Die Rolle der Physik in der Entstehung und Entwicklung des Lebens

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Frage, was Leben von Nicht-Leben unterscheidet, ist eine der grundlegendsten in der Wissenschaft. Während Darwins Evolutionstheorie die Vielfalt der Lebensformen erklärt, bleibt die Frage offen, wie diese Variationen entstehen und warum Atome und Moleküle komplexe Systeme bilden, die sich reproduzieren können.

Die Unterscheidung zwischen lebenden und nicht lebenden Systemen ist eine der zentralen Fragen der Wissenschaft. Charles Darwins Evolutionstheorie durch natürliche Selektion bietet zwar eine Erklärung für die Vielfalt der Lebensformen, die uns umgeben, doch sie liefert wenig Aufschluss darüber, wie die Variationen entstehen, die diese Selektion antreiben. Auch bleibt unklar, warum Atome und Moleküle sich zu komplexen Systemen zusammenschließen, die in der Lage sind, sich fortzupflanzen.

Die Physik kann erklären, wie Atome in einer molekularen Choreografie komplexe Strukturen bilden. Doch die präzisen und unveränderlichen Gesetze der Physik geben keine Auskunft darüber, warum diese Strukturen lebenswichtige Funktionen übernehmen oder warum bestimmte Strukturen und Funktionen bevorzugt werden.

Um diese Lücke zwischen Physik und Biologie zu schließen, haben Forscher unter der Leitung von Sara Walker von der Arizona State University und Leroy Cronin von der University of Glasgow die sogenannte “Teoria da Montagem” oder “Assembly Theory” entwickelt. In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel präsentieren sie diese Theorie als ein Werkzeug, um die Komplexität materieller Strukturen zu quantifizieren und so grundlegende Fragen zur Entstehung und Entwicklung des Lebens zu beantworten.

Im Kern der Assembly Theory steht das Konzept der “Objekte”, die als endlich, unterscheidbar und zeitlich beständig definiert werden. Diese Objekte können in ihre elementaren Bausteine zerlegt und wieder zusammengesetzt werden, wobei die Regeln und Grenzen ihrer Rekonstruktion quantifizierbar sind. Diese Definition umgeht die in der Physik übliche Behandlung von Objekten als fundamental und unteilbar.

Ein weiterer zentraler Aspekt der Assembly Theory ist die Anzahl identischer Kopien eines Objekts, die Raum für Selektivität eröffnet. Je komplexer ein Objekt ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass eine exakte Kopie existiert. Die Existenz vieler identischer Kopien deutet auf einen informationsbasierten Mechanismus hin, der ihre Konstruktion leitet.

Dieser Prozess findet im sogenannten “assembly space” des Objekts statt, wo elementare Bausteine rekursiv kombiniert werden, um immer komplexere Strukturen zu schaffen. Die Anzahl der rekursiven Schritte, die zur Bildung des Objekts erforderlich sind, wird als “assembly index” bezeichnet.

Die Assembly Theory bietet auch eine interessante Perspektive auf die Evolution, da evolutionäre Prozesse viele Schritte benötigen, um komplexe und funktionale Objekte zu erzeugen. Die Selektion ermöglicht die Schaffung vieler Kopien dieser Objekte, was die Evolution in der Produktion vieler identischer oder nahezu identischer komplexer Objekte sichtbar macht.

Ein Beispiel dafür ist die Chiralität organischer Moleküle. In der Chemie wird ein Molekül als “chiral” bezeichnet, wenn es nicht mit seinem Spiegelbild überlagert werden kann. Organische Prozesse erzeugen oft Moleküle mit nur einer Chiralität, was auf eine organische Herkunft hinweist.

Die Assembly Theory könnte somit als präzises Werkzeug dienen, um die Wahrscheinlichkeit zu messen, dass Leben, das der darwinistischen Evolution unterliegt, existiert. Durch die mathematische Strenge und die Integration physikalischer und statistischer Konzepte könnte diese Theorie helfen, die Komplexität von Objekten zu messen und die Wahrscheinlichkeit ihrer Entstehung durch zufällige Prozesse oder durch die Kombination anderer komplexer Strukturen zu quantifizieren.

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