Wie die neue Wissenschaft der Biokosmologie unser Verständnis des Lebens neu definiert

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Eines der großen Mysterien der Wissenschaft ist, wie das Leben in unser breiteres Verständnis des Universums passt. Insbesondere haben sich viele Theoretiker gefragt, wie die große Komplexität des Lebens mit den Gesetzen der Thermodynamik in Einklang gebracht werden kann, die darauf hindeuten, dass alle Systeme unweigerlich in einen Zustand größter Unordnung verfallen müssen.

Für Kosmologen bedeutet dies, dass das Universum allmählich abkühlt und zu einem kalten, stagnierenden Bad aus toter Materie wird. Dieses unangenehme Schicksal wird als Hitzetod bezeichnet.

Aber in den letzten 4 Milliarden Jahren hat sich das Leben auf der Erde in die entgegengesetzte entropische Richtung bewegt, indem es immer komplexer wurde. Unser Planet begann als großer, heißer Stein, der mit Elementen beschmiert war, die relativ einfache Moleküle bildeten. Heute ist es ein florierendes Knäuel molekularer Maschinen, von denen einige eine fast unvorstellbare Komplexität aufweisen.

Wie ist es passiert? Für viele Wissenschaftler in der jüngeren Geschichte besteht der Verdacht, dass irgendetwas irgendwo nicht zusammenpasst.

Biokosmologische Frage

Jetzt sagt eine Gruppe von Wissenschaftlern, darunter Stuart Kauffman vom Institute of Systems Biology in Seattle und Lee Smolin vom Perimeter Institute for Theoretical Physics in Kanada, dass ein neuer, vierter Hauptsatz der Thermodynamik das Paradoxon auflösen kann und dass diese neue Denkweise die Biologie verbindet und Kosmologie in einer völlig neuen Wissenschaft, die sie Biokosmologie nennen.

Kauffman, Smolin und Co. beginnen mit einer entropischen Bestandsaufnahme des Universums. Dies ist im Wesentlichen eine Zählung aller möglichen Zustände im Universum. Sie beginnen mit Teilchen – die mit Teilchen verbundene Gesamtentropie liegt in der Größenordnung von 10^90. Allerdings ist die Entropie aller Schwarzen Löcher mit etwa 10^104 viel größer.

Dies verblasst jedoch im Vergleich zu der mit der Vakuumenergie verbundenen Entropie, die im Bereich von 10^124 liegt. Tatsächlich ist die Anzahl der möglichen Konfigurationen exp(10^124), eine wirklich verblüffende Zahl.

Der Punkt, den Kauffman, Smolin und Co. weiter betrachten, ist die Anzahl möglicher Konfigurationen in der Biologie und wie diese mit der kosmologischen Zahl verglichen wird.

Auf den ersten Blick scheint diese Frage einfach zu beantworten. „Auf der Erde gibt es um etwa dreißig Größenordnungen weit weniger Teilchen als im beobachtbaren Universum“, betonen sie. „Daher scheint es einfach, dass jeder biologische Beitrag vernachlässigbar sein muss.“

Doch diese Denkweise erweist sich als falsch, heißt es. Ihre Kernidee ist, dass die Zahl der möglichen biologischen Zustände anders gezählt werden muss als die anderen Zustände im Universum. Und es ist diese neue Art des Zählens, die das Kalkül hinter dem entropischen Budget des Kosmos dramatisch verändert.

Der Schlüssel zu dieser neuen Denkweise ist, dass der Evolutionsprozess nur einen winzigen Bruchteil aller möglichen biologischen Konfigurationen auswählt. Biologische Moleküle wie Proteine, die wir auf der Erde sehen, und die Art und Weise, wie sie sich zu komplexen Lebewesen verbinden, sind also nur ein winziger Bruchteil der Anzahl, die existieren könnte.

Zudem steigt mit der Zeit die Zahl der möglichen Konfigurationen, je komplexer die kombinierbaren Bausteine ​​werden. Zunächst einmal bestehen biologische Moleküle also aus sechs verschiedenen Elementen – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Sie können eine Vielzahl komplexer organischer Moleküle bilden.

Eine Gruppe dieser Moleküle sind Aminosäuren, die sich auf vielfältige Weise zu Proteinen verbinden können. Natürlich verbinden sich Proteine ​​zu allen Arten von molekularen Maschinen, wie zum Beispiel Organellen. Und kombinieren diese zu Zellen, die wiederum vielzellige Organismen bilden und so weiter.

Dieser kombinatorische Prozess unterscheidet sich grundlegend von denen, die Physiker im Allgemeinen betrachten und die den Gesetzen der Physik unterliegen. Diese Gesetze legen wichtige Beschränkungen dafür fest, was Staaten bilden können und was nicht.

Biologisches Gesetz

Im Gegensatz dazu gibt es keine „biologischen Gesetze“, die das Auftreten bestimmter Konfigurationen verhindern. Tatsächlich ist jede von ihnen möglich. Deshalb ist der Konfigurationsraum so groß und nimmt ständig zu.

Wie kann man also die Größe dieses Raums zu jedem Zeitpunkt berechnen? Dazu greift die Gruppe auf eine Idee zurück, die Kauffman vor einigen Jahrzehnten erstmals vorstellte – die Theorie des angrenzenden Möglichen. Dies ist die Vorstellung, dass die Evolution auf besondere Weise durch den Raum möglicher biologischer Konfigurationen navigiert.

Es geht davon aus, dass sich die Natur zu jedem Zeitpunkt in einer bestimmten Region dieses Konfigurationsraums befindet und nur andere angrenzende Regionen erkunden kann. Dies geschieht durch den bekannten Evolutionsprozess, bei dem Mutationen und sexuelle Rekombination zu neuen biologischen Phänotypen führen, die möglicherweise besser zum Überleben geeignet sind.

In Ermangelung jeglicher „biologischer Gesetze“ erweitern diese Änderungen den Konfigurationsraum, sodass er noch größer wird.

Mit dieser Denkweise berechnen die Forscher, dass dieser Konfigurationsraum, als das erste Leben vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde erschien, in der Region von 10 ^ 10 ^ 237 potenziellen Zuständen aufwies.

Mit anderen Worten: „Im Phasenraum der Biosphäre sind mehr Mikrozustände enthalten als im gesamten restlichen Universum“, schlussfolgern Kauffman, Smolin und Co.

Das ist ein außergewöhnlicher Befund, weil er die Biologie auf kosmologische Grundlagen stellt. „Die Auswirkungen sind weitreichend und öffnen eine Vielzahl von Linien für zukünftige Untersuchungen, ein neues wissenschaftliches Gebiet, das wir Biokosmologie nennen“, sagt das Team. „Insbesondere die Beziehung zwischen dem Informationsgehalt im Leben und dem Informationsgehalt im Universum muss möglicherweise von Grund auf neu aufgebaut werden.“

Es veranlasst das Team auch, einen vierten Hauptsatz der Thermodynamik vorzuschlagen, der erfasst, wie sich Systeme wie dieses verhalten.

Die Hypothese führt zu vielen Fragen, die es zu klären gilt. Nicht zuletzt ist die Frage, ob die Entropie des Universums vergleichbar ist mit der potentiellen Anzahl biologischer Mikrozustände. Ist es möglich, dass das Team Äpfel und Birnen vergleicht?

Dann gibt es den letzten Höhenflug der Gruppe. Sie fragen, ob ihre neue Denkweise einen Zusammenhang zwischen der Entstehung des Lebens vor etwa 4 Milliarden Jahren und der Entstehung dunkler Energie nahelegt, die etwa zur gleichen Zeit begann, das Universum zu beherrschen. „Könnten die Informationen, die mit der entstehenden Komplexität des Lebens verbunden sind, die kosmische Vakuumenergie verändern?“ Sie Fragen.

Wenn dem so ist, dann stellt die neue Wissenschaft der Biokosmologie einen tiefgreifenden Fortschritt in unserem Verständnis des Universums dar. Wenn nicht, dann können zumindest Kauffman, Smolin und Co sagen, dass sie diese Behauptung als „empörende Spekulation“ anerkennen.



Referenzen: Biokosmologie: Auf dem Weg zur Geburt einer neuen Wissenschaft: arxiv.org/abs/2204.09378Biokosmologie: Biologie aus kosmologischer Sicht : arxiv.org/abs/2204.09379