Il ruolo della funzione e della selezione nei sistemi in evoluzione

Un articolo pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences descrive “una legge della natura mancante”, riconoscendo per la prima volta un’importante norma all’interno del funzionamento del mondo naturale.

L’evoluzione coinvolge tutto l’universo

In sostanza, la nuova legge afferma che i sistemi naturali complessi evolvono verso stati di maggiore strutturazione, diversità e complessità. In altre parole, l’evoluzione non si limita alla vita sulla Terra, ma si verifica anche in altri sistemi estremamente complessi, dai pianeti e le stelle agli atomi, ai minerali e altro ancora.

L’articolo è stato scritto da un team di nove membri: scienziati della Carnegie Institution for Science, del California Institute of Technology (Caltech) e della Cornell University, e filosofi dell’Università del Colorado.

Le leggi “macroscopiche” della natura descrivono e spiegano i fenomeni sperimentati quotidianamente nel mondo naturale. Le leggi naturali relative alle forze e al movimento, alla gravità, all’elettromagnetismo e all’energia, ad esempio, furono descritte più di 150 anni fa.

Il nuovo lavoro presenta un’aggiunta moderna: una legge macroscopica che riconosce l’evoluzione come una caratteristica comune dei sistemi complessi del mondo naturale, che sono caratterizzati come segue:

• Sono formati da molti componenti diversi, come atomi, molecole o cellule, che possono essere disposti e riorganizzati ripetutamente
• Sono soggetti a processi naturali che danno luogo alla formazione di innumerevoli assetti diversi
• Solo una piccola frazione di tutte queste configurazioni sopravvive in un processo chiamato “selezione per funzione”.

Indipendentemente dal fatto che il sistema sia vivente o non vivente, quando una nuova configurazione funziona bene e la funzione migliora, avviene l’evoluzione.

La “Legge sull’incremento dell’informazione funzionale” degli autori afferma che il sistema si evolverà “se molte diverse configurazioni del sistema subiscono la selezione per una o più funzioni“.

“Una componente importante di questa proposta di legge naturale è l’idea di ‘selezione per la funzione’“, afferma il dottor Michael L. Wong, astrobiologo della Carnegie, primo autore dello studio.

Nel caso della biologia, Darwin equiparava la funzione principalmente alla sopravvivenza, ovvero la capacità di vivere abbastanza a lungo da produrre una prole fertile. Il nuovo studio amplia questa prospettiva, sottolineando che in natura si verificano almeno tre tipi di funzioni.

La funzione più elementare è la stabilità: le disposizioni stabili di atomi o molecole vengono selezionate per continuare. Vengono scelti per persistere anche i sistemi dinamici con forniture continue di energia.

La terza e più interessante funzione è la “novità“: la tendenza dei sistemi in evoluzione a esplorare nuove configurazioni che a volte portano a nuovi comportamenti o caratteristiche sorprendenti.

La storia evolutiva della vita è ricca di novità: la fotosintesi si è evoluta quando le singole cellule hanno imparato a sfruttare l’energia luminosa, la vita multicellulare si è evoluta quando le cellule hanno imparato a cooperare e le specie si sono evolute grazie a nuovi comportamenti vantaggiosi come nuotare, camminare, volare e pensare.

Lo stesso tipo di evoluzione avviene nel regno minerale. I primi minerali rappresentano disposizioni particolarmente stabili di atomi. Quei minerali primordiali fornirono le basi per le successive generazioni di minerali, che parteciparono alle origini della vita. L’evoluzione della vita e dei minerali è intrecciata, poiché la vita utilizza i minerali per realizzare conchiglie, denti e ossa.

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In effetti, i minerali presenti Terra, che all’alba del nostro sistema solare erano circa 20, oggi sono quasi 6.000 grazie a processi fisici, chimici e, in ultima analisi, biologici sempre più complessi nell’arco di 4,5 miliardi di anni.

Nel caso delle stelle, l’articolo rileva che solo due elementi principali – idrogeno ed elio – formarono le prime stelle poco dopo il big bang. Quelle prime stelle usavano idrogeno ed elio per produrre circa 20 elementi chimici più pesanti. E la successiva generazione di stelle si è basata su quella diversità per produrre quasi 100 elementi in più.

“Charles Darwin ha articolato in modo eloquente come le piante e gli animali si evolvono attraverso la selezione naturale, con molte variazioni e caratteristiche degli individui e molte configurazioni diverse“, afferma il coautore Robert M. Hazen della Carnegie Science, uno dei leader della ricerca.

“Noi sosteniamo che la teoria darwiniana sia solo un caso molto speciale e molto importante all’interno di un fenomeno naturale molto più ampio. L’idea che la selezione per la funzione guida l’evoluzione si applica ugualmente alle stelle, agli atomi, ai minerali e a molte altre situazioni concettualmente equivalenti soggette alla pressione selettiva di molte configurazioni“.

Gli stessi coautori rappresentano una configurazione multidisciplinare unica: tre filosofi della scienza, due astrobiologi, un data scientist, un mineralogista e un fisico teorico.

Il dottor Wong ha affermato: “In questo nuovo articolo, consideriamo il concetto di evoluzione nel senso più ampio – cambiamento nel tempo – che va oltre l’evoluzione darwiniana basata sui particolari della ‘discesa con modificazioni’“.

“L’universo genera nuove combinazioni di atomi, molecole, cellule, ecc. Quelle combinazioni che sono stabili e possono generare ancora più novità continueranno ad evolversi. Questo è ciò che rende la vita l’esempio più eclatante di evoluzione, ma l’evoluzione è ovunque“.

Tra le molte implicazioni, il documento offre:

1. Comprendere come sistemi diversi possiedano gradi diversi ai quali possono continuare ad evolversi. La “complessità potenziale” o la “complessità futura” sono state proposte come metrica di quanto più complesso potrebbe diventare un sistema in evoluzione
2. Approfondimenti su come il tasso di evoluzione di alcuni sistemi può essere influenzato artificialmente. La nozione di informazione funzionale suggerisce che il tasso di evoluzione in un sistema potrebbe essere aumentato in almeno tre modi: (1) aumentando il numero e/o la diversità degli agenti interagenti, (2) aumentando il numero di diverse configurazioni del sistema; e/o (3) aumentando la pressione selettiva sul sistema (ad esempio, nei sistemi chimici mediante cicli più frequenti di riscaldamento/raffreddamento o bagnatura/asciugatura).
3. Una comprensione più profonda delle forze generatrici dietro la creazione e l’esistenza di fenomeni complessi nell’universo e il ruolo delle informazioni nel descriverli.
4. Una comprensione della vita nel contesto di altri sistemi complessi in evoluzione. La vita condivide alcune equivalenze concettuali con altri sistemi complessi in evoluzione, ma gli autori indicano una direzione di ricerca futura, chiedendo se c’è qualcosa di distinto nel modo in cui la vita elabora le informazioni sulla funzionalità (vedi anche https://royanchecietypublishing.org/doi/10.1098/rsif .2022.0810 ).
5. Aiutare la ricerca della vita altrove: se esiste una demarcazione tra vita e non vita che ha a che fare con la selezione per la funzione, possiamo identificare le “regole della vita” che ci permettono di discriminare quella linea di demarcazione biotica nelle indagini astrobiologiche?
6. In un momento in cui l’evoluzione dei sistemi di intelligenza artificiale costituisce una preoccupazione crescente, una legge predittiva dell’informazione che caratterizzi il modo in cui si evolvono sia i sistemi naturali che quelli simbolici è particolarmente interessante.