Evrimin canlı varlıklarla sınırlı olmadığını, atomlardan yıldızlara ve minerallere kadar tüm karmaşık doğal sistemleri kapsadığını düşünürsek nasıl bir sistem ortaya çıkar?

Evren karmaşık ve sürekli gelişen sistemlerle doludur, ancak mevcut makroskobik fiziksel yasalar bu sistemleri yeterince tanımlamıyor gibi görünüyor. Birbirinden farklı olgular arasındaki kavramsal eşdeğerliklerin belirlenmesinin, daha önceki doğa yasalarını geliştirmek için temel teşkil ettiğinin bilincinde olarak, gelişen sistemler arasındaki eşdeğerlikleri arayarak olası bir "eksik yasaya" yaklaşıyoruz.

PNAS (Ulusal Bilimler Akademisi)'de yayınlanan bir makale evrimi sadece yaşamın değil, tüm doğal dünyanın karmaşık sistemlerinin bir özelliği olarak kabul eden bir yasayı ele aldı: Doğanın Kayıp Yasası.

Gözlemlenebilir doğa olaylarının zengin çeşitliliği klasik fizik yasalarıyla açıklanmaktadır. Gezegenlerin eliptik yörüngeleri, buhar motorlarının davranışları, beyaz ışığın bir prizma tarafından renk spektrumuna bölünmesi, elektrik akımının yanına yerleştirilen pusula iğnesinin hareketi, bunların hepsi doğrudan bu ifadelerden kaynaklanmaktadır. Paragrafın sonunda yer alan yasalar, bilim insanlarının bugüne kadar keşfettiği en önemli ifadelerden bazılarıdır ve kesin bir listeye neyin dahil edileceği konusunda anlaşmazlıklar olsa da, artan "karmaşıklık" yasasının eksik olduğu açıkça görülmektedir. Bu nedenle, cevaplanmamış önemli bir soru, şu ana kadar ifade edilen doğa yasalarının, gerekli arka plan varsayımları ve başlangıç koşullarıyla birlikte, kolaylıkla gözlemlenen tüm doğa olaylarını kodlamak için yeterli olup olmadığıdır.

(*1. Birinci hareket yasası: Bir cisim, üzerine uygulanan kuvvetler tarafından bu durumu değiştirmeye zorlanmadıkça, düz bir çizgide durgun veya düzgün hareket halinde kalmaya devam edecektir.
2. İkinci hareket yasası: Kuvvet eşittir kütle X ivme.
3. Üçüncü hareket yasası: Her etki kuvvetine eşit ve zıt bir tepki kuvveti vardır.
Newton'un yer çekimi yasası    
4. Herhangi iki nesne arasında, iki kütlenin çarpımının aralarındaki mesafenin karesine bölünmesiyle orantılı bir çekim kuvveti vardır.
Termodinamik kanunları    
5. Termodinamiğin birinci yasası: Kapalı bir sistemde toplam enerji miktarı korunur.
6. Termodinamiğin ikinci yasası: Isı, daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme kendiliğinden akmayacaktır. Elektromanyetizma yasaları (elektrik ve manyetizma aynı kuvvetin iki yönüdür)    
7. Elektrostatik (Coulomb Yasası): Elektrik yüklü herhangi iki nesne arasındaki kuvvet, yüklerinin çarpımının aralarındaki mesafenin karesine bölünmesiyle orantılıdır.
8. Manyetostatik: Her mıknatıs bir dipoldür; benzer manyetik kutuplar birbirini iterken, benzer olmayan kutuplar birbirini çeker.
9. Elektromanyetizma: Manyetik alanlar hareketli elektrik yükleri tarafından oluşturulur.
10. Elektromanyetik indüksiyon: Elektrik alanları ve elektrik akımları değişen manyetik alanlar tarafından oluşturulur.*)

Bir doğa olgusu bütününün henüz ifade edilmemiş bir doğa yasası altında birleştirilebildiğini varsaysak bile, bundan böyle bir yasayı formüle etmek için seçilen nitelikler dizisinin başarılı olacağı sonucunun çıkmayacağını akılda tutmak önemlidir. Bir kişinin ampirik olarak verimli genel doğa yasalarını ifade etme yeteneği, kritik olarak ilgili fenomen için doğru niteliklerin seçilmesine bağlıdır. Örneğin, artık geçersiz olan teorik ivme kavramına (nesnelerin onları hareket halinde tutan içsel güdü özelliği) dayanan ilk hareket teorileri, maddi nesnelerin hareketinin önemli yönlerini açıklayamıyordu ve yerini Newton'un hareket yasaları aldı. Kısacası, ilk bakışta farklı doğal fenomenlerden oluşan bir bütünün bilimsel açıdan verimli bir yasa altında birleştirilmesi için bir çerçeve sağlama anlamında, hangi varsayılan teorik özelliklerin kavramsal olarak eşdeğer olduğu konusunda kişi yanılıyor olabilir.

Bilimsel keşiflerin tarihi, klasik fizik yasalarından açıkça türetilemeyen, genel olarak ele alınan, kendine özgü, zamansal olarak asimetrik bir gelişim biçimi sergileyen sistemler olan evrimleşen sistemlerin davranışını tanımlayan ampirik olarak güçlü, teorik yasalara yönelik arayışımızı bilgilendirir. İlerleme, gelişen fenomenleri birleştiren, henüz ifade edilmemiş bir doğa yasasını destekleyebilecek temel niteliklerin teorik bir çerçevesine işaret edebilecek ortak temaları (belki de incelikli) araştırarak potansiyel kavramsal eşdeğerlikleri tanımlamak için çeşitli gelişen sistemlerin incelenmesine bağlıdır.

Doğanın Kayıp Yasası

Doğanın Kayıp Yasası olarak adlandırılan Artan İşlevsel Bilgi Yasası herhangi bir sistemin konfigürasyonlarının belirli bir işlev için seçilime uğraması durumunda evrimin gerçekleştiğini ortaya koymaktadır. Böyle bir keşif, yaşamın kökenlerinden yıldızların özelliklerine kadar evren anlayışımızı yeniden şekillendirir.

Yeni yasa özünde, karmaşık doğal sistemlerin daha büyük örüntü, çeşitlilik ve karmaşıklık durumlarına doğru evrimleştiğini belirtiyor. Başka bir deyişle, evrim Dünya'daki yaşamla sınırlı değildir; gezegenler ve yıldızlardan atomlara, minerallere ve daha fazlasına kadar diğer devasa karmaşık sistemlerde de meydana gelir.

Detaylı olarak bakmak gerekirse,

Evrimleşen sistemler, yukarıda parantez içinde gördüğümüz(**) doğa yasalarının hiçbiri tarafından henüz kodlanmamış kavramsal denklikler sergiliyor gibi görünmektedir. Makaledeki öneriye göre, evrimleşen sistemler, evrensel ve ayırt edici davranışları bu yasalar tarafından tek başlarına ya da bir arada yeterince açıklanmasa bile, tüm klasik fizik yasalarıyla tutarlı olmalıdır. Bu gereklilik potansiyel bir zorluk teşkil etmektedir. Evrim geçiren sistemlerin -özellikle de yıldız, mineral ve atmosferik evrimde yer alanlar gibi cansız sistemlerin (aşağıda ele alınmaktadır)- zaman geçtikçe giderek daha düzenli hale gelme eğilimi, doğal fenomenleri zaman geçtikçe giderek daha düzensiz hale gelme olarak nitelendiren termodinamiğin ikinci yasasının zamansal olarak asimetrik karakteriyle tezat oluşturuyor gibi görünmektedir. Bu yeni önerinin ayırt edici özelliklerinden biri, hem canlı hem de cansız evrimleşen sistemler için termodinamiğin ikinci yasasıyla tutarlı olan ancak kaçınılmaz olarak ondan kaynaklanmayan evrensel bir yasa formüle etmektir.

Evrimleşen sistemler hangi ortak özelliklere sahip olabilir? Hangi açılardan kavramsal olarak eşdeğer olabilirler? Üç evrimleşen sistem örneğini düşünelim.

1. Yıldız evrimi ve nükleosentez: Yıldızlar, nükleer füzyon reaksiyonlarını başlatmak ve sürdürmek için iç basınçların ve sıcaklıkların yeterince yüksek olduğu, esas olarak hidrojen ve helyumun yerçekimsel olarak bağlı kütleleri olarak başlar. Tüm yıldızlarda nükleosentezin ilk aşamaları helyum üretmek için "hidrojen yakmayı" içerir, ancak Güneş kadar veya daha büyük yıldızlar sonunda ek füzyon süreçlerinden geçer: Karbon üretmek için "helyum yanması", magnezyum ve diğer elementleri oluşturmak için "karbon yanması" ve çok sayıda element ve yüzlerce izotop üreten birkaç ardışık aşama... Yıldızların yaşamlarının son, şiddetli aşamalarında, klasik novalar, süpernovalar ve nötron yıldızı çarpışmaları gibi olaylar, 100'den fazla element ve bunların ~2.000 izotopundan oluşan tam periyodik tabloyu oluşturur. Böylece, yıldız evrimi sayısız etkileşimli nükleer parçacığın yeni konfigürasyonlarına yol açar. Sistem, az sayıda element ve izotoptan bugün evrende gördüğümüz atomik yapı taşlarının çeşitliliğine doğru amansız bir şekilde evrilmektedir.

2. Mineral evrimi: "Mineral evrimi", karasal gezegenlerin ve uyduların oluşumu ve evrimi sırasında ortaya çıkan minerallerin değişen çeşitliliğini ve dağılımını tanımlar. Kozmostaki en eski mineraller, yaşlı yıldızların genişleyen, soğuyan atmosferlerinden yoğunlaşan yaklaşık 20 refrakter fazı içerir. Bu mineraller gezegenleri oluşturan toz ve gaza katkıda bulunurlar; bu malzemeler daha sonra yoğunlaşma, erime, kristalleşme, farklılaşma, sıcaklık ve basınçla değişime uğrama ve sıvı-kaya etkileşimi gibi süreçlerden geçerler. Her yeni fiziksel, kimyasal ve (Dünya'da) biyolojik süreç, bir gezegenin mineral envanterini çeşitlendirme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, Dünya'da 5.900'den fazla mineral "türü" kodlanmıştır ve belki de 3.500 ek tür keşfedilmeyi ve tanımlanmayı beklemektedir. Dahası, minerallerin içerdiği ortalama kimyasal ve yapısal bilgi, milyarlarca yıllık gezegensel evrim boyunca sistematik olarak artmaktadır. Dolayısıyla, yıldız nükleosentezinde olduğu gibi, mineral evrimi de sistemin çeşitliliğini aşamalı olarak artıran ve her biri bir öncekinin üzerine inşa edilen bir dizi süreç olarak gerçekleşir.

3.    Biyolojik evrim: Yaşam en mükemmel evrimleşen sistemdir. Charles Darwin (1859) doğal seçilim yoluyla yaşamın evrimi için zarif bir çerçeve önermiştir: 1) Herhangi bir popülasyonda, bireyler özelliklerinde çeşitlilik gösterir (örneğin mutasyonlar ve genetik rekombinasyon nedeniyle); 2) hayatta kalabileceğinden daha fazla birey doğar; ve 3) hayatta kalmayı destekleyen kalıtsal özelliklere sahip bireylerin, bu avantajlı özelliklere sahip yavrular üretme olasılığı daha yüksektir. Bu nedenle, popülasyonlar, avantaj sağlamayan özellikler yerine daha avantajlı özellikler seçildikçe birçok nesil boyunca evrimleşir. Yaşam, evrimsel mekanizmalarının özellikleri bakımından farklı olsa da, aşağıdaki şekilde önceki nükleosentez ve mineral evrimi örneklerine eşdeğer olarak kavramsallaştırılabilir: İster etkileşim halindeki moleküller, hücreler, bireyler veya ekosistemler ölçeğinde bakılsın, biyolojik sistemler çok sayıda konfigürasyonda ortaya çıkma potansiyeline sahiptir, birçok farklı konfigürasyon üretilir ve doğal seçilim tercihen etkili işlevlere sahip konfigürasyonları korur.

Bu üç evrimleşen doğal sistem ayrıntılarda önemli farklılıklar gösterir. Yıldız nükleosentezi, proton ve nötronların kararlı konfigürasyonlarının seçilmesine bağlıdır. Mineral evrimi, kimyasal elementlerin yeni, yerel olarak kararlı düzenlemelerinin seçilmesine dayanır. Biyolojik evrim, avantajlı kalıtsal özelliklerin doğal seçilimi yoluyla gerçekleşir. Bununla birlikte, bu örneklerin (ve diğerlerinin) üç önemli açıdan kavramsal olarak eşdeğer olduğunu varsayılmaktadır:

1.    Her sistem, kombinatoryal olarak çok sayıda olası konfigürasyonla sonuçlanan çok sayıda etkileşimli birimden (örneğin nükleer parçacıklar, kimyasal elementler, organik moleküller veya hücreler) oluşur.
2.    Bu sistemlerin her birinde, devam eden süreçler çok sayıda farklı konfigürasyon üretir.
3.    Bazı konfigürasyonların, istikrarları veya diğer "rekabetçi" avantajlarından dolayı, işlev için seçilim nedeniyle devam etme olasılığı daha yüksektir.
Başka bir deyişle, her sistem sistemik kalıcılık açısından avantajlı konfigürasyonların seçilmesi yoluyla evrimleşir.

Evrimleşen sistemler zamana göre asimetriktir; çeşitlilik, dağılım ve/veya örüntülü davranışta zamansal artışlar gösterirler. Evrim geçiren tüm doğal sistemler için kavramsal eşdeğerlikleri temsil ettiğini varsaydığımız bu üç özellik -bileşen çeşitliliği, konfigürasyonel keşif ve seçilim- klasik fizik yasalarında örtük olmayan niteliksel yasa benzeri bir ifadeyi dile getirmek için yeterli olabilir. Her durumda evrim, daha yüksek derecede işleve sahip konfigürasyonların tercihli olarak seçildiği, işlevsel olmayan konfigürasyonların ise ayıklandığı bir süreçtir. Temelde şu sonuca varılıyor:

"Birbiriyle etkileşim halinde olan birçok etmenden oluşan sistemler, sistemin çok sayıda konfigürasyonu seçici baskıya maruz kaldığında çeşitlilik, dağılım ve/veya örüntülü davranışta bir artış sergiler".

 

Yeni çalışma modern bir ek sunuyor - evrimi, doğal dünyanın aşağıdaki gibi karakterize edilen karmaşık sistemlerinin ortak bir özelliği olarak kabul eden makroskopik bir yasa:

Atomlar, moleküller veya hücreler gibi birçok farklı bileşenden oluşurlar ve tekrar tekrar düzenlenebilir ve yeniden düzenlenebilirler.
Sayısız farklı düzenlemenin oluşmasına neden olan doğal süreçlere tabidir. Tüm bu konfigürasyonların yalnızca küçük bir kısmı "işlev için seçilim" adı verilen bir süreçte hayatta kalır.    Sistemin canlı ya da cansız olmasına bakılmaksızın, yeni bir konfigürasyon iyi çalıştığında ve işlev geliştiğinde evrim gerçekleşir. 

 

Çalışma ekibi, zaman içinde evrimleşen doğal sistemlerin evrensel özelliklerini araştırarak bu sorunun üstesinden gelmek için bilim ve felsefe alanlarında farklı geçmişlere sahip uzmanları bir araya getirdi. Ekip bu sistemlerin üç temel özelliğini belirledi: statik kalıcılık, dinamik kalıcılık ve yenilik üretimi.

Statik kalıcılık, evrimleşen sistemlerin tanım gereği uzun vadede evrimsel değişikliklere uğrayacak kadar istikrarlı olması gerektiğini öne sürmektedir. Dinamik kalıcılık, ister biyolojik evrimi yönlendiren genetik mutasyonlar ister farklı minerallerde ortaya çıkan çeşitli özellikler olsun, çok sayıda farklı permütasyon üretme kapasitesidir. Yenilik üretimi, tamamen yeni işlevler icat edebilen sistemleri destekleyen seçilim baskılarını ifade eder. 

Bu özellikler birlikte, "zaman-asimetrik" bir sürecin parçası olarak, işlevsel bilgilerini - artan düzen ve karmaşıklıklarının bir ölçüsü - zamanla artıran evrimleşen sistemlerin bir portresini çiziyor.

Yaşamın evrimsel tarihi yeniliklerle doludur - tek hücreliler ışık enerjisinden yararlanmayı öğrendiğinde fotosentez evrimleşmiştir, hücreler işbirliği yapmayı öğrendiğinde çok hücreli yaşam evrimleşmiştir ve türler yüzme, yürüme, uçma ve düşünme gibi avantajlı yeni davranışlar sayesinde evrimleşmiştir. 

Makale birçok çıkarımın yanı sıra şunları da öneriyor: 

-Farklı sistemlerin evrimleşmeye devam edebilecekleri farklı derecelere nasıl sahip olduklarının anlaşılması. "Potansiyel karmaşıklık" veya "gelecekteki karmaşıklık", evrimleşen bir sistemin ne kadar daha karmaşık hale gelebileceğinin ölçütü olarak önerilmiştir.

-Bazı sistemlerin evrim hızının yapay olarak nasıl etkilenebileceğine dair içgörüler. İşlevsel bilgi kavramı, bir sistemdeki evrim hızının en az üç şekilde artırılabileceğini öne sürmektedir: (1) etkileşim halindekilerin sayısını ve/veya çeşitliliğini artırarak, (2) sistemin farklı konfigürasyonlarının sayısını artırarak; ve/veya 3) sistem üzerindeki seçici baskıyı artırarak (örneğin, kimyasal sistemlerde daha sık ısıtma/soğutma veya ıslatma/kurutma döngüleriyle).

-Evrendeki karmaşık olguların yaratılmasının ve var olmasının ardındaki üretici güçlerin ve bunları tanımlamada bilginin rolünün daha derinlemesine anlaşılması.

-Diğer karmaşık evrimleşen sistemler bağlamında yaşamın anlaşılması. Yaşam, diğer karmaşık evrimleşen sistemlerle belirli kavramsal denklikleri paylaşmaktadır, ancak yazarlar, yaşamın işlevsellik hakkındaki bilgiyi nasıl işlediği konusunda farklı bir şey olup olmadığını sorarak gelecekteki bir araştırma yönüne işaret etmektedir.

-Başka yerlerde yaşam arayışına yardımcı olmak: Yaşam ve yaşam dışı arasında işlev için seçilimle ilgili bir sınır varsa, astrobiyolojik araştırmalarda bu biyotik ayrım çizgisini ayırt etmemizi sağlayan "yaşam kurallarını" belirleyebilir miyiz?

-Gelişen yapay zeka sistemlerinin giderek artan bir endişe kaynağı olduğu bir zamanda, hem doğal hem de sembolik sistemlerin nasıl geliştiğini karakterize eden öngörücü bir bilgi yasası özellikle memnuniyetle karşılanmaktadır

-Doğa kanunları - hareket, yerçekimi, elektromanyetizma, termodinamik - vb. çeşitli makroskopik doğal sistemlerin uzay ve zaman içindeki genel davranışlarını kodlar. 

-Bu yayınlanan "artan işlevsel bilgi yasası" ile ilgili çalışma, yalıtılmış bir sistemin entropisinin (düzensizliğinin) zamanla arttığını (ve ısının her zaman daha sıcak nesnelerden daha soğuk nesnelere doğru aktığını) belirten termodinamiğin 2. yasasını tamamlamaktadır.

Çalışma ekibine göre evrim, biyolojik evrimle sınırlı değil, ki bu da elbette evrimin pek çok farklı fiziksel ve kimyasal sistemde gerçekleştiğini görebileceğimiz parlak bir örneği. Araştırmacılar bir sonraki adımın "bilgisayar bilimi, ekoloji, gelişim biyolojisi ve hatta tıp ve eczacılık alanındaki kişilerle birlikte çalışarak bu yasanın hem doğal hem de yapay diğer sistemlere nasıl uygulanabileceğini anlamaya çalışmak" olduğunu belirttiler.

Kaynaklar

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310223120

https://neurosciencenews.com/evolution-law-neuroscience-24950/