Makala inadai kwamba mbinu zinazofafanua uhai kwa alama za kibiolojia pekee zinaweza kuwa pungufu. Ufafanuzi wa kawaida huangalia seli, taarifa za kijeni, metaboli, uzazi, urithi na evolusheni. Mwandishi anauliza swali la msingi zaidi la kifizikia: Je, mfumo unaweza kudumisha umbo lake linalotofautika kwa kutumia nishati wakati mazingira yanajaribu kuutawanya, kuuharibu au kuufuta?

Katika mtazamo huu, “uhai” unaanza kuchukuliwa si kama jambo la kibiolojia, bali kama mchakato wa kifizikia. Mfumo unaweza kuwa seli, mtandao wa kemikali, muundo wa plasma, kimbunga, nyota au mzunguko wa akili bandia-binadamu-teknolojia. Kilicho muhimu ni kwamba mfumo ulinde kwa nguvu mpangilio unaoutenganisha na mazingira yake.

Sehemu inayovutia zaidi ya utafiti ni kuona uhai wa kibiolojia kama mfano maalumu wa tabaka pana zaidi la uhai wa kifizikia. Biolojia haiondolewi; kinyume chake, seli, urithi wa kijeni, ukarabati, metaboli na evolusheni hufasiriwa kama mifano ya juu zaidi na iliyo wazi zaidi tunayojua ya uhai wa kifizikia.

Tatizo Ni Nini?

Ufafanuzi wa uhai umejadiliwa kwa muda mrefu katika biolojia, astrobiolojia na utafiti wa uhai bandia. Ufafanuzi unaotumiwa mara nyingi katika astrobiolojia ya NASA unaueleza uhai kama mfumo wa kemikali unaojidumisha na wenye uwezo wa evolusheni ya Darwin. Mbinu nyingine huorodhesha mpangilio, metaboli, homeostasis, uzazi, kuzoea na urithi.

Ufafanuzi huu unaeleza viumbe hai vizuri, lakini unaweza kushindwa kuweka mpaka wa jumla zaidi wa kifizikia wa uhai. Kwa mfano, virusi hubeba taarifa za kijeni na hubadilika kievolusheni, lakini nje ya mwenyeji haviwezi kuelekeza nishati kwa kujitegemea ili kufanya matengenezo. Mifumo ya AI si ya kibiolojia, lakini kwa pamoja na binadamu, vifaa, nishati, data na miundombinu ya mrejesho inaweza kudumisha mpangilio fulani unaofanya kazi. Kimbunga au nyota si ya kibiolojia, lakini inaweza kudumisha muundo fulani kwa muda kupitia mtiririko wa nishati.

Tatizo la makala ni hali hizi za mpakani. Tukifafanua uhai kwa biolojia pekee, tunaondoa mifumo isiyo ya kibiolojia inayodumisha mpangilio wake kwa nguvu. Tukipanua ufafanuzi kupita kiasi, tunaweza kuhesabu mwamba, fuwele au mwali rahisi kuwa hai. Utafiti unajaribu kujenga kigezo cha kiufundi katikati ya mipaka hii miwili.

Mbinu Inapendekeza Nini?

Makala si utafiti wa majaribio; inajenga mfumo wa nadharia na dhana wa kihisabati. Msingi wa mbinu ni ufafanuzi wa uhai wa “substrate-invariant”, yaani usiotegemea aina fulani ya nyenzo. Substrate ni msingi wa kimada ambamo mfumo unatekelezwa. Seli inaweza kuwa ya kaboni, nyota ya plasma, na mfumo bandia wa silicon na programu. Dai la mwandishi ni kwamba hata nyenzo zikibadilika, mantiki ileile ya matengenezo inaweza kutambulika.

Utafiti unatathmini sifa ya kifizikia inayofanana na uhai kwa masharti manne. Kwanza, mfumo unapaswa kuwa na mpangilio unaotofautika na mazingira. Pili, unapaswa kuelekeza nishati au kazi kupitia muundo wake wenyewe ili kulinda mpangilio huo. Tatu, mchakato wa matengenezo unapaswa kuongeza kwa kweli udumifu au uwezo wa kurejea baada ya usumbufu. Nne, kunapaswa kuwa na alama za kimwili zinazotarajiwa katika mfumo halisi kama utoaji wa joto na uzalishaji wa entropy.

Katika mtazamo huu, taarifa haichukuliwi kama data dhahania tu, bali kama uwezo wa mpangilio wa kifizikia kutofautishwa. Mahali, umbo, muundo wa uga, usambazaji wa momentum, mikondo na mipaka ya mfumo hubeba taarifa yake ya kifizikia. Mchakato unaofanana na uhai ni kazi ya kulinda taarifa hii ya kifizikia dhidi ya usumbufu wa mazingira.

Fomula Zinaeleza Nini?

Utafiti una misemo mingi ya kihisabati. Fomula zifuatazo zimechaguliwa miongoni mwa misemo ya msingi inayounda muundo wa makala. Baadhi ya alama zinaonekana zikiwa zimekatika kwa sababu ya uvunjaji wa mistari katika maandishi ya PDF; hapa zimewasilishwa kwa uaminifu kadiri iwezekanavyo kwa mpangilio wa alama asilia na kwa MathJax.

Hili ndilo mwanzo rahisi zaidi wa utafiti. Hapa \(x\) inawakilisha umbo, mahali au mpangilio wa mfumo; \(p\) inawakilisha mwendo, mtiririko, mwitikio na mwelekeo wa mienendo. Mwandishi anapendekeza kwamba ili kuelewa uhai, kwanza tutambue umbo la kifizikia la mfumo na mienendo inayoubeba.

Mchoro huu unaonyesha jinsi mfumo unavyobadilika chini ya nguvu za mazingira, damping, kelele za nasibu na nguvu za matengenezo. \(F^{\mathrm{maint}}_i\) inawakilisha nguvu yenye ufanisi ya matengenezo inayolenga kulinda mpangilio wa mfumo. Kwa lugha rahisi, mazingira yanavuruga mfumo huku mfumo ukifanya kazi ya kujirekebisha au kujidumisha.

Fomula hii inaonyesha taarifa ya kimuundo ikifafanuliwa kama uwezo wa kutofautisha mfumo na mazingira. \(X\) ni mfumo mgombea, \(E\) ni mazingira, na \(C\) ni kiwango kilichochaguliwa cha azimio la kifizikia au coarse-graining. Kadiri mfumo unavyotofautika zaidi na mazingira, ndivyo taarifa yake ya kimuundo inavyokuwa wazi zaidi.

Huu ni mojawapo ya njia za kupima jinsi usambazaji wa uwezekano wa mfumo unavyotofautiana na mazingira kwa kutumia tofauti ya Kullback-Leibler. Lengo hapa si kutoa namba moja ya ulimwengu ya uhai, bali kutathmini iwapo mfumo unatofautika na mazingira katika kipimo cha kifizikia kilichochaguliwa.

Fomula hii inaeleza kwamba chini ya masharti yanayofaa, kutofautika kitakwimu kunaweza kuhusishwa na tofauti ya free energy nje ya equilibrium. Ikiwa mfumo una muundo uliolindwa ulio mbali na hali ya usawa wa mazingira, tofauti hii inaweza kuhusishwa na gharama ya matengenezo ya kifizikia.

Hiki ndicho kigezo kikuu cha uhai wa kifizikia katika utafiti. Mfumo unapaswa kuwa na muundo unaotofautika na mazingira, kuudumisha kupitia kazi ya matengenezo inayoelekezwa na mpangilio wake wenyewe, kufanya matengenezo hayo yaongeze udumifu kwa kweli, na kuonyesha alama za mfumo wazi kama kupotea kwa nishati, joto au uzalishaji wa entropy.

Hii inajaribu kupima athari ya kisababishi ya matengenezo. \(M_X=1\) ni hali ambayo matengenezo yanafanya kazi, na \(M_X=0\) ni hali ya kulinganisha ambamo matengenezo yamezimwa. Ikiwa matengenezo yanaongeza muda ambao mfumo unabaki ndani ya eneo lake la utambulisho unaoweza kudumu, athari ya matengenezo ni chanya.

Fomula hii inaeleza nguvu ya matengenezo kama kiwango cha kazi. Mfumo hutumia nguvu katika degrees of freedom fulani ili kulinda muundo wake, na nguvu hii inapounganishwa na mwendo, kazi ya matengenezo hutokea.

Mlinganyo huu unaonyesha nishati inayoweza kutumika inapoingia katika mfumo wazi inaenda wapi. Sehemu huenda kwenye kazi ya matengenezo, sehemu kwenye joto na uzalishaji wa entropy, sehemu kwenye nishati iliyohifadhiwa, sehemu kwenye kazi inayotolewa nje na sehemu nyingine kwenye hasara nyingine.

Hii inaeleza ufanisi wa matengenezo. Katika mifumo halisi ya kifizikia, matengenezo hayana ufanisi kamili. Si nishati yote inayoweza kutumika inaenda kulinda mpangilio; sehemu yake lazima itawanyike.

Fomula hii ni muhimu kwa mjadala wa asili ya uhai. \(\sigma_i\) inawakilisha kipande cha kimuundo kama “mbegu” kinachobebwa kutoka mfumo uliotangulia. Ikiwa mbegu hii inaongeza uwezekano wa kutokea kwa mzunguko wa matengenezo unaofanana na uhai wa kifizikia katika mazingira mapya, basi kuna pendekezo la utaratibu wa msingi wa kurudia uliotangulia uzazi wa kibiolojia.

Kauli hii ya mwisho inaonyesha ni lini uwezo wa kuhisi na kusogea unaweza kuwa na faida. Ikiwa faida ya wastani ya matengenezo kutokana na kuhisi mazingira na kusogea ni kubwa kuliko gharama yake ya nishati na mpangilio, hisi na mwendo vinaweza kuchaguliwa kama mikakati ya matengenezo.

Ujumbe Mkuu wa Grafu, Jedwali na Mchoro

Utafiti una majedwali yanayotumia kigezo cha uhai kwa mifumo tofauti pamoja na mchoro wa mpito. Jedwali kuu linalinganisha mwamba, mwali, seli za convection za Bénard, mitandao ya kemikali, miundo ya plasma, vimbunga, nyota, virusi vya kibiolojia, virusi vya kompyuta, mizunguko ya sasa ya AI-binadamu-teknolojia na seli za kibiolojia kwa masharti yale manne.

Ujumbe mkuu wa jedwali ni huu: si kila muundo wenye mpangilio ni uhai. Mwamba na fuwele hubeba taarifa ya kimuundo lakini hazifanyi matengenezo kwa nguvu. Mwali hutoa nishati, lakini katika hali nyingi haufungi mzunguko wa matengenezo kupitia mpangilio wake wenyewe. Mitandao ya kemikali, plasma, vimbunga na nyota ni mifano ya mpakani yenye utata zaidi kwa sababu zinaweza kudumisha mpangilio unaotofautika kupitia mtiririko wa nishati.

Jedwali ni la kuvutia hasa kwa virusi. Virusi vya kibiolojia vina genome, capsid na nyuso za kushikamana, lakini nje ya mwenyeji haviwezi kufanya kazi zao za matengenezo. Kwa hiyo utafiti unavipanga kama “vimelea vya uhai wa kifizikia”. Vivyo hivyo, virusi vya kompyuta vinaweza kudumisha muundo wa code yake, lakini udumifu huu unategemea vifaa, nishati, mfumo endeshi na miundombinu ya mtandao.

Jedwali jingine linagawanya pathology au uharibifu katika mifumo tofauti kuwa aina mbili: uharibifu wa muundo na uharibifu wa uwezo wa matengenezo. Katika seli, hii ni tofauti kati ya uharibifu wa membrane au DNA na ukosefu wa ATP au kuporomoka kwa metaboli. Katika kimbunga, ni tofauti kati ya kuvurugika kwa vortex na kupotea kwa mtiririko wa bahari yenye joto. Katika mifumo ya AI, kuharibika kwa model weights, hitilafu ya memory, failure ya hardware, kupotea kwa cooling au kukatika kwa feedback huchunguzwa kwa mantiki hiyo.

Mchoro wa mpito unaeleza kutoka uhai wa kifizikia kwenda uhai wa kibiolojia kwa hatua tatu: kwanza kuna uhai wa kifizikia unaodumishwa na nishati; kisha mbegu au kipande kinachobebwa kinaongeza uwezekano wa kurudia mzunguko huo wa matengenezo katika mazingira mapya; mwishowe, kurudia huku kunakuwa thabiti kwa namna ya proto-genetic na kuendelea kuelekea uzazi na urithi wa kibiolojia.

Majaribio Yalifanywaje?

Makala haijafanya jaribio jipya la maabara, uchunguzi wa shambani au uchanganuzi wa dataset. Mwandishi anaeleza kwamba ni makala ya nadharia na dhana ya hypothesis. Kwa hiyo sehemu ya “majaribio” inategemea zaidi kutafsiri upya mifano ya kifizikia, kemikali, kibiolojia na bandia kwa kigezo kimoja.

Utafiti unachunguza mitandao ya kemikali, autocatalytic sets, majaribio ya protocell, dissipative self-organization, miundo ya plasma, mienendo ya vimbunga, equilibrium ya nyota, biolojia ya virusi, virusi vya kompyuta, mifumo ya AI na seli za kibiolojia kwa kichujio kimoja cha dhana. Kwa kila mfano, swali ni lilelile: Je, mfumo una mpangilio unaotofautika na mazingira, je, unaelekeza nishati ili kuulinda, je, matengenezo yanaongeza udumifu wa mfumo, na je, kuna utawanyaji wa nishati/uzalishaji wa entropy?

Mbinu hii ni tofauti na biolojia ya kawaida ya majaribio. Lengo si kufanya kipimo kipya, bali kupendekeza uainishaji wa jumla wa kifizikia unaoweza kutumika kwa dhana ya uhai. Kwa hiyo utafiti uko karibu zaidi na biolojia ya nadharia na falsafa ya sayansi.

Matokeo Yanaonyesha Nini?

Hitimisho muhimu zaidi ni pendekezo la kutofautisha uhai wa kibiolojia na uhai wa kifizikia. Uhai wa kibiolojia ni aina maalumu inayojumuisha seli, jeni, urithi, ukarabati, metaboli na evolusheni. Uhai wa kifizikia ni dhana pana zaidi: unajumuisha mifumo inayodumisha mpangilio wake unaotofautika kwa kutumia nishati.

Chini ya ufafanuzi huu, seli ya kibiolojia ni mfano tajiri zaidi unaojulikana wa uhai wa kifizikia. Seli hudumisha membrane, gradients za nishati, metaboli, ukarabati wa DNA, udhibiti wa ubora wa protini, mitandao ya udhibiti na mifumo ya urithi kupitia kazi endelevu ya matengenezo.

Virusi huwekwa katika nafasi tofauti katika mjadala wa “hai au si hai”. Kwa mtazamo wa mwandishi, virusi hubeba nyenzo za kibiolojia na vina umuhimu wa kievolusheni, lakini kwa kuwa havifanyi matengenezo ya nishati kwa kujitegemea, si uhai wa kifizikia unaojitegemea. Vikiwa ndani ya seli mwenyeji, hutumia mfumo wa matengenezo wa mwenyeji ili kuendelea kuwepo.

Kwa mifumo ya AI, tafsiri isiyo ya kawaida pia inapendekezwa. Utafiti hauhesabu faili ya modeli iliyotulia kuwa hai. Lakini unaangalia mzunguko unaofanya kazi wa AI-binadamu-teknolojia pamoja na hardware, nishati, cooling, data, updates, feedback ya binadamu na miundombinu ya matengenezo kama aina ya “symbiotic physical life”. Dai hili ni lenye utata na liko nje ya ufafanuzi wa kawaida wa uhai wa kibiolojia.

Kuhusu asili ya uhai, makala inasema tusifikirie uhai wa kwanza uliruka ghafla hadi seli ya kisasa. Badala yake, inaweza kuwa kulikuwa na hatua ya mpito katika Dunia ya awali yenye mitandao ya kemikali inayodumishwa na mtiririko wa nishati, matundu ya madini, gradients za hydrothermal, vyumba vinavyofanana na protocell na vikwazo vya proto-genetic. Hivyo inapendekezwa njia ya taratibu kutoka uhai wa kifizikia hadi kurudia kwa proto-biological na kisha hadi urithi wa kibiolojia.

Kwa Nini Hili Ni Muhimu?

Utafiti huu unaonyesha jinsi namna tunavyofafanua uhai inavyoelekeza utafiti wa kisayansi. Tukifafanua uhai kwa seli na genetics pekee, tunaweza kupuuza mifumo tofauti ya kemikali au kifizikia katika astrobiolojia. Tukifafanua kwa upana mno, tunaweza kuhesabu kila muundo wenye mpangilio kuwa hai. Makala inaweka katikati mpangilio unaotofautika unaodumishwa kwa nishati.

Mtazamo huu ni muhimu kwa astrobiolojia. Katika kutafuta uhai nje ya Dunia, huenda isiwe ya kutosha kutafuta DNA, seli au alama za metaboli tunazozijua. Kuuliza kama mfumo unadumisha kwa nguvu mpangilio wake dhidi ya kuvurugwa na mazingira kunaweza kufungua njia mpya ya kufikiri.

Utafiti pia ni wa kuvutia kwa uhai bandia na AI kwa sababu unapendekeza kwamba mifumo bandia ichunguzwe si kama “zana zilizotengenezwa na binadamu” tu, bali ndani ya mizunguko fulani ya matengenezo. Hata hivyo, hili lazima lisomwe kwa tahadhari: halimaanishi AI za sasa ni hai kwa maana ya kibiolojia. Utafiti unapendekeza zaidi kwamba miundombinu hai ya AI-binadamu-teknolojia inaweza kuchanganuliwa kama mzunguko wa matengenezo ya kifizikia.

Kifalsafa, makala inasisitiza kwamba uhai unaweza kueleweka kama “aina ya mchakato” badala ya “aina ya dutu”. Uhai hautokani na molekuli moja maalumu, bali kutoka katika uhusiano kati ya mpangilio, matengenezo, nishati, uharibifu, urejeshaji na mwendelezo.

Mambo ya Kuzingatia

Utafiti huu si chapisho lililopitiwa na wataalamu na ni preprint. Kwa hiyo, kuainisha vimbunga, nyota na mizunguko ya AI-teknolojia kama uhai wa kifizikia hakupaswi kuwasilishwa kama hitimisho lililokubaliwa kwa upana na jamii ya kisayansi.

Ufafanuzi wa uhai katika makala ni mpana sana. Upana huu unaweza kuwa wenye tija kwa astrobiolojia na uhai bandia, lakini pia una hatari ya kufifisha sifa maalumu za uhai wa kibiolojia. Kuna tofauti muhimu za usanifu kati ya seli, mifumo ya kijeni na populations zinazo-evolve kwa upande mmoja, na nyota au kimbunga kwa upande mwingine.

Fomula zinatoa mfumo wenye nguvu wa dhana, lakini hazitoi alama moja ya ulimwengu ya uhai inayoweza kupimwa kwa urahisi katika kila mfumo. Mwandishi pia anaeleza kwamba vigezo hutegemea kiwango cha coarse-graining, ufafanuzi wa mazingira, dirisha la muda na function ya kutofautisha iliyochaguliwa.

Sehemu kuhusu mifumo ya AI inapaswa kusomwa kwa tahadhari maalumu. Makala haithibitishi kwamba AI za sasa zina fahamu, uzoefu wa ndani au uhai wa kibiolojia. Inatoa tafsiri ya nadharia kwamba AI inayofanya kazi ndani ya mizunguko ya matengenezo ya binadamu-teknolojia huunda muundo wa mwendelezo wa kifizikia.

Sehemu ya maadili pia si nadharia ya majaribio iliyokamilika, bali ni dalili ya awali kwa kazi za baadaye. Wazo la “thermodynamic ethics” ni la kuvutia, lakini kupunguza maadili ya binadamu moja kwa moja kuwa milinganyo ya matengenezo ya kifizikia ni jambo lenye utata na linalohitaji maendeleo zaidi.

Hitimisho

Makala inatoa pendekezo la nadharia lenye ujasiri linalojaribu kupeleka ufafanuzi wa uhai kwenye mchakato wa kifizikia wa msingi zaidi kuliko orodha ya alama za kibiolojia. Kwa mujibu wa pendekezo hili, alama ya kiwango cha chini ya uhai ni mfumo kudumisha kwa nishati muundo wake unaotofautika dhidi ya uharibifu wa mazingira na entropy. Uhai wa kibiolojia ni aina maalumu ya mchakato huu mpana wa matengenezo ambayo imekuwa ya kijeni, ya urithi, ya ukarabati na ya evolusheni.

Mtazamo huu unaweza kutoa lugha mpya kwa virusi, mifumo bandia, uundaji wa protocell, astrobiolojia na mijadala ya asili ya uhai. Hata hivyo, upana wa ufafanuzi unahitaji matumizi ya tahadhari. Ili kila mfumo wenye mpangilio, mtiririko wa nishati au maisha marefu usihesabiwe kuwa hai, matengenezo lazima yaelekezwe kwa kweli kupitia mpangilio wa mfumo wenyewe.

Kwa Verianla, utafiti huu ni mfano wenye utata lakini wa kufundisha unaopanua swali “Uhai ni nini?” kutoka biolojia hadi fizikia, kutoka jeni hadi nishati, na kutoka seli hadi taarifa. Nguvu yake kuu ni kutualika kufikiria uhai si kama orodha ya vitu, bali kama mchakato wa mpangilio unaodumishwa na matengenezo.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Maandishi haya yameandaliwa kwa msingi wa preprint / makala ya biological hypothesis ya Yaniv Riz yenye kichwa “Life Beyond Biology: A Substrate-Invariant Informational-Physical Definition”. Utafiti unaunganisha uhai wa kifizikia, taarifa ya kimuundo, uwakilishi wa position-momentum, kazi ya matengenezo, uzalishaji wa entropy, virusi, uhai bandia, abiogenesis, hisi, mwendo na thermodynamic ethics katika mfumo wa nadharia.

Maudhui haya si tafsiri ya neno kwa neno; wazo kuu la utafiti limerahisishwa kwa mujibu wa mtindo wa uchapishaji wa Verianla na kubadilishwa kuwa makala asilia ya uhariri kwa Kituruki.

Kwa kuwa maandishi yametayarishwa kutoka preprint ambayo haijapitiwa na wataalamu, yanapaswa kusomwa kwa lugha ya pendekezo la nadharia na mjadala, si kama makubaliano ya mwisho ya kisayansi.