O gwiazdach i termodynamice życia

Szept dziesiątek tysięcy, być może setek tysięcy gwiazd, latający w tak doskonałej synchronizacji, że wyglądają jak singiel, falujący, pulsujący organizm na nocnym niebo: jest to najbardziej uderzające widoki przyrody. Największa ewolucyjna korzyść z przeprowadzki w koncercie jest oczywista. Spójny kolektyw służy jako środek odstraszający, ponieważ o wiele trudniej jest zaatakować taką grupę niż samotny ptak. Trudniej jednak wyjaśnić Jak Zbiór osób-tyle samo, co populacja średniej wielkości szwedzkiego miasta-jest w stanie latać z tego rodzaju koordynacją, która zachowuje miękką plastyczność Stada i powstrzymuje go przed włamaniem się do mniejszych grup, które byłyby łatwym ofiarą głodnego sokoła wędrownego. Każdy, kto kiedykolwiek wykonał projekt grupowy i widział z pierwszej ręki, jak skomplikowane jest skłonienie nawet pięciu osób do marszu w tym samym kierunku, zda sobie sprawę, że struktura zarządzania grupy ta wielkość musiałaby być bardzo złożona. Ale nie ma żadnych obserwacji etologicznych wskazujących, że zbiorowa wola murmu jest podyktowana przez jedną (lub kilka) osobników na stanowisku kierowniczym, a w każdym razie trudno jest wyobrazić sobie, w jaki sposób można przekazać tak daleko idące rozkazy. Przeciwieństwem hierarchicznej struktury przywództwa jest całkowicie płaska organizacja, w której wszyscy członkowie Flocka komunikują się ze sobą jednocześnie, podchodząc do zbiorowej decyzji o prędkości i kierunku latania. Problem z takim porozumieniem polega na tym, że wymaga od każdej osoby wymiany informacji ze wszystkimi innymi, które podczas szmerowania dziesiątek tysięcy gwiazd wymagałyby przeniesienia niezgłębialnie dużej liczby (w rzeczywistości setki milionów) „wiadomości”. Innymi słowy, całkowicie płaska organizacja stada byłaby nieuzasadniona dla każdej grupy większej niż dziesięć osób. Nie, wydawałoby się, że ewolucja musiała osiągnąć coś pomiędzy tymi dwoma skrajnościami: model organizacyjny, w którym każda osoba koordynuje swój własny ruch z niewielką częścią stada. Pytanie brzmi, czy – a jeśli tak, jak – takie lokalny Organizacja poszczególnych osób może stworzyć stado koordynowane jako całość, nawet jeśli może mierzyć dziesiątki metrów o średnicy. Aby wyjaśnić, jak to działa i dlaczego chemika taka jak ja zainteresowała się czymś tak biologicznym jak szpaki, przez chwilę zmienię tematy, aby porozmawiać o rodzajach rzeczy, o których chemicy zwykle spędzają czas na myśleniu: atomach, cząsteczkach i termodynamice.

Powszechną (jeśli nie unikalną) cechą wszystkiego, co nazywamy życiem, jest to, że ma on kierunekalbo w sensie przestrzennym, jak gepard, który biegnie w wdzięcznym łuku w kierunku ucieczki, albo czasowo, jak korony drzew, które okresowo zmieniają ich kolor przez cały rok. W przeciwieństwie do tych terminowych procesów dynamiczne są bezruchowe, niewzruszone istnienie martwych rzeczy. Kamień leży tam, gdzie jest, dopóki go nie odbierzesz i nie rzucisz. Ale od czasu odkrycia atomów, a zwłaszcza od czasu wynalezienia mikroskopu, wiedzieliśmy, że martwe rzeczy w rzeczywistości nie są w żaden sposób nieruchome. Cząsteczki w szklance letnich kranów w rzeczywistości przyspieszają z prędkością 2000 kilometrów na godzinę, zderzając się ze sobą miliony razy na sekundę. Ten chaotyczny, bezkierunkowy ruch ma jednak zasadniczo inny charakter niż jednokierunkowy ruch naprzód, który kojarzymy z żywymi organizmami. Aby opisać różnicę między kierunkiem życia a chaosem śmierci z punktu widzenia termodynamicy, najpierw musimy przedstawić ten termin równowaga.

W codziennym użyciu tego słowa równowaga ma tendencję do charakteryzowania harmonijnego stanu bycia w równowadze i komfortowym z otoczeniem. Podobnie równowaga w kontekście naukowym odnosi się do państwa, który jest pod pewnymi względami spokojny i statyczny. Tost na krawędzi licznika kuchennego jest w równowadze mechanicznej, dopóki go nie naciskasz. Kiedy wyląduje na podłodze (najprawdopodobniej, oczywiście, po stronie dala) po raz kolejny osiąga równowagę mechaniczną, gdy siła podłogi doskonale przeciwdziała siłę grawitacji. Podobnie równowaga w sensie termodynamicznym oznacza, że ​​wszystkie przepływy ciepła i materii i wszystkie reakcje chemiczne są idealnie zrównoważone, tak że temperatura i skład systemu pozostają niezmienione w czasie. System istnieje w stanie spoczynku bez ruchu i kierunku. Jeśli sfilmujesz ruchy cząsteczek w szklance wody i pokażesz je komuś, kto jest tak kompetentny, nadal nie będą w stanie ustalić, czy grasz w film do przodu, czy z tyłu. Może to wydawać się pożądanym, harmonijnym państwem do osiągnięcia również jako osoba, ale w rzeczywistości życie wymaga ciągłego ruchu unikać osiągając równowagę. Życie wymaga kierunku i porządku zarówno na poziomie makroskopowym, jak i mikroskopowym, co oznacza, że ​​życie zawsze musi się rozwinąć daleko od stanu równowagi.

Kiedy zginasz rękę, mięśnie kurczą się, gdy tysiące molekularnych „silników” kurczą włókien mięśni w jednym kierunku poprzez ruch zsynchronizowany. Jest to ruch molekularny o wyraźnym kierunku zarówno w czasie, jak i przestrzeni, w przeciwieństwie do chaotycznego, bezkierunkowego stanu równowagi. To ustanowienie-i konserwacja-dobrze zorganizowane maszyny w środowisku, które dąży do równowagi i dezorientacji, można osiągnąć jedynie kosztem dużych ilości energii, przechowywanych w postaci wiązań chemicznych pochodzących ze wszystkiego, co jemy.

Nasze ciało można porównać do samochodu z nieprawidłowymi hamulcami stojącymi na stromym nachyleniu, a kierowca pchał pedał do metalu, aby nie spłynąć ze wzgórza. Grawitację można zwalczać tak długo, jak silnik wyje, ale w przypadku, gdy paliwo się skończy, zaczniesz odsunąć się, w kierunku przepaści. W momencie, gdy nasze ciała przestają uwalniać energię od tego, co jemy, pijemy i oddychamy, jesteśmy złapani przez nieuchronność termodynamiki. Nasze ciała powoli rozpoczynają podróż w kierunku równowagi, przekształcając dobrze uporządkowaną maszynerię białek i naczyń krwionośnych, paznokci palców i hormonów, w kilka kilogramów dwutlenku węgla i kilka litrów wody.

Nasze ciała, podobnie jak wszystkie żywe rzeczy, mają możliwość kierowania energii przechowywanej w składnikach odżywczych, które spożywamy, i budować, z dość prostych elementów składowych, niezwykle dobrze zorganizowanego systemu, który wykonuje zadania z kierunkiem i celem. Jest to w przeciwieństwie do większości martwych systemów, w których wkład energii często stanowi niszczycielską siłę. Jeśli moglibyśmy zrobić migawkę cząsteczek w szklance wody, moglibyśmy zobaczyć dość dobrze uporządkowany system, w którym każda cząsteczka wody tworzy silne wiązania z czterema najbliższymi cząsteczkami. Następnie, jeśli przeniesiemy wodę do garnka na kuchence i dodamy energię z ciepła palnika, cząsteczki zaczną wibrować i poruszać z rosnącą prędkością. Gdy woda zbliża się do temperatury wrzenia, cząsteczki będą trząść się z taką intensywnością, że wiązania łączące każdą cząsteczkę wody z sąsiadem zaczyna pękać, a gdy temperatura osiągnie 100 stopni Celsjusza, energia przechowywana w wiązaniach nie będzie już wystarczająca, aby utrzymać cząsteczki razem jako ciecz. Cząsteczki wody rozrywają się, a woda zaczyna się gotować, przekształcając się w parę. Innymi słowy, nasze sensoryczne doświadczenie ciepła jest bezpośrednio związane z mocą niszczycielskiej siły powodującej zaburzenie w skali molekularnej. W ten sposób temperatura może być postrzegana jako miara chaosu cząsteczkowego: wzrost temperatury z 99 do 100 stopni powoduje nagłe przejście – a Przejście fazowe – Od stosunkowo dobrze uporządkowanego układu, w którym cząsteczki wody są ściśle związane w ciecz, po chaotyczną i rozproszoną parę, gdzie cząsteczki lecą samotnie przez eter.

A Starling Murmuration, Szkocja, 2020. Zdjęcie Waltera Baxtera przez Wikimedia Commons

Aby przywrócić nas do struktury organizacyjnej Starlinga, wyobraźmy sobie nieskończoną sieć maleńkich, magnetycznych igieł kompasu, z których każda jest w stanie swobodnie obracać się wokół własnej osi, ale poza tym ustawiony do jej pozycji w siatce. Zignorujmy na razie pole magnetyczne Ziemi, aby żadna poszczególna igła nie mogła wskazywać w żadnym konkretnym kierunku w przestrzeni. Będzie jednak próbował skierować się w kierunku pola magnetycznego emanującego od sąsiadów w siatce, co doprowadziło igły do ​​wskazania w tym samym kierunku. Ci sąsiedzi również swobodnie obracają się i próbują z kolei wskazywać na pole magnetyczne ich najbliżsi sąsiedzi. W rezultacie chęć wskazania w tym samym kierunku rozprzestrzenia się przez kratę. Ponieważ nasze igły kompasu są bardzo, bardzo małe, oprócz ich dążenia do wskazania w tym samym kierunku co ich sąsiad, dotknięte są również tym samym chaotycznym ruchem molekularnym, co cząsteczki wody, obecnie w postaci losowego ruchu obrotowego wokół własnej osi, ponieważ wciąż są przybijane do miejsca w idealnie prostych wierszach. Stwarza to równowagę między siłą, która ma na celu stworzenie porządku (sąsiednie igły kompasu chcą wskazywać w tym samym kierunku) a siłą, która chce zniszczyć porządek (rotacja chaotyczna). Wreszcie, uwolnimy każdy magnes z jego pozycji w siatce i nadamy mu ukierunkowane ruch do przodu jako miejsce, w którym wskazuje igła kompasu. Przeszliśmy teraz z modelu igieł kompasów na siatce – znanej w fizyce, jako Model XY – do wysoce uproszczonego modelu ptaków w stadzie, w którym każda osoba leci w kierunku ustawionym dziobem, jednocześnie próbując dostosować kierunek do kierunku najbliższych sąsiadów. „Temperatura” w tym kontekście należy interpretować jako ogólną niepewność w kierunkowości jednego ptaka. Na przykład każda osoba będzie nieprzewidywalnie dotknięta wiatrem, niepewność pomiaru podczas interpretacji kierunku sąsiadów i niedoskonałości w otoczeniu własnego „steru”. W chwili, gdy te stanowiska dla ptaków mają możliwość latania w danym kierunku, wyciągnęliśmy układ z równowagi. Teraz wyraźnie widzimy różnicę między nagraniem odtwarzanym do przodu i do tyłu, czego nie mogliśmy zrobić z magnesami w modelu XY.

Ten sposób zmniejszenia wysoce złożonych systemów na niemal dziecięce proste modele, które można opisać w zaledwie kilku liniach, jest przykładem redukcjonistycznego poglądu fizyków na świat. Zamiast przedstawiać każdego ptaka jako osobę ze skrzydłami, narządami sensorycznymi i instynktami ewolucyjnymi, fizyk sprowadza go do agent Regule minimalnym zestawem prostych zasad, które są hipotetycznie, wystarczające do stworzenia prymitywnego stada. Przy odrobinie szczęścia ten model będzie wystarczająco wyrafinowany, aby odtworzyć podstawowe zjawisko, które próbujemy opisać, jednocześnie, ponieważ nadal jest wystarczająco prosty, aby go oddzielić za pomocą matematycznego przybornika fizyki. Taki pogląd nauki może często prowadzić do dziwnych skoków myślenia – podobnie jak ten powyżej – gdzie dwa pozornie niezwiązane systemy można opisać przy użyciu modeli złożonych z zasadniczo tych samych podstawowych składników. Korzystając z tej podstawowej filozofii, możemy zastosować to samo słownictwo pojęć, aby opisać twardość metali, ewolucję indeksu NASDAQ, wynik wyborów prezydenckich w USA oraz szum gwiazdy – który z kolei stworzył bogactwo ogólnych sił napędowych i zasadach zarówno w naturze, jak i ludzkiej cywilizacji. Ta metoda spowodowała również szok kultury naukowej lub dwa, a także niektóre czyste szaleństwa, jak naukowcy redukcjonistyczni, i czasami z poziomem pewności siebie zbliżonej do arogancji, podrzucają wiele interesujących aspektów rzeczywistości fizycznej-aspekty, które zostały odkryte przez dziesięciolecia ciężkiej pracy przez biologów, ekonomistów, politologów i inżynierów.

W przypadku naszego naiwnego modelu dla ptaków w stadzie – nazwanym Model Vicsek Dla węgierskiego fizyka Tamása Vicska, który go rozwinął-okazuje się, że połączenie ruchu do przodu i dążenia do latania w tym samym kierunku, co twoi najbliżsi sąsiedzi, wystarcza, aby stworzyć fazową przejście z chaotycznego systemu, w którym ptaki latają w każdym kierunku, do dobrze zorganizowanej murmu, morderce, o ile wystarczająco zmniejszymy siłę rotacji-„temperatura”. Innymi słowy, przynajmniej w zasadzie możliwe jest utworzenie spójnej, skoordynowanej grupy z informacjami o kierunku i wymieniane tylko lokalnie, co jest wymogiem utrzymania przepływu informacji na stadzie na rozsądnym poziomie. Co ciekawe, ukierunkowany, podobny do życia ruch, który wyciąga system z równowagi w modelu Vicsek, jest absolutnie konieczne do stworzenia zorganizowanego stada: W martwym modelu XY nie jest możliwe, bez względu na to, jak bardzo zmniejszamy temperaturę, aby stworzyć stan, w którym wszystkie ustalone kompasy wskazują w tym samym kierunku.

Słowo „stado” lub „stado” ma zwykle negatywne konotacje: „ślepa” grupa osób, które pozbawione oczywistego silnego lidera można manipulować do zgłoszenia lub używane jako narzędzie do złośliwych celów. W rzeczywistości w grupie pozbawionej liderów istnieje wielka siła, właśnie ze względu na ich nieodłączną elastyczność i odporność na zewnętrzne zagrożenia. Ponieważ każda osoba jest zależna tylko od jej bezpośredniego otoczenia, aby wiedzieć, jak nawigować, grupa jako całość może szybko parować, jeśli ptak drapieżny uda się zdobyć pazury na jednym z niefortunnych braci. Nawet gdyby stada została podzielona na dwie części przez skoordynowany atak, obrażenia byłyby wielkie; Ponieważ organizacja Murmuration znajduje się u każdej osoby i jej bezpośrednich sąsiadów, oba części mogą szybko zorganizować się na dwa niezależne stada bez konieczności określania nowego lidera. Ta zdecentralizowana organizacja jest tak potężna w pozornej prostocie, że stała się modnym słowem w dziedzinie naukowej znanej jako robotyka Swarm. Powiedzmy, że chcemy zbudować dużą liczbę dronów i wykorzystać je do zbadania obszaru w celu ustalenia, czy pole ziemniaki należy spryskiwać pestycydem, czy nie. Dzielenie siły roboczej w taki sposób, że każdy dron zgłasza się w górę w hierarchii (elektronicznej) decydent, wymaga zbyt dużej pracy dla tych ostatnich, a ponadto cały system zawiedzie, jeśli kontakt lidera z „dronami robotniczymi” zostanie przerwany. Ale jeśli ten dron roje się, podobnie jak szemranie Starlings, może zamiast tego zbudować zdecentralizowaną organizację, która łącznie przetwarza informacje, może nadal działać bez zakłóceń, nawet jeśli jeden lub kilka dronów zabraknie baterii lub zderzają się z linią mocy.

Jeśli w pełni zdecentralizowana, pozbawiona liderów grupa jest tak potężna, dlaczego my, ludzie, używamy średnio menedżerów, generałów i prezydentów do organizowania naszych społeczeństw? Większość osób, które uczestniczyły na rynku pracy, wie, że role kierownicze często często przyciągają osoby o wątpliwych motywacjach i braku umiejętności przywódczych. W najlepszym scenariuszu może to prowadzić do samoorganizowanej, nieformalnej struktury organizacyjnej, w której grupa jest w stanie zarządzać skutkami niedociągnięć szefa, ale czasami prowadzi do awarii jednopunktowej, która w najgorszym przypadku może załamać całą organizację.

Jak pokazała historia, przeciwieństwo centralizacji nie jest również wolne od kłopotów. Wiele ruchów stwierdzało, że jego cel niehierarchiczny organizacja społeczna, ale okazało się to trudne-stwierdzając łagodne-zrealizowanie tego marzenia w praktyce. Z czasem w pełni niehierarchiczne ruchy albo rozpadają się w walkach frakcyjnych, albo przekształcają się w bardziej tradycyjne, hierarchiczne organizacje. Czasami zdegenerowali się w czysty despotyzm. Ludzie, jako agenci, wydają się dość odpowiednie do przestrzegania rodzaju zasad potrzebnych do stworzenia dużych, prawdziwie zdecentralizowanych grup, które mogą (i chcą) pozostać stabilne z czasem. Aby zbudować lander księżyca, wygrać grę w piłkę ręczną lub rządzenie krajem może po prostu wymagać pewnego rodzaju sformalizowanego przywództwa, aby uniknąć silnie rozwiniętego przywództwa. Ta asymetria istnieje również na poziomie lokalnym, podobnie jak w pomrukowaniu gwiazd: klej, który łączy mnie z moimi bezpośrednimi sąsiadami w stadzie, jest na poziomie podstawowym, naszym relacjami i interakcjami społecznymi, a one nigdy nie są tak symetryczne, mechaniczne lub egalitarne jak w modelach stada.

* * *

Ale chociaż ludzie, jako istoty społeczne, wydają się dążyć do bardziej wyspecjalizowanej, a zatem mniej egalitarnej struktury organizacyjnej niż mruczenie gwiazd, my, jako jednostki biologiczne, jesteśmy jednak w pełni zależni od zdecentralizowanych zasad organizacyjnych. Jednym z najwyraźniejszych przykładów jest to, jak powstaje nasza świadomość. Na poziomie makroskopowym wszystkie nasze funkcje sensoryczne i motoryczne oraz wszystko, co czyni nas, ludzie są kontrolowani przez mózg, który jest zarówno kruchy, jak i energooszczędny. Ludzki mózg reprezentuje około 20% naszego zużycia energii, pomimo stanowiska nie więcej niż około jednego procenta masy ciała. Mózg wewnętrzny Struktura i ewolucja są jednak dobrym przykładem tej samej zdecentralizowanej struktury organizacyjnej, co ta, która kontroluje stado Starlinga.

Kiedy rozwija się mózg płodu, każda pojedyncza komórka nerwowa tworzy tysiące połączeń lub synaps z sąsiednimi komórkami nerwowymi, z których każda reprezentuje w ten sposób, w ten sposób w nieskończenie złożonej sieci. Jednak liczba pojedynczych neuronów nie ma świadomości swojej własnej funkcji w tej maszynie, ale wchodzi w interakcje tylko z najbliższymi sąsiadami zgodnie ze stosunkowo prostymi zasadami. Sygnał chemiczny jest wykrywany przez synaps, która aktywuje impuls elektryczny, który jest przekazywany wzdłuż długości komórki nerwowej, z nowym sygnałem chemicznym generowanym na drugim końcu. To z kolei jest wykrywane przez następną komórkę nerwową i w ten sposób wiadomość jest przekazywana przez autostrady, widelce i ślepe zaułki. Niektóre z tych setek milionów połączeń z czasem okażą się rzadziej używane niż inne, a ponieważ mózg uczy się nowych umiejętności, nieistotne połączenia zostaną usunięte, gdy pozostałe synapsy stają się silniejsze. Dlatego sieciowa sieć mózgu ma taką samą przewagę jak szmat gwiazd: pomimo faktu, że każdy agent podąża tylko prostymi, lokalnymi zasadami, całość pojawia się, ale także odporna. Stado może szybko zareagować na zbliżające się zagrożenie bez rozpadania się, tak jak mózg (i reszta ciała) może nauczyć się czołgać się, mówić francuskie i rozwiązywać równania kwadratowe bez utrudniania śmierci pojedynczych komórek nerwowych.

Chociaż model Vicsek może nauczyć nas czegoś o podstawowych składnikach, które na papierze są niezbędne do stworzenia spójnego stada, takie ćwiczenia teoretyczne nie są bardzo warte bez potwierdzenia jakiegoś eksperymentu. Ponieważ jest to trudne – nawet odkładanie na bok problemów dotyczących praw zwierząt – zamknięcie stada tysięcy gwiazd w laboratorium, w wielu tygodniach zimowych w Rome przeprowadzono dość spektakularny eksperyment ornitologiczny w pobliżu popularnego miejsca na dachach. Filmy zostały przetworzone przez oprogramowanie do analizy obrazu, odtwarzając trójwymiarowy obraz położenia każdego ptaka, prędkości i kierunku w każdej chwili, co można było następnie przeanalizować i porównać z prognozami modelu. Powstałe ustalenia były zarówno jednoznaczne, jak i godne uwagi. Analiza wykazała, że ​​każdy pojedynczy ptak, w każdym pojedynczym momencie, dostosowuje swój kierunek lotu według siedmiu najbliższych sąsiadów, niezależnie od całkowitej liczby osób w stadzie. Pomimo tej lokalnej organizacji wszystkie dane wykazały, że kierunek lotu ptaków był skoordynowany w odległościach porównywalnych z wielkością stada – niezależnie od tego, czy stada mierzyła dziesięć metrów, czy o średnicy stu metrów. Innymi słowy, wydaje się, że wystarczy dostosować kierunek do siedmiu najbliższych sąsiadów, aby stworzyć spójne, ale elastyczne stado zasadniczo nieskończonej wielkości! Kluczem do zrozumienia, jak to się dzieje – ponownie – znaleziony w termodynamice.

W garnku wody tuż poniżej temperatury wrzenia, tuż przed przejściem fazowym z cieczy na parę, siła organizacyjna wiązań między cząsteczkami ledwo może przeciwdziałać destrukcyjnym wibracjom wytwarzanym przez ciepło z pieca. Garnek wody znajduje się w tak zwanym jako stan krytycznygdzie system jest wyjątkowo wrażliwy na zaburzenia. Niewielka niejednorodność przenoszenia ciepła z palnika doprowadzi do lokalnej fluktuacji temperatury, co z kolei prowadzi do utworzenia niewielkiej bańki gazowej. W niższej temperaturze, dalej od temperatury wrzenia, takie lokalne zaburzenie wpłynęłoby tylko na sąsiednie cząsteczki, a zatem zostałyby szybko stłumione. Kiedy stan ma jednak kluczowe znaczenie, perturbacja rozprzestrzenia się, błyskawica, przez wiązania między cząsteczkami wody, a następnie z powrotem jako drżenie przez cały garnek. W stanie krytycznym, bezpośrednio na progu do przejścia fazowego, cały system jest napięty i maksymalnie wrażliwy na fluktuacje, najwyraźniej bardzo kruche i niepewne miejsce do istnienia.

Transponowany do stada Starlinga, taka ekstremalna wrażliwość jest w rzeczywistości korzystna, zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę, że „zaburzenie” w tym przypadku często pojawia się w kształcie atakującego ptaka drapieżnego. Jeśli grupa jest w stanie krytycznym, informacje o niewielkiej zmianie w kierunku lotu kilku osób na krawędzi – niezależnie od tego, czy dzieje się to losowo, czy w celu uniknięcia ataku – są przenoszone przez cały czas, nawet jeśli składa się ze stu tysięcy osób. Nadwrażliwość, która występuje w „krytyczności”-nieco abstrakcyjnym terminu opisującym, w jaki sposób materiały zachowują się w pobliżu przejściów fazowych-okazuje się niezwykle potężną zasadą organizacyjną, która pozwala natury tworzyć i utrzymywać elastyczną, plastyczną grupę żywych, autonomicznych osób w przypadku braku centralnych rządów i średnich menedżerów. Rzeczywiście, możemy zaobserwować ten oczywisty podpis systemu na krytycznej krawędzi między porządkiem a chaosem nie tylko w szumach żerlingowych, ale także w skomplikowanych sieciach neuronowych w naszych mózgach. Ale w przeciwieństwie do garnka wody, ani stadorzyńca, ani mózg nie są kontrolowane przez gałkę kuchenną zdolną do drobiazgowego dostosowania temperatury do 99,9 stopnia Celsjusza dla maksymalnej czułości. Zamiast tego krytyczność natury jest samoorganizowane: wydaje się spontanicznie, wynik ewolucji powoli kształtujący zarówno gwiazdy, jak i komórki nerwowe, aby się zorganizować jak gdyby Były to cząsteczki wody w doniczce z wodą w punkcie wrzenia – kolejny dziwny przykład termodynamiki życia.

Co zatem może powiedzieć nam termodynamika o tym, czym jest życie? Zdolność do utrzymywania z czasem stanu z równowagi termodynamicznej może być charakterystyczna dla wszystkich żywych organizmów, ale to nie oznacza, że ​​wszystkie systemy nierównowagi są żywe-daleko od niego. Strumień Zatoki Perskiej podtrzymał swój jednokierunkowy przepływ z dala od równowagi termodynamicznej od wieków, napędzany energią z promieni słońca, aby wziąć tylko jeden przykład. Wielu mądrych ludzi próbowało sformułować wyrafinowane, a czasem uciążliwe definicje życia, całkowicie lub częściowo przy użyciu słownictwa termodynamicznego. Ale osiągnięcie jednej zadowalającej definicji okazuje się trudne: z jednej strony ryzyko, w tym zjawiska, które większość zgadza się, nie są przykładami życia; Z drugiej strony ryzykuje z wyłączeniem formularzy do tej pory nieznanych nam, niezależnie od tego, czy są sztucznie stworzone, pozaziemskie, czy po prostu nieodkryte przez ludzi. Z tego powodu większość prób kompleksowej definicji życia skutkuje listą cech (metabolizm, ewolucja, reprodukcja, złożoność, samoorganizacja itp.) Zaprojektowana tak, aby wcisnąć się w każdą znaną formę życia. I nawet jeśli wszystkie te próby miały skutkować kompleksową listą kontrolną tego, co musi zawierać życie, nie jest oczywiste, czego taka lista może naprawdę nauczyć nas o świecie, poza tym, że „życie” jest złożonym, wielowymiarowym zjawiskiem – gdy wszyscy mamy już jasne, intuicyjne poczucie życia.

Być może wszystko, co możemy zrobić, to zaakceptować, że natura życia jest trudna do zdefiniowania. Życie może – jednocześnie być uważane za zestaw sprzężonych procesów termodynamicznych, które przenoszą energię, jako ogromne laboratorium biochemiczne, które tworzy i rozkłada cząsteczki, oraz jako zjednoczona grupa autonomicznych agentów z napędami ewolucyjnymi, takimi jak ptaki w szmeru w płasku. Ale ta polisemia jest dokładnie tym, co uczyniło studium życia jednym z najciekawszych nauk skrzyżowania, w których spotykają się pomysły i terminy z wielu dyscyplin. Z mojego doświadczenia wynika, że ​​właśnie na takich intelektualnych pograniczkach pojawiają się najciekawsze spostrzeżenia – między termodynamiką a ornitologią, między fizyką a neurologią lub, w tym przypadku, między głupotą a inspiracją. Podobnie jak mruczenie Starling jest najbardziej plastyczne, a nasz mózg jest najbardziej zainspirowany – na granicy między porządkiem a chaosem.