Bisakah seleksi menghubungkan evolusi lebih dekat dengan fisika? – Ars Technica

Biasanya, ketika seseorang mulai berbicara tentang interaksi antara evolusi dan fisika, hal itu merupakan awal dari argumen buruk yang mencoba menyatakan bahwa evolusi tidak mungkin terjadi. Jadi para ahli biologi cenderung sedikit waspada bahkan terhadap upaya serius untuk berteori tentang menjembatani kedua bidang tersebut.

Namun, pada bulan Oktober tahun ini terdapat dua makalah yang mengklaim dapat menjelaskan bagaimana salah satu elemen kunci teori evolusi – seleksi – cocok dengan bidang fisika lainnya. Kedua makalah tersebut diterbitkan di jurnal bergengsi (Nature dan PNAS), sehingga tidak bisa ditolak mentah-mentah. Namun keduanya sangat terbatas dalam hal-hal yang mungkin disebabkan oleh kepentingan dan bias penulisnya. Salah satunya mungkin merupakan makalah dengan tulisan terburuk yang pernah saya lihat di jurnal besar.

Jadi kencangkan sabuk pengaman Anda, dan mari selami dunia biologi teoretis.

Diperlukan lebih banyak perakitan

Kita bisa mulai dengan makalah yang ditulis dengan buruk. Buku ini memperkenalkan teori kumpulan, sebuah cara berpikir yang berpotensi berguna mengenai kondisi alam yang dapat membantu Kimia kombinatorialHal ini menghasilkan pembentukan campuran kompleks dari molekul-molekul rumit. Namun bukan ini cara para penulisnya, yang sebagian besar adalah ahli kimia, menyajikan gagasan tersebut.

Kalimat pertama dari makalah tersebut membuat kita sulit untuk membuat evolusi konsisten dengan fisika: “Para ilmuwan telah berupaya keras untuk menyelaraskan evolusi biologis dengan hukum abadi alam semesta yang ditentukan oleh fisika.” ini tidak benar. Evolusi sangat cocok dengan fisika, dan kita sudah mengetahuinya sejak lama. Hal ini sangat tidak benar Makalah yang mereka kutip Untuk mendukungnya, dia hanya menyebutkan fisika satu kali, hanya untuk mengatakan bahwa orang-orang mempunyai kesalahpahaman tentangnya.

Segalanya tidak menjadi lebih baik dari sana. “Hukum-hukum ini [of physics] “Mereka mendukung asal usul dan evolusi kehidupan serta evolusi kebudayaan dan teknologi manusia, namun mereka tidak mengantisipasi munculnya fenomena ini.” Hal ini benar dalam arti bahwa setiap fenomena yang muncul, menurut definisi, sulit diprediksi berdasarkan perilaku komponen-komponennya yang lebih sederhana, namun ini tidak berarti bahwa kita memerlukan teori baru untuk menghubungkannya dengan fisika fundamental.

Namun, kami mendapatkannya. “Kami menghadirkan teori perakitan sebagai kerangka kerja yang tidak mengubah hukum fisika, melainkan mendefinisikan ulang konsep ‘objek’ di mana hukum-hukum ini beroperasi,” klaim para penulis. Namun mereka tidak pernah melakukannya, meskipun ada bagian dari makalah yang berjudul “Pengelompokan menyatukan seleksi dengan fisika.” Sasaran teori perakitan dapat berupa atom, yang dapat dengan mudah dianalisis menggunakan hukum fisika. Namun hal-hal tersebut juga bisa berupa hal-hal yang tidak berwujud seperti konsep, dan para peneliti melaporkan bahwa bahasa dan meme manusia kemungkinan besar dapat dianalisis secara pengelompokan.

Oleh karena itu, seluruh “pilihan yang menyatukan dengan fisika”, paling banter, merupakan gangguan dan secara efektif mengganggu penjelasan teori perakitan. Oleh karena itu, makalah ini tidak mampu menjelaskan hal ini dengan baik. Namun, yang agak mengejutkan, teori ini dapat dengan mudah dijelaskan dalam kurang dari dua lusin postingan media sosial, Dibuktikan oleh Carl Bergstrom.

Mengabaikan fisika

Seperti yang dicatat Bergstrom, teori agregasi bekerja paling baik jika Anda melihatnya dari sudut pandang kimia. Misalkan Anda mencampurkan campuran bahan kimia sederhana dan membiarkannya bereaksi. Kemungkinan hasilnya adalah campuran polimer, masing-masing dirangkai dari campuran acak bahan kimia sederhana. Anda akan memiliki banyak molekul, dan masing-masing molekul akan berbeda. Namun bagaimana jika bukan itu yang Anda lihat? Alternatifnya, Anda mungkin melihat bahwa sejumlah kelompok tertentu sangat diunggulkan. Masih akan ada banyak molekul, namun semuanya akan cocok dengan salah satu dari beberapa templat.

Ini adalah situasi yang kita lihat pada protein. Dengan 20 asam amino yang dapat bergabung satu sama lain dalam urutan apa pun, bahkan sekelompok protein yang panjangnya 50 asam amino dapat mengandung sejumlah besar molekul individu. Namun kenyataannya kita hanya melihat sebagian kecil dari kumpulan potensi ini, karena evolusi telah menyeleksi sejumlah protein fungsional yang terbatas.

Teori perakitan berpendapat bahwa kumpulan molekul apa pun dapat dipandang sebagai kombinasi langkah minimum yang diperlukan untuk merakitnya—sejarah bagaimana molekul itu sampai di sana—dan jumlah salinan yang ada. Semakin tinggi nilainya, semakin kuat spesifikasi yang dibutuhkan untuk memproduksinya.

Seperti halnya proses evolusi yang sebenarnya, hal ini mengakui bahwa populasi akhir adalah produk dari sejarah dan kemungkinan-kemungkinan yang terlibat dalam langkah-langkah pertama perakitan. Ini berpotensi berguna dalam dua cara. Ini memberikan metode untuk membedakan secara kuantitatif antara campuran polimer yang dirakit secara acak dari monomer yang berbeda, polimer yang merupakan produk ligasi dari banyak salinan monomer tunggal, dan polimer yang dihasilkan melalui seleksi. Selama langkah-langkah dan jumlah salinan dapat diukur, jumlah seleksi yang terlibat dalam menghasilkan sekumpulan molekul dapat diukur.

Yang tidak dilakukannya adalah menyatukan semua ini dengan fisika. Para penulis mengakui bahwa dalam isi makalah ini, mereka menulis, “ruang kombinatorial tidak memainkan peran penting dalam fisika saat ini, karena objeknya dimodelkan sebagai partikel titik, bukan objek kombinatorial.” “Definisi ini, sampai batas tertentu, tidak sesuai dengan standar fisika, yang memperlakukan objek yang menarik sebagai sesuatu yang fundamental dan tidak dapat dipecahkan.” Namun semua itu tidak menghentikan mereka untuk menulis hal sebaliknya dalam ringkasan.

Tetapkan hukum

Makalah kedua ditulis oleh tim yang mencakup sekelompok astronom, dan itu terlihat. Fokusnya adalah menemukan kesejajaran antara seleksi dalam evolusi dan proses lain yang membangun kompleksitas. Contoh yang ia gunakan adalah hal-hal seperti konstruksi campuran unsur-unsur yang semakin kompleks di bintang dan semakin kompleksnya mineral yang terbentuk di planet – hal-hal yang sangat menarik bagi para astronom dan ilmuwan planet.

Bagian dari makalah ini melibatkan identifikasi kesamaan antara sistem-sistem ini. “Sistem yang canggih tampaknya memiliki konsep yang setara karena menampilkan tiga fitur yang menonjol: 1) sistem tersebut terdiri dari banyak komponen yang memiliki kapasitas untuk secara kolektif mengadopsi sejumlah besar konfigurasi berbeda; 2) terdapat proses yang menghasilkan banyak konfigurasi berbeda; dan 3 ) konfigurasi dipilih secara istimewa berdasarkan fungsinya,” tulis penulis. Secara umum, evolusi semua sistem ini juga didorong oleh disipasi energi.

Detilnya mungkin berbeda-beda, namun penulis berpendapat bahwa kesamaan tersebut menunjukkan bahwa hukum alam tepat untuk menggambarkan perilaku. Hukum yang mereka peroleh adalah:

Sistem dari banyak agen yang berinteraksi menunjukkan peningkatan keragaman, distribusi, dan/atau perilaku berpola ketika berbagai konfigurasi sistem tunduk pada tekanan selektif.

Namun tentu saja banyak hal yang tidak sejalan. Evolusi terus mengeksplorasi konfigurasi baru, sedangkan pembentukan unsur dan mineral masing-masing dibatasi oleh fisika dan kimia. Meskipun sistem ini dapat mengeksplorasi rezim tekanan dan suhu yang berbeda, sistem ini sangat terbatas dibandingkan dengan biologi. Seperti yang diakui para peneliti, “Pekerjaan terbaru memperkirakan bahwa luas fase fusi biosfer bumi saat ini jauh melebihi luas fase fusi alam semesta abiotik.”

Meskipun belum pernah didefinisikan dengan baik, para penulis mengakui bahwa biologi tampaknya mengandung apa yang disebut “informasi fungsional”. Dengan kata lain, ketika sesuatu “berhasil”, biologi memiliki kemampuan untuk terus memproduksi benda tersebut dan menghasilkan variannya. Meskipun ini agak mirip dengan inti atom atau logam stabil, ia tidak memiliki penyimpanan informasi eksternal yang disediakan oleh DNA.

Secara keseluruhan, artikel ini ditulis dengan lebih baik, dan argumennya, yang cakupannya sedikit lebih terbatas dibandingkan teori kumpulan, lebih mudah diikuti. Namun pada saat yang sama, tidak jelas apakah argumen-argumen ini benar-benar mendukung argumen bahwa kesamaan antara contoh-contoh ini lebih dalam daripada kesamaan konseptual.

Apakah semua ini bermanfaat?

Hukum alam cenderung berguna secara konseptual dan empiris. Hal-hal seperti hukum gerak Newton dan hukum Mendel membantu mengatur pemikiran sedemikian rupa sehingga menghasilkan banyak eksperimen yang berguna, dan eksperimen tersebut pada akhirnya mengarah pada identifikasi kasus-kasus di mana hukum tersebut gagal. Hal ini menyebabkan kemajuan lebih lanjut seperti relativitas dan genetika.

Namun, proses seperti ini telah berlangsung selama berabad-abad, sehingga sulit untuk menilai apakah hukum alam yang diusulkan dapat mencapai hal serupa. Tidak ada cara untuk menggunakan ini untuk mendorong perangkat lunak beta yang saya lihat saat ini, tetapi itu tidak berarti seseorang pada akhirnya tidak akan mengembangkan perangkat lunak.

Ketika teori perakitan dilihat begitu saja—suatu cara untuk melihat kimia yang kompleks dan konsekuensinya—maka teori ini mempunyai potensi untuk berguna, karena ada cara yang jelas untuk menerapkannya secara eksperimental. Karena pembentukan molekul kompleks merupakan bagian mendasar dari asal usul kehidupan, ada pertanyaan penting yang dapat diterapkan pada hal tersebut.

Namun hal ini juga bertujuan untuk diterapkan pada proses seleksi apa pun – tidak hanya evolusi organisme, tetapi juga “morfologi sel, grafik, gambar, program komputer, bahasa manusia, meme, dan banyak hal lainnya,” menurut orang yang mengusulkannya. .

Untuk beberapa item ini, kita dapat memahami sejarahnya dengan cukup untuk mengetahui proses perakitan atau memperkirakan jumlah minimum langkah yang diperlukan untuk perakitan. Namun masih belum jelas apakah hal ini mungkin terjadi pada hal-hal seperti evolusi atau aspek lain dari asal usul kehidupan. Tidak ada yang mengetahui secara pasti ciri-ciri kehidupan apa yang merupakan bagian dari sel pertama atau bagaimana mereka dirakit, sehingga tidak jelas apakah teori perakitan dapat digunakan di sana. Hal yang sama juga berlaku untuk seluruh rangkaian gen yang ditemukan pada nenek moyang semua bentuk kehidupan saat ini. Perbedaan antar spesies yang berkerabat, seperti mamalia, tampaknya sebagian besar disebabkan oleh mutasi yang menyebabkan perubahan kecil pada aktivitas gen, yang sulit diidentifikasi dan dikarakterisasi.

Hal ini tidak berarti bahwa teori pengelompokan salah, namun tantangan untuk memperoleh informasi yang diperlukan agar teori tersebut dapat digunakan bisa beragam, mulai dari tidak praktis hingga tidak mungkin untuk banyak pertanyaan penting. Mencari tahu bagaimana menggunakannya secara efektif dalam situasi di luar kimia akan menjadi tantangan nyata. Sayangnya, orang-orang yang mengusulkan hal ini menyatakan bahwa hal ini dapat mengatasi permasalahan yang tidak ada dan tidak dapat diatasi oleh hal tersebut, sehingga saya perkirakan tantangannya akan jauh lebih sulit daripada yang seharusnya.

Alam, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06600-9
PNAS, 2023. DOI: 10.1073/pnas.2310223120 (Tentang ID digital).