Elämän ihmettelyä

18.1.2017 klo 00.18, kirjoittaja
Kategoriat: Astrobiologia

Ihmiset ovat jo kauan aikaa – ainakin jo Aristoteleen ajoista lähtien – koettaneet ymmärtää ja määritellä mitä elämä oikeastaan on. Monien eri alojen tutkijat ovat  perusteellisesti pohtineet, ja yrittäneet pelkistää elämän olemuksen johonkin määritelmään tai perusominaisuuteen. Monet  ovat päätyneet hyvinkin eri tyyppisiin määritelmiin. Esimerkiksi Nobel-palkittu kvanttifyysikko Erwin Schrödinger määritteli elämän negatiiviseksi entropiaksi, siis, järjestykseksi – tämä tarkoittaa suunnilleen samaa kuin suuri sisäinen informaatio. Unkarilainen Albert Szent-Györgyi, fysiologian ja lääketieteen Nobelin voittaja vuodelta 1937, puolestaan  määritteli elämän vain elektroneiksi jotka etsivät lepopaikkaa. Uudempia määritelmiä on NASA:n astrobiologian ohjelman määrittelemä: Elämä on ”Vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka perustuu molekyylirakenteisiin koodattuun informaatioon, ja joka kehittyy (evolves)”. Tämäkin määritelmä, niin elämänmakuinen kuin onkin, on puutteellinen. Evoluutio – vaikka onkin olennainen tekijä elämän säilymisen ja kehittymisen kannalta – ei toteudu yksilön tai yksittäisen solun elämässä, vaan vasta sukupolvien ketjussa, populaatioiden sisällä, ja riittävän pitkien aikojen kuluessa.

Elämä on jotakin joka ”on  tässä ja nyt”, ja joka myös on aina ollut ja jatkunut, alustaan asti, joka on aina muuttanut muotoaan mutta silti pysynyt perusteiltaan samana.

BBC:n tiedejutun mukaan elämästä on tehty yli 100 näennäisen hyvää määritelmää http://www.bbc.com/earth/story/20170101-there-are-over-100-definitions-for-life-and-all-are-wrong

Jos kaikki harrastelijat lasketaan mukaan, niin elämän määritelmiä on varmasti paljon enemmänkin kuin tuo sata, mutta ilmeisesti ne kaikki ovat ”väärin”. Mikään määritelmä ei tavoita elämän koko olemusta. Ne eivät pysty määrittelemään edes tätä maanpäällistä elämää, saati sitten niitä mahdollisia vieraita elämänmuotoja mitä jossakin muualla maailmankaikkeudessa saattaisi olla.

Eräs uusi tapa koettaa tehdä elämästä pelkistettyä ja ymmärrettävää on koettaa rakentaa siitä digitaalisia malleja, tietokonepohjaista keinoelämää, tai elämän toiminnallista mallia. Siis, rakentaa tietokoneohjelmia jotka testaavat laskennallisesti millaiset matemaattiset algoritmit – tai biokemialliset reaktiot – voisivat tuottaa systeemejä jotka käyttäytyvät elämän tavoin

https://astrobiology.nasa.gov/news/computing-the-origin-of-life/

Elämää ja sen kehittymistä simuloiva tietkoneohjelma Avida luo ja testaa koodeja jotka käyttäytyvät kuten elämä, ne ovat ”informaatiota joka kopioi itsensä”. Tällainen informaatio – tai koodi – muuntuu spontaanisti, voittaa ja eliminoi kilpailijansa käyttämällä tehokkaammin CPU aikaa, ja kehittyy paremmaksi ja paremmaksi. Kuin elämä itse. Ohjelman suuri haaste on vain löytää se ensimmäinen koodi joka osaa kopioitua. On hyvin epätodennäköistä että sellainen monimutkainen koodi syntyisi aivan sattumalta loputtoman suuresta valikoimasta erilaisia bittijonoja. Tarvitaan jotkut sopivat lähtöolosuhteet (tai tietokone-ohjelmassa: oletukset) jotka rikastavat sopivia lähtötekijöitä. Suotuisa lähtötilanne tuottaa paremman todennäköisyyden sille, että itseään kopioiva koodi syntyy.

Oikean elämän synnyssä on haasteena ollut myös se että pelkkä kopioituminen ei edes riitä, vaan toimivia ja yhteensopivia prosesseja on pitänyt syntyä rinnakkain vaikka kuinka monia. Kokonaista digitaalista mallia solulliselle elämälle ei pystytä koskaan kehittämään, mutta ehkä  tuo informaation (koodin) kopioituminen on jo aika hyvä malli, ja kuvaus elämän keskeisimmästä ominaisuudesta.

Siis, elämän olemus palautuu kopioituvaan informaatioon.

Nyt pitää lainata tähän erästä kommenttia joka tuli joulunaikaiseen blogiini ”Äly, tieto ja tietoisuus”. Nimimerkki Kosmos kirjoitti: ”Mitä informaatio sitten on? Tästä vallitsee tiedeyhteisössä …erimielisyys, mutta pieni fyysikkojen joukko kannattaa jo ajatusta, informaatio on jotain perustavan laatuista ”stuffia”:

http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2014/04/is-information-fundam…
http://www.space.com/29477-did-information-create-the-cosmos.html

Kiehtova linkki – tässä pari lainausta sieltä, hiukan tiivistettynä:

Paul Davies: ”Historically, matter has been at the bottom of the explanatory chain, and information has been a sort of secondary derivative of it,” Davies said. Now, he added, ”there’s increasing interest among at least a small group of physicists to turn this upside down and say, maybe at rock bottom, the universe is about information and information processing, and it’s matter that emerges as a secondary concept.”

Seth Lloyd: … The universe consists of information; every elementary particle carries information… The universe is a physical system that contains and processes information in a systematic fashion and that can do everything a computer can do. .. Information is not just a way of appreciating or approximating how the universe works, but the literal, most fundamental way it actually works. ..the universe is not like a computer as an explanatory metaphor; it really is a computer as scientific fact. All changes in the universe are ”computations.”

Tämä on hyvin hämmentävää. Mikä on konkreettisen maailmankaikkeuden – aineen ja energina  – ja informaation suhde toisiinsa? Ovatko molemmat yhtä merkittäviä, vai onko toinen näistä alisteinen toiselle? Ovatko elämä ja tietoisuus tuon kosmisen informaation ilmenemismuotoja?

4 kommenttia “Elämän ihmettelyä”

  1. Pekka Janhunen kirjoitti:

    Tuo informaatio fysiikassa onkin todella vaikea aihe, ainakin minulle. Mikroskooppisesta näkökulmasta esim. kaasun kuvaamiseen tarvittava informaatio on verrannollinen molekyylien lukumäärään, ja samoin on entropian laite. Mikroskooppisesti iInformaatio ja entropia ovat siis lähestulkoon synonyymejä. Makroskooppisesti taas systeemin kuvaamisen tarvitsema ”merkityksellinen informaatio” on sitä pienempi mitä suurempi on systeemin entropia, eli juuri päinvastoin kuin mikroskooppisesta näkökulmasta. Esimerkiksi termisessä tasapainossa olevan kaasun kuvaamiseen riittää makroskooppisesti muutama parametri (tilavuus, lämpötila, paine), kun taas mikroskooppisesti kaikkien molekyylien tilan kuvaamiseen tarvitaan suunnilleen yhtä paljon informaatiota riippumatta siitä onko systeemi termisessä tasapainossa vai ei.

    Mikroskooppisen kuvauksen vaatiman informaation määrä voi riippua myös käytetystä teoriasta. Esimerkiksi jos osoittautuisi että jokin tällä hetkellä alkeishiukkasena pitämämme hiukkanen onkin itse asiassa vielä alkeellisempien hiukkasten muodostama sidottu tila, silloin tilan täydelliseen kuvaamiseen saatettaisiin tarvita uusia kvanttilukuja eli enemmän informaatiota. Ei kuitenkaan välttämättä, sillä vapausasteet jotka esim. energiaskaalan takia eivät ole juuri koskaan virittyneet eivät ”kuluta” informaatiota koska niitä kuvaava kvanttiluku on lähes aina sama.

    Kvanttimekaniikassahan energiaa E vastaa taajuus f=E/h missä h on Planckin vakio. Voisiko tuon taajuuden tulkita jonkinlaiseksi bittivirran nopeudeksi, sitä en tiedä. Jos, niin silloin nuo bittivirrat ovat varsin isoja, esimerkiksi Auringon massan olemassaoloa vastaisi jatkuva 3e80 1/s bittivirta. Bittivirrasta saa bittien määrän eli informaation jos sen kertoo systeemin olemassaoloajalla. Esimerkiksi Auringon tähänastista olemassaoloa vastaisi 4e97 bittiä. Tämä on hieman eri näkökulma kuin tavallinen informaatio joka ajatellaan staattiseksi suureeksi. En tiedä onko tämä bittivirtanäkökulma ylipäätään järkevä ja jos on, mikä on sen suhde staattiseen informaation määrään.

    Miten tämä sitten voisi liittyä elämään. Yksi elämää karakterisoiva asia on että prosessi on pitkä ja monihaarainen. Fysikaalisesti tuo tarkoittaa sitä että jos hiukkanen on osa elävää organismia, sen tapahtumahistoria (”eventtipuu”) on iso koska se ulottuu 4.5 miljardin vuoden päähän taaksepäin ja kaikki esi-isille tapahtunut on mukana tuossa puussa. Mene ja tiedä, voisiko olla niin että elävien olentojen eventtipuut olisivat suurempia kuin minkään elottoman luonnon hiukkasen eventtipuut. Näin siksi että elämäprosessi aktiivisesti kerää vaikutteita ympäristöstään ja on tehokas säilyttämään ja monistamaan tärkeää informaatiota. Elottoman luonnon prosessit eivät toimi ihan noin vaan niiden eventtipuut kasvavat satunnaisemmin. Tämä eventtipuutarkastelu on omaa spekulaatiotani. En tiedä onko se validia tai relevanttia.

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Tämä vapaasti virtaavan informaation näkökulma elämään – ja kaikkeen – on hyvin kiehtova. Mutta tämäkin varmaan menee välittömästä määrittelyjen vaikeuden puolelle: miten pitäisi määritellä- tai miten on ymmärrettävissä – informaatio, entropia – ja sitten ehkä niiden johdannaisina, elämä, ja ehkä tietoisuus. Olisiko se niin kuin tuossa kuvaat että kaikki, kaikki, mitä millekkään hiukkaselle tapahtuu, tai mitä sille on koskaan tapahtunut, on informaatiota. Koko maailmankaikkeus syntyisi informaatio-virrasta, joka kaikissa tilanteissa ja olosuhteissa on erilaista, luonnolakeihin sopeutuvaa ja reaktiivista. Ja Elämä ja tietoisuus voisivat olla tuon informaatiovirran korkealaatuisia tuotteita. Mutta entäs sitten nuo luonnonlait: ovatko nekin informaatiota?

      Ja sitten on niinkin että meidän ihmisten tekemät ”määrittelyt” ovat subjektiivisia, meidän omaan pieneen tietoomme ja näkökulmaamme perustuvia. Ei todellisuus niistä riipu. Se vain on se mikä se on….

  2. Lasse Reunanen kirjoitti:

    Elämä on vastavuoroisuutta – aistii ja tulee aistituksi ympäristössään (”informaatiota”).

    1. Kirsi Lehto kirjoitti:

      Kyllä vain, elämällä lienee ollut jonkin asteinen kyky aistia ympäristöään jo varsin varhaisessa vaiheessa, siis, ainakin siten että se on sopeutunut ympäristön antamiin mahdollisuuksiin. Tuo on ulkopuolelta tulevan informaation hyödyntämistä. Kuitenkin, vielä oleellisempaa on se elävien solujen sisällä oleva informaatio, joka mahdollistaa kaiken mitä elämä tekee, mm. tuon ympäristön aistimisen. Toisaalta, sisäinen informaatio taas on syntynyt ympäristöön sopeutumisen seurauksena.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *