Scientia

În mod misterios, sistemul - fie el o colonie de furnici ori sistemul economic al României - este mai mult decât părţile componente. Dacă spargeţi o moleculă de sare în atomii constituenţi, nu o să găsiţi esenţa sării; undeva, pe drum, emerge o proprietare diferită de cele ale elementelor componente ale moleculei... (video inclus).

CITIŢI AICI TOATE ARTICOLELE DIN SERIA DEDICATĂ SISTEMELOR COMPLEXE

CUPRINS:

Chimie
Biologie
Viaţa
Specializarea celulelor
Reducţionismul
Ştiinţa complexităţii
Regulile şi complexitatea
...mergi direct la videoclip: partea 1, partea a 2-a.

CHIMIE

Stele precum Soarele iau naştere din nori gazoşi care conţin aproape toate elementele chimice alături de câţiva compuşi moleculari destul de complicaţi. Materia rămasă după formarea stelelor dă naştere de obicei sistemelor planetare. Unele dintre aceste planete au suprafeţe solide, poate chiar mări, oceane şi o atmosferă, un mediu bogat în care atomii şi moleculele interacţionează în cadrul unor reacţii chimice complexe. În special atomii de carbon se combină pentru a da naştere unor molecule organice complexe şi aminoacizilor. Compuşi chimici cu rol de catalizatori intervin şi aceştia pentru a accelera reacţiile care se produc. Produsul unei reacţii chimice constituie materia primă necesară pentru reacţiile viitoare.

La un anumit nivel de complexitate un catalizator devine enzimă, un lanţ de aminoacizi ia forma unei proteine, o serie de reacţii chimice dă naştere unui metabolism, iar chimia devine biologie.

BIOLOGIE

Pe planeta Pământ, şi posibil pe nenumărate alte planete - a apărut viaţa. Molecula de ADN, care stă la baza tuturor formelor organice de viaţă de pe Terra, este de departe mai complexă decât orice galaxie spirală, deoarece structura ADN-ului conţine ceva nou, ceva ce lipsea materiei neînsufleţite de dinaintea apariţiei vieţii, şi anume conţine informaţie.

Molecula de ADN codifică nu doar informaţia necesară auto-replicării, ci şi informaţiile necesare construirii unui întreg organism viu. Planurile (schiţele) pentru o furnică, un delfin, o broască-bou sau un om, toată această informaţie este încorporată în structura ADN-ului organismului respectiv, în cadrul unui cod molecular lung de miliarde de litere.

Această informaţie nu a fost întotdeauna acolo. Primele molecule de ADN probabil că de-abia erau capabile de ceva mai mult decât producerea de copii ale lor însele folosindu-se de compuşii chimici din imediata lor vecinătate.

VIAŢA

Această abilitate de auto-reproducere este un aspect fundamental a ceea ce noi numim "viaţă". Şi, odată apărută viaţa, un nou set de reguli a preluat controlul întregului fenomen - legile selecţiei naturale. Viaţa a devenit materie care a evoluat ca rezultat al presiunilor create de mediul înconjurător, materie care a suferit modificări în mod aleatoriu. Doar că dintre acele schimbări au rezistat peste timp cele care au mărit şansele respectivei forme de viaţă de a supravieţui în mediul ei natural...vorbim aşadar de schimbare cu un anumit scop.

În timp ce evoluţia speciilor este determinată de interacţiunea dintre schimbările aleatorii şi presiunile create de mediul înconjurător, schimbările apărute în cazul unei anumite forme de viaţă pot fi rezultatul reacţiei de adaptare a acelui organism în interiorul propriei sfere de influenţă, ca un răspuns adresat mediului înconjurător.

Cu cât un sistem este mai performant în a produce copii ale lui însuşi, cu atât mai multe din acele copii sunt prezente în cadrul generaţiei următoare. Pe măsură ce primele organisme vii s-au adaptat condiţiilor mereu variabile de mediu, a luat naştere o mare diversitate de forme de viaţă. Un efect secundar al acestei diversităţi sporite a fost creşterea complexităţii acestor sisteme vii.

Plecasem de la particulele fundamentale, caracterizate de simplitate, reversibilitate a timpului şi interschimbabile, am trecut prin zona gri a aminoacizilor şi nucleotidelor care, deşi ieşite de sub imperiul bizareriilor cuantice se află încă sub zodia interschimbabilităţii şi nu sunt caracterizate de unicitate, şi ne situăm acum cu certitudine în interiorul zonei corespunzătoare sistemelor complexe.

Să considerăm un organism viu unicelular. Nu este nimic reversibil în ceea ce ţine de viaţă şi moarte, de mecanismul de hrănire şi de faptul de a cădea pradă unui alt organism! Şi putem vorbi şi de unicitate în acest caz. Spre deosebire de electroni, care sunt interschimbabili, chiar şi organismele unicelulare sunt absolut unice. Deşi îndeplinesc aceleaşi funcţiuni, ele diferă întotdeauna ca formă şi structură!

SPECIALIZAREA CELULELOR

Următorul pas a fost alăturarea multor organisme unicelulare pentru a da naştere unor colonii multicelulare. Iar celulele din cadrul acestor noi colonii, odată interschimbabile ca funcţionalitate, au devenit din ce în ce mai specializate: unele celule s-au orientat către facilitatea digestiei, altele au devenit responsabile pentru executarea mişcărilor. Celulele specializate au dus la apariţia ţesuturilor şi organelor specializate. Şi, cel mai important, celulele capabile să reacţioneze în prezenţa luminii şi electricităţii ori a dezechilibrelor chimice au evoluat, devenind în final sisteme nervoase mature.

REDUCŢIONISMUL

Pentru mai multe secole, abordarea ştiinţifică standard a constat în încercarea de a înţelege natura şi realitatea prin reducerea fenomenelor şi structurilor la concepte, structuri, legi sau configuraţii mai simple.

Să luăm ca exemplu o floare. Dacă studiem florile în mediul lor natural de viaţă, formele şi caracteristicile lor specifice diverse, acest tip de abordare ştiinţifică a domeniului ne transformă în botanişti. Dar pentru a înţelege cu adevărat cum funcţionează o floare, de pildă modul în care fotosinteza ţine o floare în viaţă şi îi permite să se dezvolte, trebuie să pătrundem în interiorul organismului numit floare.

Am putea astfel să studiem celulele care fac parte din structura plantei, modul în care părţile componente ale celulei funcţionează şi să studiem gradul de similaritate cu celulele altor organisme vii. Un specialist în biologia celulară încearcă să înţeleagă florile tocmai la acest nivel. Dar pentru a înţelege mecanismele de funcţionare a celulelor, este necesar să înţelegem biochimia foarte complexă din spatele metabolismului celular. Iar pentru a înţelege felul în care celulele florii se divid şi se reproduc, trebuie să fim capabili să înţelegem cum funcţionează molecula de ADN. Biochimistul şi geneticianul încearcă, aşadar, să înţeleagă floarea la un nivel încă mai profund. Studiul moleculelor organice şi al ADN-ului ne aduce la nivelul fundamental al chimiei. Cum interacţionează atomii şi moleculele pentru a forma compuşi? Acesta este domeniul chimistului. Iar înţelegerea forţelor care se manifestă la nivelul şi în interiorul atomilor este sarcina fizicianului.

Prin intermediul acestui gen de abordare ştiinţifică, deci prin descompunerea florii în structuri sau părţi din ce în ce mai mici, urmată de înţelegerea mecanismelor de funcţionare a acestor părţi, s-a construit de-a lungul ultimelor secole o perspectivă cuprinzătoare şi destul de profundă asupra legilor şi mecanismelor de funcţionare a naturii, plecând de la biologie şi coborând spre zona chimiei, iar apoi de la chimie către domeniul fizicii.

Numai că această abordare are şi o limitare. Undeva pe parcurs... am pierdut floarea. Cu alte cuvinte, descompunând floarea în structuri din ce în ce mai mici şi mai simple, am pierdut din vedere tocmai complexitatea care face dintr-o floare ceea ce aceasta reprezintă de fapt.

ŞTIINŢA COMPLEXITĂŢII

Există totuşi o alt mod de a privi lucrurile, o abordare distinctă? Există o modalitate mai potrivită de a înţelege sistemele complexe, şi anume nu prin examinarea funcţionării părţilor lor componente, ci prin înţelegerea modului în care acestea interacţionează pentru a da naştere unui tot unitar care, într-un anumit sens, reprezintă MAI MULT decât suma părţilor sale componente?

• Cel mai celebru citat despre sistemele complexe ne-a rămas de la Aristotel, din vremuri în care teoria care le descrie nu exista: "Întregul reprezintă mai mult decât suma părţilor sale componente", spunea filozoful grec al antichităţii în cadrul lucrării sale intitulată Metafizica, sintetizând astfel ideea de bază a concepţiei filozofice numită holism, şi anume faptul că nu putem explica toate proprietăţile unui sistem doar înţelegând cum funcţionează părţile sale componente, sistemul ca un tot unitar depinzând şi de interacţiunile dintre aceste părţi. 

• Sistemele complexe sunt sisteme în cadrul cărora comportamentul colectiv al părţilor lor componente atrage după sine emergenţa unor proprietăţi care cu greu, dacă nu deloc, ar putea fi sugerate de proprietăţile părţilor componente ale ansamblului.

• Exemple de sisteme complexe sunt muşuroaiele de furnici, coloniile de furnicile însele, sistemele economice apărute pe Terra, sistemul climatic planetar, sistemele nervoase ale diferitelor vieţuitoare, celulele şi organismele vii, inclusiv fiinţele umane, precum şi infrastructurile moderne energetice şi de telecomunicaţii.

• Revenind la conceptul de emergenţă, întâlnit în majoritatea lucrărilor dedicate teoriei sistemelor complexe, trebuie spus că, în conformitate cu dexonline.ro, emergenţa semnifică, în biologie, apariția unui organ nou sau a unor proprietăţi noi, de ordin superior, iar în sens figurat, o formă a schimbării văzută ca o naștere efectivă a ceva cu totul nou.

De pildă, unii oameni de ştiinţă consideră că ordinea şi complexitatea merg mână în mână. Studiul unor sisteme foarte diverse precum jocurile pe tablă (şahul, damele), programele de computer, dar şi al coloniilor de furnici a scos la iveală anumite caracteristici remarcabile ale sistemelor complexe. Reguli cu mult mai simple decât cele ale fizicii şi chimiei pot genera un grad foarte mare de complexitate.

REGULILE ŞI COMPLEXITATEA

Să considerăm cazul unui joc pe tablă cum este şahul. Jocul are la bază un set simplu de reguli. Chiar şi copii de vârste mici pot deprinde regulile jocului de şah destul de bine cât să-l poată practica. Dar în timp ce regulile jocului de şah sunt simple, jocul în ansamblu este incredibil de complex. Conform unor calcule estimative efectuate în trecutul apropiat, numărul total al partidelor de şah posibil de jucat este mai mare decât numărul quarcurilor şi electronilor din întregul Univers.

Folosind doar 32 de figuri (piese) şi respectând un set simplu de reguli complexitatea universului jocului de şah este uluitoare. Aşa că ne putem întreba, şi pe bună dreptate, de unde vine complexitatea jocului de şah? Nu este vorba despre mutările individuale ale pieselor pe tabla de şah, ci este vorba despre felul în care aceste piese interacţionează şi se influenţează ori se atacă unele pe altele; este vorba şi despre faptul că fiecare mutare depinde de cele anterioare şi, încă, este vorba despre modul în care posibilităţile de a continua se multiplică cu fiecare mutare efectuată.

• Un alt exemplu celebru de joc care are la bază un set simplu de reguli şi care generează o uluitoare complexitate este Jocul vieţii al lui Conway.