Kristaller, information och livets ursprung

Kristaller är bland de vackraste föremålen i det naturliga ordet. De är väl förstådda, används allmänt och mycket beundrade.

Och ändå är sättet som forskarna definierar dem på spektakulärt tråkigt. International Union of Crystallography definierar kristaller som strukturer som producerar ett diffraktionsmönster med diskreta punkter.

Med andra ord, dessa objekt definieras av den enda process som används för att mäta dem. Om det inte producerar det erforderliga diffraktionsmönstret är det inte en kristall.

I dag hävdar Julyan Cartwright vid University of Granada i Spanien och Alan Mackay vid University of London i Storbritannien att denna definition är kortsiktig och onödigt begränsande.

De påpekar att konvergensen mellan kristallografi, materialvetenskap och biologi öppnar upp ett nytt förhållningssätt till studiet av struktur, form och funktion. Denna nya vetenskap handlar inte om statiska former i stabila jämvikter utan metastabila former som är utlämnade till energilandskapet där de finns och informationsflödet till och från miljön.

Cartwright och Mackay ger som ett exempel strukturen av pärlemor, den vackra skimrande biomineral som vissa blötdjur producerar som ett inre foder för sina skal.

Detta är förvisso en ordnad, kristallliknande struktur men inte en som producerar det nödvändiga diffraktionsmönstret för att klassas som en kristall.

Det är resultatet av dess komplexitet. Pärlemor bildas av lager av hexagonala plattor av kalciumkarbonat i ett 'murverk'-arrangemang. Dessa skikt är åtskilda av ark av biopolymerer, såsom kitin.

Denna kombination ger användbara egenskaper. De organiska arken förhindrar spridning av sprickor samtidigt som blodplättarna ger styrka. Så pärlemor är stark, slitstark och vacker.

Men hur ska ett sådant material beskrivas och analyseras? Cartwright och Mackay säger att en viktig faktor är informationen som ett blötdjur använder för att göra pärlemor; och det bestäms av dess genom, proteom och så vidare, som de tillsammans kallar en conhome.

På något sätt, ur all denna komplexitet och självorganisation, uppstår pärlemor. Ingen är helt säker på hur.

Ändå är deras nyckelpunkt att denna struktur ett fenomen av information. Och att denna information är en sorts algoritm eller formel för att producera pärlemor, analogt med en algoritm som producerar siffrorna för pi.

Endast en vetenskap som tar hänsyn till denna information kommer att vara kapabel till en fullständig beskrivning av pärlemor och andra material som den, säger Cartwright och Mackay.

Det är ett intressant och ambitiöst tillvägagångssätt som har potential att på djupet förändra hur materialforskare och biologer tänker på form och struktur.

Vad som är intressant är att en liknande förändring i tänkandet om form och funktion också växer fram inom det helt andra området robotik och artificiell intelligens.

I många år försökte robotiker kopiera mänskliga förmågor som att gå och springa och så genom att bygga enheter med en central processor som kontrollerade varje aspekt av rörelse.

Detta krävde robotar med sensorer på varje led som skickade tillbaka signaler om tillståndet för varje lem hela tiden. Den centrala processorn bestämde sig sedan för en rörelsestrategi, beräknade en bana för lemmen och flyttade den därefter. Det är precis så människor gör det. Eller så antog de.

Men det tillvägagångssättet misslyckas spektakulärt eftersom problemet med att koordinera alla dessa leder blir beräkningsmässigt svårt när förhållandena förändras, när man går utanför eller på övervåningen eller gör en joggingtur.

Så robotiker har varit tvungna att anamma ett nytt tillvägagångssätt. Det visar sig att människor utför många handlingar som är så snabba att den mänskliga hjärnan omöjligt kan vara inblandad. Spänning, acceleration och inbromsning av muskler, senor och ligament när du till exempel hoppar från en vägg.

Alla dessa förändringar i materialegenskaper sker i ett ögonblick utan inblandning av hjärnan. Istället är det själva materialens struktur, form och egenskaper som utför denna uppgift – intelligensen är inbyggd.

På sätt och vis lägger hjärnan ut kontrollen över denna rörelse till materialen själva.

Faktum är att robotister har börjat tänka på denna typ av rörelse som en beräkning eftersom den ungefär kan likställas med mängden beräkningshästkrafter som en central processor skulle behöva för att utföra en liknande uppgift. Och de har börjat designa robotar baserade på denna princip av så kallad morfologisk beräkning.

Det börjar nu revolutionera robotik. Istället för centralt styrda robotar bygger ingenjörer bots där intelligensen är inbyggd i strukturens form och form. Dessa kan utföra till synes komplexa uppgifter som att gå, springa och simma med liten eller ingen beräkningsöversyn.

En viktig insikt i allt detta har varit en bättre förståelse för miljöns roll. Sätt en gårobot i en simbassäng och den är hjälplös. Så formen och formen ensam ger inte intelligens – det är interaktionen mellan form och form och en viss miljö som är avgörande.

Sättet som information kan extraheras från miljön är ibland spektakulärt. Ett exempel är en till synes intelligent blob som kan lösa en labyrint . Men naturligtvis kodar varje labyrint sin lösning i sin struktur. Tricket är att designa ett enkelt system som extraherar denna information.

Detta element – ​​miljöns avgörande roll – är ännu inte starkt med i Cartwright och Mackays idéer. De skulle vara de första att erkänna att miljön spelar en avgörande roll i bildandet av någon kristall eller biologisk struktur.

Men det finns en känsla där processerna för kristallisering och självorganisering är som den labyrintlösande klumpen: mönstret eller strukturen är helt klart ett resultat av någon form av informationsutvinning eller utbyte. Ett sådant tillvägagångssätt kan också kasta ljus över livets ursprung.

Nyckeln blir att förstå och karaktärisera förhållandet mellan miljön, de strukturer som bildas i den och det informationsflöde som gör detta möjligt.

Och om kristallografer, materialvetare och biologer vill lösa det, kan de göra klokt i att slå sig ihop med robotiker, ingenjörer och evolutionsbiologer som leker med mycket liknande idéer.

Ref: arxiv.org/abs/1207.3997 : Beyond Crystals: Dialektiken mellan material och information

Dölj