توجیه پویایی پیچیدگی

توجیه پویایی پیچیدگی

es et pulverem reverterim Pulvis

برای بیش از نیم قرن است كه زیست شناسان سیستم زنده را به عنوان نوعی ساختار پردازش انرژی در نظر می گیرند. سیستمی كه با جذب انرژی از محیط ریخت و عملكرد خود را تغییر می دهد و به كمك این تغییرات سازماندهی پایداری در مختصات فضایی و زمانی پیدا می كند (Lotka ,1913, 925) . تغییرات انرژی در سیستم زنده بر دو نوعند. نوع نخست، فرآیندهای گرمازا را در بر می گیرد كه تولید گرما را در جریان به هدر رفتن انرژی شامل می شود. نوع دیگر فرآیندهای انباشتی است كه به ذخیره ی این انرژی در مولكولهای گوناگون آلی منجر می شود. این نوع فرآیندها، همان مواردی هستند كه محتوای اطلاعاتی درون سیستم زنده را زیاد می كنند . (Maurer&Brooks,1992) . این تغییرات انرژی، آنتروپی تولید می كنند. به این معنا كه واكنشهای نوع اول آنتروپی گرمایی، و نوع دوم آنتروپی ساختاری سیستم را افزایش می دهند. ساختارهای زنده، امروز به عنوان نوعی ساختار انتشاری در نظر گرفته می شوند كه به طور موقت آنتروپی گرمایی را به آنتروپی ساختاری تبدیل می كنند، و به این ترتیب با به دام انداختن انرژی در داخل ساختار خود، نظم درونی سیستم را نیز افزایش می دهند (Pregogine ,1967,1980) .

در نهایت، بنابر اصل بنیادی باز بودن سیستم زنده، انرژی درون سیستم به تدریج در محیط پراكنده شده و از بین خواهد رفت . اما بین این دو نوع انرژی تفاوت مهمی وجود دارد، و آن هم این است كه پایداری انرژی به دام افتاده در ساختار سیستم، خیلی بیشتر از انرژی گرمایی است .به این معنی كه همواره سرعت هدر رفتن انرژی گرمایی از انرژی وابسته به ساختار (اطلاعات ) بیشتر است . به این ترتیب بین این دو جریان انرژی فاصله ای پدید می آید كه همان مهلت زندگی سازواره ی مادی است . این عقب افتادن دفع انرژی ساختاری نسبت به گرمایی، در واقع كلید اصلی پدید آمدن ساختارهای انتشاری است (Brooks ,1992) .

اگر یك فرآیند انتشاری ویژه را در سیستم زنده مان را با نمایش دهیم، می توانیم بگوییم :

كه در آن نشانگر فرآیندهای انباشتی نوع دوم، و نماد فرآیندهای گرمازای نوع اول است . هم نشانگر كل رندهای موجود در درون سیستم است . از سوی دیگر می توان برای فرآیندهای انباشتی نوشت :

که در آن نشانگر روندهای منتهی به افزایش محتوای اطلاعاتی ژنوم، و معرف روندهای منجر به افزایش زی توده است . به این ترتیب :

که در آن d_is برابر است با مقدار نظم درونی سیستم.

این نگرش به جریان انرژی در درون سیستم زنده، ما را به این نتیجه می رساند كه كل تغییرات آنتروپیك درون سیستم زنده را می توان به دو دسته تقسیم كرد. گروهی كه تعادل گرمایی / انرژیایی سیستم با محیطش را تنظیم می كنند ( )، و گروهی دیگر كه با پیچیده تر كردن سیستم، فضای فاز،فضای آن را گسترده تر می كنند (Frautschi ,1988) . در این جریان، همیشه سرعت انبساط فضای فاز بیشتر از سرعت عمل تكامل است . یعنی ساختارهای زنده با سرعتی كمتر از شتاب افزوده شدن امكانات ممكن، فضای فازِ معرف این امكانات را پر می كنند. این پر كردن همان افزایش پیچیدگی، و آن كمتر بودن سرعت نسبی تكامل، همان افزایش آنتروپی در سیستم های زنده است .

حالا با پشتوانه ای كه از تعاریف و مفاهیم معرفی شده داریم، می توانیم وارد بحث در مورد توجیهی كه مورد نظر این نوشتار است بشویم . شاید در بخش گذشته متوجه شده باشید كه نظریه ی اطلاعات مورد توجه نگارنده، چند تفاوت با نظریات كلاسیك دارد. نخست این كه در نگرشهای سنتی، همواره سازماندهی ماده/ انرژی در سیستم، از نظر تعیین پویایی بر اطلاعات برتری داشته است . اما در دیدگاه مورد علاقه ی من، اطلاعات است كه كانالهای ورود و خروج ماده و انرژی در سیستم را كنترل می كند، و بنابراین در نهایت نقش آن در تعیین پویایی كل سیستم غیرقابل رقابت است .

دومین تفاوت، در این حقیقت نهفته است كه اطلاعات درونی (یعنی اطلاعات ساختاری ) در نظریات سنتی معمولاً نادیده انگاشته می شدند. چرا كه فرض گیرنده ای برای تحلیل آنها دشوار بود. در این نوشتار، اطلاعات درونی به اندازه ی اطلاعات بیرونی (یا كاركردی ) اهمیت دارند، چرا كه حجم توصیفات مورد نیاز ما را از تنوع رفتاری سیستم به شكلی معنی دار افزایش می دهند.

در چهارچوب تفاوتهای یاد شده، به شرح دیدگاه خود می پردازم .

چنانكه دیدیم، H_max عبارت است از تعداد ابعاد فضای فاز، و این كمیتی است كه از معادله ی بیشینه ی اطلاعات سیستم مشتق شده است . این مفهوم، همانطور كه گذشت، بر پایه ی دو مفهوم حالت خرد و كلان سیستم بنا شده است .

برای این كه اطلاعات در درون سیستمی قابل تحلیل باشد، باید سه ویژگی داشته باشد:

نخست این كه اطلاعات در آنها آرایه ای فیزیكی با وجود عینی و خارجی را تشكیل دهد. دوم این كه تمایز بین حالات خرد و كلان به خوبی تعریف شده باشد، و سدیگر اینكه فضای فاز سیستم توسط حالات كلان سیستم، و حالات كلان توسط حالات خرد سیستم تعیین شوند.

اینها ابتدایی ترین اصولی است كه برای تحلیل پذیر بودن اطلاعات درون یك سیستم باید برآورده شوند. سیستم های زنده، هر سه شرط یاد شده را رعایت می كنند، و بنابراین در چهارچوب تحلیلهای مورد علاقه ی ما می گنجند.

مسئله ای كه در پیش روی ما قرار دارد این است كه سیستم های زنده در طول زمان پیچیدگی درونی خود را افزایش می دهند و در ظاهر بر خلاف (یا دست كم مستقل از) قانون دوم ترمودینامیك رفتار می كنند. این پدیده ای است كه به نوعی باید توجیه شود، و توجیه ما در اینجا در پیروی از دیدگاه معرفی شده توسط وایلی و بروكس، تلاش برای آشتی دادن ترمودینامیك كلاسیك و نظریه ی سیستم های پیچیده است .

دیدگاه سنتی تكاملی، كه این خدشه بر قانون دوم را نمودار می كرد، دو ایراد عمده داشت، كه شاید با برطرف كردن آنها، بتوان تناقض آزاردهنده ی موجود را هم از بین برد. نخست این كه در دید سنتی، مقدار كل اطلاعات موجود در زیست سپهر، ثابت فرض شده است . یعنی چنین فرض می شود كه مقدار بیشینه بی نظمی موجود در سیستم های زنده در طول زمان مقداری ثابت است، و نمودار نمایشگر H_max نسبت به زمان، خطی صاف و موازی با محور زمان است .(شکل-۱)

شکل -۱

در این دیدگاه، افزایش پیچیدگی در سیستم های زنده پذیرفته شده بود، چرا كه شواهد فراوانی مانند قانون كوپ و نیول مدتهاست شناخته شده است . از آنجا كه سطح زیر منحنی (در اینجا خط صاف ) H_max نشانگر بی نظمی بیشینه ی موجود در سیستم زنده است، افزایش نظم در آن به معنای نزولی بودن منحنی آنتروپی قابل مشاهده (H_obs) نسبت به زمان است . در این مدل، چون اطلاعات بنابر مشاهده افزایش می یابد، راهی جز كاهش یافتن بی نظمی باقی نمی ماند، و بنابراین قانون دوم به این ترتیب خدشه می پذیرفت .

اما مشكل اصلی این مدل در این است كه پیش فرضی نقدناشده و ظریف را در دل خود پنهان كرده است . این پیش فرض هم این است كه ابعاد فضای فاز سیستم های زنده، همیشه ثابت است .

چنانكه گفتیم، تعداد ابعاد فضای فاز، با مقدار H_max نسبت مستقیم دارد. بنابراین ثابت فرض كردن این كمیت در طول زمان، در نهایت به معنای ثابت ماندن تعداد ابعاد فضای فاز سیستم های زنده در طول زمان هم هست .

اما این پیش فرض نادرست است . مشاهده به خوبی نشان می دهد كه تعداد ابعاد فضای فاز، -چه از راه دگرگونی در حالات خرد و چه كلان – مرتب در حال افزایش بوده اند. مثالهایی كه در گفتار گذشته زدیم و قوانینی كه درباره ی افزایش اندازه و تنوع جانداران ذكر كردیم، همه به این معنا بود كه در طول زمان تعداد ابعاد فضای فاز در سیستم های زیستی افزایش می یابد.

اگر بخواهیم ساده انگارانه تر بحث كنیم، می توانیم به گفتار یكی از پیشگامان تعریف این مفاهیم سیستمی استناد كنیم كه می گفت : “فضای فاز یك سیستم زنده، هم ارز است با ژنوم آن سیستم .” (Layzer ,1980 ) .

من شخصاً فكر می كنم این تعریف از فضای فاز سیستم زنده خیلی سرراست و ساده باشد، اما به هرصورت به عنوان یك آغاز برایمان مفید است . اگر گفتار لَیزر را هم بپذیریم، خواهیم دید كه در طول زمان، بر حجم و تنوع اطلاعات ژنومی مرتب افزوده شده است و تك یاخته ای هایی با ژنوم چند هزاركیلو نوكلئوتیدی به موجودات پیچیده ی پریاخته ای مانند انسان تبدیل شده اند كه در هر یاخته ی خود ژنومی به طول 173 سانتی متر دارند. به بیان دیگر، در مسیر زمان، امكانات موجود برای حضور موجودات گوناگون، افزایش یافته است . تعداد گونه ها، و تنوعهای ممكن برای هر دودمان تكاملی، همراه با انباشت اطلاعات در طول زمان، به شكلی تصاعدی زیاد می شود، و مفهوم تشعشع در مبحث گونه زایی تكاملی در عمل بازتابی از این معناست .

زیاد شدن حجم اطلاعات نهفته در ژنوم جانداران، در واقع عبارت است از بیشتر شدن مقدار آنتروپی بیشینه‌ی (H_max) موجود در سیستم زنده . امكانات مختلف برای تركیبات ممكن وراثتی در یك زیست كره، همزمان با بیشتر شدن حجم ژنوم موجودات حاضر در آن زیست كره بیشتر می شود، و این همان است كه به بیشتر شدن آنتروپی بیشینه می انجامد.

بالا رفتن تعداد ابعاد فضای فاز در جریان گذر زمان، چیزی است كه در همه ی سطوح زندگی قابل مشاهده است . ما هر سیستم زیستی ای را كه در نظر بگیریم، و بخواهیم پویایی پیچیده ی آن را در جریان زمان نشان دهیم، نیازمند به تعریف چندین متغیر خواهیم بود كه بتوانند معادلات رفتاری سیستم مورد نظر ما را صورتبندی كنند. زیاد شدن تعداد ابعاد فضای فاز به این معناست كه همراه با گذر زمان، تعداد این عاملهای تعیین كننده ی رفتار سیستم مورد نظر ما هم افزایش خواهند یافت . این گزاره، در مورد همه ی سطوح سلسله مراتبی ساختارهای زنده، راست است .

در سطح ژنومی، با تكامل روبرو هستیم، پدیده ای كه انباشت اطلاعات وراثتی در طول زمان را معنا می دهد و زایش ژنومهایی به عظمت ژنوم انسان را از الگوهای اولیه ی تك یاخته ای ممكن می سازد. اگر بخواهیم رفتار ژنوم یك پروكاریوت شیمیوسنتز كننده ی ابتدایی را در سه و نیم میلیارد سال پیش بر اساس معادلاتی بیان كنیم، به متغیرهایی نیازمند خواهیم بود، كه تعدادشان بی تردید از تعداد متغیرهای مطرح در ژنوم مهره داران كنونی كمتر است .

در سطح یاخته ای خودِ تبدیل موجودات تك یاخته ای به پریاخته ای، جهشی در تعداد متغیرهای لازم برای بیان رفتار موجود را به دنبال دارد. آنچه كه در معادلات بیان كننده ی پویایی رفتار یك موش معنا دارد، اصلاً در موجودی مانند آمیب مطرح نیست . در ابعاد كلانتر هم گفتار ما صادق است . اگر بخواهیم معادلات بوم شناختی را هم در همین چهارچوب نگاه كنیم، خواهیم دید كه با وجود نوسانات فراوان رخ داده در محتوای اطلاعاتی بوم های طبیعی، همواره پیچیدگی كلی شان در حال رشد و بالیدگی بوده است . پدیده ی انقراض جمعی ( چیزی است كه به وضوح سطح پیچیدگی یك بوم را كاهش می دهد. اما با این وجود، همه ی این انقراضات با گونه زایی های انفجاری (تشعشع ) همراه بوده است . اگر در كل به این طرح واره نگاه كنیم، می بینیم كه با وجود این وقفه های ناگزیر در مسیر افزایش پیچیدگی سیستم های زنده، همیشه رشدی منظم در سطح پیچیدگی زیست كره ی زمین وجود داشته است . پیچیدگی جهان پركامبرین به هیچ عنوان با آنچه كه در اوایل دوران مزوزوئیك وجود داشته قابل مقایسه نیست، و به همین ترتیب پیچیدگی بوم های دوره ی تریاس را نمی توان با آنچه كه در الیگوسن وجود داشته هم وزن فرض كرد.

دقت كنید كه تا اینجا ما به این ادعاپرداخته ایم كه : محتوای اطلاعاتی بوم های طبیعی در طول زمان افزایش یافته است . (یا به بیان دیگر پیچیدگی زیست كره در طول زمان زیاد می شود.)

این دو ادعا، به دلیل در دسترس نبودن بوم های دورانهای گذشته، به نظر بلندپروازانه جلوه می كند. اما من مایلم در اینجا به طور مختصر به شواهدی اشاره كنم كه اجازه ی این نوع نتیجه گیری را به ما می دهد.

نخستین دسته از شواهد مورد استناد من، شواهدی هستند كه نشان می دهند كه كل انرژی مصرف شده توسط سیستم های زیستی حاضر بر زمین، در طول زمان افزایش یافته است . اگر بخواهیم همین مفهوم را به شكلی جزئی تر ذكر كنیم، باید به این گزاره ی مشهور تكاملی اشاره كنیم كه : در طول زمان، تكامل طوری عمل می كند كه حجم كل انرژی مصرفی توسط گونه های جانوری وابسته به یك دودمان، بیشینه شود (Sewertzoff ,1934) 0 به بیان دیگر، روندهای تصادفی تكامل -و انتخاب طبیعی – در هر شاخه ی مجزای تكاملی آن گروه هایی را گزینش می كنند كه مصرف انرژی پایه شان نسبت به واحد جرمشان بیشتر است . عام بودن این قانون، نشانگر این مطلب است كه سطح قبلی تغذیه كننده ی انرژی این موجودات -یعنی تولید كننده ها- و سطح بعدی -یعنی مصرف كننده ها- هم تا حدودی بر اساس این قانون رفتار می كنند. چرا كه تعادل انرژیایی موجود در یك بوم طبیعی، اگر در ابعادی چنین كلان بررسی شود، ناگزیر به تعمیم های كلی به ساختارهای زنده ی موجود در بوم خواهد انجامید. این قاعده در نهایت به اینجا رسیده كه افزایش متابولیسم پایه در مسیر تكامل، و در نتیجه پیچیده تر شدن سیستم های زنده به عنوان یك پیش فرض تكاملی در نظر گرفته شود (Dolkin et al ,1969) 0. این امر تا آنجا پیش رفته كه پژوهشگران آهنگ ثابتی را هم برای این تغییر متابولیسم پایه در طول زمان به دست داده اند. این مقدار برابر است با ( Zotin et al ,1990). حتی توجیهاتی هم در این راستا وجود دارند كه روند رشد تمدن انسانی و صنعتی شدن جوامع را بر اساس همین ضرورت تكاملی بیشتر شدن انرژی در جریان سیستم توجیه می كنند (Zotinetal,1996) 0.

ناگفته پیداست كه این مفهوم، یعنی افزایش انرژی مصرفی در سیستم در طول زمان، نمایانگر همان بیشتر شدن پیچیدگی سیستم در طول زمان است . هرچه سیستم پیچیده تر باشد، مقدار ماده و انرژی درگیر در درون آن بیشتر خواهد بود، و اطلاعات -كه شاخص پیچیدگی است – هم از اندركنش همین اجزا پدید می آید.

دومین گروه از شواهد، بر این مبنا استوار هستند كه خونسرد یا خونگرم بودن موجود، شاخصی مناسب از پیچیدگی بوم را به دست می دهند. شواهد دیرین شناسی فراوانی در دست هستند كه روند تكامل فیزیولوژی خونگرمی را به ما نشان می دهند. شواهد یاد شده، در واقع همان ادعای قبلی را با واژگانی تازه تكرار می كنند. می دانیم كه خونگرمی در واقع نوعی حد در افزایش متابولیسم پایه ی جانوران است، بر این مبنا، این اصل كه تكامل در جهت خونگرم شدن دودمانهای پیچیده عمل كرده، تأییدی بر گزاره ی قبلی ماست .

هرچه متابولیسم موجودات بالاتر باشد، سرعت زاد و ولدشان بیشتر، و عمرشان كمتر است . همچنین بالا بودن متابولیسم -یعنی خونگرمی – شاخصی برای راهكار بوم شناختی موجود هم محسوب می شود. به این معنا كه بوم های دارای گونه های خونگرم و دارای آهنگ سریع زندگی، انباشته از تنوع زیستی هستند و رقابت در آنها زیاد است، و برعكس بومهای دارای جانداران خونگرم ساده ترند و تعداد گونه ها و پردازه هایشان كمتر، و آشیانهای خالیشان بیشتر است . به بیان بهتر، در بومهای خونگرم، پیچیدگی بیشتر از بومهای خونسرد است . شواهد دیرین شناختی نشان می دهند كه روند تكامل همواره به طور كلی در جهت خونگرمی بوده است . حتی حشرات هم در درون دودمان پرتنوع خود به شكلی از خونگرمی -با دمای ثابت 45 درجه سانتی گراد مثلاً در زنبورها- دست یافته اند. پس بالا رفتن تدریجی تنوع زیستی در بومهای موجود در زیست كره در نهایت به اشباع پردازه های محیط، و بیشتر شدن رقابت و سریعتر شدن ضرب آهنگ تكاملی جانوران موفق تر (خونگرم ها) خواهد انجامید (Bakker ,1986) . این امر را می توان به عنوان مفهومی موازی با پیچیده تر شدن كل زیست كره در نظر گرفت . در مورد این ادعا كتابهای زیادی نوشته شده است، اما به علاقمندان توصیه می كنم بحث زیبای رابرت بكر را در كتاب مشهورش “افول دایناسورها” بخوانند.

بر اساس آنچه كه گذشت، آشكار است كه در طول زمان تنوع و پیچیدگی زیست كره در كل بیشتر می شود، و در تمام سطوح این افزایش پیچیدگی با بیشتر شدن ابعاد فضای فاز هم معناست . اما تمام تنوعات گوناگون ممكن در یك فضای فاز ژنومی امكان ظهور پیدا نمی كنند. چنانكه در مبحث فضای فاز سیستم ها عنوان كردیم، هر سیستمی با هر تركیب خاصی از ژنوم ها و گونه ها، تنها بخشهای خاصی از احتمالات را به عنوان فضای مجاز می شناسد. بخش مهمی از كل فضای فاز هرگز توسط سیستم تجربه نمی شود. چون شرایط خاص حاكم بر متغیرهای سیستم، ورود به آن محدوده ها را منع می كنند. به این شكل پس از كنار گذاشتن فضاهای غیرمجاز، تنها بخش كوچكی از فضای فاز سیستم زنده باقی می ماند، كه در واقع همان جهان واقعی ماست . جهان قابل مشاهده برای ما، در عمل یك نمود لحظه ای از فضای فاز سیستم زیست كره است . از میان بیشمار تركیبات گوناگون ژنومی كه به لحاظ آماری امكان دارند، تنها بخش كوچكی می توانند در شرایط خاص بوم شناختی موجود در یك بازه ی زمانی بقا داشته باشند، و همین بخش كوچك، نمود واقعی فضای فاز بسیار گسترده ی ما را در جهان خارج تشكیل می دهد.

به این ترتیب، ما با دو مفهوم سر و كار داریم . نخست كل احتمالات ممكن، كه فضای فاز را در معنای عام آن نشان می دهد، و ما پیش از این آن را با نماد H_max نشان دادیم . دیگری چیزی است كه قابل مشاهده است و در واقع به عنوان پدیده در دسترس مشاهده و تجربه ی ما قرار دارد. این همان مفهوم آنتروپی قابل مشاهده را به دست می دهد كه با H_obs نمایش داده شد.

چنان كه گفتیم، در طول زمان، تعداد ابعاد فضای فاز سیستم های زیستی افزایش می یابد. اگر بخواهم كمی متمركزتر در این مورد اظهار نظر كنم، باید بر این نكته پای فشارم كه این پویایی خاص، در واقع یكی از ویژگیهای عام سیستم های زنده محسوب می شود. سیستمی جاندار است كه در طول زمان تعداد ابعاد فضای فاز خود را زیاد كند.

در صورتی كه مقدار آنتروپی بیشینه در سیستم زیستی تغییر كند، دیگر موازی بودن خط معرف تغییرات آن با محور زمان درست نخواهد بود، به همین دلیل هم دیگر نمی توان به الگویی که دیدیم استناد كرد.

در این حالت، منحنی نمایشگر تغییرات آنتروپی سیستم نسبت به زمان، به این شكل در می آید:

چنانكه می بینید، در این شكل H_max با گذشت زمان افزایش می یابد وH_obs هم همگام با آن زیاد می شود. سطح زیر منحنی H_obs، چنانكه دیدیم مقدار آنتروپی سنتی -یعنی بی نظمی – درون سیستم را نمایش می دهد، و می بینیم كه در اینجا درست در تطابق با قانون دوم ترمودینامیك، همراه با گذشت زمان بی نظمی هم زیاد شده است . اما نكته در اینجاست كه سطح دیگری هم در این شكل وجود دارد و آن هم عبارت است از فاصله ی بین دو منحنی H_max و H_obs . سطح زیر منحنی آنتروپی بیشینه كه به این ترتیب محصور می شود، فاصله ی حداكثر بی نظمی را از آنچه كه مشاهده می كنیم به دست می دهد. این فاصله، در واقع همان نظم موجود در سیستم است . می بینیم كه در شكل این سطح همراه با گذر زمان بیشتر می شود. این امر همان صورت مسئله مشهور ماست . زندگی در طول زمان پیچیده تر می شود. چه در معنای فردی و چه در مفهوم دودمانی . اما این افزایش اطلاعات در درون سیستم با اصل دوم ترمودینامیك تضادی ندارد، چرا كه می توان هردوی این حقایق را در چهارچوب مدلی ساده درست پنداشت . مدل غیرثابت بودن آنتروپی بیشینه، كه از تغییرات تعداد ابعاد فضای فاز در طول زمان ناشی می شود.

در اینجا، همیشه . در ضمن، كه در آن Q برابر است با نظم كلان موجود در سیستم . این كمیت، چنان كه می بینید با افزایش زمان بیشتر می شود، و به این ترتیب گرایش سیستم های زنده به نظم را می توان توجیه كرد.

بر اساس این مدل، اطلاعات درون سیستم های زنده، مثل حلزونی در حال رشد است كه در درون صدف فضای فاز خود می بالد و رشد می كند، اما هرگز به شتاب بیشتر رشد صدف نمی رسد. در این استعاره، صدف بی نظمی و حلزون نظم است . هردو پابه پای هم رشد می كنند و رشد یكی وابسته به دیگری است، و به این ترتیب، هیچ قانون بنیادی و مقدسی خدشه دار نمی شود.

در تكامل، گزاره ای هست به نام قانون دولو. بر اساس این قانون، پدیده های تكاملی برگشت ناپذیرند. یعنی هیچ عاملی نمی تواند باعث شود تا یك سیستم كه روند تكاملی خاصی را طی كرده است، بار دیگر این راه را به طور معكوس طی كند و به جای نخست خود باز گردد(Dollo et al ,1988) . می دانیم كه در فیزیك، تمام قوانین و معادلات به دست آمده نسبت به محور زمان متقارنند. یعنی فرقی نمی كند كه در معادلات مربوط به حركت یا میدان، زمان را با علامت مثبت یا منفی نشان دهیم . در هر دو حالت معادلاتی به دست می آیند كه در اصطلاح ریاضی همریخت هستند. در فیزیك تنها جایی كه تقارن زمان می شكند، اصل قانون ترمودینامیك است . تنها در اینجاست كه به زمان به عنوان یك عامل مهم تغییر دهنده ی سیستم -در واقع تغییر دهنده ی آنتروپی سیستم – اشاره می شود. در معادلات زیست شناختی هم چنین چیزی را داریم . اگر به دنبال همانندی ها باشیم، باید قانون دولو را همتای اصل دوم ترمودینامیك در نظر بگیریم .

این مدل، به اشكال گوناگون توسط نظریه پردازان گوناگونی مورد توجه و تحلیل قرار گرفته است . در مورد چگونگی زیاد شدن پیچیدگی ژنوم در طول زمان، و بیشتر شدن تعداد ابعاد فضای فاز ژنوم، كارهای فراوانی انجام شده كه نتایجش با مدل مورد نظر ما سازگار است . استوارت كافمن، كه یكی از بنیانگذاران مدلسازی تكامل ژنومی است، این كار را به كمك فضای فاز چندبعدی فرضی ای انجام می دهد كه حالات گوناگون هر ژن، و درجه ی شایستگی آن را نسبت به شرایط محیطی بازنمایی می كند. می دانیم كه ژنها به صورت یك كل عمل می كنند و دید مندلی سنتی در مورد عملكرد مستقل ژنهای منفرد چندان هم درست نیست (MonoD&Jacob,1977) . در این مدلها، اندركنش بین ژنها هم در نظر گرفته می شود و در منحنیهای به دست آمده، نقاط بهینه ی موضعی و كلی چندی محاسبه می شود كه در واقع نشانگر نقاط مكث پویایی ژنوم است . این مكث موقت ژنوم پویا و متغیر، در واقع همان عمل گونه زایی است . ژنومی كه در یكی از این چاله های پتانسیلی می افتد، نوعی شایستگی نسبی برای زیستن را به دست می آورد، و بنابراین در آن باقی می ماند و گونه ی خاصی را پدید می آورد. وقتی شرایط به اندازه ی كافی تغییر كنند، این چاله ی امن در نمایه ی تغییرات سیستم هم به شیبی ناخوشایند بدل می شود و ژنوم پویا ناچار می شود از آن عبور كند تا در نقاطی دیگر بر فضای فاز، در چاله ای دیگر بیفتد (1992,Kauffman) . به این ترتیب، هر نقطه بر فضای فاز ژنومی جانداران، معرف یك گونه ی بالقوه است . مجموعه ی این نقاط همان است كه بیشینه ی آنتروپی ما را به دست می دهد (H_max). اما آنچه كه در جهان واقع مشاهده می كنیم، این انبوه احتمالات نیست . بلكه تنها چاله هایی در این فضاست كه زیستن با شایستگی بقای نسبی خود را معرفی می كنند. این نقاط گونه های بالفعل ما هستند، و همان هایی هستند كه در طول زمان بر تعداد و تنوع خود می افزایند و در نتیجه پیچیدگی كل سیستم ما را افزون می كنند ( H_obs).

نكته ی جالب اینكه تحلیل مشابه را می توان در مورد پویایی سیستم های بافت شناختی -در پدیده ی ریخت زایی – و عصبی -در پدیده های شناختی – عنوان كرد. تكامل سیستم عصبی جانداران ابتدایی با همین روشهای سیستمی، و به كمك مدلهای متأثر از تورینگ، به خوبی تحلیل می شوند. به ویژه در زمینه ی مغز حشراتی مانند مگس سركه -كه سیستم ساده تری دارند- كاربرد این مدلها بیشتر است . بر اساس این مدلها می توان پدیده هایی مانند سازمان یافتن شبكه های عصبی مربوط به بینایی و اتصالات سیستم های پردازش اطلاعاتی با دستگاه های حسی را به خوبی توجیه كرد. در این زمینه كارهای جالب زیادی انجام شده است و آثار زیادی هم وجود دارد. یكی از كتابهای گویا و روان در این مورد، ” رویكرد سیستمی به عصب شناسی تكوینی” است كه علاقمندان را به مطالعه ی آن تشویق می كنم ( Raymon et al,1989) .

در پایان، بحث را با بیان چهار خاصیتی ختم می كنم كه بنابر این حرفها در ساختارهای زنده یافتیم :

نخست ) اصل برگشت ناپذیری : كه همان قانون دولو و هم ارز با قانون دوم ترمودینامیك است . این برگشت ناپذیری را می توان در چهار كنش اصلی سیستم های زنده بازیافت،كه عبارتند از رشد، تولیدمثل، سوخت وساز و گونه زایی .

دوم ) اصل یگانگی : این اصل در واقع از مورد پیش ناشی می شود. بروكس و وایلی در اثر جالب توجه خود “تكامل به عنوان آنتروپی ” این اصل را با شكلی دیگر مطرح كرده اند. ایشان ابتدا عملكرد تكاملی را منحصر به زمینه ای با متغیرهای پیوسته دانسته اند، و بعد لزوم وجود سطحی پیوسته با قوانین طیفی و غیرحدی را گوشزد كرده اند كه باید به عنوان رابط بین سطح زیست شناختی و ترمودینامیك در صورتبندی های یاد شده عمل كند. بر اساس نظر این دانشمندان، عوامل گسسته ای مانند پراكنش آلل های منفرد در جمعیتها، به تنهایی نمی توانند توجیه كننده ی عمل تكاملی گرایش به سمت نظم بیشتر باشند. بر اساس دیدگاه تكاملیون بزرگی مانند هنینگ، ریدل، و گلدشمیت، ایشان، سلسله مراتب نتیجه ای است از اثر تبدیلهای برگشت ناپذیر بر عوامل یكپارچه، كه البته می توانند شاخصهای گسسته ای را هم در دل خود جای داده باشند. چون ما سلسله مراتب را در موجودات زنده می بینیم، می توانیم وجود سیستم زمینه ای یكپارچه ای را هم فرض بگیریم .

من با یكپارچگی سیستم زمینه ی عملكردهای تكاملی موافقم و همگن بودن صورتبندی های ترمودینامیك با معادلات زیست شناختی را در سطح بالاتری از تحلیل می پذیرم . اما به گمانم منحصر كردن روندهای تكاملی به متغیرهای پیوسته كار درستی نباشد. چرا كه مدلسازی های جدید انجام شده در دانش زندگی مصنوعی ، امكان بروز پدیده های تكاملی مشابهی را در سیستم های گسسته هم نشان می دهد (Langton ,1992؟) .

نتیجه اینكه كل سیستمهای زنده ساختارهایی درهم تنیده با متغیرهای فرعی گسسته هستند كه در نهایت سازواره هایی یكتا و منفرد را پدید می آورند. این یكتایی، به عمل ویژه ی متغیرهای تكاملی بر ماده های خام منحصر به فرد -از نظر تركیب حالات خرد( برمی گردد.

سوم ) اصل محدودیت داخلی : این امر در واقع بیان همان مفهوم مشهور است كه شرایط خاص سیستم زنده، برایش در فضای فاز كلی، فضاهای مجاز خاصی را تصویر می كند و حالات آن را به این محدوده ها منحصر می سازد. بر اساس این اصل، پیچیده تر شدن سیستم زنده پرسش اصلی نیست، چرا كه سیستم زنده، نوعی ساختار شیمیایی انتشاری است كه ناگزیر در طول زمان اطلاعات درون خود را به طور موقت افزایش خواهد داد. آنچه كه غریب است و نیازمند توضیح، این است كه چرا ساختارهای زنده از وضع كنونی خود پیچیده تر نشده اند. در واقع یك زیست شناس كنجكاو باشد علت حذف سایر احتمالات ممكن برای گونه های مفروض را توجیه كند. این كار در واقع عبارت است از بیان علت غیرمجاز بودن بخشهای مشخصی از درون فضای فاز.

با یك نگاه دقیقتر، می توان تشخیص داد كه شرایط اولیه ی سیستم زنده، علت اصلی غیرمجاز شدن بخشهایی از فضای فاز است . شرایط اولیه، مهمترین شاخص تعیین كننده ی رفتار سیستم در آینده، و در نتیجه محدود كننده ی احتمالات بیشمار ممكن است .

اگر بخواهم خیلی فهرست وار شاخصهای اصلی تعیین كننده ی این محدودیت را ذكر كنم، این چهار عنوان را انتخاب می كنم : شرایط ژنومی (وابسته به تكامل دودمانی )، شرایط تكوینی (وابسته به رشد جنینی )، شرایط تاریخچه ای (وابسته به رفتار گذشته ی فرد)، و شرایط زادآوری (وابسته به شایستگی زیستی موجود).

چهارم ) اصل جبران : كه همان تكرار ویژگی پایداری در فیزیولوژی كلاسیك است . بر اساس این اصل، نظم درونی سیستم، نسبت به عوامل آنتروپیك محیطی واكنشی جبرانی از خود نشان می دهد. فراموش نكنیم كه سیستم های زیستی، سازواره هایی هستند كه قول هرمان هاكن، در حالتی نزدیك به تعادل، اما نه متعادل به سر می برند. در هر مقطع زمانی، فشارهای معمولاً كاتوره ای محیطی، تغییراتی را در ساختار درونی سیستم اعمال می كند كه در نهایت به بازگشت سیستم به حالت شبه پایدار قبلی منجر می شود.

تذكر یك نكته در اینجا مهم است و آن هم اینكه تمام این حرفها، تنها در بازه ی زمانی كوتاه و به طور موقت معنا دارد. هیچ سیستم شیمیایی انتشاری نیست كه به طور نامحدود از انرژی محیطی تغذیه كند و اطلاعات درون خود را زیاد كند. در واقع، هر سیستم زنده ای، مرتب در حال نبرد با شرایط آشوبناك محیطی است این نبردی است كه پیروزی ندارد. یعنی در نهایت سیستم زنده ناچار است تا به فشارهای محیطی تسلیم شود و با محیط به تعادل ترمودینامیك برسد. این رسیدن به تعادل، همان است كه مرگ نامیده می شود و در واقع شكل پایه و عادی سیستم های مادی است .

 

 

ادامه مطلب: بخش سوم : نتیجه

رفتن به: صفحات نخست و فهرست کتاب