العلماء والفلاسفة يكتشفون قانون الطبيعة التطوري المفقود

 تصف ورقة بحثية منشورة في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم "قانون الطبيعة المفقود"، مع الاعتراف لأول مرة بمعيار مهم في أعمال العالم الطبيعي.

في جوهره، ينص القانون الجديد على أن الأنظمة الطبيعية المعقدة تتطور إلى حالات ذات نمط وتنوع وتعقيد أكبر. بمعنى آخر، لا يقتصر التطورعلى الأرض، بل يحدث أيضًا في أنظمة أخرى معقدة للغاية، من الكواكب والنجوم إلى الذرات والمعادن وغيرها.

قام بتأليفه فريق مكون من تسعة أعضاء - علماء من معهد كارنيجي للعلوم، ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتيك) وجامعة كورنيل، وفلاسفة من جامعة كولورادو.

تصف قوانين الطبيعة "المجهرية" 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 لأنظمة العالم الطبيعي المعقدة، والتي تتميز بما يلي:

العديد من المكونات المختلفة، مثل الذرات أو الجزيئات أو الخلايا، التي 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 للوظيفة".

بغض النظر عما إذا كان النظام حيًا أم غير حي، فعندما يعمل تكوين جديد بشكل جيد وتتحسن وظيفته، يحدث التطور.
ينص "قانون زيادة المعلومات الوظيفية" للمؤلفين على أن النظام سوف يتطور "إذا خضعت العديد من التكوينات المختلفة للنظام للاختيار لوظيفة واحدة أو أكثر".
"إن 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.

في حالة علم الأحياء، ساوى داروين بين الوظيفة في المقام الأول والبقاء على قيد الحياة، أي القدرة على العيش لفترة كافية لإنتاج ذرية خصبة.
وتوسع الدراسة الجديدة هذا المنظور، مشيرة إلى أن ثلاثة أنواع من الوظائف على الأقل تحدث في الطبيعة.
الوظيفة الأساسية هي الاستقرار، حيث يتم اختيار الترتيبات المستقرة للذرات أو الجزيئات للاستمرار. كما تم اختيار الأنظمة الديناميكية ذات الإمدادات المستمرة من الطاقة للاستمرار.
الوظيفة الثالثة والأكثر إثارة للاهتمام هي "التجديد" – أي ميل الأنظمة المتطورة إلى استكشاف تكوينات جديدة تؤدي أحيانًا إلى سلوكيات أو خصائص جديدة مذهلة.

إن التاريخ التطوري للحياة غني بالعناصر الجديدة، فقد تطورت عملية التمثيل الضوئي عندما تعلمت الخلايا المفردة كيفية تسخير الطاقة الضوئية، وتطورت الحياة متعددة الخلايا عندما تعلمت الخلايا التعاون، وتطورت الأنواع بفضل سلوكيات جديدة مفيدة مثل السباحة والمشي والطيران والتفكير.

يحدث نفس النوع من التطور في المملكة المعدنية. تمثل المعادن الأقدم ترتيبات مستقرة للذرات. وقد وفرت تلك المعادن البدائية الأساس للأجيال القادمة من المعادن، التي شاركت في نشأة الحياة. يتشابك تطور الحياة والمعادن، إذ تستخدم الحياة المعادن في صناعة الأصداف والأسنان والعظام.

وفي الواقع، فإن معادن الأرض، التي بدأت بنحو 20 معدنًا عند فجر نظامنا الشمسي، يبلغ عددها الآن ما يقرب من 6000 معدن معروف اليوم بفضل العمليات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية الأكثر تعقيدًا على مدار 4.5 مليار سنة.
في حالة النجوم، تشير الورقة البحثية إلى أن عنصرين رئيسيين فقط - الهيدروجين والهيليوم - شكلا النجوم الأولى بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم. استخدمت تلك النجوم الأولى الهيدروجين والهيليوم لصنع حوالي 20 عنصرًا كيميائيًا أثقل. وقد اعتمد الجيل القادم من النجوم على هذا التنوع لإنتاج ما يقرب من 100 عنصر إضافي.

"لقد أوضح تشارلز داروين ببلاغة الطريقة التي تتطور بها النباتات والحيوانات عن طريق الانتقاء الطبيعي، مع وجود العديد من الاختلافات والسمات للأفراد والعديد من التكوينات المختلفة"، كما يقول المؤلف المشارك روبرت إم هازن من جامعة كارنيجي للعلوم، وهو قائد البحث.

"نحن نؤكد أن النظرية الداروينية هي مجرد حالة خاصة جدًا ومهمة جدًا ضمن ظاهرة طبيعية أكبر بكثير. إن فكرة أن الاختيار للوظيفة يدفع التطور تنطبق بالتساوي على النجوم والذرات والمعادن والعديد من المواقف الأخرى المكافئة من الناحية المفاهيمية حيث تخضع العديد من التكوينات للضغط الانتقائي".

يمثل المؤلفون المشاركون أنفسهم تكوينًا فريدًا متعدد التخصصات: ثلاثة فلاسفة للعلوم، واثنين من علماء الأحياء الفلكية، وعالم بيانات، وعالم معادن، وعالم فيزياء نظرية.
قال الدكتور وونغ: "في هذه الورقة الجديدة، نتناول التطور بالمعنى الأوسع - التغيير عبر الزمن - والذي يشمل التطور الدارويني بناءً على تفاصيل "النسب مع التعديل"."

"يولد الكون مجموعات جديدة من الذرات والجزيئات والخلايا وما إلى ذلك. وهذه المجموعات المستقرة والتي يمكن أن تستمر في توليد المزيد من الحداثة سوف تستمر في التطور. وهذا ما يجعل الحياة المثال الأكثر وضوحًا للتطور، ولكن التطور موجود في كل مكان ".

ومن بين العديد من الآثار، تقدم الورقة ما يلي:

فهم كيفية امتلاك الأنظمة المختلفة لدرجات متفاوتة يمكنها الاستمرار في التطور. تم اقتراح "التعقيد المحتمل" أو "التعقيد المستقبلي" كمقاييس لمدى التعقيد الذي قد يصبح عليه النظام المتطور.

نظرة ثاقبة حول كيفية التأثير على معدل تطور بعض الأنظمة بشكل مصطنع. تشير فكرة المعلومات الوظيفية إلى أن معدل التطور في النظام يمكن زيادته بثلاث طرق على الأقل: (1) عن طريق زيادة عدد و/أو تنوع العوامل المتفاعلة، (2) عن طريق زيادة عدد التكوينات المختلفة للنظام. نظام؛ و/أو (3) عن طريق تعزيز الضغط الانتقائي على النظام (على سبيل المثال، في الأنظمة الكيميائية عن طريق دورات التسخين/التبريد أو الترطيب/التجفيف الأكثر تكرارًا).

فهم أعمق للقوى المولدة وراء خلق ووجود الظواهر المعقدة في الكون، ودور المعلومات في وصفها

فهم الحياة في سياق الأنظمة المتطورة الأخرى المعقدة. تشترك الحياة في بعض المعادلات المفاهيمية مع الأنظمة المتطورة الأخرى المعقدة، لكن المؤلفين يشيرون إلى اتجاه بحثي مستقبلي، ويتساءلون عما إذا كان هناك شيء مميز حول كيفية معالجة الحياة للمعلومات المتعلقة بالوظائف.

المساعدة في البحث عن الحياة في مكان آخر: إذا كان هناك خط فاصل بين الحياة واللاحياة له علاقة باختيار الوظيفة، فهل يمكننا تحديد "قواعد الحياة" التي تسمح لنا بتمييز هذا الخط الفاصل الحيوي في التحقيقات الفلكية الحيوية؟ (انظر أيضًا "هل توجد حياة على المريخ؟ كواكب أخرى؟ بمساعدة الذكاء الاصطناعي، قد نعرف قريبًا")
في الوقت الذي تشكل فيه أنظمة الذكاء الاصطناعي المتطورة مصدر قلق متزايد، فإن القانون التنبؤي للمعلومات الذي يميز كيفية تطور الأنظمة الطبيعية والرمزية هو موضع ترحيب خاص.

قوانين الطبيعة – الحركة، الجاذبية، الكهرومغناطيسية، الديناميكا الحرارية – الخ. تدوين السلوك العام للأنظمة الطبيعية العيانية المختلفة عبر 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 الباردة).