Krystaller, information og livets oprindelse

Krystaller er blandt de smukkeste genstande i det naturlige ord. De er velforståede, allestedsnærværende brugte og meget beundrede.

Og alligevel er den måde, forskerne definerer dem på, spektakulært kedelig. International Union of Crystallography definerer krystaller som strukturer, der producerer et diffraktionsmønster med diskrete punkter.

Med andre ord er disse objekter defineret af den enkelte proces, der bruges til at måle dem. Hvis det ikke producerer det krævede diffraktionsmønster, er det ikke en krystal.

I dag hævder Julyan Cartwright ved University of Granada i Spanien og Alan Mackay ved University of London i Storbritannien, at denne definition er kortsigtet og unødigt begrænsende.

De påpeger, at konvergensen mellem krystallografi, materialevidenskab og biologi åbner op for en ny tilgang til studiet af struktur, form og funktion. Denne nye videnskab beskæftiger sig ikke med statiske former i stabile ligevægte, men metastabile former, der er prisgivet det energilandskab, de eksisterer i, og informationsstrømmen til og fra miljøet.

Cartwright og Mackay giver som et eksempel strukturen af ​​perlemor, det smukke iriserende biomineral, som visse bløddyr producerer som en indre foring til deres skaller.

Dette er bestemt en ordnet, krystallignende struktur, men ikke en, der producerer det nødvendige diffraktionsmønster for at blive klassificeret som en krystal.

Det er resultatet af dets kompleksitet. Perlemor er dannet af lag af sekskantede plader af calciumcarbonat i et 'murværk' arrangement. Disse lag er adskilt af plader af biopolymerer, såsom kitin.

Denne kombination giver nyttige egenskaber. De organiske plader forhindrer spredning af revner, mens blodpladerne giver styrke. Så perlemor er stærk, slidstærk og smuk.

Men hvordan skal et sådant materiale beskrives og analyseres? Cartwright og Mackay siger, at en vigtig overvejelse er den information, et bløddyr bruger til at gøre perlemor; og det bestemmes af dets genom, proteom og så videre, som de sammen kalder et conchome.

På en eller anden måde, fra al denne kompleksitet og selvorganisering, dukker perlemor op. Ingen er helt sikker på hvordan.

Ikke desto mindre er deres nøglepunkt, at denne struktur er et informationsfænomen. Og at denne information er en slags algoritme eller formel til fremstilling af perlemor, analogt med en algoritme, der producerer pi-cifrene.

Kun en videnskab, der tager disse oplysninger i betragtning, vil være i stand til at give en fuldstændig beskrivelse af perlemor og andre lignende materialer, siger Cartwright og Mackay.

Det er en interessant og ambitiøs tilgang, der har potentialet til dybt at ændre den måde, materialeforskere og biologer tænker på form og struktur.

Det interessante er, at en lignende ændring i tænkningen om form og funktion også er ved at dukke op inden for det helt anderledes felt inden for robotteknologi og kunstig intelligens.

I mange år forsøgte robotister at kopiere menneskelige evner som at gå og løbe og så ved at bygge enheder med en central processor, der styrede alle aspekter af bevægelse.

Dette krævede robotter med sensorer på hvert led, der hele tiden sendte signaler tilbage om tilstanden af ​​hvert lem. Den centrale processor besluttede derefter en bevægelsesstrategi, beregnede en bane for lemmen og flyttede den derefter i overensstemmelse hermed. Det er præcis sådan, mennesker gør det. Eller det antog de.

Men den tilgang mislykkes spektakulært, fordi problemet med at koordinere alle disse led bliver beregningsmæssigt hårdt, når forholdene ændrer sig, når man går udenfor eller ovenpå eller bryder ind i en løbetur for eksempel.

Så robotister har været nødt til at omfavne en ny tilgang. Det viser sig, at mennesker udfører mange handlinger, der er så hurtige, at den menneskelige hjerne umuligt kan blive involveret. Spændingen, accelerationen og decelerationen af ​​muskler, sener og ledbånd, når du for eksempel hopper ned fra en væg.

Alle disse ændringer i materielle egenskaber sker på et øjeblik uden at involvere hjernen. I stedet udfører materialernes struktur, form og egenskaber selv denne opgave – intelligensen er indbygget.

På en måde outsourcer hjernen kontrollen af ​​denne bevægelse til selve materialerne.

Faktisk er robotister begyndt at tænke på denne form for bevægelse som en beregning, da den groft kan sidestilles med mængden af ​​beregningsmæssige hestekræfter, som en central processor skal bruge for at udføre en lignende opgave. Og de er begyndt at designe robotter baseret på dette princip om såkaldt morfologisk databehandling.

Det begynder nu at revolutionere robotteknologi. I stedet for centralt styrede robotter bygger ingeniører bots, hvor intelligensen er indbygget i strukturens form og form. Disse kan udføre tilsyneladende komplekse opgaver som at gå, løbe og svømme med lidt, om overhovedet nogen, beregningsmæssigt overblik.

En central indsigt i alt dette har været en bedre forståelse af miljøets rolle. Sæt en gårobot i en swimmingpool, og den er hjælpeløs. Så formen og formen alene giver ikke intelligens – det er samspillet mellem form og form og et bestemt miljø, der er afgørende.

Den måde information kan udvindes fra miljøet på er nogle gange spektakulær. Et eksempel er en tilsyneladende intelligent klat, der kan løse en labyrint . Men selvfølgelig koder enhver labyrint sin løsning i sin struktur. Tricket er at designe et simpelt system, der uddrager denne information.

Dette element – ​​miljøets afgørende rolle – er endnu ikke stærkt repræsenteret i Cartwright og Mackays ideer. De ville være de første til at anerkende, at miljøet spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​enhver krystal eller biologisk struktur.

Men der er en forstand, hvor krystalliserings- og selvorganiseringsprocesserne er som den labyrintløse klat: Mønstret eller strukturen er klart et resultat af en eller anden form for informationsudtrækning eller -udveksling. En sådan tilgang kan også kaste lys over livets oprindelse.

Nøglen bliver at forstå og karakterisere forholdet mellem miljøet, de strukturer der dannes i det og den informationsstrøm, der gør dette muligt.

Og hvis krystallografer, materialeforskere og biologer vil løse det, kan de gøre klogt i at slå sig sammen med robotikere, ingeniører og evolutionære biologer, der leger med meget lignende ideer.

Ref: arxiv.org/abs/1207.3997 : Beyond Crystals: Dialektikken af ​​materialer og information

skjule