domingo, febrero 16, 2014

Evolución Cósmica (entrevista a Eric Chaisson)

Ya hemos tratado el tema de la Evolución Cósmica en una entrada anterior, y te remitimos a ella para un conocimiento básico de las ideas de Eric Chaisson, padre del concepto. En esencia, Chaisson sostiene que la evolución darwiniana o biológica es una parte de una esquema evolucionista mucho más amplio, en el espacio y el tiempo, que no se limita a los seres vivos. No deberíamos ver de forma diferente la materia de la Tierra, de la de nuestros propios cuerpos, o de la de las galaxias y estrellas. Chaisson busca una ley unificadora que explique todos los procesos que crean orden y complejidad y mantienen toda la estructura del Universo.
Pero queríamos entrevistar a su autor e intentar exprimirle un poco más para que revelara sus ideas más celosamente guardadas y creemos que ha resultado una entrevista muy interesante. Se ve que Chaisson se dedica a la enseñanza y le interesa la divulgación y la diffusion de las ideas, de forma que puedan estar al alcance de todos. Nos ha tratado de una forma amable y cercana y creemos que a lo largo de la entrevista aparecen cosas muy interesantes como sus ideas acerca del origen de la vida, sus diferencias con Dorion Sagan y Eric Schneider, autores que han abordado un campo de estudio similar al suyo, especialmente en la gran importancia concedida a la segunda ley de la Termodinámica para entender la vida, o sus opiniones acerca de los trabajos de otros autores como Lee Smolin o Richard Lenski. Te recordamos que si quieres saber más de la evolución cósmica lo mejor es dirigirte a la completa web que el propio Eric Chaisson mantiene sobre este tema.

En inglés:
1- Darwin writes in a letter to George Wallich in 1882: “I believe that I have somewhere said (but cannot find the passage) that the principle of continuity renders it probable that the principle of life will hereafter be shown to be a part, or consequence of some general law; but this is only conjecture and not science”. Do you think that this general law could be the second law of thermodynamics?
     I doubt that life per se has any general laws as in physics.  Yet, there may well be general principles that apply to all complex systems, of which life is one such case, albeit an important one.  Large amounts of empirical data strongly imply that life is part of a continuum of complex systems throughout the Universe, and that all these systems—inanimate or animate, big bang to humankind—obey physical principles that are likely governed, at least partly, by thermodynamics.  However, all such complex systems are subject to chance and necessity, so those hypothesized, deeper principles are not deterministic.  That’s why many of us claim that thermodynamics tells us not what will occur, only what can occur.  Evolution itself—on all scales and for all systems, alive or not—seems unceasing, uncaring, and unpredictable.  So, for cosmic evolution that I have explored in my research, I have championed the role of energy flow as a central organizing principle for galaxies, stars, planets, life, and society—meaning that if the origin and evolution of life are guided by some principle, then it does so as an integral part of a larger principle that applies to the growth of complexity among all structured and functioning systems that fundamentally obey the 2nd law of thermodynamics.

2- According to thermodynamics life should be very common in the Universe but , for the time being, is not. John Gribbin says in his book Alone in the Universe: Why our planet is unique that The Earth is a very special planet. Do yo agree with him? Could life be a very rare event?
     I have always thought that intelligent life is probably very rare in the Universe—but that simpler life forms are likely more prevalent.  Thermodynamics itself does not imply that complex systems need to be common in Nature.  Only if the environmental conditions are right and especially if the energy flows through systems are optimal, will life likely emerge, flourish, and perhaps advance enough to become intelligent.  The origin of life on Earth does seem to have been a relatively easy event, coming forth soon after rocks had cooled enough for life as we know it to form; by contrast, intelligent life seems to have been a harder step forward, taking several billion years before single cells began clumping into the rudiments of a central nervous system.  So, while I do not necessarily regard Earth as a rare planet (more will be discovered among the exoplanets), I do hold that the rise of intelligence on any planet is probably a rare event—and thus, it is not surprising that we have not made contact with extraterrestrial intelligence after about 50 years of searching.

3- What do you think of the cosmological natural selection hypothesis of Lee Smolin?
     Many exciting ideas stem from the concept of multiple universes; string theory, 11 dimensions, supersymmetry, eternally expanding multiverses, etc.  Unfortunately, there is no—as in zero—evidence for any of these things.  As a student of physics decades ago, I was trained to embrace the need for ideas to be tested—or at least be testable in principle.  Still today, I very much regard experimental or observational tests to be of paramount importance, which is why I describe myself as an empirical materialist.  So, while cosmological natural selection is a novel, erudite idea—that black holes deep within spawn new universes that create and remold themselves continually—I cannot judge its validity more than anyone else.  Astronomical reality eventually does intervene to distinguish science from science fiction.  In the meantime, with 10500 universes proposed, how can we tell?  My head is spinning!

4- If organized systems of any kind try to optimize the flux of energy passing through them, do you think that living organisms compete for energy and that the survival of the fittest means survival of the most effective at using the available energy? Surely you are familiar with the Richard Lenski´s long-term experiment. The investigators monitored the bacteria’s fitness by measuring how fast they could multiply relative to their ancestors. Over the whole experiment to date, fitness has improved by an average of 70%, meaning the most recent descendants undergo 1.7 doublings in the time it took the original microbes to double once ¿Do you think this is an example of better use of the available energy?
     These observations are fascinating, as are so many others of my biology colleagues.  Of course, what is most exciting is that this new work aims to probe natural selection experimentally.  And, although I am not surprised by Lenski’s findings, I would very much like to know how much energy is fluxing through these E. coli bacteria, and whether that energy has, even a little, increased as these microbes have evolved generationally.  Unfortunately, evolutionary biologists don’t often measure energy in their subjects, if ever; it seems like an alien concept to most of them.  I do suspect from my quantitative studies of complex systems that organisms able to utilize optimal rates of energy density will survive, and those that don’t won’t.  However, there is not likely anything goal-directed about such selection; organisms do not likely strive to optimize their energy intake; as they become more complex, if moderately increased energy is available they grab it and benefit from it, otherwise they perish.  I do wonder about the real-world relevance of these laboratory experiments given that the microbes, which energetically differ markedly in their active, normal, and dormant states, are well nourished under non-natural, in vitro conditions.  E. coli are known to replicate every 22 minutes at peak activity in ideal lab cultures, and if fed continuously would produce in a single day a progeny of ~1028 g, which is roughly the mass of the entire planet Earth!  That obviously doesn’t happen in the wild, in vivo, not even close.  Accurate measurements of microbes’ normal energy flux are needed, and any observed changes in those rates with evolution (expected to be minute in absolute terms and diminishing with each generation) will be both very difficult and very welcome.

5- Into the Cool by Dorion Sagan and Eric Schneider has some similarities with your book Cosmic Evolution (you said it first, in 2001), specially in the importance of thermodynamics. Which is the difference between your program and theirs? Do you agree with them that life has a purpose, and that this purpose is to reduce gradients of energy?
     These authors (Gaian theoretician and professional journalist) argue that living systems purposefully act to degrade existing gradients in exergy at the maximal rate possible, popularizing their work on their personal blog with the teleomatic goal of “nature abhors a gradient.”  I regard that as basically another way of stating (minus their design innuendo) the 2nd law of thermodynamics, whereby life forms tend to equalize properties and contribute to rising entropy in their surrounding environments—but I take issue with their theoretical claims of “purpose,” “exergy,” “maximal,” and “teleology,” although we surely both view Nature through the lens of non-equilibrium thermodynamics.  When I privately challenged one of the authors that their thesis is not entirely science based, he became angry, and when I asked why (as implied by the question above) he wrote an entire book embracing energy flows and life-form thermodynamics yet failed to cite any of my prior published research that has also stressed these same subjects, he became very angry.  Such is the subjective side of science, I guess.  My empirically based hypothesis, which goes well beyond life forms and does not assert any purpose or design whatsoever, holds that all complex systems capable of utilizing optimum amounts of energy tend to survive, and those that cannot are non-randomly eliminated.  Life forms, instead of having a “purpose” to reduce gradients actually flourish when optimal energy flows permit them to maintain robust gradients within their organized selves at the expense of disorganized environments.  Life without gradients and energy would be dead; with them, life, much like all complex systems, is a temporary island of order within an increasingly disordered Universe.  More can be found here:  https://www.cfa.harvard.edu/~ejchaisson/cosmic_evolution/docs/splash.html

6- How do you see the chicken and egg question of metabolism and replication in the origin of life? Which one comes first?
     For any complex system, alive or not, I envision energy flow preceding the growth of complexity.  So for life, which is just one type of complex system, albeit that which contains a greater degree of complexity and often replicates, I suggest that metabolism likely preceded replication in the origin of life.  Energy is the cause; complexity, including replication, the result.  Even today, all life forms, without exception, display metabolic properties, although not all life forms replicate (while some non-life forms do).  That is why the idiosyncratic definition of life as we know it that I have developed and refined during my career does not even use the word “replication,” yet does stress metabolism, to wit: Life is an open, coherent spacetime structure kept far from thermodynamic equilibrium by a flow of energy through it—a carbon-based system, operating in a water-based medium, with higher forms metabolizing oxygen.  Some of my biology friends are inclined to criticize such a long-winded definition, but I like to remind them that at least I have one, unlike many of them who seem to be content to define life with the quip “I know it when I see it”—which, alas, is the U.S. Supreme Court’s definition of pornography.

7 - Which is the most astonishing thing (fact, idea, study, person, book…) that you have ever found, the one that changed your mind about life and the Universe?
     The book that most impressed me as undergraduate student was Lincoln Barnett’s The Universe and Dr. Einstein, which opened my eyes to the much larger domain of the Universe beyond physics laboratories on Earth.  The person who perhaps influenced me most in my early career was Carl Sagan (my faculty predecessor at the Harvard Observatory where I now teach), who urged me to teach and research broadly, although he also warned me that much of the scientific community would not well tolerate such “specializing in generalizing.”  The most astonishing advance that I’ve had the pleasure to make thus far is to begin quantifying the huge, interdisciplinary scenario of cosmic evolution—attempting to treat all complex systems, including galaxies, stars, planets, life, and society, in the same, uniform, consistent manner, as though there is beneath all the messiness of the Universe a simple, underlying Platonic action that naturally creates, organizes, and maintains the form and function of complex systems everywhere.

8- What are you working on now? What mystery would you like to unravel?
     Now at the peak of my career, I have all the necessary funding and administrative infrastructure needed to pursue the study of cosmic evolution on a regular basis.  Previously, I’ve never had that luxury of time; teaching duties, directing centers, and main-stream interstellar research have been fruitful and productive, but they always deterred me from addressing what I really want to do—concentrated research into the quantitative aspects of cosmic evolution writ large.  Frankly, I want to know, from a scientific viewpoint, who I am and where I really came from.  I aim to explore and appreciate everything in Nature that I see out my window—and if I can do so in quantitative terms backed by empirical tests, then I contend that will be a worthy contribution to human knowledge.

En castellano:

1-Darwin escribe en una carta a George Wallich in 1882: “Creo que he dicho en algún sitio (pero no puedo encontrar el pasaje) que el principio de continuidad hace possible que algún día se demuestre que el principio de vida es parte, o consecuencia, de alguna ley general; pero esto es solo conjetura y no ciencia”. ¿Cree que esta ley general podría ser la segunda ley de la Termodinámica?
Yo dudo de que la vida per se tenga leyes generales como en Física. Pero podría haber principios generales aplicables a todos los sistemas complejos, de los cuales la vida es solo un caso, aunque uno muy importante.Gran cantidad de datos implican que la vida forma parte de un continuo de sistemas complejos a lo largo del Universo, y que todos estos sistemas –animados e inanimados, del Big Bang al ser humano- obedecen principios físicos que son gobernados, al menos en parte, por la Termodinámica. Sin embargo, todos esos sistemas complejos están expuestos al azar y a la necesidad, por lo que esos principios profundos hipotéticos no son deterministas. Es por esto que muchos de nosotros afirmamos que la Termodinámica no nos dice lo que ocurrirá, sino solo lo que puede ocurrir. La Evolución misma –a todas las escalas y para todos los sitemas, vivos o no- parece interminable, despreocupada e impredecible. Por lo tanto, para la evolución cósmica, que yo he explorado en mi investigación, he defendido el papel del flujo de energía como un principio central organizador para las galaxias, estrellas, planetas, vida y sociedad, significando que si el origen y evolución de la vida está guiado por algún principio, entonces lo está como parte de un principio más grande que se aplica al crecimiento de la complejidad entre todos los sistemas funcionales y estructurados que fundamentalmente obedecen la segunda ley de la Termodinámica.
2- Según la Termodinámica, la vida debería ser muy frecuente en el Universo, pero, por lo que sabemos hasta ahora, no lo es. John Gribbin dice en su libro Alone in the Universe: Why our planet is unique que la Tierra es un planeta muy especial. ¿Está usted de acuerdo con él? ¿Podría ser la vida un suceso raro?
     Yo he pensado siempre que la vida inteligente es probablemente muy rara en el Universo, pero que formas de vida más simples son probablemente más prevalentes. La Termodinámica por sí no implica que los sistemas complejos necesitan ser muy comunes en la Naturaleza. Solo si las condiciones ambientales son las adecuadas, y especialmente si el flujo de energía a través de los sistemas es óptimo, aparecerá y florecerá probablemente la vida, y quizás avanzará lo bastante para convertirse en inteligente. El origen de la vida en la Tierra parece haber sido un suceso relativamente fácil, apareciendo al de poco de enfriarse lo suficiente las rocas para que la vida como la conocemos se formara; por contra, la vida inteligente parece haber sido un paso adelante más difícil, que llevó miles de millones de años antes de que células sencillas empezaran a agruparse en los rudimentos de un sistema nervioso. Por lo tanto, aunque no contemplo la Tierra como un planeta raro (se descubrirán más cosas en los exoplanetas) , sí creo que la emergencia de vida inteligente en cualquier planeta sí es probablemente un evento raro, y ,por ello, no es sorprendente que no hayamos contactado con inteligencias extraterrestres después de 50 años de búsqueda.

3- ¿Qué piensa de la hipótesis de la selección natural cosmológica de Lee Smolin?
     Muchas excitantes ideas surgen del concepto de universos multiples; teoría de cuerdas, 11 dimensiones, supersimetrías, universos que se expanden eternamente, etc. Desgraciadamente, no hay  evidencia de ninguna de todas estas cosas. Como estudiante de Física hace décadas, fui entrenado en la necesidad de comprobar las ideas, o por lo menos, de que fueran comprobables en principio. Hoy en día, considero de fundamental importancia las pruebas experimentales y observacionales, y es por eso que me describo a mí mismo como un materialista empírico. Por eso, aunque la selección natural cosmológica es una idea nueva y erudita – que dentro de los agujeros negros se incuban nuevos universos que se crean y se remodelan a sí mismos continuamente- no puedo juzgar su validez más que otra persona cualquiera. La realidad astronómica intervendrá en algún momento para distinguir la ciencia de la ciencia-ficción. Mientras tanto, con 10500 universos propuestos, ¿cómo podemos saberlo?  ¡Mi cabeza da vueltas!

4- Si los sistemas organizados de cualquier tipo tartan de optimizar el flujo de energía que pasa a través de ellos, ¿cree que los organismos vivos compiten por la energía y que la supervivencia del más adaptado significa la supervivencia del más eficaz en usar la energía disponible? Seguramente conoce el largo experimento de Richard Lenski, ( Richard Lenski´s long-term experiment. ). Los investigadores monitorizaron la capacidad adaptativa de las bacterias midiendo lo rápido que se podían multiplicar en comparación con sus ancestros. A lo largo de todo el experimento hasta la fecha, la capacidad adaptativa ha mejorado en un 70%, es decir, que las bacterias más recientes doblan la población 1,7 veces en el tiempo en que sus ancestros la doblaban una vez. ¿Cree que esto es un ejemplo de un mejor uso de la energía disponible?
Estas observaciones son fascinantes, así como muchas otras de mis colegas biólogos. Por supuesto, lo que es más excitante es que este nuevo trabajo tiene como objeto probar la selección natural experimentalmente. Y, aunque no me sorprenden los resultados de Lenski, me gustaría saber cuánta energía fluye a través de estas bacterias E. Coli, y si esa energía ha aumentado, aunque sea un poco, a medida que los microbios han evolucionado generacionalmente. Desgraciadamente, los biólogos evolucionistas no ofrecen medidas de energía en sus experimentos, casi nunca; parece un concepto extraño para la mayoría de ellos. Sospecho por mis estudios cuantitativos de sistemas complejos, que los organismos capaces de utilizar tasas óptimas de densidad de energía sobrevivirán, y los que no sean capaces, no. Sin embargo, no existe probablemente nada orientado a un fin en esta selección; los organismos no luchan por optimizar la entrada de energía; a medida que se hacen más complejos, si una energía moderadamente mayor está disponible la tomarán y se beneficiarán de ella, de otra manera perecerán. Me pregunto acerca de la relevancia para el mundo real de estos experimentos dado que los microbios, que energéticamente difieren marcadamente en sus estados activo, normal y durmiente, están bien alimentados bajo las condiciones no naturales,  in vitro. Sabemos que E. Coli se replica cada 22 minutos en actividad punta en condiciones ideales de laboratorio, y que si se le alimentara continuamente produciría en un solo día una descendencia de ~1028 g, que es aproximadamente la masa ¡del planeta Tierra entero! Esto obviamente no pasa en la naturaleza, in vivo, ni de lejos. Se necesitan medidas exactas del flujo de energía normal de los microbios, y de los cambios observados en él con la evolución ( esperándose que sean mínimos en terminos absolutos y decrecientes con cada generación) y ambas cosas seran muy difíciles y muy bien recibidas.

5- Into the Cool de Dorion Sagan and Eric Schneider tiene muchas semejanzas con su libro Cosmic Evolution (aunque su obra es anterior, de 2001), especialmente en la importancia de la Termodinámica. ¿Cuál es la diferencia entre su programa y el de ellos? ¿Está de acuerdo con ellos en que la vida tiene un propósito, y que ese propósito es reducir gradientes de energía?
Estos autores (un teórico de Gaia y un periodista profesional) argumentan que los sistemas vivos actúan deliberadamente para reducir gradientes existentes de exergía a la mayor tasa possible, popularizando su trabajo en su blog personal con el objetivo teleomático de “la naturaleza aborrece los gradientes”. Considero esto como básicamente otra manera de afirmar (menos su diseñado innuendo) la segunda ley de la Termodinámica, donde las formas de vida tienden a igualar propiedades y contribuyen a la creciente entropía en su entornos, pero tengo problemas con su afirmación teórica de “propósito” “exergía” “maxima” y “teleología”, aunque seguramente vemos todos la Narualeza a través de las lentes de la Termodinámica del no- equilibrio. Cuando a nivel privado objeté a uno de los autores que su tesis no está basada completamente en la ciencia, se enfadó, y cuando le pregunté por qué ( según lo implicado por la pregunta más arriba) escribió un libro entero abrazando los flujos de energía y la termodinámica de las formas de vida, aunque evitó citar ninguna de mis publicaciones de investigación previas que han enfatizado los mismos tópicos, se enfadó mucho. Supongo que este es el lado subjetivo de la ciencia. Mi hipótesis empiricamente sustentada, que va más allá de las formas de vida y no afirma ningún propósito o diseño de ningún tipo, mantiene que todos los sistemas complejos capaces de utilizar cantidades óptimas de energía tienden a sobrevivir, y los que no, son eliminados de forma no aleatoria. Las formas de vida, en lugar de tener un “propósito” de reducer gradientes, en realidad florecen cuando flujos óptimos de energía les permiten mantener robustos gradientes dentro de sus yos organizados a expensas de los entornos desorganizados. La vida sin gradientes y energía estaría muerta; con ellos, la vida, como todos los sistemas complejos, es una isla temporal de orden dentro de un cada vez más desordenado Universo. Puede encontrarse más sobre esto aquí:

6- ¿Cómo ve usted el problema del huevo y la gallina del metabolismo y la replicación en el tema del origen de la vida? ¿Qué es lo primero?
Para cualquier sistema complejo, vivo o no, yo veo el flujo de energía precediendo el crecimiento de la complejidad. Por lo tanto, para la vida, que no es más que otro sistema complejo, aunque sea uno que contiene un grado alto de complejidad y a menudo se replica, yo sugiero que el metabolismo probablemente precedió a la replicación en el origen de la vida. La energía es la causa; la complejidad, incluída la replicación, es el resultado. Incluso hoy, todas las formas de vida, sin excepción, muestran propiedades metabólicas, aunque no todas las formas de vida se replican (mientras que algunas formas no vivas sí lo hacen). Es por esto que la ideosincrática definición de la vida tal como la conocemos que yo  he desarrollado y refinado a lo largo de mi carrera no utiliza la palabra “replicación”, sino que enfatiza el metabolismo: La vida es una estructura espaciotemporal coherente y abierta mantenida lejos del equillibrio termodinámico por un flujo de energía a través de ella –un sistema basado en el carbono, que opera en un medio basado en agua, con las formas más elevadas metabolizando oxígeno. Algunos de mis amigos biólogos  critican una definición tan larga, pero yo les recuerdo que yo por lo menos tengo una definición, al contrario que muchos de ellos que parecen contentarse con definir la vida con la broma: “la reconozco cuando la veo” que es la definición de la Corte Suprema de USA de la pornografía.
7 - ¿Cuál es la cosa más sorprendente (hecho, idea, estudio, persona, libro…) que se ha encontrado nunca, algo que haya cambiado su forma de pensar acerca de la vida y el Universo?
     El libro que más me impresionó como estudiante de carrera fue el de Lincoln Barnett, The Universe and Dr. Einstein, que me abrió los ojos a un campo más grande que el de los laboratorios de Física de la Tierra. La persona que probablemente ha tenido más influencia en mi carrera ha sido Carl Sagan (mi predecesor en la Universidad, en el Observatorio de Harvard donde ahora enseño) que me animó a investigar y a enseñar, aunque también me advirtió de que la comunidad científica no toleraría ese “especializarse en generalizar”. El más sorprendente avance que he tenido el placer de hacer es empezar a cuantificar el enorme e interdisciplinar escenario de la evolución cósmica –intentando tratar todos los sistemas complejos, incluyendo galaxias, estrellas, planetas, vida y sociedad, de la misma uniforme y consistente manera, como si existiera debajo de toda esta confusion del Universo, una subyacente acción simple y platónica que naturalmente crea, organiza y mantiene la forma y la función de los sistemas complejos en todas partes.
8- ¿En qué está trabajando ahora? ¿Qué misterio le gustaría desvelar?
Ahora en la cima de mi carrera, tengo los fondos necesarios y la infraestructura adminstrativa para perseguir el estudio de la evolución cósmica de forma regular. Previamente, no he dispuesto de ese lujo de tiempo; obligaciones de enseñanza, dirección de centros, e investigación interestelar tradicional han sido fructíferas y productivas, pero me han impedido dedicarme a lo que verdaderamente quería hacer: investigación centrada en los aspectos cuantitativos de la evolución cósmica en general. Francamente, quiero saber, desde un punto de vista científico, quién soy y de dónde vengo. Quiero explorar y valorar todo lo que hay en la Naturaleza fuera de mi ventana, y si puedo, hacer eso de forma cuantitativa, respaldado por pruebas empíricas, lo que creo que sería una valiosa contribución al conocimiento humano.

@pitiklinov