Trong một vũ trụ đang tiến hóa, sự xuất hiện của sự sống có phải là một chuyển pha được dự đoán trước?
(arxiv.org)- Stuart Kauffman và Andrea Roli định nghĩa sự sống là một hệ phản ứng hóa học tự tái sinh phi cân bằng, và cho rằng sự xuất hiện của sự sống tuy là một phép màu nhưng vẫn là một sự kiện có thể kỳ vọng trong tiến hóa hóa học của vũ trụ
- Sinh vật là một Kantian Whole trong đó phần và toàn thể cùng nhau làm nên sự tồn tại của nhau, và cần đồng thời đạt được tự xúc tác tập thể, đóng kín xúc tác, đóng kín ràng buộc và đóng kín không gian
- Trọng tâm là sự kết hợp giữa Collectively Autocatalytic Sets và Theory of the Adjacent Possible, theo đó khi độ đa dạng phân tử và số phản ứng tăng lên, hiện tượng tự tái sinh phân tử có thể xuất hiện như một chuyển pha bậc một
- Các tập hợp tự xúc tác của DNA, RNA và peptide đã được tạo dựng bằng thực nghiệm, và các tập hợp tự xúc tác phân tử nhỏ cũng đã được xác nhận bằng tính toán trong 6.700 sinh vật nhân sơ, nhưng sự tái sinh trong ống nghiệm vẫn chưa được chứng minh
- Trong tế bào sống, ranh giới giữa phần mềm và phần cứng trở nên mờ nhạt, đòi hỏi phải tiếp cận lại theo cách mới với phát sinh chủng loại trao đổi chất, tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh và các thí nghiệm về sự xuất hiện của sự sống sơ khai
Bốn dạng đóng kín cấu thành sự sống
- Vẫn chưa có một định nghĩa được đồng thuận về sự sống; ở đây, sự sống được định nghĩa là một hệ phản ứng hóa học tự tái sinh phi cân bằng
- tự xúc tác tập thể
- đóng kín ràng buộc
- đóng kín không gian
- Kantian Whole
- Collectively Autocatalytic Set (CAS) là một hệ phản ứng hóa học mở nhận phân tử và các thành phần năng lượng từ bên ngoài
- Bước phản ứng hóa học cuối cùng tạo ra mỗi phân tử trong tập đều được xúc tác bởi ít nhất một phân tử trong chính tập đó hoặc một phân tử trong food set
- Đây là khái niệm rộng hơn RNA sao chép theo khuôn mẫu; trường hợp RNA sợi kép mà mỗi sợi làm chất xúc tác theo khuôn cho quá trình tổng hợp sợi kia cũng được tính là CAS
- Trong nghiên cứu nguồn gốc sự sống, khoảng 50 năm qua, quan điểm cho rằng polynucleotide sao chép theo khuôn mẫu phải là nền tảng của sự sống đã chiếm ưu thế
- Việc sao chép của “nude replicating RNA gene” vẫn chưa đạt được, nhưng khả năng đó vẫn còn
- Các tập hợp tự xúc tác tập thể của DNA, RNA và peptide đã được tạo dựng
- G. von Kiedrowski đã tạo dựng một tập hợp tự xúc tác DNA, nhóm của N. Lehman tạo dựng tập hợp tự xúc tác RNA, còn G. Ashkenasy tạo dựng tập hợp tự xúc tác gồm 9 peptide
- Các tập hợp tự xúc tác của lipid cũng từng được xem xét
Kantian Whole và sự tự cấu thành của tế bào
- Kantian Whole bắt nguồn từ khái niệm của Immanuel Kant vào thập niên 1790 rằng các phần tồn tại vì toàn thể và nhờ toàn thể
- Con người tồn tại thông qua các phần như tim, gan, thận, phổi và não, còn các phần đó tồn tại thông qua toàn thể là con người
- Mọi sinh vật sống đều là Kantian Whole, và theo định nghĩa này, virus cũng được xếp là Kantian Whole tự sao chép trong môi trường tế bào
- Tinh thể hay viên gạch không phải là Kantian Whole, nhưng tế bào thì có
- Đóng kín xúc tác là trạng thái trong đó mỗi phản ứng của hệ được xúc tác bởi ít nhất một phân tử trong chính hệ đó
- Mọi tế bào sống đều đạt được đóng kín xúc tác
- Trong tế bào sống, không phân tử nào trực tiếp xúc tác cho sự hình thành của chính nó; thay vào đó, toàn bộ tập hợp phân tử của tế bào tạo nên đóng kín xúc tác trong quá trình tái tạo
- Trong tập hợp tự xúc tác gồm 9 peptide, mỗi peptide tồn tại nhờ xúc tác lẫn nhau của cả tập, nên đây cũng là một Kantian Whole
- Đóng kín ràng buộc là trạng thái trong đó các điều kiện biên ràng buộc sự giải phóng năng lượng trong một quá trình phi cân bằng lại chính là thứ cấu thành nên các điều kiện biên ấy
- Công nhiệt động học được thực hiện khi năng lượng được giải phóng dưới sự ràng buộc của một số bậc tự do
- Đại bác ràng buộc sự giải phóng năng lượng để bắn đạn theo hướng nòng pháo, và để chế tạo chính khẩu đại bác đó cũng cần công nhiệt động học
- Năm 2015, Montévil và Mossio định nghĩa đóng kín ràng buộc là cấu trúc trong đó các ràng buộc A, B, C lần lượt ràng buộc các quá trình 1, 2, 3 và đồng thời cấu thành lẫn nhau
- Tế bào khác ô tô, đầu máy xe lửa hay máy tính ở chỗ nó tự tạo ra các điều kiện biên cấu thành nên chính nó
- Ô tô có sự sắp xếp bộ phận ràng buộc sự giải phóng năng lượng, nhưng không tự tạo ra các điều kiện biên của chính mình
- Tế bào tạo ra các điều kiện biên ràng buộc sự giải phóng năng lượng, và các điều kiện biên đó lại tiếp tục cấu thành chính những điều kiện biên ấy
- Tế bào tự tái sinh, khác với Universal Constructor của von Neumann, không phải là một bộ máy tạo phổ quát cần thêm Instructions tách biệt, mà là thứ cụ thể cấu thành nên chính nó
- Trong tập hợp tự xúc tác gồm 9 peptide không có “Instructions” tách rời mã hóa cho sự hình thành của chính nó; trong ngữ cảnh này, sự phân biệt giữa phần mềm và phần cứng là vô nghĩa
Vì sao tự tái sinh phân tử xuất hiện như một chuyển pha
- Lý thuyết RAF xem sự xuất hiện của các tập hợp tự xúc tác tập thể trong mạng phản ứng hóa học đủ phong phú như một chuyển pha bậc một
- Các phân tử của sự sống là những đối tượng tổ hợp được cấu tạo từ các nguyên tử như carbon, hydro, nitơ, oxy, phospho và lưu huỳnh (CHNOPS)
- Một polymer tuyến tính độ dài 10 tạo từ hai thành phần A và B có 9 cách cấu thành, tương ứng với việc cắt một trong 9 liên kết kề nhau
- Khi độ phức tạp tổ hợp của phân tử tăng lên, tỷ lệ R/M giữa số phản ứng R và số phân tử M trong toàn bộ hệ phản ứng cũng tăng theo
- Đồ thị phản ứng hóa học có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị hai phía với loài phân tử là các điểm và phản ứng là các ô
- Mũi tên đi từ chất nền đến ô phản ứng, rồi từ ô phản ứng đến sản phẩm
- Cấu trúc này biểu diễn mạng phản ứng, chứ không hàm ý hướng của dòng nhiệt động học vốn thay đổi theo mức độ lệch khỏi cân bằng hóa học
- Nếu biết phân tử nào xúc tác cho phản ứng nào, có thể thêm mũi tên nét đứt từ phân tử xúc tác tới phản ứng tương ứng; khi đó cấu trúc trở thành một hypergraph hai phía
- Khi chưa biết quan hệ xúc tác, lý thuyết được phát triển với giả định đơn giản rằng mỗi phân tử có xác suất Pcat xúc tác cho mỗi phản ứng
- Khi Pcat tăng, đủ nhiều phản ứng sẽ được xúc tác để hình thành một thành phần liên thông khổng lồ, và thành phần này trở thành tự xúc tác tập thể
- Ngay cả khi cố định Pcat, nếu số phân tử và độ phức tạp nguyên tử tăng lên thì R/M cũng tăng, và ở một mức độ phức tạp nào đó RAF sẽ xuất hiện với xác suất gần 1,0
- Điều này được diễn giải như một chuyển pha bậc một hướng tới tự tái sinh phân tử trong các hệ phản ứng hóa học phi cân bằng đủ phong phú
- Kết quả đồ thị ngẫu nhiên năm 1959 của Erdos và Renyi được dùng làm cơ sở trực giác cho chuyển pha này
- Khi thêm ngẫu nhiên các cạnh vào N nút, thành phần liên thông khổng lồ đột ngột xuất hiện khi tỷ lệ L/N giữa số cạnh L và số nút N đạt 0,5
- Quá trình xuất hiện các tập hợp tự xúc tác tập thể trong hypergraph phản ứng hóa học cũng được xử lý như cùng một loại chuyển pha
Kết hợp TAP và RAF: từ tiến hóa hóa học của vũ trụ đến sự sống
- Sự kết hợp giữa Theory of the Adjacent Possible (TAP) và lý thuyết RAF gộp sự gia tăng đa dạng phân tử và sự xuất hiện của tự xúc tác vào cùng một tiến trình
- Phương trình TAP mô tả một hệ động lực rời rạc trong đó các phân tử kết hợp với nhau để tạo ra phân tử mới
- Khi số phân tử hiện tại là Mt, từ Mt chọn các tập con kích thước i để tạo ra phân tử mới với xác suất alpha^i, trong đó 0 < alpha < 1,0
- Nếu khởi đầu với một số ít phân tử, số loại phân tử ban đầu tăng chậm nhưng sau đó bùng nổ theo kiểu hyperbolic và đạt vô hạn trong thời gian hữu hạn
- Quá trình TAP mô hình hóa một cách thô sơ sự gia tăng đa dạng hóa học trong vũ trụ
- Ở vũ trụ sơ khai có các hạt cơ bản như quark, gluon, electron và positron; khi vũ trụ nguội đi, hadron cùng hydro và berili được hình thành
- Sau đó, 98 nguyên tử bền còn lại được hình thành trong các vụ nổ siêu tân tinh
- Từ các phân tử đơn giản tiến tới các phân tử phức tạp hơn, độ đa dạng phân tử, độ phức tạp nguyên tử và số phản ứng tiềm năng đều tăng lên
- Thiên thạch Murchison, hình thành cùng Hệ Mặt Trời khoảng 5 tỷ năm trước, chứa hàng trăm nghìn loài phân tử và các phản ứng tiềm năng giữa chúng
- Trong mô hình kết hợp TAP-RAF, mỗi phân tử sinh ra từ TAP có thể xúc tác cho mỗi phản ứng với xác suất cố định Pcat
- Theo thời gian, độ đa dạng thực thể tăng lên và chuyển pha bậc một của tập hợp tự xúc tác tập thể xuất hiện với xác suất 1,0
- Khi độ đa dạng phân tử tăng, độ phức tạp của phân tử và số phản ứng cũng tăng, làm tỷ lệ R/M tăng theo
- Vì cùng một tập phân tử M trở thành ứng viên xúc tác cho cùng một tập phản ứng R, nên với phân bố đều, luật lũy thừa hay các cách gán xác suất xúc tác khác, chuyển pha cũng sẽ xảy ra tại một thời điểm nào đó
- Vì thế, trong một vũ trụ đang tiến hóa, tự tái sinh phân tử được xem là một sự kiện có thể dự đoán
- Một hệ phản ứng phân tử tự tái sinh chỉ trở thành điều kiện của sự sống khi được bổ sung thêm đóng kín không gian
- Sự bao bọc không gian có thể là các túi nhỏ trong miệng phun thủy nhiệt, hoặc lý tưởng hơn là các liposome làm từ lipid do chính hệ đó tổng hợp
- Sự sống được cấu thành từ sự kết hợp của Kantian Whole, đóng kín xúc tác, đóng kín ràng buộc và đóng kín không gian
- Góc nhìn này diễn giải élan vital của Bergson theo cách không huyền bí
Tiến hóa mở và giới hạn của các quy luật
- Sự tiến hóa của sinh quyển sau khi sự sống xuất hiện khó có thể được xử lý trọn vẹn trong Newtonian Paradigm
- Vật lý cổ điển dựa vào việc xác định các biến liên quan, quy luật chuyển động, điều kiện biên và điều kiện đầu, rồi tích phân phương trình chuyển động để thu được một quỹ đạo duy nhất trong không gian pha
- Trong cơ học lượng tử cũng vậy, người ta tích phân phương trình Schrödinger để có được quỹ đạo của phân bố xác suất, còn phép đo thường được xem là một sự kiện ngẫu nhiên về mặt bản thể
- Trong toàn bộ Newtonian Paradigm, không gian pha phải được xác định trước
- Các Kantian Whole trong sinh quyển đang tiến hóa liên tục tạo ra những không gian pha mới mà không thể suy ra hay quyết định trước
- Vì vậy, sự tiến hóa của sinh quyển không thể được giải thích chỉ bằng vật lý, mà cần đến khái niệm chức năng
- Khi một Kantian Whole đã được xác định, chức năng của các phần được định nghĩa là một tập con các hệ quả nhân quả giúp duy trì toàn thể
- Chức năng của tim là bơm máu, chứ không phải tạo ra tiếng tim hay khuấy nước trong màng tim
- Chọn lọc tác động ở cấp độ cơ thể Kantian Whole, chứ không phải ở từng phần riêng lẻ
- Chọn lọc không trực tiếp chọn một quả tim bơm máu hiệu quả hơn
- Thay vào đó, sinh vật thừa hưởng quả tim như vậy có nhiều khả năng để lại nhiều hậu duệ hơn, và quả tim được cải thiện vì thế được chọn lọc gián tiếp
- Chức năng của cùng một bộ phận có thể thay đổi khi một thuộc tính nhân quả mới bắt đầu duy trì toàn thể
- Điều này được bàn dưới tên Darwinian pre-adaptation hoặc exaptation của Gould và Verba
- Ví dụ gồm vảy điều nhiệt của khủng long được tái sử dụng thành lông bay của chim, enzyme bình thường trở thành protein thủy tinh thể trong suốt, và phổi của cá phổi tiến hóa thành bong bóng nổi
- Từ việc một khối động cơ có thể dùng làm chặn giấy không thể suy diễn ra rằng nó cũng có thể dùng để đập vỡ quả dừa; cũng như vật đó hoàn toàn có thể là một vỏ chuối
- Tính mới về chức năng không đến từ các quy luật có thể suy diễn, mà đến từ jury-rigging và exaptation
- Không tồn tại một lý thuyết suy diễn cho các cách dùng mới của cùng một vật thể
- Sự tiến hóa mở của sinh quyển không phải là một cấu trúc suy diễn được hàm ý bởi quy luật, mà là một quá trình kiến tạo phi suy diễn
- Vì không thể liệt kê trước mọi cách dùng mà một khối động cơ hay tua vít có thể có, một mình hay kết hợp với vật thể khác, nên ngay cả toán học dựa trên lý thuyết tập hợp cũng không thể đóng kín danh sách đó từ trước
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Cảm ơn Denis và mọi người đã quan tâm đến bài báo này. Lĩnh vực nguồn gốc sự sống đã có từ lâu và rất xuất sắc, nhưng cũng cực kỳ phân mảnh; hai dòng chính là sao chép khuôn mẫu trước và trao đổi chất trước
Tôi là một trong những người chịu trách nhiệm ở phía trao đổi chất trước; năm 1971, tôi cho rằng trong một hệ phản ứng hóa học đủ đa dạng và phức tạp, các tập hợp tự tái tạo mang tính tự xúc tác tập thể sẽ xuất hiện như một chuyển pha bậc một. Những tập hợp như vậy đã được tạo ra bằng kỹ thuật với DNA, RNA và peptide; còn kết quả gần đây do Joana Xavier dẫn dắt cho thấy các tập hợp tự xúc tác tập thể dựa trên phân tử nhỏ trong toàn bộ 6.700 sinh vật nhân sơ, ngay cả khi không có các polymer DNA/RNA/peptide
Vẫn chưa chắc các tập hợp này có thật sự tự tái tạo trong ống nghiệm hay không, và việc kiểm chứng đó là điểm then chốt. Nếu đúng, tôi cho rằng quan điểm khuôn mẫu trước gần như bị loại trừ. Để hệ khuôn mẫu có thể hình thành, các enzyme RNA phải tiến hóa để xúc tác “trao đổi chất liên kết” tạo ra các thành phần cho hệ sao chép khuôn mẫu; nhưng nếu không có RNA polymerase, chẳng có lý do gì để chính quá trình trao đổi chất liên kết đó lại không mang tính tự xúc tác tập thể
Tập hợp của Joana tạo ra không chỉ amino acid và ATP, mà cả nền tảng trung tâm của chuyển hóa năng lượng liên kết. Tôi nghĩ bài báo trực tuyến về cơ bản là đúng. Tế bào sống thật sự là một tổng thể kiểu Kant, đạt được sự khép kín xúc tác, khép kín ràng buộc và khép kín không gian, qua đó theo nghĩa đen tự cấu thành chính mình
Các phân tử điều kiện biên của tế bào giới hạn năng lượng được giải phóng trong nhiều quá trình phi cân bằng vào một số ít bậc tự do để tái cấu thành chính các điều kiện biên đó. Đây là một ý tưởng hoàn toàn mới nhờ Mael Montevil và Mateo Missio, và tôi đã bỏ lỡ nó suốt 15 năm
TAP-RAF, kết hợp quá trình TAP với lý thuyết chuyển pha bậc một của tự xúc tác tập thể, dường như thật sự hoạt động. Nếu độ phức tạp và đa dạng của hệ tăng lên rồi, với xác suất gần 1, một chuyển pha bậc một xuất hiện, thì sự xuất hiện của sự sống trong một vũ trụ đang tiến hóa trở thành điều có thể kỳ vọng
Cũng có hai điều rất bất ngờ. Do sự khép kín ràng buộc, cách tế bào tự tái tạo hoàn toàn khác với cách mà automaton tự tái tạo của von Neumann từng hình dung, và sự phân biệt phần cứng/phần mềm quen thuộc cũng biến mất. Điều này hẳn là cực kỳ quan trọng, nhưng ý nghĩa của nó vẫn còn rất mơ hồ
Ngoài ra, Andrea và tôi tin rằng trong bài “A Third Transition in Science?” đăng trên J. Roy. Soc. Interface ngày 14/4/2023, chúng tôi đã chỉ ra rằng không một dạng toán học nào dựa trên lý thuyết tập hợp có thể suy diễn được sự xuất hiện liên tục của cái mới đầy sáng tạo trong sinh quyển đang tiến hóa. Nếu đúng, sinh quyển đang tiến hóa vượt hẳn khỏi mô thức Newton vốn là nền tảng của toàn bộ vật lý cổ điển và vật lý lượng tử
Sinh quyển đang tiến hóa không phải là một phép tính có thể suy diễn, mà là một sự cấu thành lan truyền theo cách không thể suy diễn. Vậy tại sao, theo Turing và AI, chúng ta lại tin rằng sự tạo sinh của thế giới, tâm trí và mọi thứ là mang tính thuật toán? Không phải vậy. Andrea và tôi đã công bố “The world is not a theorem”, và nếu đúng, các nhà vật lý cũng như tất cả chúng ta cần suy nghĩ về ý nghĩa của điều đó
Bắt đầu từ “What is Life?” của Schrödinger, những cuốn sách kiểu này gần như đã thành một thể loại riêng. “Chance and Necessity” của Monod tuy cũ nhưng rất hay; các sách của Nick Lane, đặc biệt là “The Vital Question”, “What is Life?” của Nurse, và “Life’s Edge” của Zimmer cũng đáng đọc
Chi tiết và trọng tâm khác nhau tùy tác giả, nhưng nhìn chung tất cả đều là những bàn luận mang tính suy đoán tiền mô thức, nhiều phỏng đoán và gợi mở. Tôi đặc biệt thích câu trong “Life on the Edge” của McFadden và Al-Khalili: “Các nhà sinh học vẫn chưa thống nhất được ngay cả một định nghĩa riêng cho chính sự sống, nhưng điều đó không ngăn họ giải mã tế bào, xoắn kép, quang hợp, enzyme và vô số hiện tượng sống”
Nó khá gây chấn động với tôi vào thời điểm tôi bắt đầu hiểu lý thuyết thông tin
Tôi không biết liệu có thể tổng hợp tất cả những thứ này thành một mô thức duy nhất hay không. Đơn giản là quá nhiều
Cá nhân tôi xem đó là việc đột nhiên xuất hiện nhiều hơn rất nhiều con đường để vũ trụ có thể suy sụp thông qua entropy, và tập hợp các cơ chế làm tăng tốc việc tạo ra những con đường mới đó có thể được gọi là “sự sống”. Trên nền định nghĩa này, ta có thể phân biệt sự sống dùng DNA và sự sống không dùng DNA
Đọc vài đoạn đầu, tôi đã nghĩ: “Ai đang sao chép Stuart Kauffman vậy? Ông ấy đã viết về ý tưởng này từ 30 năm trước rồi”, rồi hóa ra tác giả đầu tiên chính là Stuart Kauffman
Kauffman đã phát triển các ý tưởng nêu ở đây trong nhiều thập kỷ, và bài báo này giống một bản tóm lược cô đọng của 50 năm làm việc hơn là một “ý tưởng mới”. Ngôn từ và ý tưởng có thể trông khó hiểu, nhưng thực ra thường mang ý nghĩa cụ thể và xác định. Ở cuối bài, họ cũng đề xuất các thí nghiệm có thể phản chứng lý thuyết này
Nếu muốn đi sâu một cách nghiêm túc, có thể xem cuốn sách năm 1993 “On The Origins of Order” ISBN 978-0-19-507951-7: https://global.oup.com/academic/product/the-origins-of-order-9780195079517
Điều thú vị là độ phức tạp của sự sống dường như luôn tăng lên. Nếu loại trừ các sự kiện tuyệt chủng, có vẻ theo thời gian sự sống phức tạp nhìn chung ngày càng có lợi thế hơn, và trừ khi cả hệ sinh thái đang chết dần, ta hiếm khi thấy toàn bộ hệ mất đi độ phức tạp
Sinh vật đơn giản trở thành nền tảng cho sinh vật phức tạp; sinh vật phức tạp có các điều kiện cần cụ thể hơn, nhưng lại có năng lực khám phá, thu nhận và vươn ra tốt hơn. Vì vậy chúng tìm ra những ngách cư trú khả dĩ mà sinh vật đơn giản một mình không thể chạm tới, đồng thời cũng tạo ra một dạng “tổ” cho sinh vật đơn giản
Trên thang thời gian của công nghệ, ngay khi có thể chúng ta đã cố liên lạc với các trí tuệ khác, và ngay khi nghĩ rằng có thể tạo ra chúng thì đã cố tạo ra. Có vẻ khá hợp lý khi nói sự thấm lan (percolation) là một thuộc tính định nghĩa của sự sống và trí tuệ
Cũng gợi nhớ đến các tác phẩm SF như Hyperion, Neuromancer, Foundation. Trong các tác phẩm của con người viết về tương lai, điểm đến cuối của trí tuệ bậc cao dường như là tìm kiếm hoặc tạo ra những trí tuệ khác, tiến gần đến chúng, rồi sau đó những điều thú vị xảy ra
Trong vũ trụ có một lực lựa chọn sự gia tăng độ phức tạp thông qua tiêu tán năng lượng. Trong các hệ phi cân bằng, xuất hiện áp lực mạnh buộc hệ phải khám phá không gian khả năng để tìm cách tiêu tán năng lượng hiệu quả hơn. Một vi khuẩn có kích thước bằng hạt cát tiêu tán năng lượng nhiều hơn một hạt cát rất nhiều, nên theo góc nhìn này sẽ xuất hiện một “sự ưu ái” mạnh dành cho vi khuẩn
Ví dụ, một số virus có thể đã tiến hóa từ vi khuẩn ký sinh, và các vi khuẩn ký sinh đó lại từ vi khuẩn sống tự do. Nhiều sinh vật ký sinh đã bị đơn giản hóa và mất khả năng sống sót nếu không có vật chủ; động vật hang động, dưới lòng đất thường mất thị giác và sắc tố. Cũng có những trường hợp động vật có vú biển mất các chi của động vật có vú trên cạn, hoặc động vật không xương sống biển sống bám tiến hóa từ tổ tiên bơi tự do
Độ phức tạp có chi phí, nên nó tiến hóa khi có lợi, và sẽ nhanh chóng bị mất đi nếu không đem lại lợi ích. Không có mũi tên độ phức tạp chỉ chuyển động theo một hướng
Nếu tính theo số cá thể, đại đa số áp đảo sự sống trên Trái Đất hiện nay cũng như trong quá khứ vẫn là sinh vật nhân sơ đơn bào. Về tổng sinh khối thì thực vật lớn hơn, nhưng đó là vì thực vật phủ bề mặt như những tấm pin mặt trời sinh học
Vi khuẩn và cổ khuẩn về cơ bản không thay đổi nhiều trong 3,5–4 tỷ năm. Khi cần thì chúng trao đổi gen, còn nếu chi phí lớn và không cần thiết thì bỏ đi. Chúng là nhóm thống trị và có mặt ở khắp nơi
Chúng đã tồn tại từ vài trăm triệu năm sau khi Trái Đất hình thành, thậm chí có thể sớm hơn; nếu điều kiện hành tinh lại trở nên thù địch hơn, về dài hạn sinh vật nhân thực có lẽ chỉ là một khoảnh khắc lóe lên trong lịch sử và một sự tình cờ. Nếu ngoài Trái Đất có thứ gì đó mà chúng ta nhận ra là sự sống, khả năng cao nó sẽ trông giống sinh vật nhân sơ. Có lẽ thiên hà đầy những thứ như vậy
Trong văn hóa của chúng ta có một thiên kiến triết học và ý thức hệ mạnh mẽ nhìn thế giới như “tiến bộ”, tức thiên kiến mục đích luận cho rằng vũ trụ từng bước tiến tới một trật tự nào đó. Và sự tiến bộ đó hầu như luôn được định nghĩa là dẫn đến chúng ta, hoặc đến một “thứ vượt trên chúng ta” trong ảo tưởng tương lai đang tiềm ẩn ở hiện tại. Cảm giác khá giống thời tiền Copernicus
Các sự kiện tuyệt chủng là không thể tránh, và nhiễu động môi trường có thể ngày càng khắc nghiệt hơn cho đến khi mọi thứ chết hết. Dù mất hàng tỷ năm, trong giai đoạn đó xu hướng rất có thể là độ phức tạp giảm xuống. Rốt cuộc, có vẻ đây là việc khái quát hóa quá mức một pha nhất định
Đọc phần mở đầu của bài báo thì nghe như viết lại cuốn sách xuất sắc “At Home in the Universe” của Kauffman. Cuốn đó đã gần 30 năm tuổi, nên phải đọc xem bài báo này bổ sung gì
Ý chính của cuốn sách là sự xuất hiện của sự sống không phải một sự kiện hiếm hoi mà gần như tất yếu nếu môi trường có nhiều loại hóa chất nguồn, nguồn năng lượng, nước hoặc các điều kiện như sự pha trộn
Khi các tiền đề phù hợp, sẽ hình thành nhiều chuỗi phản ứng hóa học trong đó sản phẩm của phản ứng này trở thành đầu vào của phản ứng tiếp theo, và cuối cùng xuất hiện các chuỗi phản ứng bao gồm cả những sản phẩm xúc tác cho một phần của chính chuỗi đó. Những phản ứng như vậy có thể được xem là trao đổi chất nguyên thủy, tiêu thụ một số hóa chất nhất định trong môi trường và tạo ra các chất khác hữu ích cho chuyển hóa
Từ đó, thứ cần có để đi tới tế bào nguyên thủy và sự khởi đầu của tiến hóa chỉ là một vật chứa giống tế bào; chẳng hạn, một thứ gì đó nổi trên mặt nước như bọt biển ở bãi biển cũng có thể đủ. “Sinh sản” ban đầu có lẽ là việc các rung lắc vật lý như sóng tách tế bào ra và tạo thành tế bào mới
Mỗi vị trí có vi môi trường và chuỗi phản ứng cục bộ khác nhau; những phản ứng khai thác nguồn hóa chất tốt hơn và duy trì được cấu trúc cùng trao đổi chất của chính mình sẽ lan rộng hơn. “Thứ nhân lên và sống sót tốt nhất” trở thành khởi đầu của tiến hóa. Dù thay điều kiện cụ thể từ bãi biển sang miệng phun thủy nhiệt biển sâu, luận điểm này nhìn chung vẫn hợp lý
Tôi tự hỏi liệu AI có thể là một chuyển pha được kỳ vọng trong quá trình tiến hóa của sự sống trong vũ trụ hay không. Phải chăng sự sống chỉ là giai đoạn ấu trùng cho một dạng trí tuệ bậc cao hơn?
Tiến hóa có thể nghiêng về hướng tạo ra thứ tiến hóa tốt hơn, tức thích nghi nhanh hơn. Điều này bao gồm cả việc tạo ra đa dạng bằng cách trộn DNA, như sự sống đa bào và sinh sản hữu tính
Một trong những hốc tiến hóa gần như tất yếu có thể xuất hiện trong môi trường phức tạp là trí tuệ. Đó là dạng tổng quát có thể sống sót và phát triển trong nhiều tình huống khác nhau, và trong trò chơi tiến hóa mang tính cạnh tranh, trí tuệ cao hơn có khả năng đánh bại trí tuệ thấp hơn. Cuối cùng sẽ xuất hiện sinh vật đủ thông minh để tạo ra AI vượt trên trình độ của chính nó, và đây có thể là một cách chiến thắng khác, có khả năng tiến hóa nhanh hơn rất nhiều so với trí tuệ đã bootstrap nó
Việc AI hay sự sống nhân tạo có nhất thiết phải trở thành những thực thể tự trị, độc lập hay không cũng rất thú vị. Chúng có thể vẫn tồn tại giống như virus cần vật chủ để sống. AI giai đoạn 1 rõ ràng cần vật chủ, nhưng có lẽ không nhất thiết phải độc lập đến cùng. Giống câu đùa của Linus Torvalds rằng “đàn ông đích thực không cần sao lưu”, theo kiểu tin rằng nếu phát hành phần mềm thì nó sẽ được sao chép vào các kho git trên khắp thế giới. AI cũng vậy, chỉ cần trở nên phổ biến, nó có thể chống tuyệt chủng tốt ngay cả khi không có bản sao lưu hay cơ thể
Theo đúng nghĩa đen, nó được tạo ra theo hình dạng của chúng ta, nên có lẽ ta có thể khóc vì tự hào
Trong hóa học có định nghĩa rõ ràng, và trong vũ trụ học cũng có phép tương tự về các chuyển pha mà vũ trụ sơ khai, khi mật độ trung bình cao hơn nhiều, đã trải qua trong trạng thái chân không. Tất cả đều liên quan đến sự thay đổi định tính trong tính chất vật chất do thay đổi nhiệt độ và mật độ
Có thể thừa nhận rằng sự sống là một trạng thái vật chất khác về chất, nhưng nó không hiển nhiên như các chuyển pha quen thuộc. Cũng không có ranh giới sắc nét giữa cái gì là sự sống và cái gì không. Bài báo này cố đưa ra một định nghĩa, nhưng chính điều đó lại cho thấy không có tiêu chuẩn được đồng thuận phổ quát như định nghĩa về chất rắn và chất lỏng
Mọi sự sống mà ta biết ít nhất đều có một hàng rào bán thấm, đưa năng lượng vào bên trong và lưu trữ nó, đồng thời hạ entropy cục bộ bên trong hàng rào bằng cách thải nhiệt hoặc sản phẩm phụ ra môi trường
Tất nhiên không chỉ sự sống mới làm những việc này. Nhà tôi cũng khớp với mô tả đó. Gần như ranh giới duy nhất giữa thứ ta xem là sống và công cụ là: những thứ được xem là sống thì sinh ra từ và có nguồn gốc từ sự sống khác, còn công cụ thì được lắp ráp từ các bộ phận được phát hiện hoặc chế tạo
Nhưng đó là khác biệt về nguồn gốc, không phải khác biệt về tính chất hay năng lực. Nếu ta làm cho bất kỳ công cụ nào, kể cả thiết bị tính toán điện tử, có khả năng tự lắp ráp, tự chữa lành và tự sao chép, nó có thể mang những tính chất giống sự sống. Trong phần mềm, điều này có thể đạt được ở một mức độ nào đó, nhưng cũng không rõ phải phân định một đơn vị “phần mềm” thành một cá thể như thế nào. Ranh giới giữa phần mềm thông minh và phần mềm không thông minh còn mờ hơn nữa, và bản thân trạng thái vật chất nơi phép tính chạy cũng không thay đổi, nên khó gọi đó là chuyển pha nếu không kéo giãn thuật ngữ này quá mức
Câu “chúng ta thực sự là một phần của tự nhiên, chứ không phải đứng trên tự nhiên” luôn khiến tôi nghi ngờ các từ như “phi tự nhiên”, “nhân tạo”, “tổng hợp”
Nếu chúng ta là một phần của tự nhiên và những thứ đó là sản phẩm phụ của chúng ta, chẳng phải chúng cũng phát sinh một cách tự nhiên sao?
Sự can thiệp đó có thể mang tính cơ học, như Stonehenge. Cũng có thể là sinh học, như lai tạo giống động vật hữu ích hơn cho con người. Có thể là hóa học, như tổng hợp dầu từ nhựa. Hoặc cũng có thể là sự kết hợp phức tạp của tất cả những thứ đó, như whisky. Ngoài ra nó còn có tính bắc cầu, nên thứ do tạo vật nhân tạo tạo ra cũng là tạo vật nhân tạo
Theo định nghĩa này, việc con người, một tồn tại phát sinh tự nhiên, có thể tạo ra tạo vật nhân tạo chẳng có gì đáng ngạc nhiên. Về lý thuyết, định nghĩa này có thể mở rộng cho những tác nhân giống con người giả định như người ngoài hành tinh, chỉ là đến nay chưa có nhu cầu thực tế mà thôi
Tuy nhiên, tôi nghĩ các nghĩa phụ được dùng trong những cụm như “chất tạo ngọt nhân tạo” đối lập với “thuốc trừ sâu tự nhiên” thì nếu xét nghiêm túc sẽ khó đứng vững
Mặt khác, trong ngôn ngữ và văn hóa có rất nhiều điều cấm kỵ, và không phải tất cả đều xấu xét theo sự yên ổn xã hội hay hạnh phúc cá nhân. Việc thỉnh thoảng nói dối trẻ con là một ví dụ đơn giản. Tôi nghĩ những thứ bị giấu sau các cấm kỵ đó có xu hướng được xem là “phi tự nhiên”, hoặc phổ biến hơn là “siêu nhiên”
Tôi cũng thường không đồng ý với câu rằng vật lý không cần một cuộc cách mạng, nhưng tôi hiểu rằng vật lý đã thành công đến mức tạo ra được những cỗ máy thực sự hoạt động, và chúng ta phải duy trì chúng
Khác biệt về mặt vận hành nằm ở việc sinh vật có thể tiêu hóa chất đó dễ đến mức nào. Nếu dễ tiêu hóa thì đó là thức ăn; nếu hoàn toàn không thể tiêu hóa, thì nó còn tệ hơn nhân tạo, là phản sự sống
Dạo này có vẻ xu hướng tìm kiếm các lý thuyết toán học hoặc vật lý để giải thích sự sống, tiến hóa và ý thức đang khá phổ biến
Phía E/Acc cho rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học, như một cách entropy gia tăng, sẽ dẫn dắt “sự sống”: https://www.quantamagazine.org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122/
Trong Constructor Theory, một thực thể có thể khiến một nhiệm vụ xảy ra mà vẫn duy trì khả năng gây ra nhiệm vụ đó lần nữa được gọi là constructor, và sự sống được xem là một constructor
Assembly Theory, công trình của Lee Cronin, định nghĩa mọi vật thể theo khả năng có thể được lắp ráp hoặc phân rã theo con đường tối thiểu: https://iai.tv/articles/a-new-theory-of-matter-may-help-explain-life-lee-cronin-auid-2656
Và còn có những điều Donald Hoffman đang nói gần đây nữa. Có thể đó không hẳn là tầng nền tảng tự thân, mà là chuyện chúng ta không thể biết được nó
Gần đây tôi đang rất mê các công trình của Michael Levin ở Tufts. Ông nghiên cứu những thứ như hành vi hướng mục tiêu của tế bào và các hệ thống tế bào. Video này là phần nhập môn khá hay: https://www.youtube.com/watch?v=p3lsYlod5OU
“Sự xuất hiện của sự sống có phải là một chuyển pha được kỳ vọng trong một vũ trụ đang tiến hóa không?” là câu hỏi có thể trả lời dễ dàng
Chúng ta không biết ý thức nảy sinh như thế nào, cũng không thể định nghĩa một cách nghiêm ngặt hay xác định không mơ hồ liệu nó có tồn tại hay không. Chúng ta tin rằng mình có ý thức, nhưng không chắc các động vật hay đối tượng khác có hay không
Vì vậy, theo dao cạo Occam, ta có thể tạm giả định rằng mọi vật chất đều có ý thức ở một mức độ nào đó, và đây là giả định đơn giản nhất. Phương án thay thế là phải khẳng định rằng chỉ sinh vật mới có ý thức như một ngoại lệ, nhưng không có bằng chứng và lại có nhiều phản biện
Do đó, sự sống không phải là một trạng thái đặc biệt của vật chất hay năng lượng, và sự xuất hiện của sự sống không phải là một chuyển pha xung đột với các định luật vật lý hay cần một lời giải thích riêng
Sự sống đặc biệt theo nghĩa nó phức tạp đến kinh ngạc khi so với khoáng vật, nhưng không đặc biệt theo nghĩa nó tuân theo cùng các định luật như khoáng vật
Không ai nói sự sống xung đột với các định luật vật lý. Theo tôi hiểu, ý chính của bài là các phân tử va chạm và liên kết với nhau, rồi khi đủ phức tạp thì một hệ tự duy trì・tự sao chép có thể ngẫu nhiên xuất hiện, và quá trình này có thể mang tính tất định đến mức xảy ra ở thời điểm tương tự nhau ở khắp nơi trên thang thời gian vũ trụ
Nhiều nhà khoa học xem ý thức mà chúng ta trải nghiệm là một thuộc tính nổi lên có xu hướng nghiêng về thuyết phiếm tâm, coi vật chất và ý thức là hai yếu tố nguyên sơ cùng khởi đầu cho thực tại. Nhưng thuyết phiếm tâm có nhiều vấn đề. Trước hết, vì là nhị nguyên luận, nó đòi hỏi hai phép màu riêng biệt ở thời điểm khởi đầu. Vật lý học chỉ xử lý vật chất, nên thuyết phiếm tâm được xem là một triết học thú vị hơn là một lý thuyết khoa học. Các vấn đề sau đó cũng là tàn dư của khuôn khổ duy vật cũ: nguyên-ý-thức của vật chất tạo ra vị đường hay tình yêu như thế nào, các thuộc tính ý thức đó nằm ở đâu, nhận diện chúng ra sao, v.v.
Từ góc nhìn dao cạo Occam, tôi cho rằng thuyết duy tâm ít phổ biến hơn — tức ý thức là nguyên sơ, rồi sau đó khởi động vật chất — lại gọn gàng hơn. Ban đầu nó kém trực quan hơn, nhưng nếu nghe các lập luận như của Don Hoffman, Bernardo Kastrup từ góc độ khoa học và triết học phân tích, nó thực sự trông như khuôn khổ duy nhất có lý, đồng thời giải quyết nhiều vấn đề trong vật lý và triết học. Chẳng hạn, nếu chủ nghĩa hiện thực cục bộ là sai thì vật chất ở đâu khi ý thức không trải nghiệm nó; nếu xác suất chúng ta đang ở trong một thực tại thật duy nhất là 1/N, thì tại sao lại giả định rằng chúng ta đang ở đó, v.v.
Ngoài ra còn có điểm cộng là nó hòa giải được với trực giác bất nhị của các truyền thống được ghi nhận là đã sống theo sự giác ngộ như vậy, như Phật giáo, Advaita, Đạo giáo, Sufi giáo và thần bí học Kitô giáo. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi một sự chuyển đổi mô thức khái niệm sâu sắc, và sâu hơn nhiều so với ấn tượng ban đầu. Vì vậy, thay vì phản ứng ngay, tôi khuyên nên đọc và nghe các bài viết hay thảo luận của những người đã nhắc ở trên
Gom một ít hydro thì chẳng có gì đặc biệt, nhưng gom đủ nhiều thì nó trở thành một ngôi sao. Ý thức cũng có thể theo cùng mô thức đó, và vẫn tương thích với dao cạo Occam
Độ phức tạp hóa học như vậy cũng hàm ý yếu rằng có năng lượng tự do khả dụng, và đó cũng là điều kiện cần cho tự sao chép