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Os alienígenas se parecerão conosco? A resposta envolve a ergodicidade e a previsibilidade da evolução

Em filmes e programas de TV, os alienígenas parecem humanos de orelhas pontudas. Isso é realista? Se a evolução é previsível, então pode muito bem ser.

Crédito: 3D Motion / Adobe Stock

Principais conclusões

A evolução convergente é a observação de que diferentes espécies que enfrentam pressões de seleção semelhantes desenvolverão soluções semelhantes – como asas.
Se a evolução é previsível é uma questão em aberto na biologia.
Se é previsível, então pode ser devido a um conceito muito abstrato da física conhecido como ergodicidade.

Os alienígenas que você vê nos filmes de ficção científica e na TV geralmente se parecem muito conosco: dois braços, duas pernas e uma cabeça (mas com orelhas pontudas). Embora a razão para isso tenha tudo a ver com orçamentos limitados e não com a ciência, essas representações levantam uma questão mais profunda sobre o que é chamado de evolução convergente. Se a evolução darwiniana funcionar em outros planetas, eles levarão a formas de vida – literalmente como parece – como encontramos na Terra ?

Na história do nosso próprio planeta, por exemplo, vemos diferentes versões de asas evoluindo em muitas ocasiões distintas em muitas espécies distintas. Esta é a evolução convergente, e se soubéssemos que isso sempre aconteceu, então poderíamos dizer que a evolução é, em certo sentido, previsível. Nesse caso, poderíamos dizer se e quando os alienígenas se pareceriam conosco.

Mas há uma longa e feroz tradição de argumentação sobre a evolução convergente. Hoje, quero descompactar uma linha nesta luta que é nova (pelo menos para mim) e toca em uma das questões mais profundas não na biologia, mas na física: uma ideia louca e profunda chamada ergodicidade .

Ergodicidade e hiperespaço

Ergodicidade é sobre as ligações entre os mundos micro e macroscópico, especificamente como entender a aleatoriedade no primeiro pode nos permitir prever a ordem no segundo. Por exemplo, faz mais de um século que os físicos perceberam que declarações sobre a temperatura de um objeto macroscópico, como uma xícara de café, eram na verdade declarações sobre o movimento microscópico aleatório dos zilhões de átomos e moléculas constituintes do objeto. Em outras palavras, a termodinâmica – como a temperatura muda – poderia ser descrita pela mecânica estatística desses zilhões de átomos à medida que saltavam.

Mas para fazer essa conexão entre micro e macro, os físicos precisavam assumir o que chamavam de hipótese ergódica . Qualquer sistema macroscópico feito de todos aqueles zilhões de átomos poderia ser visualizado como existindo em um vasto espaço hiperdimensional, um espaço de fase, que tinha seis dimensões para cada átomo. Isso significa que se você tiver 10²³moléculas em sua xícara de café (na verdade, há muito mais), então seu espaço de fase tem 6 x 10²³dimensões. Sim, isso é um monte de dimensões loucas. O espaço de fase é um hiperespaço isso envergonha o famoso espaço-tempo quadridimensional de Einstein.

Ao contrário do espaço-tempo, no entanto, o espaço de fase não é real. É uma construção matemática que ajuda os físicos a entender como a temperatura de uma xícara de café evoluirá e mudará. É aí que entra a hipótese ergódica. Um sistema, como a xícara de café, será ergódico se explorar todo o seu espaço de fase hiperdimensional disponível. À medida que o sistema muda no tempo, sua representação no espaço de fase visitará todos os pontos disponíveis para ele nesses 6 x 10²³dimensões. Poderíamos gastar muita tinta para descompactar isso, mas aqui está o que significa ergodicidade: mesmo que o sistema envolva muita aleatoriedade (moléculas de café colidindo aleatoriamente com outras moléculas de café), você ainda pode fazer previsões muito precisas sobre a evolução do sistema. A suposição ergódica na mecânica estatística é por que podemos dizer com confiança que xícaras de café sempre esfriam – ou por que máquinas de movimento perpétuo são impossíveis.

A evolução é previsível?

Agora vamos pular para a biologia. Aqui está a pergunta matadora: A evolução é ergódica? Como a mecânica estatística, a evolução liga o mundo microscópico aleatório (mutações genéticas) com o mundo macroscópico (a forma e a função dos seres vivos). Se a evolução é ergódica – isto é, se a trajetória da evolução de uma espécie se comportou em seu espaço de fase de possibilidades da mesma forma que as moléculas em uma xícara de café – então podemos ser capazes de prever resultados evolutivos. Poderíamos saber de antemão a que a evolução levaria. Podemos até dizer que, em princípio, se não na prática, as circunstâncias no exoplaneta XB4-27A levarão a criaturas de aparência humanóide (mas com orelhas pontudas, é claro).

Então, a evolução é ergódica? Irá explorar todo o seu louco espaço de fase hiperdimensional? Para muitos pesquisadores, a resposta é uma enfática não . Stuart Kauffman, por exemplo, faz da ausência de ergodicidade na evolução o ponto central de muito de seu trabalho sobre a vida. Para Kauffman, o aspecto mais importante da evolução é sua dependência do caminho , é história. Repasse a história da Terra novamente e você obterá algo diferente. Como Kauffman coloca:

Ainda mais profundamente, a evolução da vida em nossa biosfera é profundamente “não-ergódica” e histórica. O universo não criará todas as formas de vida possíveis. A não ergodicidade nos dá história.

Assim, para Kaufman, a coisa mais importante sobre os sistemas vivos é sua diferença, não a semelhança com os sistemas físicos. A ergodicidade é o que permite que existam leis da física para grandes coleções de matéria abiótica. Mas a falta de ergodicidade é o que torna a vida especial.

Por outro lado, há alguns pesquisadores que pensam que a biologia pode ser ergódica (pelo menos em casos especiais). Para eles, as ligações entre moléculas e xícaras de café são paralelas àquelas entre genótipos (o arranjo microscópico dos genes) e fenótipos (as formas macroscópicas do corpo). Recentemente me deparei com um papel por Tom McLeish da Universidade de Durham intitulado, Existem limites ergódicos para a evolução? Exploração ergódica do espaço genômico e convergência. Nele, McLeish argumenta que o processo de mutação aleatória, que define as trajetórias que os sistemas vivos percorrem no espaço de fase de todos os genótipos possíveis, será ergódico. Como ele coloca:

eu da ergódica evolutiva tempo de busca de um subespaço do genoma para qualquer fenótipo pode ser calculado, então... esperamos que um ótimo de aptidão possa ser encontrado, se existir. Isso forneceria uma base conceitual para entender a convergência na evolução...

A partir de agora, não há resposta para esta questão de evolução e ergodicidade. Suspeito que, se você pesquisasse biólogos, a maioria tenderia a argumentar contra a ergodicidade. A coisa que eu queria chamar aqui – o que é realmente super legal – é como o argumento em si funciona. A previsibilidade da evolução, que é um imenso pergunta, é mapeado nas propriedades de um espaço de possibilidades louco, hiper-abstrato e hiperdimensional. O fato de que isso seja conceitualmente possível é o que faz minha cabeça girar com admiração. Pode até ser mais legal, ou pelo menos tão legal quanto saber se os alienígenas se parecerão conosco.

Neste artigo animais física de partículas Espaço e Astrofísica