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Informação em Biologia
Apesar das muitas controvérsias sobre o papel da informação na biologia nas últimas décadas, podemos agora demonstrar que a criação e a comunicação de informações não são apenas necessárias para a compreensão da biologia, mas que a biologia constitui um subconjunto próprio, ainda que diminuto, da criação de informações no universo material, incluindo a evolução da mente humana e as ideias abstratas criadas ou descobertas por ela. A criação de informação material , na forma de planetas, estrelas e galáxias, ocorreu por talvez dez bilhões de anos antes da formação de "agentes" biológicos. Em algum momento entre três e quatro bilhões de anos atrás, agentes biológicos multicelulares começaram a se comunicar com suas partes componentes e entre si, processando e compartilhando informações. Com o surgimento da vida, a capacidade de agir, o propósito, o significado e os valores entraram no universo.
Mayr nos ensina que a biologia é diferente da física e da química porque possui uma história . Nossos átomos e moléculas não contêm informações sobre onde estiveram no passado, nem têm qualquer controle sobre onde estarão no futuro. Muitos físicos matemáticos negam isso. Se o determinismo fosse válido, a trajetória de cada partícula conteria essa informação. Mas uma análise quântica da física estatística mostra como a informação microscópica da trajetória é destruída . A biologia de Mayr é uma história que remonta a quase quatro bilhões de anos. Em astronomia, podemos rastrear a história da evolução cósmica até 13,7 bilhões de anos atrás. O objetivo da filosofia da informação é escrever uma nova narrativa da evolução biológica como o crescimento do processamento da informação, conectando-a à evolução cosmológica como a criação de estruturas de informação e ilustrando a total dependência da biologia em relação às fontes cosmológicas de entropia negativa (informação potencial). As estruturas de informação material formadas no início do universo — as partículas elementares, átomos e moléculas, galáxias, estrelas e planetas — são todas resultado da gravitação e de fenômenos cooperativos quânticos. Mas é somente com o surgimento da vida que a replicação e o processamento da informação começam. Em um sentido profundo, a biologia é processamento de informação . Compreender a origem da vida é compreender o conceito de estruturas de informação vivas – agentes biológicos que alguns chamam de "interatores". Os sistemas biológicos podem ser vistos como padrões de informação através dos quais a matéria e a energia fluem.
O processamento de informações consiste na sinalização entre interatores, utilizando sinais que possuem sintaxe (sequências lineares de símbolos, como palavras em uma língua) e semântica (significado), mas, principalmente, valor pragmático. Os interatores utilizam informações significativas para controlar o uso da matéria e da energia, à medida que alcançam seus propósitos e objetivos. Eles são alimentados por fluxos de matéria e energia com baixa entropia. Esse fluxo de entropia negativa (informação potencial) provém, em sua origem, do Sol, mas, em última análise, da expansão do universo, que deve ser o ponto de partida para explicar a vida.
Um interator é um agente claramente definível que interage com outros agentes por meio de sinalização, codificando a informação abstrata de uma mensagem em um portador material ou energético que viaja do emissor ao receptor. O receptor decodifica a mensagem e realiza uma ação que depende do significado da mensagem. Os interatores são estruturas de informação com partes internas funcionais que compõem um todo orgânico operacional; portanto, as mensagens podem ser internas a um interator ou externas entre dois interatores. As mensagens entre interagentes — células, componentes celulares como organelas, ou combinações de células em organismos multicelulares ou comunidades de células — não são (meramente) "análogas" à comunicação humana ou "metáforas úteis". A comunicação biológica está presente desde a origem da vida. A comunicação humana é, em todos os sentidos, apenas um exemplo muito recente e muito específico (e homólogo) da comunicação biológica, apesar de a maioria dos humanos acreditar que a comunicação é exclusivamente humana. Sem a comunicação e o processamento de informações significativas, não haveria vida. Para entendermos a biologia — e a humanidade — precisamos compreender como a comunicação e o processamento da informação permitem que as estruturas informacionais vivas desempenhem suas funções. E, graças à evolução biológica, temos a ferramenta necessária para entender a biologia e a nós mesmos: a extraordinária mente humana.
A mente humana é o processador de informações mais avançado do universo conhecido.
A mente humana criou tudo o que sabemos sobre como informações abstratas e imateriais , bem como estruturas de informação concretas (matéria e energia com baixa entropia), foram criadas no universo. Os humanos são co-criadores do universo, especificamente da parte conhecida como "cultura", em oposição à "natureza", incluindo todos os artefatos humanos e todo o conhecimento humano .
Para além do reducionismo Até mesmo para além da evolução darwiniana?
Existe algo "holístico" acontecendo na biologia, algo que não pode ser explicado pelas partes materiais seguindo as leis fundamentais da química e da física O grande físico quântico Erwin Schrödinger acreditava que a vida deveria ser redutível à física e à química, mas isso, segundo ele, poderia exigir "novas leis" da física. Isso levou alguns grandes cientistas a se voltarem da física para a biologia em busca dessas novas leis.
No século XIX, os " emergentistas " e os "vitalistas" defendiam novas propriedades para organismos complexos que não estariam presentes em suas partes componentes, ou novas "forças" que infundiriam vida à mera matéria. A evidência mais óbvia de algo não material era a aparente violação da segunda lei da termodinâmica, então recém-descoberta. Muitos filósofos e cientistas acreditavam que a vida, e especialmente a mente, não seriam possíveis a menos que a proto-vida e a proto-mente já estivessem presentes em todas as partículas físicas. Isso é conhecido como "panpsiquismo". O panpsiquismo ainda é muito popular entre pensadores nas fronteiras da ciência e da religião. Enquanto René Descartes considerava a mente ( res cogitans ) como algo ontológica e substancialmente distinto da matéria ( res extensa ), criando assim o problema mente-corpo , a maioria de seus contemporâneos (por exemplo, Gottfried Wilhelm Leibniz e Baruch Spinoza ) e filósofos até o século XX consideravam a mente um aspecto essencial da matéria. A ideia de emergência estava implícita na obra de John Stuart Mill e explícita na
Charles Sanders Peirce acreditava que o universo devia possuir uma propriedade semelhante à mente. Ele pensava que as leis da natureza eram "hábitos" em evolução de tal mente. Ele acreditava que o elemento aleatório no darwinismo o tornava "ganancioso". A "Filosofia do Processo" de Alfred North Whitehead é panpsíquica, muito popular hoje como "Teologia do Processo". O filósofo francês Henri Bergson argumentou que o aspecto criativo da evolução não pode ser explicado pela variação e seleção aleatórias. Vitalistas como Bergson e Hans Driesch podem não ter usado o termo emergência, mas apoiaram fortemente a ideia de causas teleológicas (propositais), provavelmente não físicas, sem as quais, segundo eles, a vida e a mente não poderiam ter surgido da matéria física. Influenciado por seu compatriota Bergson e pelo filósofo evolucionista Georg W.F. Hegel , o filósofo e padre jesuíta Pierre Teilhard de Chardin imaginou um "Ponto Ômega" em direção ao qual o universo e a vida estão evoluindo, com a mente humana participando da fase evolutiva final, uma "noosfera" ou esfera mental semelhante ao que poderia ser chamado de "infosfera", o lócus da soma do nosso conhecimento humano. O que todos esses pensadores têm em comum é a crença de que a base material dos seres vivos não pode, de forma alguma, ter um poder criativo. Em geral, todos buscam algo mais poderoso do que a síntese neodarwinista e moderna da biologia, na qual a evolução é impulsionada por variações que dependem do acaso ontológico. Uma parcela significativa de cientistas, filósofos e teólogos da atualidade nutre o que William James chamou de "antipatia pelo acaso". As novas ciências da complexidade e da teoria do caos são consideradas por muitos como uma nova explicação para a origem da vida. Ilya Prigogine descreveu corretamente as reduções na entropia local do que ele chamou de "estruturas dissipativas" como trazendo "ordem a partir do caos". Complexidade e caos são teorias determinísticas e dinâmicas que geram incerteza epistemológica , o que é suficiente para alguns pensadores que não gostam do acaso ontológico . Fenômenos complexos muito provavelmente sustentaram a formação de estruturas pré-bióticas, combinações "autocatalíticas" de elementos que sintetizaram algumas de suas próprias partes. Mas nenhum fenômeno dinâmico clássico pode explicar a origem de informações genuinamente novas no universo. Isso requer o acaso quântico. Um Universo Benevolente e Providencial
Antes do surgimento da vida, as galáxias, estrelas e planetas possuíam uma rica história de desenvolvimento e evolução. A astrofísica nos ensina que as estrelas irradiavam energia para o espaço à medida que dissipavam a energia do colapso gravitacional (os fótons carregavam entropia positiva para equilibrar a nova ordem esfericamente simétrica). As estrelas interrompiam seu colapso quando seus interiores atingiam temperaturas suficientemente altas para iniciar reações termonucleares, que convertiam os elementos mais leves (hidrogênio e hélio) em elementos mais pesados. Quando o combustível se esgotava, as estrelas retomavam o colapso, algumas explodindo catastroficamente e espalhando seus elementos recém-formados pelo espaço interestelar. A geofísica nos ensina que as superfícies dos planetas também passam por aquecimento e resfriamento, à medida que irradiam a energia da gravidade. Processos químicos produzem moléculas cada vez mais complexas nas nuvens de poeira e gás do espaço interestelar e nas superfícies planetárias. Elas também são produzidas nas estrelas, mas geralmente se dissociam rapidamente em uma estrela quente.
Quando o fluxo de energia radiativa interage com a superfície do planeta, ele fornece a energia "livre" necessária (com baixa entropia) para formar estruturas de informação ainda mais complexas, incluindo muitas das macromoléculas que constituem a base química da vida. Algumas dessas macromoléculas "pré-bióticas" são produzidas em pequenas quantidades pelas estatísticas comuns das reações químicas. Entre elas, encontram-se algumas macromoléculas que desempenham um papel central na vida atual (cadeias de polinucleotídeos, por exemplo), mas que não estavam organizadas para funcionar em conjunto de nenhuma forma e provavelmente tinham vidas muito curtas, mesmo que seu ambiente estivesse longe do equilíbrio. A vida necessita do surgimento de estruturas capazes de replicar macromoléculas, multiplicando suas informações. As primeiras estruturas de replicação de informação provavelmente duplicaram uma macromolécula em um molde externo (um catalisador). A replicação não produz novas informações, apenas cópias de informações preexistentes. Certamente, erros de cópia são novas informações, e esses erros podem ser replicados, fornecendo as mudanças aleatórias necessárias na primeira etapa da evolução por variação e seleção natural. Mas a replicação, mesmo a "autorreplicação", não é suficiente para produzir o mundo biológico. Bilhões de anos antes de os seres humanos inventarem máquinas, especialmente nossos computadores, processos biológicos complexos evoluíram, processando informações e construindo novas estruturas de informação, de maneiras que se assemelham à forma como nossas máquinas controladas por computador processam informações abstratas e fabricam novos objetos materiais, incluindo novas "máquinas". Somos tentados a chamar esses processos biológicos de "máquinas biológicas", mas devemos evitar os termos "máquina", "mecânico", "dinâmica" e "dinâmico", pois eles implicam processos que operam sob as leis da física clássica e determinística, e sob as restrições das condições iniciais e de contorno. Tais máquinas são, em princípio, completamente previsíveis, mas na prática imprevisíveis, devido à sua sensibilidade às condições iniciais e de contorno (as "restrições"). As teorias da complexidade e do caos são clássicas e dinâmicas, contínuas e causais. Elas não podem criar novidades.
Essa imprevisibilidade nos dá aleatoriedade epistemológica . Complexidade e caos nos tornam ignorantes sobre o que acontece no mundo microscópico. Mas eles não podem fornecer o acaso ontológico produzido apenas por eventos na física quântica (também depreciamos a "mecânica" quântica). Sem o acaso real, toda a evolução e o desenvolvimento das espécies biológicas são implicitamente preexistentes nas leis da natureza, em princípio cognoscíveis por um demônio laplaciano superinteligente ou um deus onisciente infinito.
Em um mundo assim, a informação é uma quantidade constante, com uma lei de conservação semelhante à da matéria e da energia. Muitos, talvez a maioria, dos físicos matemáticos compartilham dessa visão. No mundo da física clássica, não há novidade, "nada de novo sob o sol". Para a biologia, isso é consistente com a ideia de design inteligente. Os que acreditam em um deus onipotente podem permitir mudanças inéditas ao longo do tempo, mas isso é logicamente inconsistente com a onisciência de Deus, para quem existe apenas um futuro possível, aquele que é consistente com a presciência divina. Um número surpreendentemente grande de pensadores parece estar satisfeito com a ideia de um único futuro possível.
O recente entusiasmo pelas teorias da complexidade e do caos, que enfatizam a impossibilidade de prever o futuro, não nos proporciona a novidade e a liberdade, os futuros alternativos possíveis , que são produzidos pela física quântica . Muitos cientistas e filósofos podem estar bastante satisfeitos com essa visão, já que ela preserva a ideia de um processo causal, contínuo e controlador, mesmo que não possamos conhecê-lo com exatidão. A maioria dos filósofos prefere um modelo de livre-arbítrio compatível com o determinismo . E uma parcela significativa de cientistas espera negar o colapso da função de onda que gera a indeterminação ontológica .
Utilizando a energia livre de importância crucial (com baixa entropia) que flui do Sol para a Terra (e além, para o céu noturno e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas), esses processos biológicos extraordinários fabricam "máquinas" macromoleculares que, por sua vez, constroem macromoléculas que não podem ser produzidas espontaneamente ou reproduzidas apenas por replicação, especialmente as proteínas complexas (cadeias polipeptídicas) que são as partes móveis de nossas máquinas biológicas e processadores de informação. A Origem da Vida
Em ambos os casos, o fluxo de energia longe do equilíbrio é essencialmente um motor termodinâmico, funcionando entre a fonte de energia quente do Sol e o reservatório frio do céu noturno à medida que a Terra gira. Os fluxos de energia levam a fluxos de matéria em gases e líquidos que produzem sistemas dinâmicos com estruturas visíveis semipermanentes, como células de convecção. Em algum momento, uma macromolécula primitiva se replicou. Para fazer isso, ela criou novas informações (duplicadas), de modo que a entropia positiva, igual ou maior que a nova entropia negativa, deve ter sido removida da nova estrutura de informação (para que ela seja estável). A mera replicação ainda não deve ser vista como vida. E algo semelhante ao metabolismo seria apenas o fluxo de fótons solares de baixa entropia que se degradam no processo de fornecer a energia disponível necessária para formar a nova molécula. Mas poderíamos antropomorfizar um pouco e dizer que o propósito aparente da molécula parece ser replicar-se, aumentando seu próprio tipo de estrutura informacional no universo. Em algum momento, a replicação pode não ter sido perfeita (note o elemento crítico do acaso aqui). Imagine agora que a nova molécula seja ainda mais eficiente que a molécula original em se replicar (tendo maior sucesso reprodutivo). Observe que a nova molécula contém mais informação que a original. Podemos dizer que este é o início da evolução darwiniana, que parece ter como objetivo ou propósito construir estruturas de informação mais complexas. Agora possuímos tanto a herança primitiva (da informação) quanto uma forma de variabilidade. Algumas dessas novas moléculas podem não apenas ser replicadoras mais eficientes, como também podem apresentar propriedades químicas que lhes permitam resistir à destruição por condições ambientais — os fótons ultravioleta extremos de alta energia, por exemplo, ou os raios cósmicos destrutivos, que podem ter sido a fonte das variações originais. O resultado pode ser uma explosão exponencial descontrolada na concentração dessas moléculas (uma característica importante dos sistemas vivos). A replicação pode levar a populações da molécula muito além das populações normais esperadas em equilíbrio químico. Os químicos podem considerar isso simplesmente como um processo autocatalítico, no qual a molécula catalisa sua própria produção. Mas, como se trata de informação se replicando, é qualitativamente diferente da mera autocatálise química. Em nível atômico, serão os fenômenos cooperativos quânticos que atrairão os átomos constituintes para a forma molecular desejada. É a forma geral (forma, informação) que produz uma restrição dinâmica que vai muito além do mero agregado de átomos individuais interagindo. Em linhas gerais, as novas espécies de moléculas, mais bem-sucedidas, "aprenderam" algo, armazenando a nova informação internamente para transmiti-la à próxima geração. Máquinas Moleculares
A comunicação biológica, a informação trocada em mensagens entre entidades biológicas, é muito mais importante do que as próprias entidades físicas e químicas. Essas entidades materiais são utilizadas e substituídas muitas vezes ao longo do ciclo de vida de um organismo, enquanto a comunicação permanece constante, não apenas durante o ciclo de vida individual, mas também ao longo de toda a espécie.
Na verdade, a maioria das mensagens, e as moléculas específicas que incorporam e codificam essas mensagens, têm variado apenas lentamente ao longo de bilhões de anos. Consequentemente, as frases (ou declarações ou “proposições”) nas línguas biológicas podem ter um vocabulário muito limitado em comparação com as línguas humanas. Embora o número de palavras adicionadas às línguas humanas durante a vida de uma pessoa típica seja notavelmente pequeno. A informação biológica é muito mais importante do que a matéria e a energia por outro motivo. Além de ser uma forma de comunicação em uma linguagem, mostraremos que as mensagens biológicas fazem muito mais do que enviar sinais; elas codificam os planos arquitetônicos de máquinas biológicas que possuem um controle preciso sobre moléculas individuais, átomos e seus elétrons e núcleos constituintes. Longe da ideia materialista de que os elementos físicos fundamentais têm "controle causal" sobre os seres vivos, descobrimos que os sistemas biológicos de processamento de informações são máquinas, máquinas robóticas inteligentes, que se auto-montam e constroem suas próprias peças de reposição quando falham, e que usam o fluxo de energia livre e matéria com entropia negativa para manipular suas partes mais delicadas. Retomando o grande filósofo da lógica e da linguagem Ludwig Wittgenstein, que brevemente considerou os "modelos" como ferramentas explicativas capazes de "mostrar" o que é difícil ou impossível de "dizer" em uma linguagem, oferecemos abaixo modelos animados dinâmicos. O funcionamento surpreendente dessas máquinas vai tão além das máquinas criadas pelo homem que coloca em xeque a capacidade da evolução darwiniana de criá-las por meio de tentativas e erros aleatórios. Mas foi demonstrado que as máquinas mais complexas são compostas por dezenas de peças menores e mais simples que realizavam e ainda realizam tarefas muito mais simples na célula. As cinco máquinas biológicas que escolhemos são • o ribossomo, uma fábrica gigantesca que produz milhares de proteínas diferentes quando o RNA mensageiro transporta uma solicitação do DNA nuclear para uma delas, A biologia não pode impedir a ocorrência de erros aleatórios. O acaso indeterminístico é a fonte original da variabilidade em nossos genes, que levou à incrível diversidade das formas de vida, incluindo nós, humanos. Mas o funcionamento quase perfeito de nossas máquinas biológicas e a fidelidade fenomenal na cópia de nossos inúmeros códigos genéticos ao longo de bilhões de anos demonstram a estabilidade e o "determinismo adequado" da biologia na presença do acaso ontológico, uma consequência da natureza digital e imune a ruídos da informação biológica. A Nova História da Evolução Cósmica e Biológica
Do ponto de vista da filosofia da informação, o propósito teleonômico de toda a vida tem sido replicar-se e melhorar seu sucesso reprodutivo, ou seja, replicar e expandir sua informação.
Richard Dawkins considerou a possibilidade de que os genes sejam a força motriz da reprodução — da sua própria informação. Assim, os organismos biológicos são vistos como os meios pelos quais os genes se replicam. Isso pode ser controverso. Mas não há dúvida de que, ao longo do tempo, a evolução produziu organismos capazes de criar e replicar processadores de informação cada vez mais complexos, sendo os humanos os mais complexos. Através da lente, reconhecidamente limitada, da informação, a história da evolução começa com a criação cósmica de estruturas de informação (que não se comunicam), seguida pela evolução dos processadores de informação biológicos, nossos "interatores". Estes são produtos do fluxo contínuo de entropia negativa proveniente do cosmos, diretamente do sol, mas possibilitado pela expansão do universo. Nós, que vivemos no século XX, fomos os primeiros a ver tão de perto o início do universo quanto qualquer outra pessoa jamais verá. Também aprendemos que o futuro do universo é essencialmente infinito, em relação à duração da vida humana. Em meados desse século, por volta da época de uma das guerras mais destrutivas da história mundial, transformamos o significado de "informação", passando de simplesmente informar uns aos outros para a análise da linguagem e de todo o conhecimento que a decompõe em "bits". Esses "dígitos binários", respostas "1 ou 0" para perguntas de "sim ou não", surgiram inicialmente como a base dos computadores e comunicações digitais. Mas, quase simultaneamente, biólogos descobriram que o material hereditário de toda a vida é codificado de maneira semelhante. Alan Turing , John von Neumann e Claude Shannon criaram computadores digitais poucas décadas depois da previsão de Albert Einstein sobre o movimento browniano, que comprovou a existência dos átomos. A matéria consiste em partículas discretas e descontínuas. Em poucos anos, James Watson e Francis Crick demonstraram que a vida se baseava em um código digital. A sequência codificada de nucleotídeos na molécula de DNA, no centro do núcleo celular, é transcrita e reescrita como RNA mensageiro, que viaja para fora do núcleo com instruções para um ribossomo traduzir o código genético em uma cadeia linear correspondente de aminoácidos, uma proteína que se dobra para se tornar uma enzima ativa tridimensional. Se os códigos de computador digitais não tivessem sido inventados, será que o modelo biológico os teria inspirado Em vez de modelos computacionais da mente, talvez tivéssemos compreendido a mente como a extensão máxima do processamento biológico da informação!
A Origem e o Futuro do Conhecimento
Passando agora para a evolução humana, vemos a humanidade como uma espécie de organismo multimolecular e multicelular que encontrou uma maneira não só de criar , mas também de externalizar informações, armazenando-as no ambiente (cultura), onde podem ser compartilhadas com novos humanos, que continuam a adicionar a esse acervo externo de conhecimento. É esse conhecimento que permitiu aos humanos dominar a Terra, para o bem ou para o mal. A partilha de informações, antigas e novas, com todos os outros seres humanos tem enormes implicações económicas e morais . Do ponto de vista cosmológico, no macrocosmo a mente humana é o meio de reflexão do universo. No microcosmo, é a maneira que um átomo encontra para conhecer outros átomos. Chamamos todo o conhecimento humano de Soma , em consonância com nosso modelo de livre-arbítrio, o Cogito , e nossa base para valores objetivos, o Ergo . O conhecimento humano é vasto, sem dúvida, mas propomos elaborar sugestões sobre as coisas mais importantes que sabemos e que deveriam ser conhecidas por todos no futuro.
Referências
Processamento de Informação em Biologia Teoria da Informação em Biologia (Universidade de Illinois, 1952) Teoria da Informação em Biologia (Gatlinburg, Tennessee, 1956) Em direção a uma biologia teórica (Simpósios da IUBS, 1966-67) Para Professores
Para Pesquisadores
Citações
"A vida pode ser definida operacionalmente como um sistema de processamento de informações — uma hierarquia estrutural de unidades funcionais — que adquiriu, por meio da evolução, a capacidade de armazenar e processar as informações necessárias para sua própria reprodução precisa. A palavra-chave na definição é informação. Essa definição, como todas as definições de vida , é relativa ao ambiente. Meu sistema de referência é o ambiente natural que encontramos neste planeta. No entanto, não creio que a vida jamais tenha sido definida, sequer operacionalmente, em termos de informação. Este livro, em sua totalidade, constitui um primeiro passo em direção a tal definição."
Evidentemente, a natureza não pode mais ser vista apenas como matéria e energia. Nem todos os seus segredos podem ser desvendados com as chaves da química e da física, por mais brilhantes que esses dois ramos da ciência tenham sido em nosso século. Um terceiro componente é necessário para qualquer explicação do mundo que pretenda ser completa. Às poderosas teorias da química e da física deve-se adicionar uma descoberta recente: uma teoria da informação. A natureza deve ser interpretada como matéria, energia e informação. "Um conceito central e fundamental desta teoria é o de "informação biológica", uma vez que a ordem material e a finalidade características dos sistemas vivos são completamente governadas pela informação, que por sua vez tem seus fundamentos no nível das macromoléculas biológicas. A questão da origem da vida é, portanto, equivalente à questão da origem da informação biológica." "o processo evolutivo é impulsionado por um enorme fluxo de informação termodinâmica que atravessa a biosfera da Terra." "A informação como conceito central na biologia molecular
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