ei mai profunde o deține biologia, nu fizica.
La trei secole după Newton, ne aflăm în fața celei de-a treia mari tranziții din știință.
Newton a inaugurat prima mare tranziție inventând calculul diferențial și integral, precum și fizica clasică. Nu este o exagerare să spunem că Newton ne-a învățat cum să gândim. Să numim aceasta „paradigma newtoniană”.
Mai întâi, identificăm variabilele relevante. În fizică, acestea sunt adesea poziția și impulsul. Scriem legi ale mișcării pentru aceste variabile relevante. Definim dinainte condițiile la limită, deci spațiul fazelor pentru toate valorile posibile ale variabilelor. Pentru orice condiție inițială, integrăm legile mișcării pentru a obține traiectoria sistemului în spațiul său fazic. Este fundamental pentru paradigma newtoniană faptul că putem și trebuie să definim dinainte spațiul fazic fix.
Fizica clasică, inclusiv relativitatea generală, ne-a oferit imaginea unui univers „ceasornic”, care evoluează în mod determinist, cu un Dumnezeu deist care nu mai poate face miracole. Astfel, „aleatorul” devine doar o problemă a cunoașterii noastre limitate – ceea ce înseamnă că nu există cu adevărat aleator.
A doua mare tranziție a fost descoperirea, inițial cu reticență, a cuantei în 1900 și a relației de incertitudine a lui Heisenberg, care a impus o depășire a fizicii clasice, ducând astfel la miracolele mecanicii cuantice și ale teoriei câmpurilor cuantice. Totuși, teoria cuantică rămâne în siguranță în cadrul paradigmei newtoniene, cu un spațiu fazic predefinit – deci cu condiții inițiale și de limită – și cu evoluția deterministă a unei distribuții de probabilitate prin ecuația de undă Schrödinger.
Puterea enormă a paradigmei newtoniene se observă și dincolo de fizică. Când ecologia studiază evoluția speciilor, de exemplu, lucrează cu un set predefinit de specii într-o comunitate. Acestea oferă variabilele relevante și, deci, spațiul fazic predefinit.
De-a lungul timpului, speciile apar și dispar. Setul de specii și tiparele lor de interacțiune evoluează la rândul lor. În evoluția biosferei, apar noi adaptări, iar altele existente dispar prin extincție. Ecologia, în cadrul paradigmei newtoniene, speră să rămână validă pentru perioade în care speciile nu dezvoltă trăsături noi relevante și nu pierd trăsături vechi relevante. Se presupune că spațiul fazic rămâne constant.
Însă întrebarea pe care dorim să o ridicăm – și care este chestiunea centrală a acestui articol – este dacă putem prezice sau deduce noile variabile adaptive relevante care apar, precum și cele vechi care dispar. Putem avea așteptări bine întemeiate?
Sperăm să demonstrăm că răspunsul este „nu”. Ecologia, așadar, nu este deterministă și, în mod corespunzător, se situează în afara paradigmei newtoniene.
Viața pe Pământ există de aproape patru miliarde de ani, adică aproximativ 30% din durata de existență a universului. Un eșec al paradigmei newtoniene în ceea ce privește evoluția vieții ar însemna că aspecte majore ale evoluției cosmologice a universului se află în afara acestei paradigme. Acest lucru are implicații majore pentru întregul demers științific.
Evoluția imprevizibilă a biosferei
Biosfera este cel mai complex sistem cunoscut din univers. Problema centrală nouă este că nu este posibil să deducem evoluția unei biosfere. Biosfera în evoluție este o construcție în propagare, nu o deducție: ea se creează, cumva, pe sine în moduri care nu pot fi deduse dinainte.
Motivele par, la început, ciudate:
1. Nu tot ce este posibil în univers se va întâmpla de fapt, chiar și pe perioade mult mai lungi decât durata universului. Majoritatea lucrurilor complexe nu vor „ajunge să existe” niciodată. De exemplu, universul nu va produce toate moleculele complexe posibile – precum proteinele cu 200 de aminoacizi – nici măcar în perioade de milioane de ori mai mari decât durata actuală a universului.
2. Inimile umane, obiecte foarte complexe care cântăresc 300 de grame și pot pompa sânge, există în univers. Cum este posibil acest lucru? Viața, bazată pe fizică, a apărut, a evoluat și s-a adaptat de-a lungul acestei evoluții.
Ființele vii folosesc constant energie pentru a rămâne într-o stare organizată și activă. Ele sunt „întreguri kantiene”, adică ființe ale căror părți există pentru și prin intermediul întregului. Noi existăm pentru și prin părțile noastre, precum inimile care pompează sânge. Pentru că noi, în calitate de întreguri kantiene, ne generăm urmașii; părțile care ne susțin, inclusiv inimile noastre, sunt și ele generate și evoluează pentru a funcționa mai bine. „Funcția” inimii este să pompeze sânge. Funcția unei părți este acel subset al proprietăților sale cauzale care susține întregul.
3. Nu putem spera să explicăm existența în univers a unei inimi capabile să pompeze sânge fără a apela la funcția acestor organe și la evoluția lor adaptivă în timp prin variație ereditară și selecție naturală.
Selecția este cauzalitate descendentă: întregul influențează părțile, precum și invers. Selecția acționează asupra întregului organism, nu asupra părților sale aflate în evoluție.
4. Un exemplu simplu de întreg kantian este un set de nouă peptide (molecule asemănătoare proteinelor), care se ajută reciproc să se formeze și să persiste. Peptida 1 ajută la formarea peptidei 2, peptida 2 o formează pe cea cu numărul 3 și așa mai departe, într-un ciclu în care peptida 9 catalizează o a doua copie a peptidei 1. Acest sistem are următoarele proprietăți importante:
i) Este autocatalitic la nivel colectiv. Nicio moleculă nu se formează singură, dar împreună ele creează un întreg care produce și susține părțile. Astfel, acesta este un întreg kantian: părțile există pentru și prin intermediul întregului.
ii) Funcția fiecărei părți este acel subset al proprietăților sale cauzale care ajută la susținerea întregului. Funcția peptidei 1 este de a cataliza formarea unei a doua copii a peptidei 2. Dacă în acest proces peptida agită apa din vasul Petri, această consecință cauzală nu face parte din funcția peptidei 1.
iii) Sistemul atinge „închiderea catalitică”: toate reacțiile care necesită catalizatori au catalizatori în același sistem.
iv) Sistemul atinge o proprietate nouă și puternică: uniunea „închiderii catalitice” cu „închiderea prin constrângere”. În termeni simplificați, aceasta înseamnă că peptidele însele limitează modul în care energia din sistem este folosită pentru a construi chiar aceleași peptide, în loc să fie irosită. Ideea esențială este că acest sistem se autosusține și se autoconstruiește. Peptidele efectuează lucru termodinamic pentru a se construi reciproc, păstrând totodată, prin specificitatea catalitică moleculară, regulile care permit acest lucru.
Astfel, celulele se construiesc literal singure. Biosfera în evoluție se autoconstruiește. Automobilele nu se construiesc singure. Noi construim lucrurile noastre. Celulele vii constituie o nouă clasă de materie și de organizare a proceselor: o nouă uniune între lucrul termodinamic, închiderea catalitică și închiderea prin constrângere. Într-un sens real, aceasta este „forța vitală” căutată de multă vreme, redată aici fără niciun mister.
Pentru că celulele vii sunt sisteme termodinamice deschise (au nevoie de energie din exterior pentru a continua să funcționeze) care se construiesc pe ele însele, ele creează în mod constant noi condiții-limită care, la rândul lor, generează noi posibilități în spațiul fazelor — posibilități care nu au mai existat până atunci în univers. Cu alte cuvinte, ele se modifică pe ele însele și, odată cu asta, modifică și aspectele relevante ale mediului înconjurător, creând astfel noi posibilități care anterior nu existau, ceea ce conduce la apariția unui nou spațiu fază. De exemplu, evoluția inimii a produs un spațiu fază în care tensiunea arterială sistolică, tensiunea diastolică, volumul de sânge ejectat de inimă și oxigenarea sângelui devin variabile funcțional relevante.
5. Adaptările din evoluția biosferei sunt oportunități funcționale, de regulă valorificate prin variație ereditară și selecție naturală. Un exemplu de oportunitate funcțională este o suprafață plană care îți oferă posibilitatea de a te așeza. Oportunitățile funcționale sunt șanse oferite de mediu pe care ființele vii le pot valorifica pentru a realiza ceva. Ființele vii nu trebuie să fie conștiente de aceste oportunități. În schimb, mutațiile aleatorii și selecția naturală pot dota un organism cu trăsăturile necesare pentru a le folosi.
6. Adesea, în evoluție, adaptările apar prin cooptarea aceluiași organ pentru o nouă funcție. Acestea se numesc preadaptări darwiniene sau exaptații. De exemplu, penele folosite pentru zbor ale păsărilor au evoluat inițial pentru funcții precum izolarea termică sau ca peri de protecție, dar au fost apoi cooptate pentru funcția nouă de zbor. Aceasta înseamnă găsirea unei noi utilizări pentru același „lucru” inițial — penele. A apărut astfel o nouă funcție în biosfera aflată în evoluție.
Problema fundamentală nouă este următoarea: este posibil să deducem, și deci să precizăm anticipat, toate preadaptările darwiniene posibile în evoluția biosferei? Ne propunem acum să demonstrăm că acest lucru nu este posibil.
Limitele teoriei mulțimilor
În evoluția biosferei, apar constant noi spații fază cu noi condiții-limită și noi variabile relevante. Am putea deduce anticipat care vor fi acele variabile relevante? Răspunsul surprinzător, pe care sperăm să îl arătăm, este: nu.
Trebuie să eșuăm, pentru că nu putem calcula, prezice sau deduce dinainte apariția unor noi oportunități funcționale și a unor noi variabile relevante valorificate prin variație ereditară și selecție naturală.
Trebuie să eșuăm pentru că nu putem folosi teoria mulțimilor sau orice matematică bazată pe ea pentru a modela în mod fiabil și valid apariția evolutivă a adaptărilor ca oportunități funcționale valorificate de ființele vii.
Luați în considerare următorul exemplu: câte „utilizări” are o șurubelniță, singură sau împreună cu alte obiecte, în Londra, la data de 22 martie 2029?
1. Să înșurubezi un șurub.
2. Să deschizi o cutie de vopsea.
3. Să blochezi o ușă.
4. Să răzuiești chit de pe o fereastră.
5. Ca obiect de artă.
6. Să o legi de un băț pentru a pescui cu ea ca o suliță.
7. Să închiriezi sulița pescarilor locali pentru 5% din captură etc.
Numărul de utilizări ale unei șurubelnițe, singure sau combinate cu alte obiecte, este un număr specific, să zicem unsprezece? Nu. Este infinit? Cum am putea ști?
Numărul de utilizări al unei șurubelnițe acum și în următorii 1000 de ani este „nedeterminat” sau poate „necunoscut”. Nimeni în 1690 nu ar fi putut folosi o șurubelniță pentru a face un scurtcircuit.
Nu putem stabili toate utilizările posibile ale unei șurubelnițe. Această afirmație este acum stabilită ca o teoremă. Nu putem stabili toate utilizările unei șurubelnițe pentru că nu putem prezice toate nișele viitoare posibile pentru aceasta, iar utilizările depind și de scopurile și repertoriul de acțiuni ale utilizatorului. Aceleași considerente se aplică oricărui obiect, fie că este o șurubelniță sau un bloc motor. Prin urmare, nu putem folosi teoria mulțimilor a cărei axiomă a extensionalității afirmă: „Două mulțimi sunt egale dacă și numai dacă au aceiași membri”. Nu putem demonstra că utilizările care nu pot fi stabilite ale unei șurubelnițe sunt identice cu utilizările care nu pot fi stabilite ale unui bloc motor. Așadar, nu putem folosi nicio matematică bazată pe teoria mulțimilor.
Aceste considerații se aplică la fel de bine la apariția adaptărilor ca oportunități funcționale valorificate în evoluția biosferei: apar constant noi oportunități funcționale, care sunt valorificate prin evoluție și care dau formă unor noi nișe și funcții adaptive biologice într-un mod imposibil de precizat anticipat.
Aceasta este o chestiune de importanță majoră. Înseamnă că nu putem folosi matematica bazată pe teoria mulțimilor pentru a modela apariția noilor oportunități funcționale, valorificate prin variație ereditară și selecție naturală sau prin organisme care acționează asupra lor.
Implicațiile sunt majore. Afirmația noastră centrală conform căreia nu putem folosi matematica bazată pe teoria mulțimilor pentru a modela evoluția biosferei a fost susținută în articolul nostru „Lumea nu este o teoremă”. Pornind de la aceasta, concluzionăm că organismele care acționează în lume nu pot fi mașini universale Turing, prin urmare, inteligența artificială generală este exclusă.
Putem găsi o demonstrație matematică/ logică pentru afirmația noastră? Aceasta nu este paralelă cu faimoasa teoremă a lui Gödel. Lucrările lui Gödel se situează integral în cadrul formal al matematicii. El demonstrează că, pornind de la un set de axiome, vor exista afirmații formal indecidabile.
În cazul de față, nu ne aflăm într-un cadru formal. O încercare de a găsi o demonstrație formală a afirmației noastre ar părea să necesite folosirea matematicii teoriei mulțimilor pentru a demonstra formal că nu putem folosi matematica teoriei mulțimilor. Într-adevăr, afirmația noastră este tocmai că există o lume vastă în afara a ceea ce putem surprinde folosind teoria mulțimilor. Dar, repetăm: afirmația că nu poți identifica toate utilizările lui X este acum o teoremă. Afirmația noastră este adevărată. Începem să înțelegem că lumea vastă de dincolo de teoria mulțimilor se află într-un domeniu al lipsei legilor.
A treia tranziție a științei
Aceste lucruri înseamnă că suntem în fața celei de-a treia mari tranziții din știință. Dacă nu putem scrie sau rezolva ecuații diferențiale pentru evoluția adaptărilor din biosferă, atunci ne aflăm dincolo de paradigma newtoniană.
O consecință importantă este că nu poate exista o teorie a totului care să implice tot ce ajunge să existe în universul aflat în evoluție. Mai mult, dacă nicio lege nu surprinde evoluția biosferelor, iar dacă acea evoluție nici măcar nu poate fi matematizată, atunci evoluția biologică este în mod radical „liberă” să fie creativă. Scara și sensurile acestui fapt sunt încă neclare. Universul nostru este creativ în moduri pe care nu le-am cunoscut. Înțelegerea noastră despre lume se va schimba.
Într-adevăr, o lume vastă și neașteptată apare în fața noastră. Celulele se construiesc singure și evoluează prin variație ereditară și selecție naturală, valorificând mereu oportunități noi, nedeductibile.
Fiecare moleculă și structură din celulele și organismele aflate în evoluție este mereu disponibilă pentru a fi cooptată și selectată, singură sau cu alte elemente, pentru utilizări adaptive noi, nedefinite, ceea ce face ca în mod constant să apară miriade de adaptări noi și lucruri fizice noi. Noile utilizări nu pot fi deduse din cele vechi. Și totuși, integrarea funcțională este mereu menținută, chiar și în timp ce biosfera se transformă, deoarece evoluția funcțională a părților trebuie să fie mereu integrată în și să susțină funcționarea întregului kantian asupra căruia acționează selecția. Selecția care acționează asupra întregului determină ce „ajunge să existe” pentru un timp în biosferă. Aceasta este, din nou, o „cauzalitate descendentă”: întregul influențează părțile. Această nouă înțelegere are puncte comune cu vechiul concept budist al originii co-dependente.
Secolul XXI promite să fie secolul biologiei. Aceasta include, desigur, explozia biotehnologiei, apariția unei medicine a secolului XXI și o analiză tot mai profundă a modului în care celulele și organismele care există acum „funcționează” ca sisteme fizice la nivel molecular, celular, al organismului și al ecosistemului. Ne aflăm în era biologiei sistemice.
Dar nu putem „comanda și controla” biosfera aflată în evoluție pe care o împărtășim. Ascunzându-ne în spatele ecuațiilor pe care le scriem, nu putem vedea realitatea pe care acestea o ascund: misterul vieții în evoluție. Suntem din batură, nu deasupra naturii. Aceasta nu este o pierdere, ci dimpotrivă, o invitație imensă. Putem încerca să înțelegem în moduri noi cum biosfera — sau oricare biosferă — economia noastră globală și chiar culturile noastre se auto-construiesc. Suntem inevitabil invitați să vedem realitatea cu ochi noi. Suntem inevitabil invitați să trăim responsabil, cu respect și cu uimire, pe măsură ce participăm la co-crearea realității în evoluție a biosferei.
Traducere după Biology, not physics, holds the key to reality de Stuart Kauffman, profesor de biochimie la Universitatea Pennsylvania și Andrea Roli, profesor de știinta computerelor și inginerie la Universitatea din Bologna.
Articolul original este publicat sub licența CC BY 4.0
