De tweede wet van de thermodynamica vertelt ons dat alle systemen evolueren naar een toestand van maximale entropie, waarin alle energie wordt afgevoerd als warmte, en er is geen beschikbare energie meer om werk te doen. Sinds het midden van de 20e eeuw, onderzoek heeft gewezen op een uitbreiding van de tweede wet voor niet-evenwichtssystemen:het Maximum Entropy Production Principle (MEPP) stelt dat een systeem dat zich buiten het evenwicht bevindt, zodanig evolueert dat de entropieproductie wordt gemaximaliseerd, gegeven de huidige beperkingen.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen Alexey Bezryadin, Alfred Huber, en Andrey Belkin van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, hebben de opkomst aangetoond van zelfgeorganiseerde structuren die de evolutie van een niet-evenwichtssysteem naar een staat van maximale entropieproductie drijven. De auteurs suggereren dat MEPP ten grondslag ligt aan de evolutie van de zelforganisatie van het kunstmatige systeem, op dezelfde manier dat het ten grondslag ligt aan de evolutie van geordende systemen (biologisch leven) op aarde. De resultaten van het team worden gepubliceerd in het online tijdschrift van Nature Publishing Group Wetenschappelijke rapporten .

MEPP ​​kan ingrijpende implicaties hebben voor ons begrip van de evolutie van biologisch leven op aarde en van de onderliggende regels die het gedrag en de evolutie van alle niet-evenwichtssystemen beheersen. Het leven kwam op aarde voort uit de sterk niet-evenwichtige energieverdeling die werd gecreëerd door de hete fotonen van de zon die een koelere planeet raakten. Planten zijn geëvolueerd om fotonen met hoge energie te vangen en warmte te produceren, entropie genereren. Toen evolueerden dieren om planten te eten, waardoor de dissipatie van warmte-energie werd verhoogd en de entropieproductie werd gemaximaliseerd.

In hun experiment hebben de onderzoekers hingen een groot aantal koolstofnanobuisjes in een niet-geleidende niet-polaire vloeistof en brachten het systeem uit evenwicht door een sterk elektrisch veld aan te leggen. Eenmaal elektrisch opgeladen, het systeem evolueerde naar maximale entropie door twee verschillende tussentoestanden, met de spontane opkomst van zelf-geassembleerde geleidende nanobuisketens.

In de eerste staat, het "lawine"-regime, de geleidende ketens zijn uitgelijnd volgens de polariteit van de aangelegde spanning, waardoor het systeem stroom kan voeren en dus warmte kan afvoeren en entropie kan produceren. De ketens leken aanhangsels te laten ontkiemen toen nanobuisjes zichzelf uitlijnden om aan aangrenzende parallelle ketens te grenzen, entropieproductie effectief verhogen. Maar vaak, deze zelforganisatie werd vernietigd door lawines veroorzaakt door de verwarming en oplading die voortkomt uit de opkomende elektrische stroomstromen.

"De lawines waren zichtbaar in de veranderingen van de elektrische stroom in de loop van de tijd, ' zei Bezryadin.

Na lawines, de kettingen met hun aanhangsels "wiebelden, "lijkt op een levend wezen, vergelijkbaar met een insect.

"In de richting van de laatste stadia van dit regime, de aanhangsels werden niet vernietigd tijdens de lawines, maar eerder teruggetrokken totdat de lawine eindigde, hervormde vervolgens hun verbinding. Het was dus duidelijk dat de lawines overeenkomen met de 'voedingscyclus' van de 'nanobuis-inzet', ", zegt Bezryadin.

In de tweede relatief stabiele fase van evolutie, de entropieproductiesnelheid bereikte het maximum of bijna het maximum. Deze toestand is quasi stabiel omdat er geen vernietigende lawines waren.

De studie wijst op een mogelijk classificatieschema voor evolutionaire stadia en een criterium voor het punt waarop de evolutie van het systeem onomkeerbaar is - waar entropieproductie in het zelforganiserende subsysteem zijn maximaal mogelijke waarde bereikt. Verdere experimenten op grotere schaal zijn nodig om deze onderliggende principes te bevestigen, maar als ze waar zijn, ze zullen een groot voordeel blijken te zijn bij het voorspellen van gedrags- en evolutionaire trends in niet-evenwichtssystemen.

De auteurs trekken een analogie tussen de evolutie van intelligente levensvormen op aarde en de opkomst van de kronkelende insecten in hun experiment. De onderzoekers merken op dat verdere kwantitatieve studies nodig zijn om deze vergelijking af te ronden. Vooral, ze zouden moeten aantonen dat hun "wiebelende beestjes" zich kunnen vermenigvuldigen, waarvoor het experiment op een aanzienlijk grotere schaal zou moeten worden gereproduceerd.

Zo'n studie, indien succesvol, gevolgen zou hebben voor de uiteindelijke ontwikkeling van technologieën met zelfgeorganiseerde kunstmatige intelligentie, een idee dat elders is onderzocht door co-auteur Alfred Hubler, gefinancierd door de Defense Advanced Research Projects Agency.

"De algemene trend van de evolutie van biologische systemen lijkt deze te zijn:meer geavanceerde levensvormen hebben de neiging meer energie te verdrijven door hun toegang tot verschillende vormen van opgeslagen energie te verbreden, " stelt Bezryadin voor. "Zo kan een gemeenschappelijk onderliggend principe worden gesuggereerd tussen onze zelfgeorganiseerde wolken van nanobuisjes, die steeds meer warmte genereren door hun elektrische weerstand te verminderen en zo meer stroom te laten vloeien, en de biologische systemen die op zoek zijn naar nieuwe manieren om voedsel te vinden, hetzij door biologische aanpassing of door meer technologieën uit te vinden.

"Uitgebreide voedselbronnen laten biologische vormen verder groeien, vermenigvuldigen, meer voedsel consumeren en dus meer warmte produceren en entropie genereren. Het lijkt redelijk om te zeggen dat echte organismen nog steeds ver verwijderd zijn van het absolute maximum van de entropieproductiesnelheid. In beide gevallen, er zijn 'lawines' of 'extincties', die deze evolutie tegenhielden. Alleen als alle gratis energie van de zon wordt verbruikt, door bijvoorbeeld een Dyson-bol te bouwen, en omgezet in warmte, dan kan een zeker stabiele fase van de evolutie worden verwacht."

"Intelligentie, zo ver we weten, is onlosmakelijk verbonden met het leven, "voegt hij eraan toe. "Dus, om kunstmatig leven of kunstmatige intelligentie te bereiken, onze aanbeveling zou zijn om systemen te bestuderen die verre van evenwicht zijn, met veel vrijheidsgraden - veel bouwstenen - zodat ze zichzelf kunnen organiseren en kunnen deelnemen aan een bepaalde evolutie. Het entropieproductiecriterium lijkt het leidende principe van de evolutie-efficiëntie te zijn."