Znanstvenici predložili novi zakon koji tumači kako se razvio svemir i sve u njemu

TIM znanstvenika i filozofa objavio je nedavno u uglednom časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) rad u kojem predlaže postojanje zakona prirode koji bi mogao objasniti zašto se svemir razvio sa svim atomima, molekulama, zvijezdama, planetima, mineralima i živim bićima; drugim riječima, sa svim kompleksnim sustavima.

Prirodna sklonost rastu kompleksnosti

Deveteročlani tim sastavljen od filozofa, astrobiologa, teorijskih fizičara, mineraloga i podatkovnih znanstvenika s Instituta za znanost Carnegie, Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech) te Sveučilišta Cornell i Colorado, smatra da postoji zakon prema kojem složeni prirodni sustavi imaju sklonost evoluiranju prema stanjima složenijih uzoraka, raznolikosti i složenosti. Pritom funkcije sustava prolaze kroz selektivni pritisak okoliša koji se također mijenja i razvija.

Drugim riječima, autori smatraju da evolucija nije ograničena samo na život na Zemlji i eventualno u svemiru, već se događa i u drugim složenim sustavima. Biološka evolucija u tom bi smislu trebala biti samo poseban slučaj šireg prirodnog zakona.

Što su zakoni prirode?

Za početak podsjetimo ukratko što su zakoni prirode.

Zakoni su znanstveni opisi promatranih pojava, odnosno to su tvrdnje koje opisuju pravilnosti ili redoslijed u pojavljivanju određenih fenomena pod određenim uvjetima, ili univerzalno ili pak u nekom omjeru slučajeva.

Oni ne objašnjavaju zašto ti fenomeni postoje ili što ih uzrokuje, ali unapređuju naše znanstveno razumijevanje svijeta i predstavljaju temelje za buduća istraživanja.

Do uspostave određenog zakona dolazi se kroz osnovne elemente znanstvene metode kao što su promatranje svijeta i pojava, postavljanje pitanja, generiranje hipoteze, postavljanje predviđanja na temelju hipoteze, testiranje tih predviđanja, pronalaženje ili nepronalaženje empirijskih dokaza za predviđanja te donošenje zaključaka i eventualno korištenje rezultata za izmjene ili postavljanje novih hipoteza i predviđanja.

Često se matematički izražavaju kao što je to slučaj sa slavnom Einsteinovom jednadžbom E = mc² koja se može smatrati zakonom prirode jer opisuje konzistentan odnos između mase i energije u tzv. sustavu mirovanja.

Ona daje različita predviđanja koja su do sada sva potvrđena.

Primjerice, ekvivalencija mase i energije predviđa da se mala količina mase može pretvoriti u veliku količinu energije i obrnuto. Ona tumači kako nuklearne reakcije, poput nuklearne fisije i nuklearne fuzije, oslobađaju ogromne količine energije pretvaranjem malene mase u upotrebljivu energiju, što je potvrđeno kako u fisijskim reaktorima, tako i u fuzijskim. Naime, kada se mala masa pomnoži s golemom brzinom na kvadrat, dobiva se velika energija.

Dakle, zakon prirode koji je izveden iz eksperimentalno opaženih činjenica ima veliku moć objašnjavanja drugih fizikalnih fenomena.

Hipoteza, ali dobro utemeljena

Novi zakon koji predlaže američki tim zapravo tek treba proći kroz proces znanstvene metode da bi bio prihvaćen kao zakon.

Fizičar Davor Horvatić s PMF-a u Zagrebu kaže da možemo reći da je riječ tek o hipotezi, no ipak o hipotezi koja stalno u nekom obliku izranja u proučavanju razvoja svemira i svih kompleksnih sustava u njemu.

"Rad citira 140 drugih radova od koji svaki predstavlja izuzetno zanimljivo štivo. Pogledajte naslov samo jednog od njih: 'Stanice – prvi podatkovni znanstvenici'. Ne možemo pobjeći od činjenice da kompleksni sustavi procesiraju informacije iz okoliša i razvijaju se", tumači Horvatić.

Mogući dodatak prirodnim zakonima

Autori smatraju da bi njihov novi zakon koji prepoznaje evoluciju kao zajedničku značajku kompleksnih sustava prirodnog svijeta, kako neživih, tako i živih, mogao predstavljati moderan dodatak prirodnim zakonima vezanima uz sile, gibanje, gravitaciju, elektromagnetizam i energiju koji su formulirani prije više od 100 godina.

Te kompleksne sustave autori karakteriziraju na sljedeći način:

Oni se sastoje od mnogo različitih komponenti, kao što su atomi, molekule ili stanice, koje se mogu više puta slagati i preslagivati.

Podložni su prirodnim procesima koji u njima uzrokuju stvaranje bezbrojnih različitih konfiguracija.

Samo mali dio svih mogućih konfiguracija kompleksnih sustava preživljava u procesu koji se zove "odabir za funkciju"

Kada nova konfiguracija dobro funkcionira i funkcija se poboljšava, dolazi do evolucije, neovisno o tome je li sustav živ ili neživ.

Autori svoj predloženi zakon nazivaju "Zakonom povećanja funkcionalnih informacija", a tumače da će se sustav razviti "ako mnoge različite konfiguracije sustava budu podvrgnute selekciji za jednu ili više funkcija" i prežive pritisak selekcije.

Ideja nije sasvim nova, ali je važan korak u dobrom smjeru

Horvatić kaže da ideja nije sasvim nova, no smatra da je veliki korak u pravom smjeru, jer svijet promatra kroz konkretnu kvantifikaciju funkcionalnosti i informacijskog sadržaja.

"Svemir je krenuo u svoj razvoj iz stanja niske entropije, i čista vjerojatnost, dakle matematičko pravilo, nam govori da u takvom sustavu entropija ostaje ista ili raste. Ne moramo koristiti kompleksan sustav da bismo to razumjeli. Klasičan fizikalni primjer je kap tinte u čaši vode. U prvom trenutku imamo svu tintu koncentriranu na jednom mjestu, nakon toga možemo promatrati kompleksne oblike kako se tinta širi kroz vodu i na kraju završavamo sa čašom plave vode. Tako se i naš svemir kreće kao hrpa vodika i helija, nastaju sve kompleksniji oblici, zvijezde, galaksije. Nakon eksplozija supernova i sudara neutronskih zvijezda imamo praktički cijeli periodni sustav elemenata i nastaje život. Sve to ide do nekog maksimuma nakon kojeg će, na žalost, opet sve ići prema jednostavnijim oblicima i formama, dok na kraju ne završimo u jednoj supergalaksiji u opazivom svemiru i na kraju sa supermasivnim crnim rupama. Ključna stvar u cijelom procesu je definirati što je kompleksnost i kojom se dinamikom razvija. I ovaj rad pristupa kompleksnosti na svoj način", ističe Horvatić.

Biološka evolucija i opća evolucija

Biološka evolucija, među ostalim, tumači kako se od jednostavnih organizama razvijaju kompleksni.

Za ovaj kontekst zanimljivo je tumačenje evolucije kakvo je u knjizi Sebični gen predstavio britanski biolog Richard Dawkins.

Naime, on tumači da nositelji evolucije nisu vrste, kako je bilo uvriježeno misliti, već pojedinačni geni koji predstavljaju nositelje informacija, odnosno kodove za određene funkcije. Ako su funkcije koje kodira neki gen korisne za preživljavanje određenog organizma pod selektivnim pritiskom uvjeta koji vladaju u okolišu, onda će gen povećati izglede za opstanak organizma i njegovu reprodukciju. Na taj način gen će prosperirati, prenositi se na potomstvo i širiti se. Ako funkcije koje kodira gen nisu naročito uspješne, vjerojatnost preživljavanja organizma, a time i gena, smanjit će se. Na taj način odvija se prirodna selekcija, a organizmi su svojevrsna vozila za gene, nositelje kodova za određene funkcije.

Proširenje evolucije na nežive sustave

Zakon koji predlažu autori novog rada širi tu ideju o prirodnoj selekciji na nežive sustave.

"Važna komponenta ovog predloženog prirodnog zakona je ideja o 'odabiru funkcije'", kaže Carnegiejev astrobiolog dr. Michael L. Wong, prvi autor studije. Zapravo, autori predlažu vremenski asimetričan zakon koji kaže da će funkcionalne informacije sustava rasti tijekom vremena kada su podvrgnute odabiru.

Tri glavne funkcije sustava

Prema autorima postoje najmanje tri vrste funkcija koje se javljaju u prirodi.

Najosnovnija funkcija je stabilnost. U svijetu prevladavaju rasporedi atoma i molekula koji su stabilni. Nestabilni brzo nestaju, osobito u određenim okolnostima koje ih ne podržavaju.

Također opstaju oni dinamički sustavi koji imaju postojanu opskrbu energijom.

Autori posebno ističu treću funkciju, inovativnost, kao najzanimljiviju. Prema novom radu to je tendencija sustava da se razvijaju i stvaraju nove konfiguracije koje ponekad dovode do fascinantnih novih ponašanja ili karakteristika koje mogu imati funkcije korisne za opstanak.

Biološka evolucija bogata je novitetima. Primjerice, razne vrste životinja razvile su se zahvaljujući novim ponašanjima kao što su plivanje, hodanje, letenje i razmišljanje koja su im omogućila nove pogodnosti i prednosti u određenim okolišima.

I minerali evoluiraju

Autori ističu da se slična vrsta evolucije događa i u carstvu minerala. Najraniji minerali bili su oni koji su imali posebno stabilan raspored atoma. Oni su postavili temelje za razvoj sljedeće generacije minerala od kojih su neki sudjelovali u evoluciji života izgrađujući ljušture, školjke, zube i kosti.

U ranom razdoblju Sunčevog sustava na Zemlji je bilo tek 20-ak minerala. Danas ih ima oko 6000 koji su nastali zahvaljujući sve složenijim fizičkim, kemijskim i biološkim procesima tijekom 4.5 milijardi godina.

Evolucija elemenata

Znanstvenici u radu nadalje ističu da su u ranoj fazi razvoja svemira, nedugo nakon velikog praska, postojala samo dva elementa - vodik i helij. Od njih su se pod utjecajem gravitacije formirale prve zvijezde u kojima su, zahvaljujući visokom tlaku i temperaturi, pokrenuti procesi fuzije u kojima je nastalo 20-ak novih elemenata. Sljedeća generacija zvijezda nastavila je proizvoditi nove elemente i tako ih je nastalo još 100-tinjak.

Biološka evolucija samo je poseban slučaj evolucije, iako važan

Koautor rada Robert M. Hazen kaže da je Darwin "rječito artikulirao način na koji se biljke i životinje razvijaju prirodnom selekcijom, s mnogo varijacija i osobina jedinki i mnogo različitih konfiguracija".

"Tvrdimo da je Darwinova teorija samo vrlo poseban, vrlo važan slučaj unutar daleko većeg prirodnog fenomena. Ideja da selekcija za funkciju pokreće evoluciju jednako se odnosi na zvijezde, atome, minerale i mnoge druge konceptualno ekvivalentne situacije u kojima su mnoge konfiguracije podvrgnute selektivnom pritisku", dodao je.

Astrobiolog dr. Michael L. Wong, prvi autor studije, objasnio je da su on i njegovi suradnici u svojem novom radu razmatrali evoluciju u najširem smislu, kao promjenu tijekom vremena, koja uključuje Darwinovu evoluciju.

"Svemir stvara nove kombinacije atoma, molekula, stanica itd. One kombinacije koje su stabilne i mogu proizvesti još više novosti nastavit će se razvijati. To je ono što život čini najupečatljivijim primjerom evolucije, no evolucija je posvuda", kaže Wong.

Odobravanja i kritike

Novi rad naišao je na odobravanje brojnih znanstvenika.

Primjerice, teorijski biolog Stuart Kauffman, profesor emeritus biokemije i biofizike na Sveučilištu Pennsylvania, rekao je da je studija "vrhunski, hrabar, širok i transformacijski rad".

No neki drugi, uključujući britanskog kraljevskog astronoma Martina Reesa, ponešto su skeptični.

"S obzirom na ogromnu količinu prostora i vremena, te zakone fizike i kemije, u neživom svijetu pojavit će se sve veća raznolikost materijala, okruženja i struktura. No ja ne vidim da ovo mora biti manifestacija bilo kakvog novog temeljnog principa analognog ulozi Darwinove selekcije putem nasljeđivanja u biološkom svijetu", rekao je profesor Martin Rees.

Nekad je dobro prodrmati sustav

Horvatić kaže da je dobro pitanje treba li nam još jedan novi zakon vezan za kompleksnost sustava.

"Iz svega do sada rečenog ispada da treba, no Rees ističe nešto što bi apsolutno potpisao bilo koji znanstvenik: čemu dodatno komplicirati. No nekad treba prodrmati sustav da vidimo što će novog iznjedriti. Slavni američki fizičar John Archibald Wheeler, koji je bio mentor Richardu Feynmannu, skovao je izraz "It from bit". Dakle, informacija je važna veličina za fiziku i autori ovog rada su svjesni toga. Njihov rad možemo smatrati preglednim radom koji vrvi idejama koje se kuhaju već neko vrijeme i one guraju autore prema postavljanju opisane zakonitosti. Znamo da se entropija svemira povećava, a prije njih razni radovi predlagali su da život postoji jer ubrzava povećanje entropije. Sve su to zanimljive hipoteze i svakako je novi rad korak u dobrom smjeru. Mi tek u zadnjih desetak godina počinjemo shvaćati dublju vezu između fizikalnih zakona i određenih teorema u računarskim znanostima i sigurno nas čeka još puno iznenađenja. Ova tema sigurno je nešto što će se sve više razmatrati u godinama koje dolaze, a moj osobni dojam je da smo tek zagrebali površinu. Mogao bih biti još precizniji oko zadnje izjave. Naime, ne raste samo kompleksnost živih i neživih bića u svemiru. Pogledajte književnost, glazbu, umjetnost, ideje - sve nabrojano podložno je puno apstraktnijoj ideji evolucije od one biološke, a njihova kompleksnost i informacijski sadržaj i funkcionalnost nastavljaju rasti", zaključio je Horvatić.