Ny artikkel krever en filosofisk revolusjon i biologi, som setter sinn over materie
Av Brian Miller, 17. april 2025. Oversatt herfra.

De tre ikonoklast-forskerne Seymour Garte, Perry Marshall og Stuart Kauffman har publisert en artikkel i tidsskriftet Entropy med tittelen "The Reasonable Ineffectiveness of Mathematics in the Biological Sciences." Seymour Garte er en biokjemiker ved Rutgers University som har skrevet mye om skjæringspunktet mellom tro og vitenskap. Perry Marshall grunnla Evolution 2.0, og Stuart Kauffman er en ledende teoretiker som studerer selvorganisering. Artikkelen deres argumenterer for at enkle naturlige prosesser ikke kan forklare embryologisk utvikling. I stedet styres biologien av kognisjon - evnen til å ta genuine valg og handle kreativt for å svare på miljøsignaler for å forfølge mål.

Reduksjonismens avgang
Forfatterne hevder at matematiske sammenhenger ikke kan fange kompleksiteten til biologiske prosesser. Denne begrensningen utgjør en utfordring for reduksjonismen - ideen om at forståelse av de fysiske og kjemiske egenskapene til biologiske molekyler til slutt vil forklare livets organisasjon på høyere nivå. Reduksjonisme hevder at alle biologiske fenomener er reduserbare til fysikk, og hvis fysiske prosesser er matematisk beskrivbare, bør biologi i prinsippet i stor grad kunne forklares gjennom matematiske modeller.

Bilde 1. Orm med pussige egenskaper

Denne antagelsen innebærer biologiske prosesser nesten utelukkende styrt av regelbasert dynamikk - omtrent som fysikkens lover. Det fører igjen til at man forventer at disse prosessene skal styres av algoritmer siden algoritmer er definert som trinnvise prosedyrer som transformerer innganger til utdata basert på definerte regler. Likevel, hevder forfatterne, er mange biologiske operasjoner ikke beregnelige (aka ikke-algoritmiske) -lenke:
"Marshall bruker Turing-matematikk for å bevise (og ikke bare anta hypoteser) at spådommer om fremtiden, tildeling av betydning til symboler, induktiv resonnement, aksiomer i matematikk, negentropi, måling og persepsjon alle er ubestemmelige forslag, tilsvarende Turings stanseproblem. Alle krever valg som ikke kan beregnes fra tidligere tilstander; dermed overskrider biologi grensene for beregning."

Matematikk gir fortsatt et kraftig verktøy for å representere de abstrakte forholdene mellom biologiske funksjoner -lenke, men bare hvis de er løsrevet fra sine fysiske komponenter:
"Louie, med utgangspunkt i Rashevsky, bruker relasjonsbiologi for å demonstrere matematisk at noen biologiske egenskaper oppstår fra forhold som ikke kan reduseres til deres fysiske komponenter. Relasjonsbeskrivelser kan gjelde en stor klasse funksjonelt identiske, men fysisk ganske forskjellige systemer.

Rashevsky demonstrerte dette konseptet gjennom det han kalte "prinsippet om biologisk epimorfisme." Et av hans mest kjente eksempler involverte å sammenligne fordøyelsessystemene til forskjellige organismer. Han viste matematisk at til tross for store forskjeller i fysisk struktur - fra den enkle tarmen til en hydra til den komplekse fordøyelseskanalen til pattedyr - kunne disse systemene kartlegges til den samme relasjonsmodellen som beskriver de grunnleggende funksjonene til næringsopptak og fjerning av avfall. De fysiske implementeringene varierte dramatisk, men de grunnleggende relasjonene mellom innganger, transformasjoner og utganger forble invariable. Dette viste at biologiske funksjoner kunne forstås på et abstrakt relasjonsnivå, atskilt fra deres spesifikke fysiske manifestasjon."

Bilde 2. Eks. på å forskyve valg bakover i tid

Enkelt sagt kan prosesser i biologi kartlegges -lenke, på samme måte som prosessflytdiagrammer i ingeniørfag. Organiseringen på høyere nivå av forskjellige biologiske systemer kartlegger ofte det samme designmønsteret. Designmønsteret er mer grunnleggende enn hvordan det implementeres i en spesifikk organisme, på samme måte som den generelle utformingen av en bil er mer grunnleggende enn de fysiske egenskapene til metallet, glasset og stålet som brukes i en spesifikk bilmodell. Suksessen til relasjonsbiologi omstøter den reduksjonistiske antakelsen om at livets grunnleggende essens ligger i kjemien og fysikken til dets fysiske komponenter.

Kognisjon går foran kjemi
Forfatterne presser argumentet videre ved å benekte at kjemi genererte den genetiske koden og at den genetiske koden til slutt fikk den nødvendige informasjonen for å manifestere kognisjon. De argumenterer i stedet for at kognisjon genererte den genetiske koden -lenke, som gjør det mulig for livet å kontrollere kjemi:
"Marshall argumenterer for at årsakssammenheng i biologi er kognisjon -> koder -> kjemikalier, som går i motsatt retning av den standard reduksjonistiske modellen, som er kjemikalier -> koder -> erkjennelse. Et enkelt empirisk eksempel på en kjemisk prosess som produserer kodet informasjon vil forfalske denne artikkelens avhandling."

Kognitiv agentur skiller seg fra standardalgoritmer når det gjelder problemene de kan løse. Algoritmer er avhengige av matematiske modeller brukt på svært begrensede problemer, for eksempel å identifisere den mest effektive ruten for å besøke flere byer. Derimot kan kognitive agenter løse åpne problemer som ikke kan løses beregningsmessig på grunn av deres kompleksitet og mangel på klare begrensninger. Kognitive agenter kan utvikle kreative løsninger som innebærer å velge et matematisk rammeverk og begrensninger ut fra enorme muligheter:
"Biologi på den annen side utfører induksjon som per definisjon skaper matematikk. Organismer trekker slutninger der eksakte svar ikke kan kjennes nøyaktig. Dette betyr at biologi skaper på måter som ikke-levende materie ikke gjør.
Tesen i denne artikkelen er at biologiske organismer virkelig skaper matematikk og i realiteten velger aksiomer, både implisitt og eksplisitt. Mennesker valgte eksplisitt et base-10 tallsystem. Mange andre nummersystemer er mulige."

Kognisjon og utviklingsbiologi
Forfatterne illustrerer kognisjon i embryologi ved å beskrive to modellorganismers respons på miljøbelastninger, rapportert av den anerkjente utviklings- og syntetiske biologen Michael Levin -lenke. I det første eksemplet demonstreres kognisjon ved at salamander endrer utviklingen som respons på økt nyrecellestørrelse:
"Hos normale salamander dannes nyretubuli typisk ved interaksjon av 8 til 10 små celler i et tverrsnitt. Disse cellene kommuniserer og koordinerer med hverandre for å lage en tubuli med et lumen av en bestemt størrelse. Denne prosessen er avhengig av celle-til-celle kommunikasjonsmekanismer...

Bilde 3. Erkjennelse kan sitte fast i kjerneverdier

I tilfeller hvor cellene gjøres ekstremt store, tilpasser systemet seg ytterligere. I stedet for å stole på celle-til-celle-kommunikasjon, pakker en enkelt stor celle seg inn i en "C"-form for å danne tubuli. Denne prosessen bruker en helt annen molekylær mekanisme - cytoskjelettbøyning - snarere enn de vanlige celle-til-celle-konstruksjonene.
Dette fremhever plastisiteten og tilpasningsevnen til det biologiske systemet, da det kreativt kan implementere forskjellige mekanismer for å oppnå det samme strukturelle målet (en nyretubuli med riktig lumendiameter) til tross for drastiske endringer i cellestørrelse.
Dette er en affordance [mulige handlinger tillatt av miljøet], et eksempel på et biologisk system som velger et alternativt sett med aksiomer og bruker dem til å beregne et nytt resultat i møte med en trussel. Vi bruker begrepet 'beregne' bevisst her: ja, organismen datamaskiner, men dette kommer etter at et valg er tatt om å dra nytte av et råd."

Bilde 5. Vil vi benytte oss av råd eller ikke?

I det andre eksemplet er kognisjon demonstrert av planarians som reagerer på toksinet barium:
På samme måte, når planariske flatormer utsettes for barium, en ikke-spesifikk blokkering av kaliumkanaler, gjennomgår hodene deres en degenerasjonsprosess på grunn av nevrale vevs manglende evne til å opprettholde normal ionebalanse. Dette resulterer i at hodene ikke utvikler seg eller fungerer som de skal, og i noen tilfeller 'eksploderer' hodene eller brytes helt ned.
Når disse planarene holdes i en bariumløsning, regenererer deres gjenværende haler nye hoder som er fullstendig motstandsdyktige mot barium. Dette skjer umiddelbart. Denne tilpasningen er spesielt fascinerende fordi barium ikke er et stoff som planarians møter i naturen, noe som betyr at det ikke har vært noe evolusjonært press for å utvikle en spesifikk respons på det. Dette er et nytt svar på en uforutsigbar hendelse.
Spesielt slående er at løsningen på toksinutfordringen så ut til å modifisere det minste antallet gener som er mulig. En enkel algoritme kunne ikke ha snublet over en så optimal respons så raskt; bare en kognitiv agent kan umiddelbart tenke ut en kreativ og optimal løsning.

Utvide det vitenskapelige verdensbildet
Forfatterne forsøker ikke å forklare kilden til erkjennelse eller hvordan den oppsto. I stedet argumenterer de for "nødvendigheten av å finne nye formalismer for å beskrive den biologiske virkeligheten." De inviterer også det vitenskapelige samfunnet til å utvide sine filosofiske horisonter for å la deres forståelse av biologi bli definert av bevis, i stedet for langvarige filosofiske forpliktelser:
"Ineffektiviteten til matematikk i biologi representerer en gaffel i vitenskapens historie. Vi er ved terskelen til en 'redje overgang' der det newtonske urverksparadigmet som ble veltet av kvantemekanikken igjen forvandles av livets uregjerlige kreativitet. Mens klassisk fysikk skodde verden for ryddige ligninger og faserom, vil biologi utover matematikk måtte kjempe med uklarhet, kontekstavhengighet og åpen fremvekst. Dette skiftet vil kreve ikke bare nye matematiske verktøy, men en ny vitenskapelig epistemologi som kan imøtekomme livets kreative frihet...
Til syvende og sist lar det å detronisere matematikk som biologiens ufeilbarlige språk oss til å ta et steg tilbake i ydmykhet og undring. Ved å erkjenne livets ubeskrivelige kreativitet, beveger vi oss nærmere å verdsette biologiske systemer slik de er, ikke slik vi ønsker at de skal være for konseptuell bekvemmelighets skyld...

Bilde 6. Det regjerende aksiom i akademia

Den rimelige ineffektiviteten til matematikk i biologi er altså ikke en fiasko, men en invitasjon: en invitasjon til å utvide vårt vitenskapelige verdensbilde, omfavne det ukjente og lære på nytt å bli forbøffet over den levende verdenens fruktbare kreativitet."

Brian Miller (Bilde 7)

Dr. Brian Miller er forskningskoordinator og senior stipendiat for Center for Science and Culture ved Discovery Institute. Han har en B.S. I fysikk med en lavere grad i prosjektering fra MIT og doktorgrad. I fysikk fra Duke University. Han snakker internasjonalt om temaene Intelligent Design og innflytelsen av livssyn på samfunnet. Han har også konsultert om organisasjonsutvikling og strategisk planlegging, og han er teknisk konsulent for Ideashares, en virtuell inkubator dedikert til å bringe innovasjon til markedet.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund