Zelforganisatie
Erwin Schrödinger, februari 1943:
How can the events in space and time which take place within the spatial boundary of a living organism be accounted for by physics and chemistry?
Deze vraag heeft grote impact gehad op verschillende terreinen van de wetenschap in de 20e eeuw, tot op de dag van vandaag. De vraag zelf – the large and important and very much discussed question – staat centraal in een serie openbare colleges die Erwin Schrödinger in 1943 heeft gehouden namens het Trinity College in Dublin.
Hoewel ik vaktechnisch gezien veel achtergrond en jargon mis, probeer ik te begrijpen waar het Schrödinger om te doen is, en wat de belangrijkste vervolgvragen zijn. Het is zo’n zijpad dat ik op deze site graag op ga, juist vanwege de historische context.
In dit geval is de lange tekst die volgt in mijn ogen onmisbaar voorwerk om de uitgangspunten te begrijpen waarop het werk van Karl Friston cs is gebaseerd. Dan gaat het wel om het hoofdonderwerp van deze site, de ontwikkeling van AI en alles wat er mee samenhangt.
Bij Schrödinger draait het om barrières in ruimte en tijd en de informatie die er door heen moet zodat levende organismen kunnen (blijven) bestaan en hun homeostatische mechanismen op gang kunnen houden. Dat geheel beschrijven en verklaren op basis van natuurkundige en chemische principes is het doel dat Schrödinger zich stelt en in deze collegecyclus begint uit te werken.
Een boekje met de tekst en uitwerking van de betreffende colleges, verschijnt in 1944 onder de titel What is Life? Overigens wordt de vraag What is Life? zelf niet in directe zin beantwoord.
Levende organismen zijn een bijzonder type natuurlijke systemen omdat ze in staat lijken te zijn de tweede hoofdwet van de thermodynamica te omzeilen. Ze blijven door zelforganisatie, zelfordening, in tact binnen fysieke grenzen en ze persisteren in de tijd. Zie hier de barrières die ik noemde.
Orde en wanorde
Waar is de orde, de organisatie, van een levend organisme op gebaseerd? Beter gezegd: hoe kan het organisme weten hoe het zich moet organiseren? Het antwoord, volgens Schrödinger, is dat er een overleveringsmechanisme is, een script dat vast ligt in de kleinste elementen van een levend organisme. In de cel, of in de chromosomen binnen de cel.
Een belangrijke gedachte bij Schrödinger is dat er orde uit wanorde kan ontstaan. Denk aan het oplossen van een klontje suiker in vloeistof – een chaotisch proces – dat uiteindelijk in een evenwichtig en stabiel mengsel eindigt, de suiker heeft zich uniform verdeeld over de vloeistof. Het lijkt een definitiekwestie, maar als ik het goed begrijp gaat het om het beschouwingsniveau, welkom in de statistische mechanica. Op microscopisch niveau is er de wanorde van de atomen, die zich op macroscopisch niveau vertaalt in een uniforme verdeling, lees: orde.
Voor zo’n macroscopische orde zijn veel atomen nodig, hoe minder atomen hoe willekeuriger het systeem wordt – er is dan geen uniforme verdeling meer.
Schrödinger weet al wel, onder meer door onderzoek met röntgenstralen, dat in een cel de genen niet veel meer dan een paar duizend atomen hebben. Orde uit wanorde gaat hier dus niet op – zijn conclusie is dan ook dat dat de drager van de code zélf een stabiele verbinding is. Een fysisch object, zoals een kristal. En dan niet een met een herhalende roosterstructuur, zoals quartz, maar een a-periodische want er moet (in mijn woorden) veel diverse informatie zijn vastgelegd.
Het is 1943, het duurt nog 10 jaar totdat Crick en Watson hun werk over DNA en de rol van aminozuren publiceren, maar Schrödinger voorspelt op basis van een redenering ongeveer hoe zo’n script object er uit zou moeten zien. Vanuit de hoek van de moleculaire biologie heeft hij daar ook de credits voor gehad, zie het briefje dat Crick in 1953 aan hem schreef.
Entropie pomp
Vervolgens gaat het bij Schrödinger over entropie, ik geef zijn redeneringen in parafrase weer.
- Wat kenmerkt een levend systeem? Dat het bezig is, iets doet, beweegt, uitwisselt met de omgeving, en zo voort.
- Als een niet-levend systeem afgezonderd wordt, of in een uniforme omgeving wordt geplaatst, zal het als systeem verdwijnen, vervallen. Alle beweging stopt, door allerlei soorten wrijving. Alle elektrische of chemische potentiaalverschillen worden vereffend, temperatuurverschillen verdwijnen door warmtegeleiding. Er ontstaat een inert brok materie, in een permanente toestand waarin er niets meer gebeurt. Die toestand wordt in de natuurkunde een thermodynamisch equilibrium genoemd, of maximale entropie.
- Een levend systeem, een organisme, weet het verval naar maximale entropie te vermijden of in elk geval uit te stellen. Hoe doet het levende organisme dat? Het directe antwoord is: door te eten, te drinken, te ademen, te assimileren, kortom door metabolisme, door stofwisseling.
- Wat wordt er dan eigenlijk gewisseld? Het lijkt Schrödinger onzin dat het ook werkelijk ‘stoffelijk’ zou zijn, elk atoom is immers zo goed als elke andere, waarom zou je het ruilen? Gaat het om energie, zeg maar calorieën? Ook daar valt er eigenlijk niets uit te wisselen, iedere calorie is evenveel waard als een andere.
Dan komt Schrödinger met een gedachtegang, die ik eerst wat curieus vond maar die bij nader inzien toch heel logisch is.
- Elk proces, elke handeling of gebeurtenis – zeg maar alles wat er gaande is in de natuur heeft een toename van entropie tot gevolg – de Tweede Wet van de Thermodynamica laat zich gelden.
- Een levend organisme vermeerdert dus voortdurend zijn entropie. Je zou kunnen zeggen, het produceert entropie op weg naar de toestand van maximale entropie, ofwel de dood. Deze entropie telt op, het heeft een +-teken: positieve entropie.
- Het organisme kan alleen in leven blijven door die positieve entropie ‘kwijt’ te raken of te compenseren. Dat is wat er in het metabolisme gewisseld wordt, entropie, en het lukt door voortdurend negatieve entropie uit de omgeving te halen, zich te voeden met negatieve entropie.
Schrödinger haalt er dan nog formules en berekeningen bij die ik laat voor wat ze zijn. Mijn associatie, niet die van Schrödinger, bij zijn redenering is die met een warmtepomp. Daar is het immers ook zo dat één kant wordt opgewarmd met positieve warmte terwijl de andere kant afkoelt door negatieve warmte toe te voegen. Je zou het hele mechanisme in de redenering van Schrödinger dus een entropie pomp kunnen noemen.
NB Ik meende met entropie pomp een originele metafoor te hebben. Dat is ook zo, ik heb het zelf bedacht. Daarna kwam ik er achter dat iemand mij is voor geweest: In 1967 verscheen van de hand van Barry Campbell in Nature (vol. 215 p. 1308) een kort artikel onder de titel Biological Entropy Pump. Hij verwijst daarbij onder meer naar de negatieve entropie van Schrödinger, die daar met een nare samentrekking negentropy wordt genoemd.
Met dank aan GPT4 die via Perplexity.ai feilloos dit artikeltje wist op te sporen nadat ik er met het steekwoord entropie pomp naar gevraagd had.
De link naar AI
De vraag What is Life? is door Schrödinger niet rechtstreeks beantwoord, maar ik hou het er op dat het zelforganiserend vermogen van levende organismen de kern van het leven zelf is. Een levend organisme kan interne stabiliteit handhaven ondanks veranderingen in de externe omgeving, en zich ‘voeden’ met negatieve entropie om homeostase te bereiken en voor langere tijd vast te houden.
Met woorden die niet passen in de historische context zou je kunnen zeggen dat het een knap staaltje is van die levende organismen, een treffend voorbeeld van intelligentie in de natuur, in biologische systemen. Maar onmiddellijk dient zich de vraag aan: Hoe dan? Hoe zit zo’n systeem in elkaar, wat komt er allemaal bij kijken?
Die vragen zijn aanleiding voor wetenschappelijk onderzoek op veel terreinen. Dat is nog volop gaande maar levert nu al inzichten die kunnen helpen zicht te krijgen op mogelijke modellen voor AI en een strategie voor verdere ontwikkeling, een alternatief voor het geweld van de grote taalmodellen. Ik schreef er hier al eerder over.
Het is ook de weg die Karl Friston voor zich ziet. In Designing Ecosystems of Intelligence from First Principles schrijft hij:
Contemporary developments in the statistical mechanics of far-from-equilibrium systems (and in particular, multi-scale, living systems) allow us to formalize these insights—of early cybernetics—as a physics of self-organization, which enables the study of intelligence itself as a basic, ubiquitous, physical phenomenon.
Zo komt de aap uit de mouw: dit blogbericht is niet alleen het historische uitstapje, een zijpad zo je wilt, maar ook een onmisbare inhoudelijke inleiding op het werk van Friston. In volgende berichten stort ik mij in de ‘physics of self-organization‘.