Warum das Leben Physik und nicht Chemie ist

In der Wissenschaftsgeschichte gibt es viele Beispiele für einfache Perspektivwechsel, die zu tiefen Einblicken in das Wesen des Kosmos führen. Die Erfindung des Teleskops ist vielleicht ein Beispiel. Eine andere ist die Erkenntnis, dass chemische Energie, thermodynamische Energie, kinetische Energie und dergleichen alle Manifestationen desselben Stoffes sind. Hier können Sie sicher Ihre eigenen Lieblingsinstanzen bereitstellen.

Eines der wichtigeren Beispiele in der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts ist, dass die Biologie das Ergebnis der Evolution ist und nicht umgekehrt. Auf diese Weise ist die Evolution beim Denken ein Prozess, sogar ein Algorithmus; wenn auch mit unvorstellbarer kraft. Nutzen Sie die Evolution und es gibt wenig, was Sie nicht erreichen können.

In den letzten Jahren haben Informatiker begonnen, die erstaunliche Kraft der Evolution zu nutzen. Was sie immer wieder erlebt haben, ist der blinde Fortschritt der Evolution. Setzen Sie einen genetischen Algorithmus ein und er wird die evolutionäre Landschaft untersuchen und nach lokalen Minima suchen. Wenn es eine findet, kann man nicht wissen, ob es sich um die bestmögliche Lösung handelt oder ob es sich in greifbarer Nähe eines evolutionären Abgrunds befindet, der eine Lösung ganz anderer Größenordnung darstellt.



Das deutet auf die Möglichkeit hin, dass das Leben, wie es sich auf der Erde entwickelt hat, nur ein lokales Minima in einer riesigen Landschaft evolutionärer Möglichkeiten ist. Wenn das der Fall ist, untersuchen Biologen einen erbärmlich kleinen Bruchteil von etwas Größerem. Viel größer.

Einen wichtigen Einblick in diesen Sachverhalt erhalten wir heute dank eines faszinierenden Papers von Nigel Goldenfeld und Carl Woese von der University of Illinois. Goldenfeld ist ausgebildeter Physiker, während Woese, ebenfalls Physiker, eine der großen Revolutionsfiguren der Biologie ist. In den 1970er Jahren definierte er ein neues Reich des Lebens, die Archae, und entwickelte eine Theorie über den Ursprung des Lebens, die als RNA-Welthypothese bezeichnet wird und je nach Standpunkt viel Ruhm oder Berühmtheit erlangt hat.

Gemeinsam schlagen sie vor, dass Biologen ihr Fachgebiet radikal neu denken müssen: als Teilgebiet der Physik der kondensierten Materie. Ihre grundlegende Vermutung ist, dass Leben ein emergentes Phänomen ist, das in Systemen auftritt, die weit aus dem Gleichgewicht geraten sind. Akzeptiert man diese Prämisse, stellen sich gleich zwei Fragen: Welche Gesetze beschreiben solche Systeme und wie kommen wir zu ihnen.

Goldenfeld und Woese sagen, dass die geschlossene Denkweise der Biologen zu diesem Thema durch den Satz verkörpert wird: Alles Leben ist Chemie. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein, sagen sie.

Sie haben eine interessante Analogie, um ihre Argumente durchzusetzen: das Beispiel der Supraleitung. Es wäre leicht, sich die Supraleitung anzusehen und sich vorzustellen, dass sie vollständig durch die Eigenschaften der Elektronen erklärt werden kann, wenn sie in und aus den äußeren Atomorbitalen gelangen. Sie könnten noch weiter gehen und sagen, dass Supraleitung alles Atome und Chemie ist.

Und doch ist die wahre Erklärung viel interessanter und tiefgründiger. Es stellt sich heraus, dass viele der Probleme der Supraleitung durch eine Theorie erklärt werden, die die Beziehung zwischen elektromagnetischen Feldern und Fernordnung beschreibt. Wenn die Symmetrie in dieser Beziehung zusammenbricht, ist das Ergebnis Supraleitung.

Und es passiert nicht nur in Materialien auf der Erde. Diese Art der Symmetriebrechung tritt auch an anderen exotischen Orten auf, beispielsweise in den Kernen von Quarksternen. Supraleitung ist ein emergentes Phänomen und hat wenig mit dem Verhalten von Atomen zu tun. Ein Chemiker wäre fassungslos.

Nach Goldenfeld und Woese ist das Leben wie Supraleitung. Es ist ein auftauchendes Phänomen, und wir müssen die grundlegenden Gesetze der Physik verstehen, die sein Verhalten bestimmen. Folglich kann nur eine der Physik verwandte Disziplin solche Gesetze aufdecken und die Biologie, wie sie heute praktiziert wird, fällt nicht in diese Kategorie.

Das ist eine mutige und provokative Idee, die die neueste Generation von Biophysikern vielleicht nicht völlig überrascht. Für die anderen sollte es ein Ruf zu den Waffen sein.

Wir werden die Ergebnisse mit Interesse verfolgen.

Ref: arxiv.org/abs/1011.4125 : Das Leben ist Physik: Evolution als kollektives Phänomen fernab des Gleichgewichts

verbergen