Kristāli, informācija un dzīvības izcelsme

Kristāli ir vieni no skaistākajiem objektiem dabiskajā vārdā. Tie ir labi saprotami, visur izmantoti un ļoti apbrīnoti.

Un tomēr veids, kā zinātnieki tos definē, ir iespaidīgi blāvi. Starptautiskā Kristalogrāfijas savienība definē kristālus kā struktūras, kas rada difrakcijas modeli ar diskrētiem punktiem.

Citiem vārdiem sakot, šos objektus nosaka viens process, ko izmanto to mērīšanai. Ja tas nerada nepieciešamo difrakcijas modeli, tas nav kristāls.

Šodien Džulians Kārtraits no Granadas universitātes Spānijā un Alans Makejs no Londonas universitātes Apvienotajā Karalistē apgalvo, ka šī definīcija ir tuvredzīga un nevajadzīgi ierobežojoša.

Viņi norāda, ka kristalogrāfijas, materiālu zinātnes un bioloģijas konverģence paver jaunu pieeju struktūras, formas un funkciju izpētei. Šī jaunā zinātne ir saistīta nevis ar statiskām formām stabilā līdzsvarā, bet gan metastabilām formām, kuras ir atkarīgas no enerģijas ainavas, kurā tās pastāv, un informācijas plūsmas uz vidi un no tās.

Kārraits un Makejs kā piemēru min perlamutra struktūru — skaisto, mirdzošo biominerālu, ko daži mīkstmieši ražo kā iekšējo oderi savām čaumalām.

Šī noteikti ir sakārtota, kristālam līdzīga struktūra, bet ne tāda, kas rada nepieciešamo difrakcijas modeli, lai to klasificētu kā kristālu.

Tas ir tā sarežģītības rezultāts. Perlamutra veidojas no sešstūrainu kalcija karbonāta plākšņu slāņiem “ķieģeļu mūra” izkārtojumā. Šos slāņus atdala biopolimēru loksnes, piemēram, hitīns.

Šī kombinācija rada noderīgas īpašības. Organiskās loksnes novērš plaisu izplatīšanos, bet trombocīti nodrošina izturību. Tātad perlamutra ir spēcīga, izturīga un skaista.

Bet kā šāds materiāls jāapraksta un jāanalizē? Kārraits un Makejs saka, ka svarīgs apsvērums ir informācija, ko mīkstmieši izmanto, lai ražotu perlamutru; un to nosaka tā genoms, proteoms un tā tālāk, ko viņi kopā sauc par konchomu.

Kaut kā no visas šīs sarežģītības un pašorganizēšanās rodas perlamutra. Neviens nav īsti pārliecināts, kā.

Tomēr viņu galvenais aspekts ir tas, ka šī struktūra ir informācijas parādība. Un ka šī informācija ir sava veida algoritms vai formula perlamutra iegūšanai, kas ir analogs algoritmam, kas rada pi ciparus.

Tikai zinātne, kas ņem vērā šo informāciju, spēs pilnībā aprakstīt perlamutru un citus tamlīdzīgus materiālus, saka Kārtraits un Makejs.

Tā ir interesanta un vērienīga pieeja, kas var būtiski mainīt veidu, kā materiālu zinātnieki un biologi domā par formu un struktūru.

Interesanti ir tas, ka līdzīgas izmaiņas domāšanā par formu un funkcijām parādās arī pilnīgi atšķirīgajā robotikas un mākslīgā intelekta jomā.

Daudzus gadus roboti mēģināja kopēt cilvēka spējas, piemēram, staigāšanu un skriešanu, un tādējādi izveidoja ierīces ar centrālo procesoru, kas kontrolē katru kustības aspektu.

Tam bija nepieciešami roboti ar sensoriem katrā locītavā, kas visu laiku raidīja atpakaļ signālus par katras ekstremitātes stāvokli. Pēc tam centrālais procesors pieņēma lēmumu par kustības stratēģiju, aprēķināja ekstremitātes trajektoriju un pēc tam to attiecīgi pārvietoja. Tieši tā cilvēki dara. Vai tā viņi pieņēma.

Taču šī pieeja ir iespaidīgi neveiksmīga, jo visu šo savienojumu koordinācijas problēma kļūst skaitļošanas ziņā sarežģīta, kad apstākļi mainās, piemēram, ejot ārā vai augšā vai ielaužoties skriešanā.

Tāpēc robotiķiem bija jāpieņem jauna pieeja. Izrādās, ka cilvēki veic daudzas darbības, kas ir tik ātras, ka cilvēka smadzenes nekādi nevar tikt iesaistītas. Muskuļu, cīpslu un saišu sasprindzinājums, paātrinājums un palēninājums, piemēram, lecot no sienas.

Visas šīs materiālu īpašību izmaiņas notiek acumirklī bez jebkādas smadzeņu iesaistes. Tā vietā šo uzdevumu veic pašu materiālu struktūra, forma un īpašības – ir iebūvēta inteliģence.

Savā ziņā smadzenes šīs kustības kontroli nodod pašiem materiāliem.

Faktiski robotiķi ir sākuši domāt par šāda veida kustību kā aprēķinu, jo to var aptuveni pielīdzināt skaitļošanas zirgspēku daudzumam, kas centrālajam procesoram būtu nepieciešams, lai veiktu līdzīgu uzdevumu. Un viņi ir sākuši izstrādāt robotus, pamatojoties uz šo tā saukto morfoloģiskās skaitļošanas principu.

Tas tagad sāk mainīt robotiku. Centrāli vadāmu robotu vietā inženieri būvē robotus, kuros inteliģence ir iebūvēta struktūras formā un formā. Tie var veikt šķietami sarežģītus uzdevumus, piemēram, staigāt, skriet un peldēt ar nelielu skaitļošanas pārraudzību.

Galvenais ieskats šajā visā ir labāka izpratne par vides lomu. Ieliec staigājošu robotu peldbaseinā un tas ir bezpalīdzīgs. Tātad forma un forma vien nenodrošina inteliģenci – tā ir mijiedarbība starp formu un formu un noteiktu vidi, kas ir izšķiroša.

Veids, kā informāciju var iegūt no vides, dažreiz ir iespaidīgs. Viens piemērs ir šķietami inteliģents lāse, kas var atrisināt labirintu . Bet, protams, katrs labirints savā struktūrā iekodē savu risinājumu. Viltība ir vienkāršas sistēmas izveide, kas iegūst šo informāciju.

Šis elements — vides izšķirīgā loma — Kārtra un Makeja idejās vēl nav īpaši atspoguļots. Viņi būtu pirmie, kas atzītu, ka videi ir izšķiroša nozīme jebkura kristāla vai bioloģiskas struktūras veidošanā.

Taču ir tāda sajūta, ka kristalizācijas un pašorganizēšanās procesi ir kā labirintu risināšanas lāse: modelis vai struktūra nepārprotami ir kāda veida informācijas ieguves vai apmaiņas rezultāts. Šāda pieeja var arī izgaismot dzīvības izcelsmi.

Galvenais būs izprast un raksturot attiecības starp vidi, tajā veidojas struktūrām un informācijas plūsmu, kas to padara iespējamu.

Un, ja kristalogrāfi, materiālu zinātnieki un biologi vēlas to atrisināt, viņi varētu sadarboties ar robotiķiem, inženieriem un evolūcijas biologiem, kuri spēlējas ar ļoti līdzīgām idejām.

Atsauce: arxiv.org/abs/1207.3997 : Beyond Crystals: The Dialectic of Materials and Information

paslēpties