چرا همه چیز در جهان پیچیده‌تر می‌شود

در سال ۱۹۵۰، فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی در حال بحث درباره امکان وجود حیات هوشمند فرازمینی با همکارانش بود. او گفت، اگر تمدن‌های بیگانه وجود داشته باشند، قطعاً برخی باید زمان کافی برای گسترش در سراسر کیهان را می‌داشتند. پس آن‌ها کجا هستند؟

پاسخ‌های بسیاری برای «پارادوکس» فرمی پیشنهاد شده است: شاید تمدن‌های بیگانه پیش از آنکه بتوانند به مسافران بین‌ستاره‌ای تبدیل شوند، از بین می‌روند یا خود را نابود می‌کنند. اما شاید ساده‌ترین پاسخ این باشد که چنین تمدن‌هایی اصلاً به وجود نمی‌آیند: حیات هوشمند بی‌نهایت بعید است و ما این سؤال را فقط به این دلیل مطرح می‌کنیم که استثنای بسیار نادری هستیم.

پیشنهاد جدیدی توسط یک تیم میان‌رشته‌ای از پژوهشگران، این نتیجه‌گیری ناامیدکننده را به چالش می‌کشد. آن‌ها چیزی کمتر از یک قانون جدید طبیعت را پیشنهاد نکرده‌اند؛ قانونی که بر اساس آن، پیچیدگی موجودیت‌ها در جهان با گذشت زمان با قطعیتی قابل مقایسه با قانون دوم ترمودینامیک - قانونی که افزایش اجتناب‌ناپذیر آنتروپی (معیاری از بی‌نظمی) را حکم می‌کند - افزایش می‌یابد. اگر حق با آن‌ها باشد، حیات پیچیده و هوشمند باید گسترده باشد.

در این دیدگاه جدید، تکامل زیستی نه به عنوان فرآیندی منحصر به فرد که منجر به شکل کیفی متمایزی از ماده - یعنی موجودات زنده - شده است، بلکه به عنوان یک مورد خاص (و شاید اجتناب‌ناپذیر) از یک اصل کلی‌تر که بر جهان حاکم است، ظاهر می‌شود. طبق این اصل، موجودیت‌ها به این دلیل انتخاب می‌شوند که از نوعی اطلاعات غنی‌تر هستند که آن‌ها را قادر به انجام نوعی عملکرد می‌کند.

این فرضیه (در تب جدید باز می‌شود)، که توسط رابرت هیزن کانی‌شناس و مایکل وونگ اخترزیست‌شناس از مؤسسه کارنگی در واشنگتن دی‌سی، به همراه تیمی از دیگران فرمول‌بندی شده است، بحث‌های شدیدی را برانگیخته است. برخی پژوهشگران از این ایده به عنوان بخشی از یک روایت بزرگ درباره قوانین بنیادین طبیعت استقبال کرده‌اند. آن‌ها استدلال می‌کنند که قوانین پایه‌ای فیزیک به معنای تأمین تمام آنچه برای درک پدیده‌های طبیعی نیاز داریم، «کامل» نیستند؛ بلکه تکامل - چه زیستی و چه غیر آن - کارکردها و نوآوری‌هایی را معرفی می‌کند که حتی در اصل نیز نمی‌توانستند تنها از طریق فیزیک پیش‌بینی شوند. استوارت کافمن، نظریه‌پرداز برجسته پیچیدگی در دانشگاه پنسیلوانیا، گفت: «بسیار خوشحالم که آن‌ها این کار را انجام داده‌اند. آن‌ها این سؤالات را مشروعیت بخشیده‌اند.»

دیگران استدلال می‌کنند که گسترش ایده‌های تکاملی درباره کارکرد به سیستم‌های غیرزنده، زیاده‌روی است. مقدار کمیّتی که اطلاعات را در این رویکرد جدید اندازه‌گیری می‌کند، نه تنها نسبی است - بسته به زمینه تغییر می‌کند - بلکه محاسبه آن غیرممکن است. به این دلیل و دلایل دیگر، منتقدان ادعا کرده‌اند که نظریه جدید قابل آزمایش نیست و بنابراین کاربرد چندانی ندارد.

این کار به بحثی در حال گسترش درباره چگونگی جایگیری تکامل زیستی در چارچوب عادی علم می‌پردازد. نظریه تکامل داروینی از طریق انتخاب طبیعی به ما کمک می‌کند تا بفهمیم موجودات زنده در گذشته چگونه تغییر کرده‌اند. اما برخلاف اکثر نظریه‌های علمی، نمی‌تواند چیز زیادی درباره آینده پیش‌بینی کند. آیا جای دادن آن در یک فراقانون افزایش پیچیدگی به ما امکان می‌دهد نگاهی به آینده بیندازیم؟

داستان در سال ۲۰۰۳ آغاز می‌شود، زمانی که جک زوستاک زیست‌شناس مقاله‌ای کوتاه (در تب جدید باز می‌شود) در Nature منتشر کرد و مفهوم اطلاعات کارکردی را پیشنهاد داد. زوستاک - که شش سال بعد برای کاری نامرتبط جایزه نوبل گرفت - می‌خواست مقدار اطلاعات یا پیچیدگی‌ای را که مولکول‌های زیستی مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA در خود دارند، کمّی‌سازی کند. نظریه کلاسیک اطلاعات، که توسط کلود شانون پژوهشگر مخابرات در دهه ۱۹۴۰ توسعه یافت و بعدها توسط آندری کولموگوروف ریاضیدان روسی بسط داده شد، یک پاسخ ارائه می‌دهد. طبق نظر کولموگوروف، پیچیدگی یک رشته از نمادها (مانند ۱ها و ۰های باینری) به این بستگی دارد که چقدر می‌توان آن توالی را به طور منحصربه‌فرد و مختصر مشخص کرد.

به عنوان مثال، DNA را در نظر بگیرید که زنجیره‌ای از چهار بلوک ساختمانی مختلف به نام نوکلئوتید است. یک رشته که فقط از یک نوع نوکلئوتید تشکیل شده و بارها و بارها تکرار می‌شود، پیچیدگی بسیار کمتری دارد - و در نتیجه، اطلاعات کمتری را رمزگذاری می‌کند - نسبت به رشته‌ای که از هر چهار نوکلئوتید تشکیل شده و توالی آن تصادفی به نظر می‌رسد (همانطور که در ژنوم معمول‌تر است).

اما زوستاک اشاره کرد که معیار پیچیدگی کولموگوروف، مسئله‌ای حیاتی برای زیست‌شناسی را نادیده می‌گیرد: اینکه مولکول‌های زیستی چگونه عمل می‌کنند.

در زیست‌شناسی، گاهی اوقات مولکول‌های مختلف زیادی می‌توانند یک کار را انجام دهند. مولکول‌های RNA را در نظر بگیرید که برخی از آن‌ها عملکردهای بیوشیمیایی دارند که به راحتی قابل تعریف و اندازه‌گیری هستند. (مانند DNA، RNA نیز از توالی نوکلئوتیدها تشکیل شده است.) به طور خاص، رشته‌های کوتاه RNA به نام آپتامرها (aptamers) به طور محکم به مولکول‌های دیگر متصل می‌شوند.

فرض کنید می‌خواهید یک آپتامر RNA پیدا کنید که به یک مولکول هدف خاص متصل شود. آیا آپتامرهای زیادی می‌توانند این کار را انجام دهند یا فقط یکی؟ اگر فقط یک آپتامر بتواند کار را انجام دهد، آنگاه منحصر به فرد است، درست مانند یک توالی طولانی و ظاهراً تصادفی از حروف که منحصر به فرد است. زوستاک گفت که این آپتامر دارای مقدار زیادی از چیزی است که او آن را «اطلاعات کارکردی» نامید.

اگر آپتامرهای مختلف زیادی بتوانند همان کار را انجام دهند، اطلاعات کارکردی بسیار کمتر است. بنابراین می‌توانیم اطلاعات کارکردی یک مولکول را با پرسیدن اینکه چه تعداد مولکول دیگر با همان اندازه می‌توانند همان کار را به همان خوبی انجام دهند، محاسبه کنیم.

زوستاک در ادامه نشان داد که در موردی مانند این، اطلاعات کارکردی را می‌توان به صورت تجربی اندازه‌گیری کرد. او تعدادی آپتامر RNA ساخت و از روش‌های شیمیایی برای شناسایی و جداسازی آن‌هایی که به یک مولکول هدف انتخاب شده متصل می‌شدند، استفاده کرد. سپس او برندگان را کمی جهش داد تا به دنبال اتصال‌دهنده‌های حتی بهتری بگردد و این فرآیند را تکرار کرد. هرچه یک آپتامر در اتصال بهتر شود، احتمال اینکه مولکول RNA دیگری که به طور تصادفی انتخاب شده است، به همان خوبی عمل کند، کمتر می‌شود: اطلاعات کارکردی برندگان در هر دور باید افزایش یابد. زوستاک دریافت که اطلاعات کارکردی بهترین آپتامرهای عملکردی، به مقدار حداکثر پیش‌بینی شده نظری نزدیک‌تر و نزدیک‌تر می‌شود.

هیزن در حین فکر کردن به منشأ حیات - موضوعی که او را به عنوان یک کانی‌شناس جذب کرد، زیرا مدت‌هاست که گمان می‌رود واکنش‌های شیمیایی روی کانی‌ها نقش کلیدی در شروع حیات داشته‌اند - با ایده زوستاک برخورد کرد. هیزن گفت: «به این نتیجه رسیدم که صحبت کردن در مورد حیات در مقابل عدم حیات یک دوگانگی کاذب است. احساس کردم باید نوعی پیوستگی وجود داشته باشد - باید چیزی باشد که این فرآیند را از سیستم‌های ساده‌تر به سیستم‌های پیچیده‌تر سوق دهد.» او فکر کرد که اطلاعات کارکردی، راهی برای درک «پیچیدگی فزاینده انواع سیستم‌های در حال تکامل» را نوید می‌دهد.

در سال ۲۰۰۷، هیزن با زوستاک همکاری کرد تا یک شبیه‌سازی کامپیوتری (در تب جدید باز می‌شود) شامل الگوریتم‌هایی که از طریق جهش تکامل می‌یابند، بنویسد. عملکرد آن‌ها در این مورد، اتصال به یک مولکول هدف نبود، بلکه انجام محاسبات بود. آن‌ها دوباره دریافتند که اطلاعات کارکردی با تکامل سیستم به طور خود به خود در طول زمان افزایش می‌یابد.

این ایده سال‌ها در همان‌جا ماند. هیزن نمی‌توانست ببیند چگونه آن را پیش ببرد تا اینکه وونگ در سال ۲۰۲۱ بورسیه تحصیلی در مؤسسه کارنگی را پذیرفت. وونگ پیشینه‌ای در زمینه اتمسفر سیارات داشت، اما او و هیزن دریافتند که در مورد سؤالات مشابهی فکر می‌کنند. هیزن گفت: «از همان لحظه اولی که نشستیم و درباره ایده‌ها صحبت کردیم، باورنکردنی بود.»

وونگ گفت: «ما بحثی داشتیم که در آن هیزن به یک تعریف فیزیکی علاقه داشت و من به دنبال راه‌هایی برای کمّی‌سازی بودم.» او در یک لحظه متوجه شد که چگونه کار زوستاک، پیامی عمیق‌تر از آنچه تا کنون تصورش می‌کردند، ارسال می‌کند.

مشکل اطلاعات کارکردی این است که نسبی است. برای اندازه‌گیری آن، باید این سؤال را بپرسیم که چه تعداد سیستم دیگر می‌توانند همان کار را انجام دهند. اما چه چیزی «همان کار» را تشکیل می‌دهد؟ اگر از مولکول‌های RNA بپرسید که چه کار می‌کنند، جوابی نخواهید گرفت. بنابراین یک ناظر باید برچسبی را برای هدف یا عملکرد سیستم تعیین کند. وونگ و همکارانش تصمیم گرفتند این ایده را در تمام سطوح تعمیم دهند. «چیزی که ما متوجه شدیم این است که اگر آن ناظر خودکار باشد، اطلاعات کارکردی با تعریف از هیچ به چیزی تبدیل می‌شود.»

یعنی اگر نوعی فرآیند فیزیکی عینی انتخاب وجود داشته باشد. وونگ استدلال می‌کند که چیزی شبیه به انتخاب طبیعی داروین می‌تواند به همان اندازه در سیستم‌های غیرزنده عمل کند. سپس شما قانون یا اصل تمایل به افزایش اطلاعات کارکردی را دریافت می‌کنید.

آن‌ها این ایده را «انتخاب به واسطه ارزش» نامیدند. همانطور که در مقاله خود توضیح می‌دهند، «انتخاب به واسطه ارزش به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن مجموعه‌ای از احتمالات که به‌طور تصادفی ایجاد شده‌اند، به‌طور غیرتصادفی توسط فرآیندی مداوم برای بقا و گسترش انتخاب می‌شوند.»

برای واضح شدن، تصور کنید که روی یک پشته کاغذ خمیده توده می‌کنید، آن را در معرض یک فن قرار می‌دهید و هر آنچه که باد می‌برد را دور می‌ریزید. هرچه ورق‌های کاغذ بیشتر به شکل آیرودینامیکی خمیده شده باشند، احتمال بیشتری دارد که در اطراف بمانند - بنابراین از میان تمام احتمالات، مجموعه‌ای از اشکال انتخاب شده است که احتمالاً عملکرد «فرار نکردن از باد» را انجام می‌دهند.

به همین ترتیب، رودخانه‌ها ذرات معلق را می‌سایند و جابجا می‌کنند و منجر به شکل‌های دلتا می‌شوند که هجوم سیل را به حداقل می‌رساند - بنابراین انتخاب، اشکالی را ترجیح می‌دهد که عملکرد «به حداقل رساندن سیل» را بهتر انجام می‌دهند. مواد موجود در سطح یک سیاره می‌توانند خود را برای انتشار گرما به‌طور کارآمد مرتب کنند. مولکول‌ها می‌توانند خود را برای تسریع واکنش‌های شیمیایی در اطراف خود مرتب کنند. و غیره.

وونگ و همکارانش ادعا می‌کنند که انتخاب به واسطه ارزش این شکل خاص انتخاب عینی را در بر می‌گیرد که منجر به افزایش اطلاعات کارکردی می‌شود. به گفته آن‌ها، چیزی جز یک قانون طبیعت نیست.

وقتی هیزن و وونگ درباره انتخاب به واسطه ارزش استدلال می‌کنند، منحصراً در مورد عملکرد فیزیکی صحبت نمی‌کنند. برای آنکه چیزی «ارزش» داشته باشد، باید تأثیر علّی داشته باشد - باید به نحوی بر پایداری یا گسترش خود تأثیر بگذارد. از این نظر، این ایده مشابه اصل «مهار انرژی» است که توسط فیزیکدان رودیمو لوتکا در دهه ۱۹۲۰ پیشنهاد شد. لوتکا استدلال کرد که انتخاب طبیعی زیستی تمایل دارد سیستم‌هایی را به حداکثر برساند که از جریان گرادیان انرژی خورشیدی برای انجام کار استفاده می‌کنند - و بنابراین جریان انرژی را به حداکثر می‌رساند.

بارک، فیلسوف علم و دین در کالج مسیح کمبریج، انگلستان، موافق است که این ایده جذاب است. او گفت: «استفاده از تمایزات و ابزارهای تکاملی و به کار بردن آن‌ها در سایر سیستم‌ها کاملاً معقول است.» با این حال، او در مورد «شتاب ناگهانی» نسبت دادن نقش برجسته‌ای به انتخاب به واسطه ارزش محتاط است. برای مثال، در مورد دلتای رودخانه، چگونه می‌دانیم که این شکل توسط به حداقل رساندن سیل انتخاب می‌شود؟ شاید چیز دیگری در حال رخ دادن است.

بارک گفت: «شاید آن‌ها در حال بزرگ‌نمایی نقش انتخاب هستند و این لزوماً توضیحی عالی نیست.» به هر حال، انتخاب - و در واقع، علیت - چیزهایی نیستند که به وضوح در جهان ارائه شده باشند. «آن‌ها با تفسیر و روایت در ارتباط هستند.»

بارک همچنین در مورد مفاهیم اطلاعات کارکردی ابراز نگرانی کرد. به ویژه، استدلال می‌کند که این تعریف بیش از حد ذهنی و وابسته به زمینه است. او گفت که اگر بخواهیم واقعاً در مورد اینکه اطلاعات کارکردی ممکن است چیست، جدی باشیم، باید تعیین کنیم که چرا عملکرد معینی «ارزش» دارد و به نظر می‌رسد این امر ما را به قلمرو ارزش‌ها - برای انسان‌ها، «ارزش‌های اخلاقی» بازمی‌گرداند.

حتی اگر تعریف اطلاعات کارکردی ذهنی باشد، به این معنی نیست که این ایده بی‌فایده است. بلکه، بارک گفت، به این معنی است که ما نباید آن را با یک توصیف عینی از «اینکه دنیا چگونه واقعاً وجود دارد» اشتباه بگیریم. او پیشنهاد می‌کند که باید به سادگی به آن به عنوان «مدل ذهنی» خودمان نگاه کنیم که می‌توانیم از آن برای توجیه خود استفاده کنیم.

یکی از مشکلات این ایده این است که اطلاعات کارکردی یک کمیت بسیار سخت برای محاسبه است و در اکثر موارد نمی‌توان آن را محاسبه کرد. بارک گفت: «برای محاسبه آن باید از قبل بدانید که کدام امکانات در دسترس هستند و همه دلایل احتمالی برای عمل کردن سیستم به روشی که عمل می‌کند را بشناسید. چگونه می‌توانید آن را بدانید؟»

وونگ و همکارانش در حال کار بر روی توسعه یک مجموعه ریاضی از ابزارها برای مقابله با این مشکل هستند. آن‌ها در حال بررسی سیستم‌های مدل هستند که می‌توانند برای مطالعه با انتخاب به واسطه ارزش طراحی شوند و در حال کاوش هستند که آیا می‌توانیم یک قانون اساسی از تمایل به افزایش پیچیدگی را تشخیص دهیم. از این نظر، او بر این باور است که انتخاب به واسطه ارزش می‌تواند یک نظریه قابل آزمایش باشد.

مهمتر از همه، وونگ و هیزن امیدوارند که این ایده به زودی بتواند زمینه‌های جدیدی را برای تحقیق باز کند. شاید یک آزمایش بتواند نشان دهد که مواد در شرایط خاصی برای ترجیح دادن راه‌هایی که به آن‌ها اجازه می‌دهد انرژی را جذب یا دفع کنند، «خودسازماندهی» می‌کنند - و فراتر از این، این خودسازماندهی می‌تواند ویژگی‌های خاصی را داشته باشد که بتوان آن‌ها را به عنوان انتخاب به واسطه ارزش ردیابی کرد.

یکی از مهم‌ترین پیامدهای بالقوه، چشم‌انداز پیش‌بینی در مورد آنچه در آینده ممکن است در یک سیستم معین ظاهر شود است. ما نمی‌توانیم رویدادهای خاصی را پیش‌بینی کنیم، اما ممکن است بتوانیم به کلیات رسید. به عنوان مثال، بیایید برای یک لحظه پارادوکس فرمی را دوباره در نظر بگیریم. وونگ استدلال می‌کند که اگر چیزی وجود دارد که واقعاً ما را به عنوان تمدن‌های هوشمند تعریف می‌کند، توانایی آن در ساخت «سیستم‌های جمع‌آوری دانش» است - در انجام تحقیقات و گسترش پایدار مجموعه‌های دانش‌مان. اگر انتخاب به واسطه ارزش درست باشد، احتمالاً در هر سیاره‌ای که حیات در آن به وجود می‌آید، ظاهر می‌شود. سپس، این احتمال را افزایش می‌دهد که ما یک روز تمدن‌های بیگانه را ملاقات کنیم.