العلماء والفلاسفة يحددون القانون التطوري المفقود في الطبيعة

مقال نشر في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم يصف “قانون الطبيعة المفقود”، معترفًا لأول مرة بمعيار مهم في عمل العالم الطبيعي.

بشكل أساسي، ينص القانون الجديد على أن الأنظمة الطبيعية المعقدة تتطور نحو حالات ذات بنية أكبر وتنوع وتعقيد. بمعنى آخر، لا يقتصر التطور على الحياة على الأرض، بل يحدث أيضًا في أنظمة أخرى معقدة للغاية، من الكواكب والنجوم إلى الذرات والمعادن وغير ذلك الكثير.

وقد كتبه فريق مكون من تسعة أعضاء: علماء من معهد كارنيجي للعلوم، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتيك)، وجامعة كورنيل، بالإضافة إلى فلاسفة من جامعة كولورادو.

تصف قوانين الطبيعة “العيانية” وتشرح الظواهر التي تحدث يوميًا في العالم الطبيعي. فالقوانين الطبيعية المتعلقة بالقوى والحركة والجاذبية والكهرومغناطيسية والطاقة، على سبيل المثال، تم وصفها منذ أكثر من 150 عامًا.

يقدم العمل الجديد إضافة حديثة: قانون مجهري يعترف بالتطور باعتباره سمة مشتركة للأنظمة المعقدة في العالم الطبيعي، ويتميز بما يلي:

• وتتكون من العديد من المكونات المختلفة، مثل الذرات أو الجزيئات أو الخلايا، والتي يمكن ترتيبها وإعادة ترتيبها بشكل متكرر.
• تخضع لعمليات طبيعية تتسبب في تكوين عدد لا يحصى من الترتيبات المختلفة
• فقط جزء صغير من كل هذه التكوينات يبقى على قيد الحياة في عملية تسمى “الاختيار الوظيفي”.

سواء كان النظام حيًا أم لا، فعندما يعمل التكوين الجديد بشكل جيد وتتحسن الوظيفة، يحدث التطور.

ينص “قانون زيادة المعلومات الوظيفية” للمؤلفين على أن النظام سوف يتطور “إذا تم اختيار العديد من التكوينات المختلفة للنظام لوظيفة واحدة أو أكثر”.

“أحد العناصر المهمة في هذا القانون الطبيعي المقترح هو فكرة” الاختيار للوظيفة “، كما يقول عالم الأحياء الفلكية في كارنيجي الدكتور مايكل إل. وونغ، المؤلف الأول للدراسة.

وفي حالة علم الأحياء، ساوى داروين بين الوظيفة والبقاء في المقام الأول، أي القدرة على العيش لفترة كافية لإنتاج ذرية خصبة.

توسع الدراسة الجديدة هذا المنظور، مشيرة إلى وجود ثلاثة أنواع من الوظائف على الأقل في الطبيعة.

الوظيفة الأساسية هي الاستقرار: يتم اختيار الترتيبات المستقرة للذرات أو الجزيئات للاستمرار. يتم أيضًا اختيار الأنظمة الديناميكية ذات الإمداد المستمر بالطاقة لتتحملها.

أما الوظيفة الثالثة والأكثر إثارة للاهتمام فهي “الجدة”: ميل الأنظمة المتطورة إلى استكشاف تكوينات جديدة تؤدي في بعض الأحيان إلى سلوكيات أو خصائص جديدة مفاجئة.

التاريخ التطوري للحياة مليء بالتطورات الجديدة: تطورت عملية التمثيل الضوئي عندما تعلمت الخلايا الفردية تسخير الطاقة الضوئية، وتطورت الحياة متعددة الخلايا عندما تعلمت الخلايا التعاون، وتطورت الأنواع بفضل سلوكيات مفيدة جديدة مثل السباحة والمشي والطيران والتفكير.

يحدث نفس النوع من التطور في المملكة المعدنية. تمثل المعادن الأولى ترتيبات مستقرة للذرات. وكانت هذه المعادن البدائية بمثابة الأساس للأجيال اللاحقة من المعادن، التي شاركت في نشأة الحياة. يرتبط تطور الحياة وتطور المعادن ارتباطًا وثيقًا، لأن الحياة تستخدم المعادن لصنع الأصداف والأسنان والعظام.

وفي الواقع، فإن معادن الأرض، التي كان عددها حوالي عشرين عند فجر نظامنا الشمسي، يبلغ عددها الآن ما يقرب من 6000 معدن معروف اليوم بفضل الظواهر الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية المتزايدة التعقيد في نهاية المطاف على مدى 4.5 مليار سنة.

وفي حالة النجوم، يشير المقال إلى أن عنصرين رئيسيين فقط – الهيدروجين والهيليوم – شكلا النجوم الأولى بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم. استخدمت هذه النجوم المبكرة الهيدروجين والهيليوم لصنع حوالي 20 عنصرًا كيميائيًا أثقل. واعتمد الجيل القادم من النجوم على هذا التنوع لإنتاج ما يقرب من 100 عنصر إضافي.

“لقد شرح تشارلز داروين ببلاغة كيف تتطور النباتات والحيوانات من خلال الانتقاء الطبيعي، مع وجود العديد من الاختلافات والسمات للأفراد والعديد من التكوينات المختلفة”، كما يقول المؤلف المشارك روبرت إم هازن من كارنيجي ساينس، المؤلف الرئيسي للبحث.

“نحن نجادل بأن النظرية الداروينية ليست سوى حالة خاصة جدًا ومهمة جدًا ضمن ظاهرة طبيعية أكبر بكثير. إن فكرة أن الانتقاء الوظيفي يحدد التطور تنطبق أيضًا على النجوم والذرات والمعادن والعديد من المواقف الأخرى المكافئة من الناحية المفاهيمية حيث تخضع العديد من التكوينات للضغط الانتقائي التطوري.”

يمثل المؤلفون المشاركون أنفسهم تكوينًا فريدًا متعدد التخصصات: ثلاثة فلاسفة للعلوم، واثنين من علماء الأحياء الفلكية، وعالم بيانات، وعالم معادن، وعالم فيزياء نظرية.

وقال الدكتور وونغ: “في هذه الورقة الجديدة، نحن نعتبر التطور بالمعنى الأوسع – التغيير مع مرور الوقت – والذي يشمل التطور الدارويني على أساس خصوصيات “النسب مع التعديل”.

“يولد الكون مجموعات جديدة من الذرات والجزيئات والخلايا وما إلى ذلك. والتركيبات المستقرة والتي يمكن أن تولد المزيد من الحداثة سوف تستمر في التطور. وهذا ما يجعل الحياة التطور الأكثر إثارة للانتباه، ولكن التطور موجود في كل مكان.

ومن بين العديد من الآثار، تقترح الوثيقة ما يلي:

1. افهم كيف أن الأنظمة المختلفة لها درجات متفاوتة يمكنها الاستمرار في التطور. تم اقتراح “التعقيد المحتمل” أو “التعقيد المستقبلي” كمقاييس للتعقيد المحتمل لنظام متطور.
2. نظرة عامة على كيفية التأثير بشكل مصطنع على معدل تطور أنظمة معينة. تشير فكرة المعلومات الوظيفية إلى أنه يمكن زيادة معدل تطور النظام بثلاث طرق على الأقل: (1) عن طريق زيادة عدد و/أو تنوع العوامل المتفاعلة، (2) عن طريق زيادة عدد تكوينات النظام المختلفة. نظام؛ و/أو (3) زيادة الضغط الانتقائي على النظام (على سبيل المثال، في الأنظمة الكيميائية عن طريق دورات التسخين/التبريد أو الترطيب/التجفيف الأكثر تكرارًا).
3. فهم أعمق للقوى المولدة وراء خلق ووجود الظواهر المعقدة في الكون، ودور المعلومات في وصفها
4. فهم الحياة في سياق الأنظمة المتطورة الأخرى المعقدة. تشترك الحياة في بعض المعادلات المفاهيمية مع الأنظمة المتطورة الأخرى المعقدة، لكن المؤلفين يشيرون إلى اتجاه للبحث المستقبلي، ويتساءلون عما إذا كان هناك شيء مميز حول الطريقة التي تعالج بها الحياة المعلومات حول الوظائف (انظر أيضًا https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2022.0810).
5. المساعدة في البحث عن الحياة في مكان آخر: إذا كان هناك خط فاصل بين الحياة واللاحياة مرتبط بالاختيار الوظيفي، فهل يمكننا تحديد “قواعد الحياة” التي تسمح لنا بالتمييز بين هذا الخط الفاصل الحيوي في التحقيقات البيولوجية الفلكية؟ (انظر أيضًا “هل كانت الحياة موجودة على المريخ؟ كواكب أخرى؟ بمساعدة الذكاء الاصطناعي، قد نعرف قريبًا”)
6. وفي وقت حيث يشكل تطور أنظمة الذكاء الاصطناعي مصدر قلق متزايد، فإن القانون التنبؤي للمعلومات الذي يميز تطور الأنظمة الطبيعية والرمزية هو موضع ترحيب بشكل خاص.

قوانين الطبيعة: الحركة، الجاذبية، الكهرومغناطيسية، الديناميكا الحرارية، إلخ. تدوين السلوك العام للأنظمة الطبيعية العيانية المختلفة في المكان والزمان.

“قانون زيادة المعلومات الوظيفية” يكمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن الإنتروبيا (الاضطراب) لنظام معزول يزداد بمرور الوقت (وتتدفق الحرارة دائمًا من الأجسام الأكثر سخونة إلى الأجسام الأكثر سخونة والأبرد).