La segunda ley de la termodinámica nos dice que todos los sistemas evolucionan hacia un estado de máxima entropía, donde toda la energía se disipa en forma de calor, y no queda energía disponible para trabajar. Desde mediados del siglo XX, La investigación ha apuntado a una extensión de la segunda ley para los sistemas que no están en equilibrio:el principio de producción máxima de entropía (MEPP) establece que un sistema que se aleja del equilibrio evoluciona de tal manera que maximiza la producción de entropía, dadas las limitaciones actuales.

Ahora, físicos Alexey Bezryadin, Alfred Hubler, y Andrey Belkin de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, han demostrado el surgimiento de estructuras autoorganizadas que impulsan la evolución de un sistema en desequilibrio a un estado de máxima producción de entropía. Los autores sugieren que MEPP subyace a la evolución de la autoorganización del sistema artificial, de la misma manera que subyace a la evolución de los sistemas ordenados (vida biológica) en la Tierra. Los resultados del equipo se publican en la revista en línea de Nature Publishing Group. Informes científicos .

MEPP ​​puede tener profundas implicaciones para nuestra comprensión de la evolución de la vida biológica en la Tierra y de las reglas subyacentes que gobiernan el comportamiento y la evolución de todos los sistemas en desequilibrio. La vida surgió en la Tierra a partir de la distribución de energía fuertemente desequilibrada creada por los fotones calientes del Sol que chocan contra un planeta más frío. Las plantas evolucionaron para capturar fotones de alta energía y producir calor, generando entropía. Luego, los animales evolucionaron para comer plantas aumentando la disipación de la energía térmica y maximizando la producción de entropía.

En su experimento, los investigadores suspendieron una gran cantidad de nanotubos de carbono en un fluido no polar no conductor y sacaron el equilibrio del sistema aplicando un fuerte campo eléctrico. Una vez cargada eléctricamente, el sistema evolucionó hacia la entropía máxima a través de dos estados intermedios distintos, con la aparición espontánea de cadenas de nanotubos conductores autoensambladas.

En el primer estado, el régimen de "avalanchas", las cadenas conductoras se alinean según la polaridad de la tensión aplicada, permitiendo que el sistema lleve corriente y así disipe el calor y produzca entropía. Las cadenas parecían brotar apéndices a medida que los nanotubos se alineaban para unir cadenas paralelas adyacentes. aumentando efectivamente la producción de entropía. Pero frecuentemente esta autoorganización fue destruida por avalanchas provocadas por el calentamiento y la carga que emanan de las corrientes emergentes de corriente eléctrica.

"Las avalanchas fueron evidentes en los cambios de la corriente eléctrica a lo largo del tiempo, "dijo Bezryadin.

Después de avalanchas, las cadenas con sus apéndices "se movieron, "parecido a un ser vivo, similar a un insecto.

"Hacia las etapas finales de este régimen, los apéndices no fueron destruidos durante las avalanchas, sino que se retractó hasta que terminó la avalancha, luego reformó su conexión. Así que era obvio que las avalanchas corresponden al 'ciclo de alimentación' del 'recuadro de nanotubos', "comenta Bezryadin.

En la segunda etapa de evolución relativamente estable, la tasa de producción de entropía alcanzó el máximo o cerca del máximo. Este estado es casi estable en el sentido de que no hubo avalanchas destructivas.

El estudio apunta a un posible esquema de clasificación para las etapas evolutivas y un criterio para el punto en el que la evolución del sistema es irreversible, en el que la producción de entropía en el subsistema autoorganizado alcanza su valor máximo posible. Es necesaria más experimentación a mayor escala para afirmar estos principios subyacentes, pero si son verdad demostrarán una gran ventaja en la predicción de tendencias evolutivas y de comportamiento en sistemas que no están en equilibrio.

Los autores establecen una analogía entre la evolución de las formas de vida inteligentes en la Tierra y la aparición de los insectos que se mueven en su experimento. Los investigadores señalan que se necesitan más estudios cuantitativos para completar esta comparación. En particular, tendrían que demostrar que sus "bichos que se mueven" pueden multiplicarse, lo que requeriría que el experimento se reprodujera a una escala significativamente mayor.

Tal estudio, si tiene éxito, tendría implicaciones para el eventual desarrollo de tecnologías que cuentan con inteligencia artificial autoorganizada, una idea explorada en otro lugar por el coautor Alfred Hubler, financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa.

"La tendencia general de la evolución de los sistemas biológicos parece ser la siguiente:las formas de vida más avanzadas tienden a disipar más energía al ampliar su acceso a diversas formas de energía almacenada, "Propone Bezryadin." Por lo tanto, se puede sugerir un principio subyacente común entre nuestras nubes autoorganizadas de nanotubos, que generan cada vez más calor al reducir su resistencia eléctrica y así permitir que fluya más corriente, y los sistemas biológicos que buscan nuevos medios para encontrar alimentos, ya sea a través de la adaptación biológica o inventando más tecnologías.

"Las fuentes de alimentos extendidas permiten que las formas biológicas crezcan aún más, multiplicar, consumen más alimentos y así producen más calor y generan entropía. Parece razonable decir que los organismos de la vida real todavía están lejos del máximo absoluto de la tasa de producción de entropía. En ambos casos, hay 'avalanchas' o 'eventos de extinción', lo que hizo retroceder esta evolución. Solo si se consume toda la energía gratuita que da el Sol, construyendo una esfera Dyson, por ejemplo, y convertido en calor, se puede esperar una fase definitivamente estable de la evolución ".

"Inteligencia, hasta donde sabemos, es inseparable de la vida, ", agrega." Por lo tanto, para lograr vida artificial o inteligencia artificial, nuestra recomendación sería estudiar sistemas que están lejos del equilibrio, con muchos grados de libertad —muchos bloques de construcción— para que puedan autoorganizarse y participar en alguna evolución. El criterio de producción de entropía parece ser el principio rector de la eficiencia evolutiva ".