Tiến hóa hội tụ là quan sát rằng các loài khác nhau phải đối mặt với áp lực chọn lọc tương tự sẽ tiến hóa các giải pháp tương tự – như cánh. Liệu sự tiến hóa có thể dự đoán được hay không là một câu hỏi mở trong sinh học. Nếu nó có thể dự đoán được, thì đó có thể là do một khái niệm rất trừu tượng từ vật lý được gọi là ergodicity.
Mở đầu
Người ngoài hành tinh mà bạn nhìn thấy trong các bộ phim khoa học viễn tưởng và truyền hình thường trông rất giống chúng ta: hai tay, hai chân và đầu (nhưng có đôi tai nhọn). Mặc dù lý do cho điều này có liên quan đến ngân sách hạn chế chứ không phải khoa học, nhưng những đại diện này đặt ra một câu hỏi sâu sắc hơn về cái gọi là tiến hóa hội tụ. Nếu sự tiến hóa của Darwin hoạt động trên các hành tinh khác, liệu chúng có dẫn đến các dạng sống – theo nghĩa đen là nó xuất hiện – giống như chúng ta tìm thấy trên Trái Đất?
Ví dụ, trong lịch sử hành tinh của chúng ta, chúng ta thấy các phiên bản cánh khác nhau phát triển trong nhiều dịp riêng biệt ở nhiều loài riêng biệt. Đây là sự tiến hóa hội tụ, và nếu chúng ta biết nó luôn luôn xảy ra, thì chúng ta có thể nói rằng sự tiến hóa, theo một nghĩa nào đó, có thể dự đoán được. Trong trường hợp đó, chúng ta có thể biết liệu người ngoài hành tinh có giống chúng ta hay không và khi nào.
Nhưng có một truyền thống tranh luận lâu dài và khốc liệt về sự tiến hóa hội tụ. Hôm nay, tôi muốn giải nén một dòng trong cuộc chiến này là mới (ít nhất là đối với tôi) và chạm vào một trong những vấn đề sâu sắc nhất không phải trong sinh học mà là trong vật lý: một ý tưởng điên rồ, sâu sắc được gọi là ergodicity.
Công thái học và siêu không gian
Công thái học là về mối liên hệ giữa thế giới vi mô và vĩ mô, đặc biệt là cách hiểu tính ngẫu nhiên trong thế giới trước có thể cho phép chúng ta dự đoán trật tự ở thế giới sau. Ví dụ, đã hơn một thế kỷ kể từ khi các nhà vật lý nhận ra rằng các tuyên bố về nhiệt độ của một vật thể vĩ mô, như cốc cà phê, thực sự là những tuyên bố về chuyển động vi mô ngẫu nhiên của các nguyên tử và phân tử cấu thành zillion của vật thể. Nói cách khác, nhiệt động lực học – nhiệt độ thay đổi như thế nào – có thể được mô tả bằng cơ học thống kê của các nguyên tử zillion đó khi chúng nảy xung quanh.
Nhưng để tạo ra mối liên hệ này giữa vi mô và vĩ mô, các nhà vật lý cần phải giả định cái mà họ gọi là giả thuyết ergodic. Bất kỳ hệ thống vĩ mô nào được tạo thành từ tất cả các zillion nguyên tử đó đều có thể được hình dung là tồn tại trong một không gian siêu chiều rộng lớn, một không gian pha, có sáu chiều cho mỗi nguyên tử. Điều đó có nghĩa là nếu bạn có 1023 Các phân tử trong tách cà phê của bạn (thực sự có nhiều hơn nữa), sau đó không gian pha của nó có 6 x 1023 Kích thước. Vâng, đó là rất nhiều kích thước điên rồ. Không gian pha là một siêu không gian khiến không thời gian bốn chiều nổi tiếng của Einstein phải xấu hổ.
Tuy nhiên, không giống như không thời gian, không gian pha không có thật. Đó là một cấu trúc toán học giúp các nhà vật lý hiểu được nhiệt độ của một tách cà phê sẽ phát triển và thay đổi như thế nào. Đây là nơi giả thuyết ergodic xuất hiện. Một hệ thống, giống như tách cà phê, sẽ rất ergodic nếu nó khám phá tất cả không gian pha siêu chiều có sẵn của nó. Khi hệ thống thay đổi theo thời gian, biểu diễn của nó trong không gian pha sẽ ghé thăm mọi điểm có sẵn cho nó trong 6 x 10 đó23 Kích thước. Chúng ta có thể dành rất nhiều giấy mực để giải nén điều này, nhưng đây là ý nghĩa của tính công thái học: Mặc dù hệ thống liên quan đến rất nhiều sự ngẫu nhiên (các phân tử cà phê ngẫu nhiên va vào các phân tử cà phê khác), bạn vẫn có thể đưa ra dự đoán rất chính xác về sự tiến hóa của hệ thống. Giả định sai lầm trong cơ học thống kê là lý do tại sao chúng ta có thể tự tin nói rằng cốc cà phê luôn nguội đi – hoặc tại sao máy chuyển động vĩnh cửu là không thể.
Sự tiến hóa có thể dự đoán được không?
Bây giờ chúng ta hãy thực hiện bước nhảy vọt đến sinh học. Đây là câu hỏi giết người: Sự tiến hóa có phải là ergodic? Giống như cơ học thống kê, sự tiến hóa liên kết thế giới vi mô ngẫu nhiên (đột biến gen) với thế giới vĩ mô (hình dạng và chức năng của các sinh vật sống). Nếu sự tiến hóa là sai lầm – nghĩa là, nếu quỹ đạo tiến hóa của một loài hoạt động trong không gian pha khả năng của nó theo cách các phân tử trong tách cà phê làm – thì chúng ta có thể dự đoán kết quả tiến hóa. Chúng ta có thể biết trước sự tiến hóa sẽ dẫn đến điều gì. Chúng ta thậm chí có thể nói rằng, về nguyên tắc nếu không phải trong thực tế, hoàn cảnh trên ngoại hành tinh XB4-27A sẽ dẫn đến những sinh vật trông giống người (nhưng tất nhiên là có đôi tai nhọn).
Vì vậy, sự tiến hóa là ergodic? Nó sẽ khám phá tất cả không gian pha siêu chiều điên rồ của nó? Đối với nhiều nhà nghiên cứu, câu trả lời là không. Stuart Kauffman, ví dụ, làm cho sự vắng mặt của công thái học trong quá trình tiến hóa là điểm trung tâm của rất nhiều công việc của ông về cuộc sống. Đối với Kauffman, khía cạnh quan trọng nhất của tiến hóa là sự phụ thuộc vào con đường, lịch sử của nó. Chạy lại lịch sử của Trái Đất và bạn sẽ nhận được một cái gì đó khác biệt. Như Kauffman nói:
Thậm chí sâu sắc hơn, sự tiến hóa của sự sống trong sinh quyển của chúng ta là sâu sắc không ergodic và lịch sử. Vũ trụ sẽ không tạo ra tất cả các dạng sống có thể. Không công thái học cho chúng ta lịch sử.
Do đó, đối với Kaufman, điều quan trọng nhất về hệ thống sống là sự khác biệt của chúng chứ không phải giống với các hệ thống vật lý. Công thái học là những gì cho phép có định luật vật lý cho các bộ sưu tập lớn các vật chất phi sinh học. Nhưng việc thiếu tính công thái học là điều làm cho cuộc sống trở nên đặc biệt.
Mặt khác, có một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng sinh học có thể là ergodic (ít nhất là trong trường hợp đặc biệt). Đối với họ, các liên kết giữa các phân tử và tách cà phê song song với các kiểu gen (sự sắp xếp vi mô của gen) và kiểu hình (các dạng cơ thể vĩ mô). Gần đây tôi đã xem qua một bài báo của Tom McLeish của Đại học Durham có tiêu đề, Có giới hạn ergodic đối với sự tiến hóa không? Khám phá không gian bộ gen và hội tụ. Trong đó, McLeish lập luận rằng quá trình đột biến ngẫu nhiên, xác định quỹ đạo mà các hệ thống sống đi qua không gian pha của tất cả các kiểu gen có thể, sẽ rất tiện dụng. Như ông nói:
Tôi có thể tính toán thời gian tìm kiếm ergodic tiến hóa của một không gian con bộ gen cho bất kỳ kiểu hình tương ứng nào, sau đó… Chúng tôi hy vọng rằng một tối ưu thể dục có thể được tìm thấy, nếu tồn tại. Điều này sẽ cung cấp một cơ sở khái niệm để hiểu sự hội tụ trong quá trình tiến hóa…
Cho đến bây giờ, không có câu trả lời cho câu hỏi về sự tiến hóa và công thái học này. Tôi nghi ngờ rằng nếu bạn thăm dò ý kiến các nhà sinh vật học, hầu hết sẽ có xu hướng tranh luận chống lại tính công thái học. Tuy nhiên, điều tôi muốn gọi ra ở đây – điều thực sự cực kỳ tuyệt vời – là cách lập luận hoạt động. Khả năng dự đoán của sự tiến hóa, đó là một câu hỏi lớn, được ánh xạ vào các thuộc tính của một không gian khả năng điên rồ, siêu trừu tượng, siêu chiều. Thực tế là điều này thậm chí có thể về mặt khái niệm là điều khiến đầu tôi bơi với sự ngạc nhiên. Nó thậm chí có thể mát mẻ hơn, hoặc ít nhất là tuyệt vời như biết liệu người ngoài hành tinh có giống chúng ta hay không.
