Die moderne Physik kann das Leben nicht erklären – aber eine neue Theorie, die besagt, dass Zeit von grundlegender Bedeutung ist, könnte es

In der kurzen Zeitspanne von nur 300 Jahren seit der Erfindung der modernen Physik haben wir ein tieferes Verständnis dafür gewonnen, wie unser Universum im kleinen und im großen Maßstab funktioniert. Die Physik ist jedoch noch sehr jung, und wenn es darum geht, das Leben damit zu erklären, tun sich die Physiker schwer.

Auch heute noch, wir können es nicht wirklich erklären Was ist der Unterschied zwischen einem lebendigen Klumpen Materie und einem toten? Aber meine Kollegen und ich schaffen eine neue Physik des Lebens, die bald Antworten liefern könnte.

Vor mehr als 150 Jahren bemerkte Darwin treffend die Dichotomie zwischen dem, was wir in der Physik verstehen, und dem, was wir im Leben beobachten – am Ende von Die Entstehung der Arten „…während dieser Planet gemäß dem festen Gesetz der Schwerkraft seinen Kreislauf fortsetzt, wurden und werden aus einem so einfachen Anfang endlose Formen der Schönsten und Wunderbarsten entwickelt.“

Die Bedeutung der Zeit

Isaac Newton beschrieb ein Universum, in dem sich die Gesetze nie ändern und die Zeit ein unveränderlicher und absoluter Hintergrund ist, vor dem sich alles bewegt. Darwin beobachtete jedoch ein Universum, in dem endlose Formen erzeugt werden, wobei jede die Merkmale des Vorhergehenden verändert, was darauf hindeutet, dass die Zeit nicht nur so sein sollte eine Richtung haben, aber dass es sich in gewisser Weise auf sich selbst zurückfaltet. Neue evolutionäre Formen können nur durch Selektion auf die Vergangenheit entstehen.

Vermutlich diese beiden Bereiche Wissenschaft beschreiben dasselbe Universum, aber wie können zwei so diametral entgegengesetzte Ansichten vereint werden? Der Schlüssel zum Verständnis, warum das Leben in der gegenwärtigen Physik nicht erklärbar ist, könnte darin bestehen, unsere Vorstellungen von Zeit als dem Hauptunterschied zwischen dem von Newton beschriebenen Universum und dem von Darwin zu überdenken. Tatsächlich wurde die Zeit in der Geschichte der Physik viele Male neu erfunden.

Obwohl Newtons Zeit fest und absolut war, wurde Einsteins Zeit zu einer Dimension – genau wie der Raum. Und so wie alle Punkte im Raum gleichzeitig existieren, existieren auch alle Punkte in der Zeit. Das Philosophie der Zeit wird manchmal als „Blockuniversum“ bezeichnet, in dem Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft gleichermaßen real sind und in einer statischen Struktur existieren – ohne spezielles „Jetzt“. In Quantenmechanik, ergibt sich der Lauf der Zeit daraus, wie sich Quantenzustände von einem zum nächsten ändern.

Die Erfindung von Thermodynamik gab der Zeit ihren Pfeil und erklärte, warum sie sich vorwärts und nicht rückwärts bewegt. Das liegt daran, dass es in unserem Universum eindeutige Beispiele für Systeme gibt, die irreversibel sind, wie etwa ein funktionierender Motor, die nur in eine Richtung arbeiten. Jeder neue Bereich der Grundlagenphysik, sei es die Beschreibung von Raum und Zeit (Newton/Einstein), Materie und Licht (Quantenmechanik) oder Wärme und Arbeit (Thermodynamik), hat einen neuen Zeitbegriff eingeführt.

Aber was ist mit der Evolution und dem Leben? Um neuartige Dinge zu bauen, braucht die Evolution Zeit. Endlose Neuheiten können nur in einem Universum entstehen, in dem die Zeit existiert und eine klare Richtung hat. Evolution ist der einzige physikalische Prozess in unserem Universum, der die Abfolge neuartiger Objekte hervorbringen kann, die wir mit Leben assoziieren – Dinge wie Mikroben, Säugetiere, Bäume und sogar Mobiltelefone.

Information und Erinnerung

Solche Objekte können nicht spontan entstehen. Sie brauchen ein Gedächtnis, das auf dem basiert, was in der Vergangenheit existierte, um Dinge in der Gegenwart zu konstruieren. Es ist eine solche „Selektion“, die die Trennlinie zwischen dem von der aktuellen Physik beschriebenen Universum und dem, was Darwin sah, bestimmt: Es ist der Mechanismus, der ein Universum, in dem die Erinnerung keine Rolle bei der Bestimmung dessen spielt, was existiert, in ein Universum verwandelt, in dem dies der Fall ist.

Denken Sie darüber nach, alles in der lebenden Welt erfordert eine Art Gedächtnis und Informationsfluss. Die DNA in unseren Zellen ist unser Bauplan. Und um Neues zu erfinden, etwa Raketen oder Medikamente, brauchen Lebewesen auch Informationen – Kenntnisse der physikalischen und chemischen Gesetze.

Um das Leben zu erklären, müssen wir daher verstehen, wie die komplexen Objekte, die das Leben erschafft, in der Zeit existieren. Mit meinen Mitarbeitern haben wir genau das in a getan neu vorgeschlagene Theorie der Physik namens Versammlungstheorie.

Eine Schlüsselvermutung der Montagetheorie ist, dass mit zunehmender Komplexität von Objekten die Anzahl der einzigartigen Teile, aus denen sie bestehen, zunimmt, und damit auch der Bedarf an lokalem Speicher, um zu speichern, wie das Objekt aus seinen einzigartigen Teilen zusammengesetzt wird. Wir quantifizieren dies in der Montagetheorie als die kürzeste Anzahl physikalischer Schritte, um ein Objekt aus seinen elementaren Bausteinen aufzubauen, den sogenannten Montageindex.

Wichtig ist, dass die Versammlungstheorie diesen kürzesten Weg als eine intrinsische Eigenschaft des Objekts behandelt, und tatsächlich haben wir gezeigt, wie ein Versammlungsindex für Moleküle gemessen werden kann, indem verschiedene Messtechniken verwendet werden, einschließlich Massenspektrometrie (eine analytische Methode zur Messung von Masse zu Ladung Verhältnis der Moleküle).

Mit diesem Ansatz haben wir im Labor mit Messungen an biologischen und nicht-biologischen Proben gezeigt, wie Moleküle mit einem Aufbauindex von über 15 Schritten funktionieren werden nur gefunden in lebenden Proben.

Dies deutet darauf hin, dass die Assemblertheorie tatsächlich in der Lage ist, unsere Hypothese zu testen, dass Leben die einzige Physik ist, die komplexe Objekte erzeugt. Und wir können dies tun, indem wir jene Objekte identifizieren, die so komplex sind, dass der einzige physikalische Mechanismus, um sie zu bilden, die Evolution ist.

Wir zielen darauf ab, unsere Theorie zu verwenden, um abzuschätzen, wann der Ursprung des Lebens entsteht, indem wir den Punkt messen, an dem Moleküle in einer chemischen Suppe so komplex werden, dass sie anfangen, Informationen zu verwenden, um Kopien von sich selbst anzufertigen.die Schwelle, an der Leben aus Nichtleben entsteht. Wir können die Theorie dann auf Experimente anwenden, die darauf abzielen, einen neuen Ursprung von Lebensereignissen im Labor zu erzeugen.

Und wenn wir das wissen, können wir die Theorie verwenden, um nach Leben auf Welten zu suchen, die sich radikal von der Erde unterscheiden und daher möglicherweise so fremdartig aussehen, dass wir Leben dort nicht erkennen würden.

Wenn die Theorie Bestand hat, wird sie in der Physik ein radikales Umdenken über die Zeit erzwingen. Nach unserer Theorie kann der Zusammenbau als eine intrinsische Eigenschaft von Molekülen gemessen werden, die ihrer zeitlichen Größe entspricht – Zeit ist also eine physikalische Eigenschaft.

Letztendlich ist Zeit unseren Erfahrungen der Welt innewohnend, und sie ist notwendig, damit Evolution stattfinden kann. Wenn wir wollen, dass die Physik das Leben – und uns – erklären kann, müssen wir vielleicht zum ersten Mal in der Physik die Zeit als eine materielle Eigenschaft behandeln.

Dies ist vielleicht die radikalste Abkehr der Physik des Lebens von der Standardphysik, aber es könnte die entscheidende Einsicht sein, die benötigt wird, um zu erklären, was Leben ist.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: Zdeněk Macháček / Unsplash

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