Mönstersökarna

Varför är allting så komplicerat? Ja vore det inte så, skulle vi inte finnas här för att fråga. För att liv ska uppstå krävs en viss grad av komplikation hos både cellerna själva och deras sätt att fungera. Men blir allting för komplicerat uppstår kaos, och det är inte särskilt livgivande. Kaos är granne med Gud, som diktaren sade, och den ordning som finns just intill gränsen mot det kaotiska är den mest skapande ordningen, om man ska tro vissa moderna forskare.

”Långt från jämvikt” är ett annat intressant område; för vid jämvikt, där ingenting händer, får inte heller livsprocesserna fäste.

Med komplicerat menar man ibland krångligt, och det är kanske därför forskarna hellre vill använda termen komplext – sammansatt. Då hyser man innerst inne en förhoppning om att det egentligen är något mycket enklare som ligger under den till synes komplicerade ytan.

Mer är annorlunda

Studier av komplexa system – vare sig de handlar om livets uppkomst, medvetandet, människans immunsystem, ekonomiska processer i samhället eller städers tillväxt – har numera blivit ett eget forskningsfält. Inom alla dessa områden uppstår fenomen, s k emergenta egenskaper, som är svåra att härleda om man bara lägger ihop beståndsdelarna.

Att få grepp om sådana processer skulle vara omöjligt utan de framsteg som matematiken och datorvetenskapen har gjort under det senaste halvseklet. Med olika nya programmeringsmetoder som självlärande neurala nätverk, cellautomater och genetisk programmering imiterar man naturens väg mot allt större komplexitet (se artikeln på sidan 26). Forskarna simulerar naturliga fenomen, bygger upp egna världar inuti datorn och söker efter universella lagar bakom alla emergenta fenomen, egenskaper som framträder mer eller mindre oförutsägbart.

”More is different”, sade för nästan fyra årtionden sedan den amerikanske fysikern och Nobelpristagaren Philip W Anderson. Mer är annorlunda. Många smådelar tillsammans uppför sig på ett annat sätt än när de bara är några få. Helt nya egenskaper framträder, sådana som inte går att upptäcka när beståndsdelarna är få – emergens alltså.

Detta synsätt anförs ofta i samband med kritik mot vetenskapens reduktionistiska metod, som går ut på att alla fenomen reduceras till egenskaper hos sina beståndsdelar. Nu är komplexitetsforskning inte så olik annan forskning med reduktionism som ledprincip. Dessutom har denna metod varit oerhört framgångsrik och lett till rader av banbrytande upptäckter. Men det vore förmätet att tro att man kan beskriva hur världen är beskaffad bara genom att ha kunskap om de mest grundläggande enheterna och naturlagarna.

De flesta fenomen låter sig inte beskrivas på det sättet. De biologiska organismerna är de bästa exemplen på att helheten är större – eller rättare sagt annorlunda – än summan av sina delar. Det leder ingen vart att studera en ensam myra om man vill få reda på myrstackens alla hemligheter.

Som fysikens fasövergång

När nyordning uppkommer spontant talar man om självorganisation. I fysiken känner man till fasövergångar: en formlös materia får plötsligt struktur. Som när vatten fryser till is eller när vattenånga kondenserar till vattendroppar. Ett annat exempel är lasern där atomerna, som från början lyser i olika våglängder huller om buller, genom tillförsel av energi plötsligt börjar sända ut ljusvågor med exakt samma längd.

Att hela universum vid tiden för materiens tillkomst måste ha genomgått en fasövergång, föreslog den ryske fysikern Andrej Sacharov år 1966. På så sätt får dessa resonemang en kosmisk dimension.

Det är som sagt system som befinner sig i eller tvingas in i ett tillstånd långt från jämvikt som har en tendens att genomgå spontan självorganisation.

Medan vetenskapens traditionella forskningsobjekt oftast varit materia och energi i jämvikt, har den rysk-belgiske kemisten och Nobelpristagaren Ilya Prigogine studerat just sådana långt-från-jämvikt-system. Ett av de enklaste är kemiska reaktioner där det spontant utvecklas komplexa strukturer ur ett från början formlöst tillstånd. Spontant och oförutsett bildas nya former som om materia hade en ”egen vilja”, enligt Prigogine.

Jorden är, med sin omgivande atmosfär, också ett system som befinner sig långt från jämvikt. Nya strukturer byggs upp ständigt. Detta anförs ibland som ett brott mot termodynamikens andra lag, den som säger att entropin, betraktat som ett mått på oordning, alltid ska öka. Och då är det klart: om man jämför människan med en amöba från urtiden blir det tydligt att ordningen på jorden har ökat i takt med evolutionen, tvärtemot termodynamiken alltså. Att få ihop dessa två utvecklingstrender – den ena mot ökande komplexitet på jorden och den andra mot allt större oordning – är ett ständigt diskussionsämne.

Fysikens grundläggande lagar slår dock fast: termodynamikens lagar gäller. Man ska se till jordens hela energibalans. Å ena sidan kommer det in solstrålning som driver biosfären och utnyttjas till att bygga upp nya strukturer. Å andra sidan sänder jorden ut strålning mot rymden som innehåller mer entropi än den som strålat in.

Organisation utan centrum

De komplexa formerna och skeendena växer fram av egen kraft. Det finns inget mål, ingen på förhand given ritning. Det väldigaste exemplet är universum självt.

Ett annat är myrsamhället som med alla sina olika funktioner naturligtvis består av många myror. Men ingen myra, eller för den delen andra sociala insekter och djur som bygger egna samhällen, har en föreställning om det stora sammanhang som den ingår i. Myrstacken är ett komplext emergent fenomen som fortsätter sin existens även om de enstaka myrorna försvinner på vägen.

Även mycket enklare organismer uppvisar ett till synes målinriktat komplext beteende. När tillgången på föda tryter brukar encelliga slemsvampar slå ihop sig till en större enhet, en organism med huvud och svans som därefter ger sig i väg för att leta bakterier att äta. På ett liknande sätt beter sig även den portugisiska örlogsmannen (bild 3). Individerna slår ihop sig för att kollektivt främja sina egna intressen.

Uppkomsten av mänskligt medvetande ur ett virrvarr av nervceller i hjärnan är ett annat emergent fenomen – och fortfarande ett mysterium. I själva verket är hela jag, människan, som summa av mina celler också ett sådant fenomen. Cellerna dör och det bildas ständigt nya, utan att det någonstans finns en ritning för hur det hela ska läggas ihop till mig själv.

Katastrofer med mönster

En svårighet med att utforska komplexitet har varit att denna ofta uppstår plötsligt i stället för genom en långsam, kontinuerlig utveckling. Den danske fysikern Per Bak trodde ett tag att han hade funnit en matematisk formel för att beskriva ett sådant stegvist förlopp.

Om man häller en stråle sandkorn på en sandhög växer den stadigt tills högen uppnår en kritisk höjd. Då växer den inte mer på höjden. När mer sand hamnar på högen rasar sidorna ner – mest som småskred, då och då som medelstora skred, och i sällsynta fall blir skredet katastrofalt. Per Bak kallar detta för självorganiserad kritikalitet.

Det går inte att räkna ut i förväg när lavinerna kommer att inträffa och hur stora de blir. Men med datorhjälp kunde han räkna ut att en tio gånger större lavin är i runda tal tio gånger mer sällsynt. Om man i ett diagram med logaritmisk skala prickar ut lavinernas storlek mot deras förekomst får man en rak linje. Liknande potenslagar är kända också inom andra områden: jordbävningar följer Gutenberg-Richters lag, och på 1940-talet beskrev George Zipf städers tillväxt på samma sätt.

Många har ifrågasatt den här sortens matematik – människan finner gärna mönster och samband där inga finns, och dessutom har sandhögarna visat sig trotsa Per Baks beräkningar. Fast sand var bara en metafor, försvarade sig Per Bak. Vad det handlar om är att plötsliga förändringar kan inträffa utan att man kan finna faktorer som påverkar utifrån. Dessa finns i stället inbyggda i den självorganisation som styr utvecklingen mot komplexitet, menade han. Även om meteoritnedslag med all sannolikhet svepte bort dinosaurierna från jordens yta, finns det andra exempel när historien plötsligt gjort omvälvande kast utan synbara skäl.

Vad Bak diskuterar här är något som biologen Stephen Jay Gould kallade punkterade jämvikter – att det efter en lång tid av balans i ett ekologiskt system inträffar plötsliga förändringar som leder till att något helt nytt föds fram. Det är numera ett välkänt faktum att livets utveckling på jorden gång på gång har avbrutits av katastrofer då mängder av arter plötsligt försvunnit. Sådana djupa kriser i jordens historia har inträffat sex gånger under de senaste 600 miljoner åren. Dessutom har djur- och växtriket drabbats vid ett dussintal andra mindre drastiska händelser. Resultatet har blivit att 99,9 procent av alla arter som någonsin levt på jorden är utdöda. Men utdöendena har lämnat tomrum, och en tid efter katastroferna har den biologiska utvecklingen gått snabbare än någonsin.

Evolutionens gång är alltså inte en kontinuerlig utveckling: när systemen hamnar i det nära-kritiska läget kan en i övrigt betydelselös förändring stjälpa hela lasset.

Artificiellt liv i datorn

Själva formeln för hur det komplexa uppstår genom självorganisation behöver inte vara komplex i sig. Det visar en del datorsimuleringar där man låter enkla formler verka tillräckligt länge på tillräckligt många enheter. Så kunde artificiellt liv skapas i datorn för första gången i slutet av 1980-talet. Många sådana datormodeller bygger vidare på de cellautomater som föreslogs av amerikanen John von Neumann för över ett halvt sekel sedan (se rutan på sidan 32). Cellautomaterna blev ett slags modell för liv, system med upp till en miljon celler som genom kopiering reproducerar sig själva under vissa villkor.

Andra forskare, som den teoretiske biologen Stuart Kauffman vid Santa Fe Institute i USA, började med att studera nätverk av självkatalyserande molekyler som utvecklar sig mot alltmer komplexa system. Finns det tillräckligt många olika molekyler från början tyder modellen på att självorganisationen kan leda till avancerade former som kan reproducera sig. Ordningen får man gratis, som Kauffman konstaterade.

Det är inte helt osannolikt att den högre organisationen t o m kan blåsa liv i molekylerna. Stuart Kauffman är optimistisk på den punkten – i framtiden, om så där femtio år, hoppas han att helt enkelt kunna ge recept på hur liv ska skapas ur en lämplig molekylsoppa. Men sina stora ansträngningar att simulera livets evolution på jorden har han numera dömt ut. Där saknar vetenskapen en lämplig teori, tycker han.

Kauffman, som har skrivit tjocka böcker i ämnet, är en omdiskuterad forskare, men många håller med honom om att hela kunskapsfältet skulle behöva en fasövergång mot större ordning.

Helt hopplöst är det nog inte. Fast i stället för storslagna biologiska teorier har många av forskarna som arbetar med teorin för komplexa system grundat företag som säljer tillämpade datormodeller för valuta- och börshandel, storskalig transportplanering och annat. Affärerna har för några blivit så lyckade att de efter tio år kunnat komma tillbaka till grundforskningen.

Matematiken räcker dock inte till. Den tillhandahåller inte tillräckligt med instrument för att beskriva alla de plötsliga infallen och spontana förändringarna. Inte ens Internet kunde man förutse, klagar Kauffman. Ett exempel är berättelsen om Gertrude, en ekorre som levde för 60 miljoner år sedan. En fuling, eftersom hon hade hängande skinn på båda sidor av kroppen. En dag fick en uggla syn på Gertrude och bestämde sig för att äta henne till lunch. Gertrude blev vettskrämd, hoppade ner från sitt träd och sträckte samtidigt ut armarna. Oj, jag kan flyga, tänkte hon, och snabbt blev hon en hjältinna, gifte sig, fick många barn som också kunde flyga . . . och så har vi fått flygande ekorrar. Men hur kan man återskapa Gertrudes plötsliga infall i datormodellen?

Behöver självorganisation

Ända sedan Darwin kom med sin teori om slumpvisa förändringar i arvsanlagen och det naturliga urvalet som den drivande kraften, har det funnits olika uppfattningar om hur man ska se på evolutionen. Räcker det med slump och urval eller måste även annat, som självorganisation, till?

Darwinismen beskriver hur selektionen karvar fram egenskaperna hos biologiska organismer, men inte hur själva organismerna kommer till. Naturligt urval, som Stuart Kauffman säger, kan förklara hur grodorna förändras men inte hur de skapades en gång i tiden. Komplexitetsforskningen vill finna ledtrådar till hur olika strukturer, ögon, hjärnor, elefanter, först dök upp. Att det skulle ske bara genom slumpmässiga förändringar och naturligt urval är för bra för att vara sant, tror de. Vid sidan av evolutionsteorin bör även andra principer gälla här, menar vissa komplexitetsforskare som betraktar darwinistiska förklaringar som om de vore Rudyard Kiplings Just so stories (”Så fick elefanten sin snabel”) – berättelser som ansträngt anpassas till en känd utgång. I stället jagar dessa forskare principer för den organisation som har försett världen med en fantastisk mångfald av organismer.

Om allt började om

Allt större ordning innebär också att uppbyggnaden blir alltmer hierarkisk – enkla delar slås ihop till mer komplexa delar som slås ihop till ännu mer komplexa delar. Även inom andra områden kan man se en växande hierarki av ordning – djur samlas till flockar, människor lever i samhällen. Skulle denna hierarki vara en motkraft till slump och oordning? Finns det något i naturen som tvingar fram komplexiteten? Eller är det bara vårt sätt att se på oss själva och vår omvärld? Är det slumpen eller självorganisationen som råder?

Ett sätt att spetsa till argumenten är att tänka sig vad som skulle hända om all utveckling på jorden började om från början. Skulle blommorna, näktergalen och vi själva finnas här då? Knappast, säger de som tror på slumpens verkan, även själva komplexiteten är ett resultat av slumpmässiga förändringar under historiens gång.

Medan andra hävdar organisationsprincipen: möjligen skulle andra organismer än just de som vi ser på jorden ha kommit till, men även dessa skulle ha många drag gemensamma med dagens liv och de skulle vara arrangerade i en hierarki, i en växande grad av komplexitet. Slumpen kanske bara är ett uttryck för vår okunskap – det som inte låter sig ordnas av oss betraktas som slumpmässigt även fast det inte är det. Eller så är allting precis så komplicerat som det verkar vara och saknar alla övergripande ordnande principer. I så fall finns den ordning vi letar efter bara i våra huvuden.