A kiábrándult fizikus

Geoffrey West Nagy-Britanniában született, de már fiatal korában az Egyesült Államokba költözött, hogy a Stanfordon tanuljon tovább, ahol főként szubatomi részecskékkel, pionokkal foglalkozott. A részecskefizika tudományához való egyik fontos, hosszú távú hozzájárulását jelentette a nagyenergiájú fizikával foglalkozó csoport megalapítása a híres Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban, de a fizika iránti lelkesedését - sok más kollégájával együtt - lehűtötte egy sajnálatos esemény, ami a világ legnagyobbnak készülő részecskegyorsítójával esett meg a 90’-es években.

A Szupravezető szuperütköztető (Superconducting Super Collider, SSC) a 27 kilométeres alagúttal rendelkező Nagy Hadronütköztetőnél is sokkal hatalmasabb, 87 kilométeres gyorsítójú létesítmény lett volna a tervek szerint, és az építése meg is kezdődött 1991-ben, de végül alig két évvel később, 1993-ban, Bill Clinton elnöksége alatt (aki egyébként felszólalt az SCC védelmében) leállították a projektet. Az elsődleges okot a gigantikusra növő költségek jelentették, de más is állt a háttérben.

“A kilencvenes években végigsöpört Amerikán egy anti-tudományos hullám, egyfajta fizikaellenes trend.”

- mesélte Geoffrey West - “Elterjedt ez a híres mondás, miszerint a fizika a 19. és 20. század tudománya, a 21. század tudománya a biológia lesz. Gyakran kimondatlanul maradt, de valójában ez a mondás is utalt arra, hogy nem lesz többé szükség a fizikára.”

West elmondása szerint a fizikával foglalkozó kutatókat ez az általános attitűd és az SCC projekt leállítása meglehetősen negatívan érintette - akkoriban ő maga is elkezdett kételkedni a fizikai kutatások jövőjében, és inkább a biológia felé fordult, de természetesen nem hagyta maga mögött a fizikusi szemléletet. “Elképzelhetőnek tartottam, hogy tényleg a biológiai lesz a 21. század vezető tudománya, de - némileg arrogánsan, tekintve, hogy akkoriban nem ismertem jól a biológiát - úgy tartottam, hogy a biológia nem válhat valódi tudománnyá, amíg nem integrálja a fizika módszereit. Sokkal elvszerűbbnek, sokkal kvantitatívabbnak, sokkal perdiktívebbnek kell lennie.”

Az élet és halál rejtélye

West útja a biológiai felé tehát kezdett megnyílni, de ami az igazi kezdőlökést megadta az egy személyes probléma volt.

“Rövid életű férfiak családjából származom. Az ötvenes éveimben voltam, és nem vártam, hogy még öt-tíz évnél tovább élek.”

A fizikust az öregedés kérdése kezdte foglalkoztatni, és ez volt az a terület, ahol összeérhetett számára a fizika és a biológia, és ahol fizikusként meg tudta valósítani azt, amiről korábban csak beszélt: a fizika egzakt technikáit alkalmazhatta a biológiai terén. “Mi az oka, hogy öregszünk és meghalunk? Mi áll a háttérben?” - tette fel a kérdést West, és meglepetésére hamar kiderült, hogy éppen ezek a nagy témák egyáltalán nem álltak akkoriban a biológiai kutatások fókuszában. A fizikus komolyan vette a munkát, és, miközben továbbra is Los Alamosban dolgozott, az estéit az öregedéssel kapcsolatos kutatással töltötte.

“Rátaláltam egy nagyon egyszerű ötletre. Ahhoz, hogy megértsük miért öregszik, esik szét és hal meg egy rendszer, először azt kell megérteni, mi tartotta egyáltalán életben. Ami életben tart egy rendszert az az anyagcsere.”

Így indult tehát West karrierje a biológia területén, ami hamarosan elvezette a legfontosabb felismerésekhez az élet nagy és titokzatos rendszerével kapcsolatban, és aminek kulcsát az úgynevezett skálázási törvények adták meg.

A legegyszerűbb szabályok a legbonyolultabb jelenség mögött

“A skálázási törvények fantasztikusak, mert az élet valószínűleg az egész univerzum legkomplexebb rendszere. És elképesztően változatos is. Emellett meglehetősen esetleges. Minden azon múlik, ami előtte történt, hiszen így működik az evolúció. Ha veszel egy jellemzőt, például az anyagcsere sebességét, és az állatok méretéhez viszonyítod, azt gondolnánk, hogy a grafikonon elszórtan lesznek pontok, mivel a metabolikus jellemzők egy-egy faj történetét tükrözik. Nem várnánk, hogy túl nagy összefüggéseket lehet találni. Valójában azonban mindent fel lehet sorakoztatni egy egyenes vonal mentén, ha grafikonon ábrázoljuk logaritmikusan.” - magyarázta West.

A skálázási törvény alapvetően a dolgok méretével kapcsolatos jelenségeket írja le, West megfogalmazásával szólva a skálázás a legalapvetőbb formájában egy rendszernek a méretváltozásra adott válaszát mutatja meg. A legismertebb ezek közül az anyagcsereszint, ami az úgynevezett hatványszabály (power law) elve szerint skálázódik ¾-es kitevővel, egészen 27 nagyságrenden át. Ez azt jelenti, hogy ha például megduplázzuk egy élőlény tömegét 100 kilogrammról 200 kilogrammra, akkor nem igényli az anyagcsere-energia (tehát táplálékból származó energia) megkétszerezését, csak a 75%-os növelését. Ehhez hasonló univerzális skálázási törvények a világ és az élet minden területén fellelhetőek, a legkisebb dolgoktól kezdve, mint amilyen a genomok hossza, a legnagyobbakig, mint a hatalmas fák vagy akár városok, hálózatok működése, és kitevőjük mindig az ¼ valamely többszörösével áll összefüggésben. Innen a negyed-hatványszabály kifejezés.

“Képtelenség. Itt az univerzum legbonyolultabb dolga (az élet), és matematikailag a lehető legegyszerűbb módon nyilvánul meg.”

- mondta el West.

A skálázással kapcsolatos kutatásokat Geoffrey West a Los Alamosban zajló fizikusi munkája mellett folytatta a Santa Fe Intézet (SFI) szakértőivel, Jim Brownnal és Brian Enquisttel, akikkel minden pénteken reggel 9-től délután 3-ig tartottak megbeszéléseket közel 15 éven át. West akkoriban főként a húrelmélet kérdéseivel foglalkozott a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban, de a rendkívül nehéz és bonyolult téma problémáinak megoldása terén nem sok előrelépést tettek. A skálázási törvények ezzel szemben fantasztikus felfedezésekhez vezettek, amelyek “valódi, komoly problémákról szóltak, való életbeli jelentőséggel bírtak, és kiemelkedően jó visszajelzéseket kaptak, mivel a biológia alapvető problémáit oldották meg.” - magyarázta a fizikus.

“Mindnyájan hálózatok vagyunk!”

A skálázási törvények kutatása közben Westben megfogalmazódott egy újabb nagy kérdés, amire választ kellett találni: hogy lehet az, hogy az előbb leírt szabályszerűségek nem csak az emlősökre vagy általában az állatokra, hanem még a fákra, növényekre is érvényesek? Mi az, ami közös bennük? A válaszra nem kellett sokat várni. “Ami közös bennünk, hogy mindnyájunkat hálózatok építenek fel. Szükség van a hálózatokra, mert ezeken keresztül áramlik az energia, az információ, a források, amelyek létfontosságúak az organizmus fenntartása érdekében.

Hirtelen ráébredtem, hogy alapvetően ezek vagyunk. Mind hálózatok vagyunk.”

Ebből a felismerésből kiindulva West megfogalmazta a teóriáját, miszerint a hálózatok matematikai és fizikai jellemzői korlátozzák az anyagcsere-folyamatok tempóját, mivel a hálózatok úgy alakultak ki az evolúció folyamán, hogy éppen optimálisak legyenek. “A természetes szelekció teljes folyamata, a folyamatos visszacsatolás, a legalkalmasabbak túlélése és a többi folyamat oda vezetett, hogy a hálózataink közel állnak az optimálishoz annak a tekintetében, hogy mennyi energiára van szükségük a vérnek a sejtekhez való elszállításához.” - magyarázta West.

A skálázási törvények így végül egy újabb, nagyon fontos összetevőt adtak a darwini evolúciós elmélethez, megmutatták, hogy az evolúció “önkényesnek” tűnő jellege mellett - ami nagyban függ a környezettől és aktuális körülményektől - léteznek a színfalak mögött meghúzódó matematikai és fizikai törvények, amelyek a hálózatokkal kapcsolatos alapvető korlátokat állítanak, és megszabják a fejlődés menetét. Milyen nagyra nőhet például egy állat? A leghatalmasabb állat, ami valaha élt a Földön, a kék bálna.

Vajon nőhetne nagyobbra is?

Ahogy azt a hálózatok szabályai megmutatják, ennél sokkal nagyobb nem lehetne egy élőlény a behatároltság miatt, bár az evolúció tulajdonképpen “talált” egérutat a korlátok ledöntésére, aminek köszönhetően létrejött a legnagyobb élő madárnál is nagyobb “madár”, a legmagasabb fánál magasabb szerkezet, és a legnagyobb vízi állatnál hatalmasabb úszó dolog: az emberi innováció szüleményei ilyen értelemben az evolúció folytatását jelentik.

Szuperorganizmusok

West azonban nem csak az élőlények hálózataival foglalkozik behatóan, hanem másfajta, és mégis hasonló elveken működő rendszerekkel is: szuperorganizmusokkal. A szuperorganizmusok lehetnek erdők, ahol a fák közösségei alkotják a hálózatot, vagy hangyák kolóniája, de a városokat is tekinthetjük szuperorganizmusnak a benne nyüzsgő emberekkel. A városok tanulmányozásának egyik legfontosabb kérdése West számára az volt, hogy vajon a skálázás törvényei ezekre a rendszerekre is érvényesek-e. Az adatok azt mutatták, hogy nagyon is.

“Matematikailag ugyanúgy skálázhatóak, mint a biológiai jelenségek, kivéve, hogy lassabban.”

- mondta a fizikus.

A skálázás mértékének eltérése a biológiai rendszerek és a városok rendszerei közötti alapvető eltérések miatt érzékelhető, annak ellenére, hogy vannak párhuzamok és hasonlóságok a városok és az élőlények között, sőt, az építészek gyakran élő organizmusokként hivatkoznak a városokra. De amíg a biológiai rendszerek esetében a hatványkitevő 0,75, addig a városokra érvényes hatványkitevő 0,85. Ami azonban még sokkal érdekesebbnek bizonyult a kutatások során, az egy másik fajta skálázási törvény felfedezése volt, ami szintén jellemzi a városokat, csak nem magát a fizikai infrastruktúrát, hanem valami mást: a benne élőket. “Miért alkotunk városokat? Mi egy város célja? A városok azért fejlődtek ki, hogy elősegítsék és ösztönözzék a társadalmi interakciót. A városok intézményeket és helyszíneket, sportstadionokat, színházakat, irodákat és egyetemeket kreálnak, hogy összehozzák az embereket, és ötletek születhessenek. Minél nagyobb egy város, annál több interakció történik benne. És ez olyan skálázási törvényhez vezet, aminek a kitevője nem 0,75 vagy 0,85, hanem több mint 1.” - magyarázta West.

Ez pedig különleges következményeket eredményez, ami a biológiai rendszerek működésétől homlokegyenest eltér. Míg a biológiában minél nagyobb valami, annál kevesebb jut egy-egy egységéhez, például sejtjéhez, és ez nagyon gazdaságos elrendezést ad, addig a városoknál a társadalmi interakciók szuperlineáris jellege miatt minél nagyobb egy város, annál több interakció jut egy-egy személyre, annál több az akció és annál gyorsabb a fejlődés. Vagyis minél nagyobb egy város, annál gyorsabban is növekszik.

A jelenség érdekes és nyugtalanító kérdést vet fel mindannyiunk jövőjéről. Az élőlényeknél ugyanis a méretnövekedést az anyagcsere-folyamatok mértékének szublineáris jellege korlátozza, azaz egy élőlény esetében egy idő után nem tud az anyagcsere sebessége lépést tartani az egyre több és több sejttel, és ez behatárolja a kialakuló nagyságot. A városoknál viszont a fejlődés szuperlineáris jellege nyílt végű növekedéshez vezet. Mi történik, ha a növekedésnek semmi sem szab határt? Meddig haladhat ez így A problémát az úgynevezett véges idejű szingularitás jelenti, ami a városok fejlődésére is jellemző matematikailag, és ami lényegében azt jelenti, hogy egy faktor véges idő alatt végtelenné válik.

“Az, hogy húsz év alatt végtelen GDP termelődik, nyilvánvalóan őrültség. De az elmélet megmondja, hogy mi is történik valójában.

Áthaladunk a szingularitáson, majd stagnálunk, elnéptelenedünk, és összeomlunk.” - mondta West - “ A kérdés az, hogyan tudjuk ezt elkerülni, hogyan kerültük ezt el eddig?”

Az innováció és a mesterséges intelligencia szerepe

A megoldás kulcsát saját magunk újrafeltalálása adja meg. “Megváltoztatjuk a paradigmát jóval azelőtt, hogy az összeomlás bekövetkezne. Felfedezünk új dolgokat, feltaláljuk a számítógépet. Folyamatosan újrakezdjük.” - véli a fizikus - “Az elmélet szerint az összeomlást az innovációval kerüljük el. De ennek ára van. És az ár az, hogy egyre gyorsabban és gyorsabban kell újítanunk.”

De meddig lehet újabb dolgokat feltalálni egyre gyorsabb tempóban? “Úgy vélem, hogy nem tudjuk ezt a végtelenségig csinálni. Nem tudunk az internethez hasonló újdonságot feltalálni ötévenként. Talán most teremtettünk valami újat a mesterséges intelligencia képében, és talán az MI lesz az, ami segít a következő szintre eljutni, de a mesterséges intelligencia is még jobban felgyorsítja az életet, és aláássa azokat az alapokat, amelyekre a rendszer épül, mint például az emberi találékonyság és kommunikáció. Az elmélet megmutatja az előrejelzéseket - amelyeket a globális adatok is alátámasztanak -, és azok alapján körülbelül 15 múlva eljöhet a következő szingularitás. Lehetséges, hogy a mesterséges intelligencia segítségével elkerüljük, de ez nem oldja meg a problémát, csak elnapolja.

A mesterséges intelligencia után tehát megint valami újat kell feltalálni.”

Élhetünk örökké?

West a skálázási törvények után a következő időkben visszatér ahhoz a témához, ami a fizikát és biológiát ötvöző pályán elindította: az öregedés örök és megoldatlan kérdéséhez. A longevity-vel, azaz a hosszú élettel, avagy az élet meghosszabbításával foglalkozó kutatások révén ma már sokkal többet tudunk a témáról, és a longevity kísérletek nagy divatba jöttek manapság, főként a gazdag szilikon-völgyi üzletemberek körében, akik közül néhánnyal West is beszélgetett a kérdésről.

“Örökké akarnak élni, és ez teljes őrültség”

- meséli a fizikus - “Amit nem értenek meg, hogy az emberi élettartamot már megdupláztuk, elsősorban a higiénia és sokkal elérhetőbb vezetékes víz miatt. A maximum 120 év körül van. Ahhoz, hogy ennél sokkal tovább éljünk, valamit manipulálnunk kell, és ha sikerülne is elérni a 200 évet vagy többet, azért nagy árat kellene fizetni. A skálázási törvények is azt mutatják, hogy minden együtt, meghatározott szabályok szerint fejlődik, és ha egy faktort elkezdünk manipulálni, akkor furcsa és nemkívánatos következményekkel kell szembenéznünk. Ami fontosabb, hogy egészségesen éljünk addig, amíg lehetséges.”

(Fotó: Brain Bar, StockByM/NASA via Getty Images, Danie Franco/Ryoji Iwata/Unsplash, Harmanos/Pixabay)