dimarts, 19 de maig de 2020

David Kipping sobre les probabilitats planetàries d’origen de la vida i de la intel·ligència

Cosmobiologia: Hi ha milers de milions d’estels semblants al Sol. Sabem que alguns d’aquests estels tenen planetes semblants a la Terra. Si la Terra és un planeta típic, com ens diu l’anomenat “principi copernicà”, alguns d’aquests planetes poden haver desenvolupat vida intel·ligent. Algunes d’aquestes formes de vida intel·ligent poden haver adquirit la capacitat de fer viatges interestel·lars. Per lent que sigui un viatge interestel·lar, aquestes civilitzacions poden creuar completament la Via Làctia en qüestió de milions d’anys. Com que hi ha estels semblants al Sol que són milers de milions d’anys més antics que el Sol, hi hauria hagut prou temps perquè algunes d’aquestes civilitzacions s’hagin expandit per tota la galàxia. A aquests arguments, esgrimits per Edward Teller, Hebert York i Emil Konopinski en una conversa de sobretaula de l’estiu del 1950, Enrico Fermi hauria explotat: “Bé, però on són?”. Vet ací el contingut de l’anomenada paradoxa de Fermi. En el 1961, Francis Drake presentà els arguments exposats en forma d’una equació. Segons aquesta equació el nombre N de civilitzacions de la nostra galàxia amb les qui em podríem comunicar amb les tecnologies de radioastronomia és el producte de la taxa mitjana R* de formació d’estels en la Via Làctia, de la fracció fp d’aquests estels que tenen planetes, del nombre ne mitjà de planetes que poden mantenir potencialment formes de vida, de la fracció fl de planetes habitables que desenvolupen formes de vida en algun moment, de la fracció fi de planetes amb formes de vida que esdevenen vida intel·ligent o civilitzacions, de la fracció fc de civilitzacions que desenvolupen una tecnologia que les fa emetre senyals detectables de la seva existència a l’espai i de la durada L del període que aquestes civilitzacions emeten aquests senyals detectables. De tots aquests factors, R* ja era estimable en el 1961. El desenvolupament de l’exoplanetologia en les darreres tres dècades ha fet possible afinar fp i ne. Però dels altres quatre factors no tenim cap altre punt de referència que la nostra pròpia existència. Per exemple, a jutjar del que sabem de la història de la Terra, fl podria tenir un valor elevat, ja que al capdavall la vida aparegué al nostre planeta relativament aviat. D’altra banda, fi podria tenir un valor baix, ja que la intel·ligència ha aparegut de manera relativament tardana en el període d’habitabilitat de la Terra. En un article a la revista PNAS, l’astrònom David Kipping ens recorda una limitació d’aquest raonament. Si l’evolució de la intel·ligència és molt lenta, només apareixerà en planetes on la vida aparegui de manera molt primerenca: la Terra, doncs, no seria representativa en aquest cas de la fl. En aquest article, però, Kipping ofereix una via bayesiana objectiva per emprar de tota manera la història de la biosfera terrestre per inferir fl i fi, i deduir que l’abiogènesi o biopoiesi (l’aparició de la vida) seria un procés força ràpid amb una probabilitat de més de 3:1, i que la noopoiesi (l’aparició de la intel·ligència) seria un procés rar amb una probabilitat de 3:2. Per arribar a aquests càlculs, hom parteix del fet que la vida aparegué a la Terra en el primer quintil de la seva finestra d’habitabilitat, mentre que la nostra civilització tecnològica ho ha fet en el darrer quintil. Kipping, però, considera en aquest marc bayesià objectiu tant el temps d’aparició de la vida com el temps d’evolució de la intel·ligència serien unes incògnites que cal inferir. Els resultats de Kipping indicarien que, si la història de la Terra s’hagués de repetir de bell nou l’aparició de la vida seria un fet molt probable, però l’aparició d’una civilització tecnològica no ho seria pas gaire.


Relació entre la probabilitat d’aparició de la vida a la Terra (λL) i la probabilitat d’aparició d’intel·ligència (λI)

Una qüestió d’exobiologia i d’exosociologia

David Kipping és conegut per la seva recerca sobre exoplanetes i exollunes en el Cool Worlds Lab de la Columbia University. Fa tres dècades, la qüestió de l’existència d’exoplanetes, és a dir de planetes fora del nostre Sistema Solar, orbitant altres estels, era matèria d’especulació, i d’evidències contestades. Actualment, l’exoplanetologia és un ram perfectament respectable de la ciència astronòmica. Arribarà un dia que ho seran l’exobiologia i l’exosociologia? En certa mesura, ja ho són, malgrat que manquin evidències de formes de vida i, ja no diguem, de formes de vida intel·ligent en altres planetes. La prevalença de vida i d’intel·ligència en el nostre univers fa més ja de sis dècades que són objecte de la recerca científica. Ni que sigui tímidament, diverses sondes interplanetàries han recopilat dades d’utilitat exobiològica, si bé de moment que no hi ha cap evidència directe de formes de vida extraterrestre en el nostre Sistema Solar. També hi ha hagut recerques sobre senyals d’intel·ligència extraterrestre (SETI): de moment, igualment, no hi ha cap evidència de formes de vida intel·ligent més enllà de la nostra. Ara bé, l’absència d’evidència, quan la capacitat d’observació és limitada, no és evidència d’absència.

En les darreres sis dècades, paral·lelament, ha augmentat el nostre coneixement sobre la història de la vida a la Terra i sobre la dinàmica futura de l’habitabilitat del nostre planeta. Com que la Terra és l’únic punt conegut per nosaltres en l’univers pel que fa a la biologia i a la sociologia, un major coneixement de la Terra pot ajudar-nos en les estimacions més fonamentals d’exobiologia i d’exosociologia. Cal anar alerta, però, amb l’anomenat “principi antròpic feble”, en el sentit que, com deia Brandon Carter, hem de preparar-nos a prendre en consideració el fet que la nostra posició en l’univers és necessàriament privilegiada en el sentit d’ésser compatible amb la nostra existència com a observadors. Aquest “principi antròpic feble” és la negació i complementarietat, de l’anomena “principi copernicà”, que Hermann Bondi definí com la idea que els humans no som “observadors privilegiats” de l’univers.

Com superar el biaix de la Terra com a únic punt informatiu en cosmobiologia i cosmosociologia? Kipping proposa l’anàlisi bayesià, basat en darrer terme en els estudis de probabilitat de Thomas Bayes (1701-1767). En el 2012, Spiegel & Turner ja l’aplicaren sobre l’aparició de la vida (abiogènesi), que concebien com un procés de Poisson. Kipping estén aquest model de forma que l’escala temporal evolutiva hi sigui un paràmetre inferit.

La funció de probabilitat conjunta

Kipping continua a considerar, com Spiegel & Turner (2012), l’abiogènesi com un procés de taxa uniforme (= un procés de Poisson), definit pel paràmetre de taxa λL. Darrere d’aquest paràmetre s’integren les sèries de processos químics vinculats a l’anomenat “origen de la vida”.

La probabilitat que hi hagi un esdeveniment abiogènic en l’interval tL (Pr (XL > 0; λL, tL) és igual 1 – Pr(XL = 0; λL, tL), i per tant a 1 - e-λL·tL.

El funcionament seria el mateix per al procés d’aparició d’intel·ligència. Ara bé, aquest procés només es pot verificar si el procés L ha reeixit abans.

D’acord amb la llei de Bayes, la Pr (tL,tILI) és proporcional a λLλIe-λLtL-λItI sí tL
+tI són menors al temps T d’habilitabilitat planetària. Altrament, serien proporcionals a 0.

Kipping defineix com el resultat del procés I un observador/entitat/societat capaç de:
a) obtindre i datar evidències geològiques pel que fa a l’aparició primerenca de la vida.
b) de modelar les condicions climàtiques futures del planeta per tal de poder estimar-ne la finestra d’habitabilitat.
c) d’interpretar les ramificacions d’aquesta informació pel que fa a les taxes subjacents d’abiogenesi i evolució.

Ara com ara, no tenim nocions de l’existència de cap civilització industrial anterior a la humanitat (l’anomenada “hipòtesi siluriana”), de manera que cal assumir que nosaltres som el primer procés I reeixit a la Terra. Ara bé, en quin moment aparegué la civilització humana? Amb l’aparició dels primers homínids? Amb l’aparició de l’Homo sapiens? Amb l’aparició del llenguatge complex? Amb la revolució neolítica? Amb les primeres emissions radioastronòmiques? Com que aquests processos han tingut lloc, al capdavall, en els darrers milions d’anys, no són més que un punt coincident en la història de la Terra, que es compta en milers de milions d’anys.

Pel que fa a l’origen de la vida, Kipping recorda que, per definició, qualsevol registre fòssil d’aquest origen ha d’ésser posterior a l’origen mateix de les formes de vida. Cal pensar que, d’acord amb la teoria més acceptada sobre l’origen de la Lluna, la Terra impactà fa 4.510 milions d’anys amb el planeta Teia, i que qualsevol forma de vida existent llavors fou destruïda. Per acabar-ho d’adobar, algunes teories assenyalen que fa 4.470 milions d’any la Terra visqué un segon impacte considerable, amb el petit planeta Moneta. Existeixen evidències mineralògiques que la superfície terrestre devia d’ésser en contacte amb aigua líquida i amb una atmosfera fa 4.408 milions d’anys, i per això Kipping tria aquesta darrera xifra com el període d’inici d’habitabilitat de la Terra.
Bell et al. (2015) indicaren la presència d’inclusions de carboni en dipòsits de zirconis de 4.100 milions d’anys d’antiguitat que mostraven una depleció relativa de 13C, que podria atribuir-se a una fixació biològica de carboni. Si acceptem aquesta evidència tindríem un t’L de 304 milions d’anys (és a dir, la detecció d’indicis geològics de vida 304 milions d’anys després de l’inici de l’habitabilitat de la Terra). Els treballs de J. William Schopf indiquen que les primeres evidències morfològiques de vida en el registre fòssil tenen una antiguitat de 3.465 milions d’anys, de forma que en aquest cas tindríem un t’L de 939 milions d’anys.

L’aparició de la vida intel·ligent es pot considera com un fenomen coetani, és a dir esdevingut 4.404 milions d’anys després de l’inici del període d’habitabilitat de la Terra. Pel que fa a T, l’interval total d’habitabilitat de la Terra, Kipping recorda que per habitabilitat s’ha d’entendre la capacitat del planeta de sostindre formes de vida intel·ligent. El procés limitant de T, doncs, dependria de l’augment de la lluminositat del Sol, que produeix un augment en la taxa de meteorització de silicats i la consegüent depleció de CO2 atmosfèric. Si el CO2 atmosfèric cau per sota de 10 ppm, ni tan sols la fotosíntesi C4 podria mantindre’s dempeus, i la Terra ja no seria habitable per a formes de vida intel·ligents (ni de fet per gaires formes de vida complexa). D’altra banda, l’augment de la lluminositat del Sol podria fer augmentar les temperatures planetàries fins a evaporar bona part dels oceans, tallant d’aquesta manera l’habitabilitat de la Terra fins i tot amb valors de CO2 superiors a 10 ppm. Per un procés o per l’altre, no caldria pensar que els grans organismes endotèrmics poguessin sobreviure d’ací a 900 milions d’anys. Així doncs, T seria igual a 5.300 milions d’anys.

Els priors i els posteriors resultants

En els problemes d’inferència bayesiana, el posterior és un producte de la probabilitat i del prior. En el bayesianisme objectiu, el prior ideal hauria d’ésser difús i no influir fortament en el resultat.
Mitjançant la norma de Gauss-Kronrod, Kipping computa els posteriors marginalitzats del paràmetre λI.

El prior objectiu de Bernoulli posa el major pes a les solucions extremes de probabilitat 1 i probabilitat 0. Això deixa quatre cantonades al problema de l’origen de la vida i de l’origen de la intel·ligència. Dues d’aquestes cantonades es corresponen a una ràpida aparició de la intel·ligència que, d’acord amb l’experiència de Terra, tindrien una probabilitat tendent a 0. Les altres dues cantonades es corresponen a una aparició lenta de la intel·ligència, un d’elles amb una aparició lenta de la vida i una altra amb una aparició ràpida de la vida. Si hom accepta que la vida aparegué a la Terra fa 4.100 milions d’anys, una aparició ràpida de la vida seria 8,73 vegades més probable que una aparició lenta. Però si acceptem una aparició de la vida fa 3.500 milions d’anys, aquesta major probabilitat es reduiria a 2,83 vegades. De fet, les dues probabilitats no s’igualarien més que si els primers indicis de la vida a la Terra tinguessin una antiguitat inferior a 680 milions d’anys.
Si acceptem les dades de Schopf, la relació de probabilitats a favor d’una alta probabilitat d’aparició de la vida en planetes habitables seria de 3:1. En canvi, pel que fa a l’aparició de vida intel·ligent, les probabilitats són de 3:2 en favor de de la raresa de la vida intel·ligent.

Sembla, doncs, que deduir de l’experiència de la Terra que l’aparició de la vida és un fet comú i l’aparició de la intel·ligència és un fet rar, no seria una deducció absolutament esbiaixada pel principi antròpic feble.

Lligams:
- An objective Bayesian analysis of life’s early start and our late arrival. David Kipping. PNAS (2020)