Kryształy, informacje i pochodzenie życia

Kryształy należą do najpiękniejszych przedmiotów w naturalnym świecie. Są dobrze rozumiane, powszechnie używane i podziwiane.

A jednak sposób, w jaki naukowcy je definiują, jest spektakularnie nudny. Międzynarodowa Unia Krystalografii definiuje kryształy jako struktury, które wytwarzają wzór dyfrakcyjny z dyskretnymi punktami.

Innymi słowy, obiekty te są definiowane przez pojedynczy proces używany do ich pomiaru. Jeśli nie daje wymaganego wzoru dyfrakcyjnego, nie jest kryształem.

Dziś Julyan Cartwright z Uniwersytetu w Granadzie w Hiszpanii i Alan Mackay z Uniwersytetu Londyńskiego w Wielkiej Brytanii twierdzą, że ta definicja jest krótkowzroczna i niepotrzebnie ograniczająca.

Wskazują, że konwergencja krystalografii, materiałoznawstwa i biologii otwiera nowe podejście do badania struktury, formy i funkcji. Ta nowa nauka zajmuje się nie statycznymi kształtami w stabilnej równowadze, ale metastabilnymi formami, które są na łasce krajobrazu energetycznego, w którym istnieją, oraz przepływu informacji do i ze środowiska.

Cartwright i Mackay podają jako przykład strukturę masy perłowej, pięknego opalizującego biominerału, który niektóre mięczaki wytwarzają jako wewnętrzną wyściółkę ich muszli.

Jest to z pewnością uporządkowana, podobna do kryształu struktura, ale nie taka, która wytwarza niezbędny wzór dyfrakcyjny, aby można go było zaklasyfikować jako kryształ.

To wynik jego złożoności. Masa perłowa utworzona jest z warstw heksagonalnych płytek węglanu wapnia w układzie „cegła”. Warstwy te są oddzielone arkuszami biopolimerów, takich jak chityna.

Ta kombinacja daje użyteczne właściwości. Arkusze organiczne zapobiegają rozprzestrzenianiu się pęknięć, a płytki zapewniają wytrzymałość. Tak więc masa perłowa jest mocna, wytrzymała i piękna.

Ale jak opisać i przeanalizować taki materiał? Cartwright i Mackay twierdzą, że ważną kwestią są informacje, których używa mięczak do produkcji masy perłowej; a to jest zdeterminowane przez jego genom, proteom itd., które razem nazywają konchomą.

W jakiś sposób z całej tej złożoności i samoorganizacji wyłania się masa perłowa. Nikt nie jest do końca pewien jak.

Niemniej jednak ich kluczowym punktem jest to, że ta struktura jest fenomenem informacji. I że ta informacja jest rodzajem algorytmu lub formuły produkującej masę perłową, analogiczną do algorytmu, który tworzy cyfry pi.

Tylko nauka, która bierze pod uwagę te informacje, będzie w stanie w pełni opisać masę perłową i inne podobne materiały, mówią Cartwright i Mackay.

To ciekawe i ambitne podejście, które może głęboko zmienić sposób, w jaki naukowcy i biolodzy zajmujący się materiałami myślą o formie i strukturze.

Co ciekawe, podobna zmiana w myśleniu o formie i funkcji pojawia się również w zupełnie innej dziedzinie robotyki i sztucznej inteligencji.

Przez wiele lat robotycy próbowali kopiować ludzkie zdolności, takie jak chodzenie i bieganie, budując urządzenia z centralnym procesorem, który sterował każdym aspektem ruchu.

Wymagało to robotów z czujnikami na każdym stawie, które przez cały czas wysyłały sygnały o stanie każdej kończyny. Następnie centralny procesor zdecydował się na strategię ruchu, obliczył trajektorię kończyny, a następnie odpowiednio ją przesunął. Dokładnie tak robią ludzie. A przynajmniej tak zakładali.

Ale to podejście zawodzi spektakularnie, ponieważ problem koordynacji wszystkich tych stawów staje się trudny obliczeniowo, gdy warunki się zmieniają, na przykład podczas chodzenia na zewnątrz lub na górę lub przerywania biegu.

Dlatego robotycy musieli przyjąć nowe podejście. Okazuje się, że ludzie wykonują wiele czynności, które są tak szybkie, że ludzki mózg nie może być w to zaangażowany. Napinanie, przyspieszanie i zwalnianie mięśni, ścięgien i więzadeł, na przykład podczas skakania ze ściany.

Wszystkie te zmiany we właściwościach materiału zachodzą w mgnieniu oka, bez udziału mózgu. Zamiast tego sama struktura, forma i właściwości materiałów wykonują to zadanie – inteligencja jest wbudowana.

W pewnym sensie mózg zleca kontrolę tego ruchu samym materiałom.

W rzeczywistości robotycy zaczęli myśleć o tego rodzaju ruchu jako o obliczeniach, ponieważ można go z grubsza przyrównać do mocy obliczeniowej, jakiej potrzebowałby centralny procesor do wykonania podobnego zadania. Zaczęli projektować roboty w oparciu o tę zasadę tak zwanych obliczeń morfologicznych.

To teraz zaczyna rewolucjonizować robotykę. Zamiast robotów sterowanych centralnie inżynierowie budują boty, w których inteligencja jest wbudowana w kształt i formę konstrukcji. Mogą one wykonywać pozornie złożone zadania, takie jak chodzenie, bieganie i pływanie, z niewielkim, jeśli w ogóle, nadzorem obliczeniowym.

Kluczowym wglądem w to wszystko było lepsze zrozumienie roli środowiska. Umieść chodzącego robota w basenie i jest bezradny. Tak więc sam kształt i forma nie dają inteligencji – kluczowe znaczenie ma interakcja między kształtem i formą a konkretnym środowiskiem.

Sposób, w jaki można wydobyć informacje z otoczenia, bywa spektakularny. Jednym z przykładów jest pozornie inteligentna plama, która może rozwiązać labirynt . Ale oczywiście każdy labirynt koduje swoje rozwiązanie w swojej strukturze. Sztuką jest zaprojektowanie prostego systemu, który wydobywa te informacje.

Ten element – ​​kluczowa rola środowiska – nie występuje jeszcze silnie w ideach Cartwrighta i Mackaya. Jako pierwsi uznają, że środowisko odgrywa kluczową rolę w tworzeniu jakiejkolwiek struktury krystalicznej lub biologicznej.

Ale w pewnym sensie procesy krystalizacji i samoorganizacji przypominają kleks rozwiązujący labirynt: wzór lub struktura jest wyraźnie wynikiem pewnego rodzaju ekstrakcji lub wymiany informacji. Takie podejście może również rzucić światło na pochodzenie życia.

Kluczem będzie zrozumienie i scharakteryzowanie relacji między środowiskiem, tworzącymi się w nim strukturami oraz przepływem informacji, który to umożliwia.

A jeśli krystalografowie, materiałoznawcy i biolodzy chcą go rozwiązać, dobrze byłoby połączyć siły z robotykami, inżynierami i biologami ewolucyjnymi, którzy bawią się bardzo podobnymi pomysłami.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1207.3997 : Beyond Crystals: dialektyka materiałów i informacji

ukryć