La Singularidad Desnuda

Un universo impredecible de pensamientos y cavilaciones sobre ciencia, tecnología y otros conundros

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Modelos antrópicos de evolución y aparición de vida compleja

Posted by Carlos en abril 30, 2008

Siempre que se considera la posibilidad de existencia de vida fuera de la Tierra y se intenta cuantificarla, es inevitable tener en cuenta el sesgo observacional que nuestra propia existencia como observadores introduce. Dada la diversidad y abundancia de formas de vida que nos encontramos en la Tierra, y dada la enorme escala del Universo, la idea de que no haya vida (simple, compleja o incluso inteligente) en ningún otro lugar suele repeler nuestra intuición. Con independencia de que nuestra intuición esté o no en lo cierto, es indudable que el hecho de que estemos aquí es la consecuencia de toda una serie de circunstancias de índole cosmológica, astronómica, geológica, y biológica. Centrándonos en este último aspecto, somos el resultado de un largo camino evolutivo a lo largo del cual han tenido lugar eventos de mayor o menor probabilidad. La hipótesis de la Tierra Rara, formulada como reacción a la aparente paradoja de Fermi, nos indica que algunos de estos eventos han de ser bastante improbables, y el análisis de las implicaciones que ello conlleva arroja consideraciones que pueden ser de gran interés.

Un estudio de este tipo ha sido realizado por Andrew J. Watson, de la Universidad de East Anglia, en un trabajo titulado

que acaba de ser publicado en Astrobiology. Este trabajo estudia la distribución de este tipo de eventos “improbables” y muestra como puede establecerse una correspondencia razonablemente sólida (en términos probabilisticos) con las principales transiciones evolutivas de las que tenemos constancia. El artículo de Watson comienza con una observación a la que no siempre se le presta la debida atención: ya hemos cubierto aproximadamente el 80% de la ventana temporal durante la cual la Tierra ha sido y será habitable (para formas de vida compleja). El mantenimiento de la biosfera depende entre otros factores de que la temperatura no supere un umbral de en torno a 50ºC, y de que la concentración de CO2 sea al menos de unas 10 ppm. Por lo que conocemos de la futura evolución de la luminosidad del Sol y de los ciclos del CO2 atmosférico, en un periodo de 1.0±0.5 Ga (1Ga=1000 millones de años) las condiciones dejarán de ser aceptables.

El hecho de que la vida inteligente haya surgido en una fase tardía del periodo de habitabilidad de la Tierra sugiere que no es un fenómeno sumamente probable a priori (o de manera más precisa, el hecho de que no haya surgido en una fase temprana no apoya que el surgimiento de vida inteligente sea un fenómeno muy probable). Watson elabora en este sentido un modelo de Brandon Carter en el que se asume la existencia de un número n de pasos críticos, cada uno con una probabilidad por unidad de tiempo λi. La criticidad de estos pasos se traduce en el hecho de han de darse de manera consecutiva, y de que si th es el tiempo de habitabilidad de la Tierra, entonces λith<<1. En estas circunstancias, puede demostrarse que la probabilidad de que se hayan producido los n pasos tras un tiempo t es

P_{n/n}(t) \approx L \prod_{i=1}^n \lambda_it^{n-1}

Si se ajusta la constante K  al hecho conocido a posteriori de que existimos sobre la Tierra, obtenemos

P_{n/n}(t) = nt^{n-1}t_h^{-n}

Calculando la esperanza matemática del momento t en el que se realizan los n pasos críticos se obtiene

E[t_{n/n}] = \frac{n}{n+1}t_h

Suponiendo que la Tierra empezó a ser habitable hace unos 4 Ga y que lo seguirá siendo 1 Ga más, lo anterior sugiere que ha habido 4 pasos críticos en nuestro caso, aunque esto depende mucho de la estimación futura (si la Tierra sólo fuera habitable 0.5 Ga más, n podría ser 8). En cualquier caso, el resultado más interesante puede ser que el tiempo esperado hasta que se dé el paso m-ésimo es

E[t_{m/n}] = \frac{m}{n+1}t_h

esto es, los eventos críticos suceden en promedio a intervalos regulares dentro de la ventana de habitabilidad (siempre con la condición a posteriori de que se satisfagan todos dentro de la misma). Bajo esta premisa, puede evaluarse la criticidad de eventos evolutivos históricos sobre la base de cuál es la probabilidad de que se dieran en el momento en el que lo hicieron (ya que se tiene una estimación de la distribución de probabilidad de los eventos críticos para un número cualquiera de los mismos). Así, un modelo basado en 7 pasos críticos indica que la aparición de código genético o de reproducción sexual habrían ocurrido de manera excepcionalmente temprana para lo que cabría esperar. Sin embargo, un modelo de 5 pasos críticos encaja bastante bien. Dichos pasos críticos serían:

  1. Aparición del código genético (establecimiento del flujo de información clásico determinado por el dogma central de la biología), ocurrido hace unos 3.5 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 41%.
  2. Aparición de los eucariotas, ocurrido hace 2.5-1.5 Ga, lo que arroja una probabilidad del 66%.
  3. Reproducción sexual, ocurrida también hace 2.5-1.5 Ga, lo que indica una probabilidad del 32%.
  4. Diferenciación celular, ocurrida hace 1.0-0.6 Ga, lo que arroja una probabilidad del 41%.
  5. Transición de primates a humanos modernos hace 0.001 Ga, lo que resulta en una probabilidad del 33%.

Este análisis -además de apoyar la hipótesis de la tierra Rara- proporciona algunas indicaciones sobre lo que cabe esperar de la vida fuera de la Tierra. En primer lugar, la abiogénesis parece un evento probable, con un tiempo esperado de ocurrencia de 0.1 Ga. Sin embargo, el desarrollo de vida compleja es mucho más improbable. Por lo tanto, podría esperarse que el Universo estuviera lleno de formas simples de vida, similares a los procariotas, pero sólo podría esperarse la existencia de formas complejas de vida en los raros casos en los que la secuencia de pasos necesarios se hayan dado. Si además llegan a ser inteligentes, posiblemente llegarán también a esta misma conclusión.

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Paul Davies y la Fe implícita en la Ciencia

Posted by Carlos en diciembre 19, 2007

El debate entre ciencia y religión es recurrente, y con frecuencia cansino y repetitivo. A fuer de ser sinceros, en muchas ocasiones es también artificial, al menos en el contexto del judeo-cristianismo, en general alejado de literalismos (por supuesto, con clamorosas y ruidosas excepciones). En cierto sentido, esto es lo que llevó a Stephen Jay Gould a postular su principio de los magisterios separados, esto es, que ciencia y religión son paradigmas diferentes cuyos campos de aplicación son distintos, y para los que en cada caso uno es apropiado y el otro no. Esta idea no está exenta de crítica, ya que por ejemplo Richard Dawkins -rememorando u honrando quizás cuitas anteriores- considera que cuestiones tales como la existencia de Dios entran dentro del ámbito de lo científico, y son falsables. Un punto de vista diferente al de los dos anteriores es el expuesto recientemente por Paul Davies en un artículo de opinión en el New York Times titulado “Taking Science on Faith“. El argumento principal de Davies es negar la separación entre el magisterio científico (basado en modelar, explicar y predecir lo empírico) y el magisterio religioso (basado en la creencia de lo que aparentemente carece de base empírica), no porque el objeto último de la creencia sea falsable, sino porque el propio paradigma científico tiene también su propio sistema de creencias. En sus propias palabras:

Toda la ciencia se basa en la suposición de que la naturaleza tiene un orden racional e inteligible. Uno no podría ser científico si pensara que el universo es un revoltijo sin sentido de probabilidades y sucesos yuxtapuestos azarosamente. Cuando los físicos investigan un nivel más profundo de la estructura subatómica, o cuando los astrónomos extienden el alcance de sus instrumento, esperan encontrar un elegante orden matemático. Y hasta el momento esta fe ha estado justificada.

Indudablemente, este anhelo de orden y elegancia matemática existe, y va más allá de que sea imprescindible para poder realizar ciencia: está profundamente imbricado en nuestras mentes, constituyendo en muchas ocasiones el motor del avance científico. Sea como fuere, ¿es racional esta suposición? En términos prácticos está claro que hasta el momento funciona, y que si resultara irracional, la propia ciencia -incluso el universo- lo sería también. En el mejor de los casos todo sería una siniestra broma, un castillo en el aire sin razón ni base.

La cuestión -una vez que se tienen las leyes físicas- es entonces dar con el porqué de dichas leyes. Al llegar a este punto es donde la física puede empezar a convertirse en meta-física. Considerar que las leyes físicas son así como las observamos, pero que el motivo de las mismas está fuera de nuestro alcance nos lleva a una suerte de deísmo, aunque sea involuntario. Uno de los argumentos más recientes para explicar el origen de estas leyes, y cómo éstas parecen estar finamente ajustadas para nuestra existencia es el bien conocido Principio Antrópico. Este principio encaja muy bien con los modelos que emanan de la Teoría de Cuerdas y que sugieren que hay un gran número de universos posibles (en torno a 10500, correspondientes a diferentes mínimos dentro de un paisaje cósmico). A nadie escapa que una explicación antrópica es poco atractiva en términos científicos, lo que indirectamente resulta en la paradoja de que que se refuerce su aceptación por parte de la comunidad física ante el fracaso en la búsqueda de explicaciones no-antrópicas (mucho más “digeribles”).

Cosmic Landscape

En cualquier caso, Davies argumenta en relación a la existencia y funcionamiento de este paisaje cósmico (y en realidad de cualquier multiverso que pudiera existir), y sobre cuáles son los mecanismos físicos que llevan a la creación de estos múltiples universos, y que fijan sus leyes locales. La cuestión sobre el origen de las leyes físicas se traslada entonces a otro nivel superior. Suponer que las meta-leyes que gobiernan la existencia de las leyes locales son eternas y prefijadas es una suposición que puede hacerse transitoriamente, pero que en última instancia ha de poder plantearse y explicarse en términos científicos. Según Davies:

[…] Las leyes deberían tener una explicación desde dentro del universo, y no apelar a un agente externo. Los detalles de la explicación son materia de investigación futura, pero mientras la ciencia no encuentre una teoría comprobable de las leyes del universo, la afirmación de que está libre de fe es manifiestamente falsa.

Como dicen los angloparlantes, food for thought.

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Catástrofes evolutivas y razonamiento antrópico

Posted by Carlos en octubre 6, 2007

La hipótesis de la Tierra Rara es un conocido argumento en astrobiología que asegura que la emergencia de vida pluricelular (por no hablar ya de vida inteligente) en la Tierra es el resultado de la improbable confluencia de numerosas circunstancias de orden astrofísico y geológico. Un elemento central de la hipótesis es el llamado fenómeno Goldilocks (en honor al personaje de una historia popular inglesa –Ricitos de Oro– a quien no le gustaba el porridge ni muy frío ni muy caliente), según el cual la existencia de vida en la Tierra se basa en que diversos parámetros (temperatura, presión, etc.) están dentro de un cierto rango muy limitado de valores admisibles.

K/T ImpactEste tipo de razonamientos antrópicos suelen emplearse por ejemplo para dar respuesta a la paradoja de Fermi: si la vida pluricelular es un fenómeno raro en el Universo, tanto más lo es la existencia de vida inteligente. En nuestro caso concreto, nuestra evolución es el resultado de diferentes eventos entre los que pueden destacarse numerosas extinciones masivas provocadas (o precipitadas/potenciadas/…) por fenómenos externos. Pensemos por ejemplo en el impacto de Chicxulub hace 65 millones de años: si el cuerpo que impacto contra la Tierra hubiera sido un orden de magnitud más pequeño hubiera provocado una gran catástrofe a escala local, pero más difícilmente una extinción masiva. Por otra parte, si hubiera sido un orden de magnitud mayor, es posible que la extinción hubiera alcanzado a casi todas las formas de vida compleja. Por supuesto, no puede saberse qué rumbo hubiera tomado la evolución de no mediar este tipo de eventos, y quizás un dinosaurio inteligente se estaría haciendo preguntas similares ahora.

La cuestión en cualquier caso es hasta qué punto nuestra observación sobre la historia pasada de la Tierra es extrapolable (en el sentido que sea) a otros posibles planetas extrasolares, y al hipotético surgimiento de vida en los mismos. Esto es lo que Milan M. Ćirković, del Observatorio Astronómico de Belgrado, estudia en un trabajo titulado

aceptado para publicación en el International Journal of Astrobiology. El análisis de Ćirković indica que nuestra propia existencia como observadores condiciona nuestras estimaciones sobre la probabilidad de diferentes eventos catastróficos por un efecto de selección de observaciones. Para ilustrarlo describe un ejemplo simplificado. Supongamos una cierta catástrofe C cuya probabilidad a priori en un millón de años es p. Supongamos ahora que de haberse producido dicha catástrofe, la probabilidad de supervivencia de la raza humana era q. ¿Cuál es la probabilidad de que se produjera la catástrofe C, dado que nosotros estamos aquí para contarlo? Si llamamos E al evento de nuestra existencia actual, tenemos que de acuerdo con el Teorema de Bayes

P(C|E) = \frac{P(C)P(E|C)}{P(C)P(E|C)+P(\neg C)P(E|\neg C)} = \frac{pq}{1-p+pq}

dado que de no ocurrir C, la probabilidad de supervivencia sería 1. Es fácil ver que P(C|E) es menor que p, y que la relación p/P(C|E) -esto es, la subestimación debida a causas antrópicas- tiende a infinito cuando menor es la probabilidad de supervivencia q. En otras palabras, la historia de la Tierra subestima la probabilidad real de eventos catastróficos, y esto es tanto más así cuanto más catastrófico es dicho evento.

Por un lado, este resultado puede verse como refuerzo de la hipótesis de la Tierra Rara, ya que indica que las probabilidades a priori de extinciones catastróficas son aún mayores. Sin embargo, debe tenerse en cuenta la salvedad introducida anteriormente acerca de nuestra identidad como observadores. El evento E ha de interpretarse como la existencia de seres humanos en este momento de la historia de la Tierra. Si se considera otro posible observador consciente en este momento habría que reconsiderar las probabilidades de supervivencia (o de promoción de la misma) para los eventos catastróficos. El impacto de Chicxulub (o cualquier otro fenómeno que pudiera haber causado o precipitado la extinción de los dinosaurios) fue un golpe de suerte para nosotros, pero supuso el golpe de gracia para otros hipotéticos observadores inteligentes.

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