Lange Zeit glaubte man, dass das Leben seinen eigenen Regeln gehorcht. Da einfache Systeme jedoch Anzeichen natürlichen Verhaltens aufweisen, diskutieren Wissenschaftler, ob diese offensichtliche Komplexität lediglich eine Folge der Thermodynamik ist.
Was ist der Unterschied zwischen Physik und Biologie? Nehmen Sie einen Golfball und eine Kanonenkugel und werfen Sie sie vom Schiefen Turm von Pisa. Die Gesetze der Physik ermöglichen es Ihnen, die Flugbahnen ihres Sturzes so genau vorherzusagen, dass Sie sich nicht das Beste wünschen können.
Machen Sie jetzt das gleiche Experiment noch einmal, aber ersetzen Sie die Kanonenkugel durch eine Taube.
Natürlich eignen sich biologische Systeme nicht für die Gesetze der Physik - aber anscheinend können letztere auch ihr Verhalten nicht vorhersagen. Biosysteme unterscheiden sich darin, dass sie zweckmäßig sind, um zu überleben und sich zu vermehren. Man kann sagen, dass sie ein Ziel haben - oder was Philosophen traditionell als Teleologie bezeichnet haben -, das ihr Verhalten lenkt.
Auf der Grundlage des Zustands des Universums eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall können wir jetzt anhand der Physik vorhersagen, wie unser Universum heute aussieht. Aber niemand glaubt, dass das Erscheinen der ersten primitiven Zellen auf der Erde vorhersehbar zur Entstehung der Menschheit geführt hat. Es scheint, dass der Verlauf der Evolution nicht durch Gesetze diktiert wird.
Die Teleologie und die historische Konditionierung der Biologie machen sie laut dem Evolutionsbiologen Ernst Mayr unter den Wissenschaften einzigartig. Beide Merkmale ergeben sich möglicherweise aus dem einzigen gemeinsamen Leitprinzip der Biologie - der Evolution. Es hat einen zufälligen und willkürlichen Charakter, aber natürliche Selektion gibt ihm den Anschein von Absicht und Zweck. Tiere werden nicht unter dem Einfluss einer magnetischen Anziehungskraft zum Wasser hingezogen, sondern aus Instinkt, dem Wunsch zu überleben. Die Beine führen uns unter anderem zum Wasser.
Mayr argumentierte, dass diese Merkmale die Biologie zu einer außergewöhnlichen Wissenschaft machen - einem unabhängigen Gesetz. Die jüngsten Fortschritte in der Nichtgleichgewichtsphysik, der Theorie komplexer Systeme und der Informationstheorie stellen diesen Standpunkt in Frage.
Wenn wir Lebewesen als Agenten betrachten, die Berechnungen durchführen - Informationen über eine unvorhersehbare Umgebung sammeln und speichern -, können ihre Fähigkeiten und Grenzen wie Reproduktion, Anpassung, Aktivität, Zweck und Bedeutung nicht als aus evolutionärer Improvisation stammend verstanden werden, sondern als unvermeidliche Konsequenzen physikalischer Gesetze … Mit anderen Worten, eine Art Physik scheint der Aktivität von Wesen und ihrer Entwicklung in diese Richtung zugrunde zu liegen. Bedeutung und Absicht - von denen angenommen wurde, dass sie die bestimmenden Merkmale lebender Systeme sind - könnten sich dann natürlich aus den Gesetzen der Thermodynamik und der statistischen Mechanik ergeben.
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Im vergangenen November trafen sich Physiker, Mathematiker und Informatiker mit Evolutions- und Molekularbiologen, um auf einem Seminar am Santa Fe Institute in New Mexico, einem Mekka für Wissenschaftler, über diese Ideen zu sprechen - und manchmal darüber zu streiten "Komplexe Systeme". Die folgende Frage wurde aufgeworfen: Wie speziell (oder nicht) ist eine wissenschaftliche Disziplin die Biologie?
Es überrascht nicht, dass die Meinungen geteilt sind. Ein Gedanke klang jedoch sehr klar: Wenn hinter biologischen Faktoren und der Teleologie eine bestimmte Physik steckt, muss sie sich mit demselben Konzept befassen, das in der Grundlagenphysik selbst von zentraler Bedeutung zu sein scheint: Information.
Unordnung und Dämonen
Die ersten Versuche, Informationen und Absichten in die Gesetze der Thermodynamik einzuführen, wurden Mitte des 19. Jahrhunderts unternommen, als der schottische Wissenschaftler James Clerk Maxwell die statistische Mechanik erfand. Maxwell zeigte, wie es mit der Einführung dieser beiden Inhaltsstoffe möglich schien, Dinge zu tun, die die Thermodynamik für unmöglich erklärte.
Zu diesem Zeitpunkt hatte Maxwell bereits gezeigt, wie vorhersehbare und zuverlässige mathematische Beziehungen zwischen den Eigenschaften eines Gases - Druck, Volumen und Temperatur - aus den zufälligen und unverständlichen Bewegungen unzähliger Moleküle abgeleitet werden können, die unter dem Einfluss von Wärmeenergie fieberhaft kollidieren. Mit anderen Worten, die Thermodynamik - die neue Wissenschaft des Wärmeflusses, die die enormen Eigenschaften von Materie wie Druck und Temperatur einbezieht - war das Ergebnis statistischer Mechanik auf mikroskopischer Ebene von Molekülen und Atomen.
Laut Thermodynamik nimmt die Fähigkeit, nützliche Arbeit aus den Energieressourcen des Universums zu gewinnen, ständig ab. Die Energiezentren werden reduziert, die Wärmeklumpen verschwinden allmählich. Bei jedem physikalischen Prozess wird ein Teil der Energie unweigerlich in Form von nutzloser Wärme abgeführt, die bei zufälligen Bewegungen von Molekülen verloren geht. Diese Zufälligkeit wird durch eine thermodynamische Größe gemessen, die als Entropie bezeichnet wird - ein Maß für die Störung - die ständig wächst. Dies ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Am Ende wird das gesamte Universum auf eine einheitliche ungeordnete Mischung reduziert: ein Gleichgewichtszustand, in dem die Entropie maximal ist und nichts Sinnvolles jemals passieren wird.
Warten wir wirklich auf solch ein trostloses Schicksal? Maxwell wollte es nicht glauben, und 1867 stellte sich der Wissenschaftler die Aufgabe, wie er es ausdrückte, im zweiten Gesetz „ein Loch zu schlagen“. Sein Ziel war es, einen Behälter mit Gas zu nehmen, in dem sich Moleküle willkürlich bewegen, und dann die schnellen Moleküle von den langsamen zu trennen, wodurch die Entropie verringert wird.
Stellen Sie sich ein mikroskopisch kleines Wesen vor - der Physiker William Thomson nannte ihn später eher zu Maxwells Leidwesen einen Dämon -, der in der Lage ist, jedes einzelne Molekül in einem Gefäß zu sehen. Der Dämon teilt das Schiff in zwei Abteile, und zwischen ihnen befindet sich eine Schiebetür in der Trennwand. Jedes Mal, wenn er ein besonders schnelles Molekül sieht, das sich aus dem rechten Fach der Tür nähert, öffnet er die Tür, um sie nach links zu lassen. Und jedes Mal, wenn sich ein langsames, "kaltes" Molekül von links der Tür nähert, lässt er es auch auf die andere Seite durch. Am Ende hat er ein Gefäß mit einem Fach für kaltes Gas rechts und heißem Gas links: einen Wärmespeicher, mit dem die Arbeit erledigt werden kann.
Dies ist nur unter zwei Bedingungen möglich. Erstens hat der Dämon mehr Informationen als wir: Er kann alle Moleküle einzeln sehen und nicht nur statistische Durchschnittswerte. Und zweitens hat es eine Absicht: einen Plan, um das Heiße von dem Kalten zu trennen. Mit seinem Wissen für einen bestimmten Zweck kann er die Gesetze der Thermodynamik in Frage stellen.
Zumindest schien es so. Es dauerte hundert Jahre, um zu verstehen, warum Maxwells Dämon das zweite Gesetz nicht wirklich untergraben und ein unaufhaltsames Abrutschen in Richtung des tödlichen allgemeinen Gleichgewichts verhindern konnte. Der Grund dafür ist ein Beweis für eine tiefe Verbindung zwischen Thermodynamik und Informationsverarbeitung - oder mit anderen Worten, Berechnung. Der deutsche und amerikanische Physiker Rolf Landauer hat gezeigt, dass selbst wenn ein Dämon Informationen sammeln und (ohne Reibung) eine Tür ohne Energieaufwand bewegen kann, früher oder später immer noch gerechnet wird. Da sein Gedächtnis, in dem Informationen über jede Bewegung von Molekülen gespeichert sind, nicht unbegrenzt sein kann, muss er sie von Zeit zu Zeit reinigen - dh das, was er bereits gesehen hat, löschen und von vorne beginnen -, bevor er weiterhin Energie ansammeln kann. Dieses Entfernen von Informationen ist mit unvermeidlichen Kosten verbunden: Es verbraucht Energie und erhöht somit die Entropie. Alle Argumente gegen das zweite Gesetz, die der kluge Dämon vorbringt, werden durch die "Landauer-Grenze" durchgestrichen: die endgültigen Kosten für das Löschen von Informationen (oder allgemeiner das Konvertieren von Informationen von einer Form in eine andere).
Lebende Organismen sind Maxwells Dämon etwas ähnlich. Während ein Becher voller Chemikalien, die miteinander reagieren, irgendwann seine Energie verbraucht und in langweilige Stase und Gleichgewicht gerät, entziehen sich lebende Systeme von Anfang an für etwa dreieinhalb Milliarden Jahre einem leblosen Gleichgewichtszustand. Sie sammeln Energie aus der Umwelt, um diesen Ungleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, und dies mit "Absicht". Selbst einfache Bakterien bewegen sich mit einem "Ziel": zu Wärme- und Nahrungsquellen. In seinem Buch Was ist das Leben von 1944? Der Physiker Erwin Schrödinger drückte diese Idee aus, indem er sagte, lebende Organismen ernähren sich von "negativer Entropie".
Dies erreichen sie laut Schrödinger durch das Sammeln und Speichern von Informationen. Einige dieser Informationen sind in ihren Genen kodiert und werden von Generation zu Generation weitergegeben: eine Reihe von Anweisungen zum Sammeln negativer Entropie. Schrödinger wusste nicht, wo die Informationen gespeichert waren oder wie sie codiert wurden, aber seine Intuition sagte ihm, dass sie in einem von ihm als "aperiodisch" bezeichneten Kristall aufgezeichnet waren, und diese Idee diente Francis Crick, einem Physiker in seiner Hauptspezialität, als Inspiration und James Watson, der 1953 verstand, wie genetische Informationen in der molekularen Struktur eines DNA-Moleküls kodiert werden können.
Daher ist das Genom zumindest teilweise eine Aufzeichnung nützlichen Wissens, das es den Vorfahren des Organismus - bereits in der fernen Vergangenheit - ermöglichte, auf unserem Planeten zu überleben. Laut David Wolpert, einem Mathematiker und Physiker am Santa Fe Institute, der den jüngsten Workshop gesponsert hat, und seinem Kollegen Artemy Kolchinsky ist der Schlüssel, dass gut angepasste Organismen Beziehungen zu dieser Umgebung herstellen. Wenn ein Bakterium garantiert nach links oder rechts schwimmt, wenn es eine Nahrungsquelle in dieser Richtung gibt, ist es besser angepasst und entwickelt sich erfolgreicher als eines, das in beliebige Richtungen schwimmt und daher nur zufällig Nahrung findet. Die Korrelation zwischen dem Zustand des Organismus und dem Zustand der Umwelt impliziert, dass sie allgemeine Informationen austauschen. Volpert und Kolchinsky streiten sichdass es diese Informationen sind, die dem Körper helfen, ein Gleichgewicht zu vermeiden - denn wie Maxwells Dämon kann er sein Verhalten anpassen, um Arbeit aus der Unbeständigkeit der Umwelt herauszuholen. Wenn er diese Informationen nicht erhalten würde, würde der Körper allmählich in einen Gleichgewichtszustand geraten, dh zu Tode.
Unter diesem Gesichtspunkt kann das Leben als ein Rechenprozess angesehen werden, der darauf abzielt, die Speicherung und Verwendung aussagekräftiger Informationen zu optimieren. Und das Leben ist dabei sehr erfolgreich. Landauers Lösung für das Maxwell-Dämonen-Puzzle setzte eine absolute Untergrenze für die Energiemenge, die ein Finite-Memory-Computersystem benötigt, nämlich die Energiekosten für das Vergessen. Die besten Computer von heute sind unvergleichlich verschwenderischer: Sie verbrauchen und verbrauchen in der Regel eine Million Mal mehr Strom. Wolpert sagt jedoch: "Nach den konservativsten Schätzungen ist die thermodynamische Effizienz des von der Zelle durchgeführten Gesamtberechnungsprozesses nur etwa zehnmal höher als die Landauer-Grenze."
Die Implikation ist, dass „die natürliche Selektion in erster Linie darauf abzielt, die thermodynamischen Berechnungskosten zu minimieren. Er wird sein Bestes tun, um die Gesamtzahl der Berechnungen zu reduzieren, die die Zelle durchführen muss. Mit anderen Worten, die Biologie (mit der möglichen Ausnahme von uns selbst) scheint proaktive Schritte zu unternehmen, um das Überleben nicht zu beeinträchtigen. Diese Frage nach Kosten und Nutzen der Berechnung des eigenen Lebensweges eines Organismus sei in der Biologie bislang weitgehend ignoriert worden.
Unbelebter Darwinismus
Lebende Organismen können somit als Objekte angesehen werden, die sich mithilfe von Informationen an die Umwelt anpassen, Energie absorbieren und dadurch vom Gleichgewicht abweichen. Dies ist natürlich eine sehr wichtige Aussage. Beachten Sie jedoch, dass es nichts über Gene und Evolution aussagt, von denen viele Biologen, einschließlich Mayer, angenommen haben, dass biologische Absichten und Ziele abhängen.
Wie weit kann uns eine solche Idee bringen? Durch natürliche Selektion polierte Gene sind zweifellos von zentraler Bedeutung für die Biologie. Aber könnte es sein, dass die Evolution durch natürliche Auslese selbst nur ein Sonderfall eines allgemeineren Imperativs in Bezug auf Funktion und offensichtlichen Zweck ist, der in einem rein physischen Universum existiert? Alles fängt so an.
Anpassung wird seit langem als Kennzeichen der darwinistischen Evolution angesehen. Unterdessen argumentiert Jeremy England vom Massachusetts Institute of Technology, dass eine Anpassung an die Umwelt auch in komplexen nicht lebenden Systemen erfolgen kann.
Anpassung hat hier eine konkretere Bedeutung als die übliche darwinistische Auffassung, dass der Organismus mit den Mitteln zum Überleben gut ausgestattet ist. In der darwinistischen Theorie gibt es einen Haken: Wir können nur im Nachhinein einen gut angepassten Organismus definieren. Die "Stärksten" sind diejenigen, die besser zum Überleben und zur Fortpflanzung geeignet sind, aber wir können nicht vorhersagen, was eine bestimmte Fitness erfordert. Wale und Plankton sind gut an das Leben im Meer angepasst, aber so, dass zwischen ihnen kaum etwas klar ist.
Englands Definition von "Anpassung" ist näher an der von Schrödinger und sogar von Maxwell: Ein gut angepasstes Objekt kann Energie aus einer unvorhersehbaren, veränderlichen Umgebung effizient absorbieren - wie eine Person, die während einer Schiffsrolle auf den Beinen stehen kann, wenn alle anderen fallen, weil es ist besser an die Vibrationen des Decks angepasst. Unter Verwendung der Konzepte und Methoden der statistischen Mechanik in einem Nichtgleichgewichtsumfeld argumentieren England und seine Kollegen, dass es diese gut angepassten Systeme sind, die Energie aus der Umwelt absorbieren und ableiten und dabei Entropie erzeugen.
Komplexe Systeme neigen dazu, überraschend leicht in diese gut angepassten Zustände einzutreten, sagt England: "Thermisch schwingende Materie kann oft spontan in Formen zusammenfallen, die Arbeit aus einer zeitlich variierenden Umgebung gut absorbieren."
Nichts in diesem Prozess beinhaltet eine schrittweise Anpassung an die Umwelt durch darwinistische Mechanismen der Reproduktion, Mutation und Vererbung von Merkmalen. Es gibt überhaupt keine Replikation. „Das heißt, wenn wir die Ursprünge einiger scheinbar angepasster Strukturen physikalisch beschreiben, sehen wir, dass sie keine Eltern im üblichen biologischen Sinne haben müssen - und diese Ergebnisse scheinen unglaublich aufregend“, sagt England. "Die evolutionäre Anpassung kann durch die Thermodynamik erklärt werden, selbst in diesen merkwürdigen Fällen, in denen es keine Selbstreplikatoren gibt und die darwinistische Logik auseinander fällt." Wenn das betreffende System natürlich komplex, flexibel und empfindlich genug ist, um auf Änderungen in der Umgebung zu reagieren.
Es gibt jedoch keinen Konflikt zwischen physischer und darwinistischer Anpassung. Tatsächlich kann letzteres als Sonderfall des ersteren angesehen werden. Wenn eine Replikation vorhanden ist, wird die natürliche Selektion zum Weg, auf dem Systeme die Fähigkeit erwerben, Arbeit - die negative Schrödinger-Entropie - aus der Umwelt zu absorbieren. Der Mechanismus der Selbstreproduktion ist in der Tat besonders gut für die Stabilisierung komplexer Systeme geeignet, und daher ist es nicht verwunderlich, dass genau dies in der Biologie verwendet wird. In der leblosen Welt, in der normalerweise keine Replikation stattfindet, sind gut angepasste dissipative Strukturen in der Regel hochorganisierte Strukturen wie wellige Sandschichten und Dünen, die aus dem gelegentlichen Tanz von Sand und Wind kristallisieren. Von diesem Standpunkt aus betrachtet,Die darwinistische Evolution kann als konkretes Beispiel für ein allgemeineres physikalisches Prinzip angesehen werden, das Nichtgleichgewichts-Systeme regelt.
Prognosemechanismen
Dieses Verständnis komplexer Strukturen, die sich an eine sich ändernde Umgebung anpassen, ermöglicht es uns auch, einige Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, wie diese Strukturen Informationen speichern. Kurz gesagt, da solche Strukturen - ob lebend oder nicht - gezwungen sind, die verfügbare Energie effizient zu nutzen, werden sie höchstwahrscheinlich zu "Prognosemechanismen".
Die Tatsache, dass biologische Systeme ihren Zustand als Reaktion auf eine Art Steuersignal von der äußeren Umgebung ändern, ist möglicherweise das Hauptmerkmal des Lebens. Es passiert etwas - du antwortest. Pflanzen werden ans Licht gezogen oder produzieren Toxine, indem sie auf Krankheitserreger reagieren. Diese Umweltsignale sind normalerweise unvorhersehbar, aber lebende Systeme lernen aus ihren eigenen Erfahrungen, sammeln Informationen über ihre Umgebung und verwenden sie, um ihr Verhalten in Zukunft zu verbessern. (Gene bieten Ihnen in dieser Ansicht nur die grundlegendsten Allzweckelemente, die Sie benötigen.)
Diese Prognose ist zwar nicht hilfreich. Laut einer Studie von Susanne Still von der Universität von Hawaii, Gavin Crooks, einer ehemaligen Mitarbeiterin des Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien, und ihren Kollegen, scheint die Fähigkeit, die Zukunft vorherzusagen, für jedes energieeffiziente System zufällig von grundlegender Bedeutung zu sein veränderbare Umgebung.
Still und ihre Kollegen zeigen, dass das Speichern von Informationen über die Vergangenheit, die für die Vorhersage der Zukunft nicht wertvoll sind, mit thermodynamischen Kosten verbunden ist. Um so effektiv wie möglich zu sein, muss das System selektiv sein. Wenn sie sich alles wahllos merkt, erleidet sie große Energieverluste. Wenn sie sich jedoch nicht die Mühe macht, zumindest einige Informationen über ihre Umgebung zu speichern, muss sie sich ständig viel Mühe geben, um mit dem Unerwarteten fertig zu werden. „Ein thermodynamisch optimaler Mechanismus sollte Gedächtnis und Vorhersage durch Minimierung der Nostalgie in Einklang bringen - nutzlose Informationen über die Vergangenheit“, sagt Co-Autor David Sivak, derzeit an der Simon Fraser University in Barnaby, British Columbia. Kurz gesagt,Er muss lernen, aussagekräftige Informationen zu sammeln - die, die am wahrscheinlichsten für das zukünftige Überleben nützlich sind.
Man könnte erwarten, dass natürliche Selektion energieeffiziente Organismen begünstigt. Aber auch einzelne biomolekulare Geräte wie Pumpen und Motoren in unseren Zellen müssen auf wichtige Weise aus der Vergangenheit lernen, um die Zukunft vorhersehen zu können. Um ihre bemerkenswerte Wirksamkeit zu erreichen, müssen diese Geräte "implizit ein umfassendes Verständnis der Phänomene aufbauen, auf die sie bis dahin gestoßen sind, um zukünftige Ereignisse vorhersagen zu können".
Thermodynamik des Todes
Selbst wenn einige dieser Grundmerkmale der Informationsverarbeitung durch lebende Systeme ohne Evolution oder Replikation bereits auf eine Nichtgleichgewichtsthermodynamik zurückzuführen sind, kann davon ausgegangen werden, dass komplexere Merkmale - beispielsweise der Einsatz von Werkzeugen oder die soziale Zusammenarbeit - von der Evolution bereitgestellt werden müssen.
Aber darauf sollten Sie auch nicht zählen. Diese Verhaltensweisen, die im Allgemeinen als ausschließliche Domäne hochentwickelter Primaten und Vögel angesehen werden, können mithilfe eines einfachen Modells interagierender Partikel simuliert werden. Der Trick besteht darin, dass das System durch eine Einschränkung gesteuert wird: Es wirkt so, dass es die Entropie maximiert (in diesem Fall bestimmt unter Berücksichtigung der verschiedenen möglichen Wege, die die Partikel zurücklegen könnten), die es über einen bestimmten Zeitraum erzeugt.
Die Entropiemaximierung wurde lange Zeit als Merkmal von Nichtgleichgewichts-Systemen angesehen. Das System in diesem Modell folgt jedoch einer Regel, die es ihm ermöglicht, die Entropie über ein festes Zeitfenster, das sich in die Zukunft erstreckt, an ihre Grenzen zu bringen. Mit anderen Worten, sie kann vorhersagen. Im Wesentlichen berücksichtigt das Modell alle möglichen Pfade der Partikel und zwingt sie, dem Pfad zu folgen, der die meiste Entropie erzeugt. Grob gesagt ist dies eine Art Weg, der die meisten Möglichkeiten für Partikelbewegungen in der Zukunft offen hält.
Man kann sagen, dass das Partikelsystem eine Art Wunsch hat, die Handlungsfreiheit in der Zukunft aufrechtzuerhalten, und dass dieser Wunsch jederzeit sein Verhalten lenkt. Die Forscher, die dieses Modell entwickelt haben - Alexander Wissner-Gross von der Harvard University und Cameron Freer, Mathematiker am Massachusetts Institute of Technology - nennen es "kausale entropische Kraft". In Computersimulationen der Konfigurationen scheibenförmiger Partikel, die sich unter bestimmten Bedingungen im Kreis bewegen, führt diese Kraft zu Ergebnissen, die unheimlich auf Intelligenz hindeuten.
In einem Fall konnte die große Scheibe die kleine Scheibe "verwenden", um die zweite kleine Scheibe aus dem schmalen Rohr zu entfernen - ein Vorgang, der der Verwendung eines Werkzeugs ähnlich war. Das Freigeben der Platte erhöhte die Entropie des Systems. In einem anderen Beispiel haben zwei Festplatten in getrennten Schächten ihr Verhalten synchronisiert, um die größere Festplatte nach unten abzusenken, damit sie mit ihr interagieren können, wodurch der Anschein sozialer Zusammenarbeit entsteht.
Natürlich erhalten diese einfachen Interaktionsmittel einen lukrativen Einblick in die Zukunft. Das Leben hat es in der Regel nicht. Was hat das dann mit Biologie zu tun? Die Antwort ist nicht klar, obwohl Wissner-Gross derzeit an der Schaffung eines "praktischen, biologisch plausiblen Mechanismus kausaler entropischer Kräfte" arbeitet. Gleichzeitig glaubt er, dass ein solcher Ansatz zusätzliche, in der Praxis nützliche Möglichkeiten bietet und einen schnellen Zugang zu künstlicher Intelligenz bietet. "In meinen Vorhersagen besteht ein kürzerer Weg, um dieses Verhalten zu erreichen, darin, zuerst dieses Verhalten zu erkennen und dann ausgehend von physikalischen Prinzipien und Einschränkungen in die entgegengesetzte Richtung zu arbeiten, anstatt auf der Grundlage spezifischer Berechnungs- oder Vorhersagemethoden zu arbeiten." er behauptet. Mit anderen Worten, finden Sie zuerst das System,Wer macht, was Sie von ihr wollen, und findet dann heraus, wie sie es macht.
Altern wird traditionell auch als evolutionäres Merkmal angesehen. Organismen haben eine Lebensdauer, die Fortpflanzungsmöglichkeiten schafft, und gleichzeitig werden die Aussichten auf das Überleben der Nachkommen nicht durch Eltern beeinträchtigt, die sich in der Nähe zu stark abzeichnen und um Ressourcen konkurrieren. Dies scheint zu stimmen, aber Hildegard Meyer-Ortmanns, Physikerin an der Jacobs University in Bremen, glaubt, dass Altern letztendlich ein physikalischer und kein biologischer Prozess ist, der von der Thermodynamik von Informationen bestimmt wird.
Natürlich geht es nicht nur um Verschleiß. „Ein Großteil des weichen Materials, aus dem wir bestehen, wird erneuert, bevor es altern kann“, sagt Meyer-Ortmanns. Dieser Erneuerungsprozess ist jedoch nicht perfekt. Die Thermodynamik des Kopierens von Informationen erfordert ein Gleichgewicht zwischen Präzision und Energie. Der Körper besitzt endliche Energieressourcen, daher häufen sich im Laufe der Zeit notwendigerweise Fehler an. Dann muss der Körper immer mehr Energie aufwenden, um diese Fehler zu korrigieren. Der Erneuerungsprozess erzeugt Kopien, die zu beschädigt sind, um ordnungsgemäß zu funktionieren, gefolgt vom Tod.
Die empirischen Beweise scheinen dies zu stützen. Es ist seit langem bekannt, dass sich kultivierte menschliche Zellen wahrscheinlich nicht mehr als 40-60 Mal reproduzieren können (die sogenannte Hayflick-Grenze), bevor dieser Prozess stoppt und die Alterung beginnt. Und neuere Studien zur menschlichen Lebenserwartung legen nahe, dass es einen Grund dafür gibt, dass die meisten Menschen ein Jahrhundert nicht überleben können.
Es ist eine natürliche Konsequenz, dass dieser offensichtliche Antrieb für energieeffiziente, organisierte Vorhersagesysteme in einer flüssigen Umgebung ohne Gleichgewicht auftritt. Wir selbst sind solche Systeme, wie alle unsere Vorfahren bis zur ersten primitiven Zelle. Und die Thermodynamik ohne Gleichgewicht scheint uns zu sagen, dass genau dies unter diesen Umständen der Fall ist. Mit anderen Worten, die Entstehung von Leben auf einem Planeten wie dem Planeten Erde in einem frühen Stadium seiner Existenz mit seinen vielen Energiequellen wie Sonnenlicht und vulkanischen Aktivitäten, die weiterhin ein Ungleichgewicht aufrechterhalten, scheint kein äußerst unwahrscheinliches Ereignis mehr zu sein, wie viele Wissenschaftler glauben, sondern praktisch unvermeidlich. Im Jahr 2006 stritten sich Eric Smith und der verstorbene Harold Morowitz vom Santa Fe Institutedass die Thermodynamik von Nichtgleichgewichts-Systemen die Entstehung organisierter komplexer Systeme unter präbiotischen Bedingungen auf der Erde viel wahrscheinlicher macht, weit entfernt vom Gleichgewicht, als wenn die ursprünglichen chemischen Inhaltsstoffe nur in einem "kleinen warmen Teich" sitzen und leise kochen würden (in den Worten von Charles Darwin) …
Ein Jahrzehnt nach der ersten Ankündigung haben Forscher mehr Details und tiefere Einblicke in das Phänomen hinzugefügt. Die Eigenschaften, die Ernst Mayr für die Biologie als grundlegend erachtete - Bedeutung und Absicht - könnten als natürliche Folge von Statistik und Thermodynamik entstehen. Und diese allgemeinen Eigenschaften können natürlich zu einem Anschein von Leben führen.
Gleichzeitig zeigen uns Astronomen, wie viele Welten sich um andere Sterne in unserer Galaxie drehen: Schätzungen zufolge sind es Milliarden. Viele von ihnen sind weit vom Gleichgewicht entfernt, und zumindest einige ähneln der Erde. Und dort gelten natürlich die gleichen Regeln.
Philip Ball