Bernd-Olaf Küppers é físico, filósofo e biólogo teórico, tendo trabalhado anteriormente no Instituto Max Planck de Química Biofísica (Göttingen) e, posteriormente, como professor de filosofia natural na Universidade de Jena. Sua principal área de pesquisa é a origem e a evolução da informação genética. É autor e editor de inúmeros livros, incluindo as monografias “Teoria Molecular da Evolução” e “Informação e a Origem da Vida”. Foi reconhecido, entre outras distinções, como membro da Academia Nacional de Ciências da Alemanha e da Academia Europaea (Londres).
Küppers modificou a famosa citação de Theodore Dobzhans, "Nada na biologia faz sentido, exceto à luz da evolução", para "Nada na biologia faz sentido, exceto à luz da informação".
A questão da conexão entre lei e acaso na evolução da vida é um dos problemas filosóficos centrais da biologia. Neste livro, aspectos fundamentais dessa questão são tratados sob a perspectiva da biologia evolutiva moderna.
A investigação parte do pressuposto de que o objeto de sua análise constitui parte integrante das ciências naturais e não necessita de justificativa específica. Pressupõe que a evolução é um fato comprovado e que a teoria sintética da evolução, construída com base nas ideias de Darwin, oferece uma estrutura adequada para a compreensão e explicação dos fenômenos evolutivos (capítulo 1).
Contudo, a questão do caráter teórico da teoria da evolução sintética é um problema na filosofia da ciência que possui especial relevância em relação à questão mais geral da conexão entre lei e acaso na evolução. O acesso a esse problema é facilitado, em particular, pela análise da chamada teoria molecular da evolução, que vincula os princípios da teoria da evolução sintética às leis fundamentais da física e da química. Ao mesmo tempo, muitos aspectos dessa conexão lançam nova luz sobre os problemas gerais da formação de conceitos e teorias na região fronteiriça da física, da química e da biologia.
A teoria molecular da evolução é resultado do rápido progresso da biologia e da física nas últimas duas décadas. Ela se baseia, por um lado, na descoberta, pela biologia molecular, de que todos os fenômenos básicos da vida, como o metabolismo e a hereditariedade, podem ser atribuídos a interações regulares entre macromoléculas biológicas e, portanto, às leis da física e da química; e, por outro lado, na descoberta, pela física, de sistemas abertos que, longe do equilíbrio, podem espontaneamente organizar estados de ordem material (as chamadas estruturas dissipativas), características também dos sistemas vivos.
A teoria molecular da evolução descreve a origem e a evolução inicial da vida como um processo de autoorganização material, no qual as duas classes mais importantes de macromoléculas biológicas (ácidos nucleicos e proteínas) foram capazes de se organizar espontaneamente em um sistema, governado por informações, que possuía as três propriedades básicas da matéria viva: metabolismo, autorreprodução e mutabilidade.
A teoria moderna da origem da vida é uma teoria físico-química. Como tal, ela tenta fundamentar o processo histórico de autoorganização biológica em seus princípios e mecanismos fundamentais e imutáveis. A teoria não pretende ser capaz de reconstruir o processo em seus detalhes históricos. No processo geral de autoorganização biológica, podem ser distinguidas três fases, cada uma correspondendo ao grau de otimização alcançado naquele momento (capítulo 2):
1. a fase de síntese prebiótica não instruída de macromoléculas biológicas,
2. a fase de autoorganização de macromoléculas biológicas em um ciclo biossintético auto-instruido, e
3. a fase de otimização evolutiva do ciclo biossintético.
A transição propriamente dita da matéria inerte para a matéria viva ocorreu durante a segunda fase e foi essencialmente uma transição da síntese não instruída para a síntese instruída de macromoléculas biológicas. Essa fase de autoorganização biológica terminou com a nucleação de um ciclo biossintético auto-instruido, que (após a formação de compartimentos) pode ser considerado um precursor primitivo da célula viva.
Todo tipo de instrução requer informação. A informação utilizada pelo ciclo biossintético auto-instruidor está codificada na sequência detalhada de seus componentes de ácido nucleico. Estes instruem a construção de uma maquinaria proteica que, por sua vez, catalisa a reprodução de todo o ciclo.
Constatou-se que a informação para a construção de um organismo vivo não está simplesmente codificada na sequência linear dos monômeros de suas moléculas de DNA, mas que essa organização linear — como na linguagem humana — possui uma superestrutura hierárquica. Se, em geral, restringimos nossa análise ao aspecto sequencial do armazenamento de informações, isso se deve ao fato de a presente investigação ter se concentrado exclusivamente na fase inicial da origem da vida. A organização hierárquica da estrutura gênica, em contrapartida, é um produto relativamente tardio da evolução. Em particular, ela codifica a informação necessária para os complexos fenômenos de regulação e controle dos organismos superiores.
O problema da origem da vida é claramente equivalente ao problema da origem da informação biológica. Nesse sentido, a ideia de informação biológica surge como o conceito fundamental na teoria físico-química da origem da vida.
Na Parte II, discutimos a distinção entre três dimensões da informação, denominadas sintática, semântica e pragmática. O aspecto sintático da informação compreende a relação entre os caracteres individuais (capítulo 3). O aspecto semântico compreende a relação entre os caracteres individuais e o que eles representam (capítulo 4). O aspecto pragmático compreende a relação entre os caracteres individuais, o que eles representam e qual ação isso implica para o emissor e o receptor (capítulo 5).
Deste ponto de vista, as três fases da autoorganização biológica (acima) podem ser expressas como três fases da origem da informação biológica:
1. a fase de origem da informação sintática,
2. a fase da origem da informação semântica, e
3. a fase de otimização evolutiva da informação semântica.
O aspecto sintético da origem da informação biológica não apresenta problemas do ponto de vista filosófico, uma vez que se refere unicamente à formação de estruturas — por exemplo, de macromoléculas como proteínas ou ácidos nucleicos. Em contrapartida, o aspecto semântico suscita diversas questões, pois diz respeito ao conteúdo, ou seja, ao sentido e significado da informação codificada na estrutura macromolecular. Isso levanta a questão de se, e em que medida, "sentido" e "significado" podem ser objetivados e estudados cientificamente.
Como demonstra o exemplo da linguagem humana, a semântica não pode existir em um sentido absoluto, mas apenas em relação a um quadro de referência semântico (capítulo 4). A informação genética também não possui um valor semântico absoluto, mas apenas um valor relativo, referente às condições ambientais específicas às quais o organismo em questão se adaptou. O ambiente representa, portanto, uma informação externamente localizada, com base na qual a semântica da informação genética é avaliada seletivamente.
De acordo com a teoria da evolução darwiniana, o elemento direcionado a um propósito, ou controlado pela informação, das estruturas biológicas possui uma função específica (e, portanto, sentido e significado) em relação à preservação da ordem dinâmica característica dos sistemas vivos. A semântica da informação genética pode, assim, ser interpretada diretamente em termos de evolução: quanto mais bem adaptado ao seu ambiente (isto é, quanto maior o valor da informação semântica que um organismo contém), mais precisa e rapidamente ele reproduz seu conteúdo informacional ao longo de sua vida.
Este princípio estabelece uma ligação com duas teses filosóficas de Carl Friedrich von Weizsäcker, segundo as quais o aspecto semântico da informação só pode ser objetivado através do aspecto pragmático da informação ("Informação é apenas aquilo que é compreendido"; "Informação é apenas aquilo que produz informação"). Este pensamento permeia toda a discussão como um tema recorrente . Implica que mesmo a "protossemântica" da informação biológica pode ser objetivada por um critério dinâmico de geração de informação (ver abaixo).
A questão de saber se, e em caso afirmativo, em que medida, a origem da informação biológica pode ser explicada em termos de regularidade dentro da estrutura da ciência moderna é abordada na Parte III. Três soluções sugeridas são apresentadas: (a) a hipótese do acaso, no capítulo 6, (b) a abordagem teleológica, no capítulo 7, e (c) a abordagem molecular-darwinista, no capítulo 8.
A hipótese do acaso interpreta a origem da informação biológica como um evento singular, cuja descrição pelas leis da física e da química só pode ocorrer no nível sintático, ou seja, no nível da evolução química. O aspecto semântico da origem da informação biológica, em contrapartida, é compreendido na hipótese do acaso como um epifenômeno que, por sua própria natureza, é determinado puramente pelo acaso e não possui nenhuma das regularidades das leis naturais. A hipótese do acaso justifica-se pela afirmação, à primeira vista aparentemente contraditória, de que, dentro das estatísticas de equilíbrio, a probabilidade da síntese acidental de uma macromolécula portadora de informação é extremamente baixa, porque as macromoléculas portadoras de informação representam apenas uma fração ínfima de suas sequências alternativas fisicamente equivalentes, e todas essas alternativas têm, em condições de equilíbrio, probabilidades a priori virtualmente idênticas. Consequentemente, no contexto da hipótese do acaso, a origem da vida é interpretada a posteriori como um evento aleatório singular que, devido à sua probabilidade a priori extremamente baixa, é único e irrepetível em todo o universo.
A abordagem teleológica parte, de forma semelhante, do déficit explicativo das estatísticas de equilíbrio, já descrito. Em contraste com a hipótese do acaso, que não oferece uma explicação causal para a origem da informação biológica, a abordagem teleológica postula a existência de um comportamento direcionado a um objetivo e, ao mesmo tempo, irredutível, regido por leis, que restringe a imensa variedade de estruturas macromoleculares possíveis àquelas que são biologicamente relevantes. No modelo teleológico de explicação, as biomoléculas portadoras de informação devem ser consideradas a expressão material de um princípio finalista atuante na Natureza. Tanto a abordagem teleológica quanto a hipótese do acaso concordam que o arranjo específico dos monômeros das moléculas de DNA em um organismo, que codifica regularidade e intencionalidade, é fundamentalmente inexplicável nos níveis da física e da química.
Na distribuição de papéis entre a lei e o acaso na origem da informação biológica, a abordagem darwinista molecular adota uma posição intermediária. No modelo darwinista molecular, a origem da informação biológica deriva de uma interação entre processos aleatórios e não direcionados (mutação) e o comportamento regular da matéria (seleção natural). A formulação matemática dessa abordagem é a teoria molecular da evolução esboçada no início. Contudo, e aqui a abordagem darwinista molecular difere fundamentalmente de suas rivais discutidas acima, a interação entre mutação e seleção baseia-se essencialmente nos princípios da termodinâmica de não equilíbrio. Além disso, a abordagem darwinista molecular repousa na hipótese de que a seleção natural, no sentido darwiniano, já se manifesta no reino da matéria inanimada.
A discussão na parte III deixa claro que uma análise filosófica das hipóteses atuais sobre a origem da informação biológica pressupõe uma formulação do conceito de lei tão geral que mesmo abordagens tão diversas como a hipótese do acaso e a abordagem teleológica possam ser relacionadas entre si, por assim dizer, em um nível superior de formação de conceitos e teorias.
Uma característica marcante de uma lei natural é que ela contém informações sobre eventos naturais de forma concisa. O próximo passo lógico é buscar uma formulação geral do conceito de lei dentro da estrutura da teoria da informação.
A informação para a construção de um organismo vivo está codificada na sequência detalhada dos monômeros em suas moléculas de DNA. Essa sequência pode ser descoberta, geralmente por meio de determinação experimental (química) da sequência. Como qualquer outro dado empírico em ciência, ela pode ser representada por uma linha finita de uns e zeros (capítulo 10, figura 19).
A representação de dados observacionais como sequências binárias leva diretamente a uma interpretação informacional-teórica do conceito de lei natural. Claramente, uma relação semelhante a uma lei está sempre contida em uma série de dados observacionais quando existe um algoritmo compacto que permite representar os dados observados de forma comprimida. A característica central de tal algoritmo é a propriedade de que ele pode ser representado (no nível sintático) usando menos informação do que a informação necessária para a representação das sequências de dados que ele gera. Por outro lado, uma sequência de dados observacionais deve ser considerada aleatória até que um algoritmo compacto apropriado seja encontrado. O termo "sequência aleatória" adquire, dessa forma, uma definição algorítmica precisa (capítulo 9). No entanto, a irredutibilidade, ou seja, a aleatoriedade, de uma sequência binária é inerentemente impossível de provar, uma vez que a inexistência de um algoritmo compacto capaz de gerar a sequência nunca pode ser provada (o teorema da aleatoriedade).
A partir do teorema da aleatoriedade, cujas raízes remontam ao teorema da incompletude de Gödel, podem ser deduzidos dois limites fundamentais do conhecimento objetivo na ciência (capítulo 10). Um desses limites deve-se aos problemas fundamentais da descoberta biológica mencionados na Parte III: a hipótese do acaso é fundamentalmente incapaz de ser provada, enquanto a abordagem teleológica é fundamentalmente irrefutável. O outro limite está relacionado à capacidade da lei natural de descrever a realidade como um todo: nunca se pode provar que um dado algoritmo seja o menor capaz de descrever uma classe de eventos naturais de forma regia, uma vez que o menor algoritmo (em representação binária) é, por definição, uma sequência aleatória, cuja irredutibilidade — devido ao teorema da aleatoriedade — não pode ser provada. Isso é particularmente verdadeiro no caso em que um algoritmo é dado para todas as classes de eventos naturais. Em outras palavras, a completude de uma teoria científica, como seria expressa teoricamente na informação pela afirmação de um algoritmo único e irredutível, é fundamentalmente incapaz de ser provada. Só pode ser refutado por meios pragmáticos – pela apresentação de um algoritmo novo e mais compacto.
É de se esperar que o conceito de lei natural, introduzido com base na teoria da informação, tenha implicações para diversos outros problemas na filosofia da ciência. A suposição de que pode haver uma conexão íntima entre a definição algorítmica de uma lei natural e a ideia, desenvolvida por C.F. von Weizsäcker, das chamadas protoalternativas, conforme delineado na nota 168, já foi expressa no capítulo 10.
Em contraposição à hipótese do acaso e à abordagem teleológica, a abordagem darwinista molecular permanece inteiramente dentro dos limites dos modelos explicativos científicos tradicionais. No entanto, a abordagem darwinista molecular só é válida se uma seleção natural darwiniana realmente ocorrer no reino da matéria inanimada, como consequência de uma regularidade físico-química pura (ver acima).
A abordagem darwinista-molecular levanta paradigmaticamente a questão do fundamento físico da biologia (o chamado problema da redução). Consequentemente, a questão da redução é também o ponto central na discussão das possibilidades e limitações do modelo explicativo darwinista-molecular. Ela é considerada no capítulo 11, primeiramente como um problema filosófico. O princípio da seleção é então demonstrado como fisicamente justificável (capítulo 12). No capítulo 13, a questão teórica da estrutura explicativa da abordagem darwinista-molecular é abordada.
O problema da redução tem sido, há muito tempo, objeto de um debate acirrado entre a biologia reducionista e a biologia organismal. A teoria reducionista dos sistemas vivos parte do pressuposto de que todos os processos vitais ocorrem de maneira estritamente causal-genética e podem ser deduzidos com base unicamente nas propriedades materiais de seus portadores moleculares (o chamado determinismo genético). Se limites são impostos à descrição física dos sistemas vivos, estes não são de natureza fundamental, mas se devem unicamente à complexidade dos sistemas vivos. A teoria organismal dos sistemas vivos, por outro lado, considera os fenômenos da vida de um ponto de vista holístico e postula uma conexão entre o nível de integração de um sistema vivo e suas propriedades resultantes. Isso deve ser entendido, sobretudo, no sentido de que um sistema genético integrado, em qualquer nível de organização, pode possuir propriedades que não podem ser explicadas apenas por uma análise físico-química de seus subsistemas. Em particular, a biologia organismal nega a possibilidade de um fundamento físico para o princípio da seleção, uma vez que a seleção natural é considerada, na biologia organismal, uma propriedade irredutível de sistemas que já são vivos.
A biologia dos organismos baseia-se em duas teses centrais: (1) o todo é mais do que a soma das suas partes (isto leva ao princípio da emergência); (2) o todo determina o comportamento das suas partes (isto leva ao princípio da macrodeterminação).
A validade universal dessas duas teses, e em particular sua relevância para os fenômenos da vida, não são questionadas aqui. O que criticamos é a afirmação de que a biologia reducionista é fundamentalmente incapaz de explicar fenômenos holísticos, como o surgimento da macrodeterminação, dentro da estrutura de seu método analítico. No entanto, a análise de exemplos concretos da física e da química mostra que, nos ramos da ciência aos quais o programa reducionista tenta reduzir os fenômenos da vida, o conceito de sistema sempre foi um componente genuíno das explicações. Portanto, o conceito de sistema não pode ser usado como critério para distinguir entre matéria animada e inanimada. Pelo contrário, a posição especial atribuída ao "sistema" na biologia organismal está começando a permitir que um misticismo metodológico se infiltre novamente na biologia, em um momento em que este havia acabado de começar a ser eliminado pelo desenvolvimento da biologia molecular. Pode-se demonstrar que diversas barreiras à pesquisa em biologia foram erguidas simplesmente pela adoção irrefletida do pensamento holístico. Uma das principais vítimas disso é a própria biologia organísmica, que agora se depara com diversas contradições autossustentadas (capítulo 12).
Após demonstrar no capítulo 11 que a posição metodológica da biologia organismal já está ancorada no programa reducionista, de modo que não apresenta uma metodologia que vá além do reducionismo, foi demonstrado no capítulo 12 que uma das afirmações centrais da biologia organismal está incorreta: a seleção natural não é uma propriedade irredutível dos sistemas vivos, mas sim um princípio extremo fisicamente justificável que já se manifesta em sistemas materiais inanimados, desde que certos pré-requisitos materiais e físicos sejam atendidos.
A justificativa física do princípio da seleção proporciona uma compreensão profunda do mecanismo dos processos evolutivos. Observa-se que o conceito darwiniano de adaptação está relacionado principalmente aos aspectos funcionais da adaptação e menos aos estruturais, em consonância com a tese inicial, segundo a qual o aspecto semântico da informação biológica só pode ser objetivado por meio de um critério dinâmico de geração de informação.
Quando relacionado aos fenômenos da vida, o conceito de restrições adquire um significado expandido — em comparação com sua aplicação tradicional na física. Nesse caso, abrange tanto as restrições biológicas, estabelecidas nas estruturas primárias das macromoléculas biológicas, quanto as condições ambientais físicas sob as quais essas macromoléculas operam como portadoras de informação ou de função, respectivamente. São principalmente as restrições biológicas que são incorporadas ao explanandum nos modelos explicativos evolucionários, enquanto o ambiente físico é apresentado como uma condição antecedente.
O modelo molecular-darwinista possui uma característica importante na qual difere dos modelos tradicionais de explicação física: enquanto nos modelos explicativos tradicionais as restrições apresentam quantidades contingentes, que são impostas ao explanans como condições de antecedente irredutíveis, o modelo molecular-darwinista considera as restrições como parte do explanandum (capítulo 13).
A questão torna-se mais complexa em consequência do fato de que, no nível evolutivo, as restrições biológicas e a dinâmica do sistema sobre a qual elas operam são interdependentes. A retroalimentação entre as restrições de um sistema e a dinâmica do sistema induzida por essas restrições é tão característica de todos os processos de autoorganização que esse fenômeno pode ser usado para definir o termo "autoorganização" (capítulo 13).
Na origem histórica da vida, o desenvolvimento de sistemas auto-organizáveis começou a partir de restrições inespecíficas, como deviam ser no final da fase de evolução química, quando as macromoléculas ainda não incorporavam qualquer informação genética em sua estrutura primária. Durante o período de autoorganização, as restrições inespecíficas foram então transformadas sucessivamente em restrições biológicas, isto é, restrições que codificavam informação genética. As restrições biológicas são, portanto, quantidades não contingentes, na medida em que representam uma seleção limitada e, de um ponto de vista evolutivo, regular, dentre um número imenso de alternativas fisicamente equivalentes.
As características do processo de otimização evolutiva podem ser ilustradas com a ajuda de um modelo simples (capítulo 8, figura 16). Se todas as sequências combinatórias possíveis de uma macromolécula biológica forem usadas como coordenadas em um "espaço de sequências", então o processo de origem da informação biológica assemelha-se a uma caminhada por uma paisagem multidimensional, cujo perfil é determinado pelos valores de seleção associados a uma coordenada de valor (perfil de valor). O caminho percorrido está sujeito apenas à regra de que sempre leva de um pico baixo para um pico mais alto, ou seja, de um máximo (local) baixo para um máximo (local) mais alto.
Assim, apenas o sinal do gradiente da rota de otimização é determinado pela lei natural, e não seu caminho detalhado. Existem basicamente duas razões para a indeterminação do caminho detalhado. Uma é que a "direção" tomada pelo processo de otimização depende da variação genética, e esta, por sua vez, é resultado de mutações genéticas fundamentalmente indeterminadas. A outra é que a estrutura do perfil de valores depende dos indivíduos que participam do processo evolutivo. Cada mudança diferencial na distribuição de concentração deforma o próprio perfil de valores, de modo que passa a influenciar o gradiente e a "direção" da rota de otimização. Objetivo e direcionamento a objetivos em um processo de autoorganização biológica são indissoluvelmente interligados e interdependentes. Com base na lei natural, portanto, é possível prever que estruturas biológicas existem, mas não quais estruturas biológicas existem. As estruturas encontradas refletem a singularidade histórica dos sistemas vivos, e os detalhes de sua origem são, em princípio, inacessíveis à descrição em termos de lei natural. Isso significa que a origem da informação biológica pode, de fato, ser explicada como um fenômeno geral, mas o conteúdo concreto da informação biológica não pode ser deduzido das leis da física e da química.
Informação e a Origem da Vida , pp. 168-177
|
