Ist die Entstehung von Leben in einem sich entwickelnden Universum ein zu erwartender Phasenübergang?
(arxiv.org)- Stuart Kauffman und Andrea Roli definieren Leben als chemisches Nichtgleichgewichts-Reaktionssystem mit Selbsterneuerung und betrachten die Entstehung von Leben zwar als Wunder, aber als ein in der chemischen Evolution des Universums erwartbares Ereignis
- Lebewesen sind Kantian Wholes, bei denen Teile und Ganzes einander konstituieren; sie müssen kollektive Autokatalyse, katalytische Geschlossenheit, Constraint Closure und räumliche Geschlossenheit gemeinsam erreichen
- Zentral ist die Verbindung von Collectively Autocatalytic Sets und der Theory of the Adjacent Possible: Wenn molekulare Vielfalt und die Zahl der Reaktionen zunehmen, kann molekulare Selbsterneuerung wie ein Phasenübergang erster Ordnung auftreten
- Autokatalytische Sets aus DNA, RNA und Peptiden wurden experimentell konstruiert, und auch bei 6.700 Prokaryoten wurden kleine molekulare autokatalytische Sets rechnerisch identifiziert; eine Regeneration in vitro ist jedoch noch nicht nachgewiesen
- In lebenden Zellen verschwimmt die Trennung zwischen Software und Hardware; metabolische Phylogenese, die Suche nach Leben auf Exoplaneten und Experimente zur Entstehung primitiven Lebens müssen auf neue Weise behandelt werden
Die vier Geschlossenheiten des Lebens
- Eine allgemein akzeptierte Definition von Leben gibt es noch nicht; hier wird Leben als chemisches Nichtgleichgewichts-Reaktionssystem mit Selbsterneuerung definiert
- kollektive Autokatalyse
- Constraint Closure
- räumliche Geschlossenheit
- Kantian Whole
- Ein Collectively Autocatalytic Set (CAS) ist ein offenes chemisches Reaktionssystem, dem von außen Moleküle und Energiebausteine zugeführt werden
- Der letzte chemische Reaktionsschritt zur Bildung jedes Moleküls im Set wird durch mindestens ein Molekül innerhalb dieses Sets oder durch ein Molekül im Food Set katalysiert
- Der Begriff ist weiter gefasst als template-replizierende RNA; auch der Fall, dass bei doppelsträngiger RNA jeder Strang als Template-Katalysator für die Synthese des jeweils anderen Strangs dient, gehört zu CAS
- In der Forschung zum Ursprung des Lebens dominierte in den vergangenen rund 50 Jahren die Vorstellung, dass template-replizierende Polynukleotide die Grundlage des Lebens sein müssten
- Die Replikation eines „nude replicating RNA gene“ ist bislang nicht gelungen, bleibt aber möglich
- Kollektiv autokatalytische Sets aus DNA, RNA und Peptiden wurden bereits konstruiert
- G. von Kiedrowski konstruierte ein autokatalytisches DNA-Set, die Forschungsgruppe um N. Lehman ein autokatalytisches RNA-Set, und G. Ashkenasy ein autokatalytisches Set aus 9 Peptiden
- Auch autokatalytische Lipid-Sets wurden bereits in Betracht gezogen
Kantian Whole und die Selbstorganisation der Zelle
- Kantian Whole geht auf Immanuel Kants Konzept aus den 1790er-Jahren zurück, wonach Teile für das Ganze und durch das Ganze existieren
- Ein Mensch existiert durch Teile wie Herz, Leber, Nieren, Lunge und Gehirn, und diese Teile existieren durch das Ganze, den Menschen
- Alle lebenden Organismen sind Kantian Wholes; in dieser Definition werden auch Viren als Kantian Wholes eingeordnet, die sich in einer zellulären Umgebung selbst replizieren
- Kristalle oder Ziegelsteine sind keine Kantian Wholes, Zellen hingegen schon
- Katalytische Geschlossenheit ist ein Zustand, in dem jede Reaktion eines Systems durch mindestens ein Molekül dieses Systems katalysiert wird
- Alle lebenden Zellen erreichen katalytische Geschlossenheit
- In lebenden Zellen katalysiert kein Molekül direkt seine eigene Bildung; die Molekülmenge der gesamten Zelle erreicht im Reproduktionsprozess katalytische Geschlossenheit
- Auch beim autokatalytischen Set aus 9 Peptiden existiert jedes Peptid durch die gegenseitige Katalyse des gesamten Sets und ist daher ein Kantian Whole
- Constraint Closure bezeichnet einen Zustand, in dem die Randbedingungen, die in Nichtgleichgewichtsprozessen Energiefreisetzung einschränken, ihrerseits wieder diese Randbedingungen konstituieren
- Thermodynamische Arbeit wird verrichtet, wenn Energie eingeschränkt auf einige Freiheitsgrade freigesetzt wird
- Eine Kanone beschränkt die Energiefreisetzung so, dass die Kugel in Richtung des Laufs fliegt; auch für den Bau der Kanone selbst ist thermodynamische Arbeit nötig
- Montévil und Mossio definierten Constraint Closure 2015 als eine Form, in der die Constraints A, B und C jeweils die Prozesse 1, 2 und 3 beschränken und dadurch einander konstituieren
- Zellen unterscheiden sich von Autos, Lokomotiven und Computern dadurch, dass sie die Randbedingungen, aus denen sie bestehen, selbst erzeugen
- Bei einem Auto beschränkt die Anordnung der Teile die Energiefreisetzung, doch es erzeugt seine eigenen Randbedingungen nicht selbst
- Eine Zelle erzeugt Randbedingungen, die Energiefreisetzung beschränken, und diese Randbedingungen konstituieren wiederum dieselben Randbedingungen
- Eine sich selbst erneuernde Zelle ist, anders als von Neumanns Universal Constructor, kein universeller Konstruktor, der separate Instructions benötigt, sondern konstruiert konkret sich selbst
- In einem autokatalytischen Set aus 9 Peptiden gibt es keine abtrennbaren „Instructions“, die die eigene Bildung codieren; in diesem Kontext ist die Unterscheidung zwischen Software und Hardware bedeutungslos
Warum molekulare Selbsterneuerung als Phasenübergang auftritt
- Die RAF-Theorie behandelt die Entstehung kollektiv autokatalytischer Sets in ausreichend reichhaltigen chemischen Reaktionsnetzwerken als Phasenübergang erster Ordnung
- Moleküle des Lebens sind kombinatorische Objekte aus Atomen wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel (CHNOPS)
- Ein lineares Polymer der Länge 10 aus den beiden Bausteinen A und B hat 9 mögliche Konstruktionswege, indem eine der 9 benachbarten Bindungen gespalten wird
- Wenn die kombinatorische Komplexität der Moleküle steigt, nimmt im gesamten Reaktionssystem das Verhältnis der Zahl der Reaktionen R zur Zahl der Moleküle M, also R/M, zu
- Ein chemischer Reaktionsgraph lässt sich als bipartiter Graph darstellen, in dem Molekülspezies als Punkte und Reaktionen als Kästen erscheinen
- Pfeile führen von Substraten zu Reaktionskästen und von Reaktionskästen zu Produkten
- Diese Struktur beschreibt das Reaktionsnetzwerk und meint nicht die Richtung thermodynamischer Flüsse, die von der Abweichung vom chemischen Gleichgewicht abhängen
- Wenn bekannt ist, welches Molekül welche Reaktion katalysiert, lässt sich ein gestrichelter Pfeil vom katalytischen Molekül zur entsprechenden Reaktion hinzufügen; dadurch wird die Struktur zu einem bipartiten Hypergraphen
- Wenn die katalytischen Beziehungen unbekannt sind, entwickelt die Theorie sich aus der einfachen Annahme, dass jedes Molekül jede Reaktion mit der Wahrscheinlichkeit Pcat katalysiert
- Wenn Pcat steigt, werden ausreichend viele Reaktionen katalysiert, sodass eine riesige zusammenhängende Komponente entsteht; diese Komponente wird kollektiv autokatalytisch
- Selbst bei festem Pcat steigt R/M, wenn Zahl der Moleküle und atomare Komplexität zunehmen, und ab einer bestimmten Komplexität entsteht ein RAF mit einer Wahrscheinlichkeit nahe 1,0
- Dies wird als Phasenübergang erster Ordnung hin zu molekularer Selbsterneuerung in einem ausreichend reichhaltigen chemischen Nichtgleichgewichts-Reaktionssystem interpretiert
- Das Ergebnis von Erdős und Rényi zu Zufallsgraphen aus dem Jahr 1959 dient als Grundlage für die Intuition des Phasenübergangs
- Wenn bei N Knoten zufällig Linien hinzugefügt werden, erscheint plötzlich eine riesige zusammenhängende Komponente, sobald das Verhältnis der Linienzahl L zur Knotenzahl N, also L/N, 0,5 erreicht
- Der Prozess, durch den in chemischen Reaktions-Hypergraphen kollektiv autokatalytische Sets entstehen, wird als Phasenübergang derselben Art behandelt
Verbindung von TAP und RAF: von der chemischen Evolution des Universums zum Leben
- Die Verbindung der Theory of the Adjacent Possible (TAP) mit der RAF-Theorie bündelt die Zunahme molekularer Vielfalt und die Entstehung von Autokatalyse zu einem einzigen Prozess
- Die TAP-Gleichung behandelt ein diskretes dynamisches System, in dem Moleküle sich miteinander verbinden und neue Moleküle bilden
- Wenn die aktuelle Zahl der Moleküle Mt beträgt, wird aus Mt eine Teilmenge der Größe i ausgewählt und mit Wahrscheinlichkeit alpha^i ein neues Molekül erzeugt, wobei 0 < alpha < 1,0 gilt
- Beginnt man mit einer kleinen Zahl von Startmolekülen, steigt die Zahl der Molekülarten zunächst langsam und explodiert später hyperbolisch, sodass sie in endlicher Zeit gegen unendlich geht
- Der TAP-Prozess modelliert grob die Zunahme chemischer Vielfalt im Universum
- Im frühen Universum gab es Elementarteilchen wie Quarks, Gluonen, Elektronen und Positronen; als das Universum abkühlte, bildeten sich Hadronen sowie Wasserstoff und Beryllium
- Später entstanden in Supernovae die übrigen 98 stabilen Atome
- Von einfachen Molekülen hin zu komplexeren Molekülen nehmen molekulare Vielfalt, atomare Komplexität und potenzielle Reaktionen zu
- Der Murchison-Meteorit, der vor etwa 5 Milliarden Jahren zusammen mit dem Sonnensystem entstand, enthält Hunderttausende Molekülspezies und potenzielle Reaktionen zwischen ihnen
- In der TAP-RAF-Kopplung kann jedes im TAP entstandene Molekül jede Reaktion mit einer festen Wahrscheinlichkeit Pcat katalysieren
- Mit der Zeit steigt die Vielfalt der Entitäten, und der Phasenübergang erster Ordnung kollektiv autokatalytischer Sets tritt mit Wahrscheinlichkeit 1,0 auf
- Wenn die molekulare Vielfalt zunimmt, steigen die Komplexität der Moleküle und die Zahl der Reaktionen, und auch das Verhältnis R/M wächst
- Da dieselbe Molekülmenge M als Kandidat für die Katalyse derselben Reaktionsmenge R dient, tritt zu einem bestimmten Zeitpunkt auch bei gleichverteilter, potenzgesetzlicher oder anderer Zuweisung katalytischer Wahrscheinlichkeiten ein Phasenübergang auf
- Daher wird molekulare Selbsterneuerung in einem sich entwickelnden Universum als erwartbares Ereignis behandelt
- Ein molekulares Reaktionssystem mit Selbsterneuerung erfüllt die Bedingungen für Leben, wenn räumliche Geschlossenheit hinzukommt
- Die räumliche Umschließung kann eine kleine Tasche in einem hydrothermalen Schlot sein oder, bevorzugt, ein Liposom aus Lipiden, die dasselbe System synthetisiert hat
- Die Verbindung von Kantian Whole, katalytischer Geschlossenheit, Constraint Closure und räumlicher Geschlossenheit konstituiert Leben
- Diese Sichtweise interpretiert Bergsons élan vital auf nicht-mystische Weise
Offene Evolution und die Grenzen von Gesetzen
- Die Evolution der Biosphäre nach der Entstehung des Lebens lässt sich im Newtonian Paradigm nur schwer vollständig behandeln
- Die klassische Physik beruht darauf, relevante Variablen, Bewegungsgesetze, Randbedingungen und Anfangsbedingungen festzulegen und durch Integration der Bewegungsgleichungen eine einzelne Trajektorie im Phasenraum zu erhalten
- Auch in der Quantenmechanik erhält man durch Integration der Schrödinger-Gleichung eine Trajektorie der Wahrscheinlichkeitsverteilung, und Messungen werden gewöhnlich als ontologisch zufällige Ereignisse behandelt
- Im gesamten Newtonian Paradigm muss der Phasenraum im Voraus angegeben sein
- Die Kantian Wholes der sich entwickelnden Biosphäre erzeugen fortwährend neue Phasenräume, die sich im Voraus weder ableiten noch bestimmen lassen
- Deshalb lässt sich die Evolution der Biosphäre nicht allein durch Physik erklären; der Begriff der Funktion ist nötig
- Sobald ein Kantian Whole definiert ist, wird die Funktion eines Teils als Teilmenge der kausalen Folgen definiert, die das Ganze erhalten
- Die Funktion des Herzens besteht darin, Blut zu pumpen, nicht darin, Herzgeräusche zu erzeugen oder Wasser im Perikard zu bewegen
- Selektion wirkt nicht auf der Ebene von Teilen, sondern auf der Ebene des Kantian-Whole-Organismus
- Selektion wählt nicht direkt ein Herz aus, das Blut effizienter pumpt
- Vielmehr steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Organismus mit einem solchen Herz mehr Nachkommen hinterlässt; das verbesserte Herz wird indirekt selektiert
- Die Funktion desselben Teils kann sich ändern, wenn eine neue kausale Eigenschaft zur Erhaltung des Ganzen beiträgt
- Dies wird als Darwinian pre-adaptation oder als Exaptation nach Gould und Verba behandelt
- Dazu gehören Fälle wie Schuppen von Dinosauriern zur Thermoregulation, die zu Flugfedern von Vögeln umfunktioniert wurden, ein normales Enzym, das zu einem transparenten Linsenprotein wurde, sowie die Evolution der Schwimmblase aus der Lunge von Lungenfischen
- Aus der Tatsache, dass ein Motorblock als Briefbeschwerer verwendet wird, lässt sich nicht deduzieren, dass er auch zum Knacken von Kokosnüssen dienen kann; dasselbe Objekt könnte auch eine Bananenschale sein
- Funktionale Neuheit entsteht nicht aus deduzierbaren Gesetzen, sondern aus jury-rigging und Exaptation
- Für neue Verwendungsweisen desselben Objekts gibt es keine deduktive Theorie
- Die offene Evolution der Biosphäre ist keine durch Gesetze implizierte Deduktion, sondern eine nicht-deduktive Konstruktion
- Weil sich nicht alle Verwendungsweisen aufzählen lassen, die ein Motorblock oder ein Schraubendreher allein oder zusammen mit anderen Objekten haben kann, lässt sich diese Liste auch mit mengenlehrenbasierter Mathematik nicht im Voraus abschließen
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Danke an Denis und für das Interesse an diesem Paper. Das Feld der Entstehung des Lebens ist alt und großartig, aber stark fragmentiert; die großen Strömungen sind Template-Replikation zuerst und Metabolismus zuerst.
Ich gehöre zu den Leuten, die für die Metabolismus-zuerst-Seite verantwortlich sind: 1971 vertrat ich die Ansicht, dass in einem hinreichend vielfältigen und komplexen System chemischer Reaktionen kollektiv autokatalytische, sich selbst reproduzierende Mengen wie bei einem Phasenübergang erster Ordnung entstehen. Solche Mengen wurden bereits mit DNA, RNA und Peptiden technisch hergestellt, und jüngste Ergebnisse unter Leitung von Joana Xavier zeigen über 6700 Prokaryoten hinweg kollektiv autokatalytische Mengen auf Basis kleiner Moleküle, ganz ohne DNA-/RNA-/Peptidpolymere.
Noch ist nicht klar, ob sich diese Mengen im Reagenzglas tatsächlich reproduzieren; genau dieser Nachweis ist entscheidend. Wenn das stimmt, ist die Template-zuerst-Sicht meines Erachtens nahezu ausgeschlossen. Damit ein Template-System Bestand haben kann, müssten RNA-Enzyme sich so entwickeln, dass sie einen „gekoppelten Metabolismus“ katalysieren, der die Bausteine für ein Template-Replikationssystem herstellt. Es gibt aber keinen Grund, warum dieser gekoppelte Metabolismus ohne RNA-Polymerase nicht selbst kollektiv autokatalytisch sein sollte.
Joanas Menge erzeugt nicht nur Aminosäuren und ATP, sondern auch zentrale Grundlagen eines gekoppelten Energiestoffwechsels. Das Online-Paper halte ich im Wesentlichen für richtig. Lebende Zellen erreichen tatsächlich als kantisches Ganzes katalytischen Abschluss, Constraint-Abschluss und räumlichen Abschluss und konstituieren sich dadurch buchstäblich selbst.
Die Randbedingungsmoleküle der Zelle beschränken die in mehreren Nichtgleichgewichtsprozessen freigesetzte Energie auf wenige Freiheitsgrade, die genau diese Randbedingungen wieder aufbauen. Das ist ein völlig neuer Gedanke, der Mael Montevil und Mateo Missio zu verdanken ist; ich habe ihn 15 Jahre lang übersehen.
TAP-RAF, das den TAP-Prozess mit der Theorie des Phasenübergangs erster Ordnung kollektiver Autokatalyse verbindet, scheint wirklich zu funktionieren. Wenn die Komplexität und Vielfalt eines Systems zunimmt und mit einer Wahrscheinlichkeit nahe 1 ein Phasenübergang erster Ordnung entsteht, dann wird das Auftreten von Leben in einem sich entwickelnden Universum erwartbar.
Es gibt auch zwei große Überraschungen. Wegen des Constraint-Abschlusses unterscheidet sich die Art, wie eine Zelle sich selbst reproduziert, völlig von der Weise, die von Neumanns selbstreproduzierender Automat voraussetzte, und auch die vertraute Trennung von Hardware und Software verschwindet. Das dürfte von tiefgreifender Bedeutung sein, doch was es bedeutet, ist noch sehr unklar.
Außerdem sind Andrea und ich in unserem Paper „A Third Transition in Science?“ J. Roy. Soc. Interface, 14. April 2023, überzeugt gezeigt zu haben, dass keine auf Mengenlehre basierende Mathematik das unaufhörlich kreative Entstehen von Neuem in der sich entwickelnden Biosphäre deduzieren kann. Wenn das stimmt, geht die sich entwickelnde Biosphäre vollständig über das newtonsche Paradigma hinaus, das der gesamten klassischen und Quantenphysik zugrunde liegt.
Die sich entwickelnde Biosphäre ist keine deduzierbare Berechnung, sondern eine nicht deduzierbar fortschreitende Konstruktion. Warum also glauben wir im Anschluss an Turing und KI, dass die Erzeugung der Welt, des Geistes und von allem algorithmisch sei? Das ist sie nicht. Andrea und ich haben „The world is not a theorem“ veröffentlicht, und wenn das stimmt, müssen Physiker und wir alle über die Bedeutung nachdenken.
Ausgehend von Schrödingers „What is Life?“ gibt es für Bücher dieser Art fast schon ein eigenes Genre. Monods „Chance and Necessity“ ist alt, aber hervorragend; auch Nick Lanes Bücher, besonders „The Vital Question“, Nurse’ „What is Life?“ und Zimmers „Life’s Edge“ sind lesenswert.
Details und Schwerpunktsetzungen unterscheiden sich von Autor zu Autor, aber im Großen und Ganzen sind das alles vorparadigmatische, spekulative und viel mit Gesten arbeitende Diskussionen. Besonders gut gefiel mir der Satz aus McFadden und Al-Khalilis „Life on the Edge“: „Biologen können sich nicht einmal auf eine einheitliche Definition des Lebens selbst einigen, aber das hat sie nicht davon abgehalten, Zellen, die Doppelhelix, Photosynthese, Enzyme und zahllose Phänomene des Lebens zu entschlüsseln.“
Als ich anfing, Informationstheorie zu verstehen, war das ziemlich einschneidend.
Ob man all das zu einem einzigen Paradigma synthetisieren kann, weiß ich nicht. Es ist einfach zu viel.
Persönlich würde ich sagen: Es ist das plötzliche Auftreten sehr viel mehr Wege, auf denen das Universum über Entropie zerfallen kann, und „Leben“ ist die Menge der Mechanismen, die die Erzeugung solcher neuen Wege beschleunigen. Auf Grundlage dieser Definition kann man dann zwischen Leben, das DNA nutzt, und Leben, das keine DNA nutzt, unterscheiden.
Nachdem ich die ersten paar Absätze gelesen hatte, dachte ich: „Wer kopiert hier Stuart Kauffman? Der schreibt doch seit 30 Jahren über diese Idee.“ Dann stellte sich heraus, dass der Erstautor Stuart Kauffman war.
Kauffman hat die hier vorgestellten Gedanken über Jahrzehnte hinweg entwickelt, und dieses Paper ist weniger eine „neue Idee“ als vielmehr eine komprimierte Zusammenfassung von 50 Jahren Arbeit. Die Sprache und die Gedanken können undurchsichtig wirken, haben aber tatsächlich oft eine konkrete und spezifische Bedeutung. Am Ende des Textes werden auch Experimente vorgeschlagen, mit denen sich diese Theorie falsifizieren ließe.
Wer wirklich tief einsteigen will, sollte das Buch von 1993 „On The Origins of Order“, ISBN 978-0-19-507951-7, lesen: https://global.oup.com/academic/product/the-origins-of-order-9780195079517
Interessant ist, dass die Komplexität des Lebens scheinbar immer zunimmt. Abgesehen von Aussterbeereignissen scheint komplexes Leben im Lauf der Zeit im Allgemeinen vorteilhafter zu werden, und außer in Fällen, in denen ein ganzes Ökosystem zugrunde geht, sieht man offenbar selten, dass insgesamt Komplexität verloren geht.
Einfache Lebewesen bilden die Grundlage für komplexe Lebewesen, und komplexe Lebewesen haben zwar spezifischere Voraussetzungen, sind aber besser darin, zu erkunden, zu erlangen und sich auszubreiten. So finden sie bewohnbare Nischen, die einfache Organismen allein nicht erreichen würden, und schaffen gewissermaßen auch für einfache Organismen eine Art Nest.
Auch auf der Zeitskala der Technologie haben wir versucht, mit anderer Intelligenz Kontakt aufzunehmen, sobald es möglich wurde, und versucht, sie zu erschaffen, sobald wir glaubten, sie erschaffen zu können. Perkolation (percolation) scheint als definierende Eigenschaft von Leben und Intelligenz ziemlich plausibel.
Mir kommen auch SF-Werke wie Hyperion, Neuromancer und Foundation in den Sinn. In menschlichen Texten über die Zukunft scheint der Endpunkt höherer Intelligenz darin zu liegen, andere Intelligenzen zu suchen oder zu erschaffen und ihnen näherzukommen; danach passieren interessante Dinge.
Im Universum gibt es eine Kraft, die durch Energiedissipation eine Zunahme von Komplexität auswählt. In Nichtgleichgewichtssystemen entsteht ein starker Druck, den Möglichkeitsraum danach abzusuchen, wie Energie effizienter dissipiert werden kann. Ein Bakterium von der Größe eines Sandkorns dissipiert viel mehr Energie als ein Sandkorn; aus dieser Perspektive entsteht also eine starke „Präferenz“ für Bakterien.
Einige Viren könnten sich zum Beispiel aus parasitären Bakterien entwickelt haben, und diese parasitären Bakterien wiederum aus frei lebenden Bakterien. Viele Parasiten sind vereinfacht und haben die Fähigkeit verloren, ohne ihren Wirt zu überleben; Höhlen- und unterirdisch lebende Tiere verlieren häufig Sehsinn und Pigmente. Es gibt auch Fälle, in denen Meeressäuger die Gliedmaßen landlebender Säuger verloren haben oder sessile wirbellose Meerestiere aus frei schwimmenden Vorfahren entstanden sind.
Komplexität hat Kosten, sie entwickelt sich also, wenn sie vorteilhaft ist, und geht schnell verloren, wenn sie keinen Nutzen bringt. Einen nur in eine Richtung zeigenden Pfeil der Komplexität gibt es nicht.
Nach Individuenzahl ist die überwältigende Mehrheit des Lebens auf der Erde heute wie früher einzellige Prokaryoten. Nach Gesamtbiomasse sind Pflanzen größer, aber das liegt daran, dass Pflanzen die Oberfläche wie biologische Solarpanels bedecken.
Bakterien und Archaeen haben sich seit 3,5 bis 4 Milliarden Jahren im Wesentlichen kaum verändert. Wenn nötig, tauschen sie Gene aus; wenn etwas zu kostspielig und unnötig ist, werfen sie es ab. Sie sind dominant und überall.
Sie existierten schon einige Hundert Millionen Jahre nach der Entstehung der Erde, vielleicht sogar früher; wenn die Bedingungen auf dem Planeten wieder feindlicher werden, könnten Eukaryoten langfristig nur ein kurzes Aufflackern und ein Zufallsmoment der Geschichte gewesen sein. Falls es außerhalb der Erde etwas gibt, das wir als Leben erkennen würden, dürfte es wahrscheinlich prokaryotenähnlich aussehen. Vielleicht ist die Galaxie voll davon.
In unserer Kultur gibt es eine starke philosophische und ideologische Voreingenommenheit, die Welt als „Fortschritt“ zu sehen: eine teleologische Sicht, nach der das Universum stufenweise auf eine bestimmte Ordnung zusteuert. Und dieser Fortschritt wird fast immer so definiert, dass er zu uns führt – oder zu einem „Jenseits von uns“ in einer Zukunftsfantasie, die bereits in der Gegenwart angelegt ist. Das wirkt ziemlich vorkopernikanisch.
Aussterbeereignisse sind unvermeidlich, und Umweltstörungen können immer schwieriger werden, bis alles stirbt. Selbst wenn das Milliarden Jahre dauert, dürfte die Tendenz in dieser Zeit eher zu abnehmender Komplexität gehen. Letztlich wirkt es so, als werde eine einzelne Phase übermäßig verallgemeinert.
Wenn man die Einleitung des Papers liest, klingt es wie eine Neufassung von Kauffmans hervorragendem Buch „At Home in the Universe“. Das Buch ist fast 30 Jahre alt; ich müsste lesen, was dieses Paper darüber hinaus beiträgt.
Die Kernaussage des Buches ist, dass die Entstehung von Leben kein seltenes Ereignis ist, sondern nahezu unvermeidlich, wenn in der Umgebung verschiedene Ausgangschemikalien, Energiequellen und Bedingungen wie Wasser oder Durchmischung vorhanden sind.
Wenn die Voraussetzungen stimmen, entstehen vielfältige chemische Kettenreaktionen, bei denen das Produkt einer Reaktion zum Input der nächsten wird; schließlich tauchen Reaktionsketten auf, die Produkte enthalten, welche Teile dieser Kette katalysieren. Solche Reaktionen kann man als primitiven Stoffwechsel betrachten, der bestimmte Chemikalien aus der Umgebung verbraucht und andere, für den Stoffwechsel nützliche Stoffe erzeugt.
Von dort aus braucht es für den Weg zu Protozellen und zum Beginn der Evolution nur noch ein zellartiges Behältnis; etwas, das auf der Wasseroberfläche schwimmt, etwa Schaum am Strand, könnte schon ausreichen. Die frühe „Reproduktion“ dürfte darin bestanden haben, dass physische Erschütterungen wie Wellen Zellen teilten und so neue Zellen erzeugten.
An jedem Ort unterscheiden sich Mikroenvironment und lokale Reaktionsketten; der Beginn der Evolution ist dann ein „was sich am besten vermehrt und überlebt“, bei dem sich Reaktionen stärker ausbreiten, die chemische Quellen besser nutzen und ihre eigene Struktur und ihren Stoffwechsel erhalten. Auch wenn man die konkreten Bedingungen vom Strand auf hydrothermale Tiefseequellen verlegt, bleibt die Argumentation im Großen und Ganzen plausibel.
Ich frage mich, ob KI in der Evolution des Lebens im Universum eine zu erwartende Phasenübergang sein könnte. Ist Leben nur ein Larvenstadium für Intelligenz höherer Ordnung?
Evolution kann dazu tendieren, etwas hervorzubringen, das besser evolviert, also sich schneller anpasst. Dazu gehören auch Dinge wie vielzelliges Leben und sexuelle Fortpflanzung, bei der durch DNA-Mischung Vielfalt entsteht
Eine der evolutionären Nischen, die in komplexen Umgebungen fast zwangsläufig entstehen dürfte, ist Intelligenz. Sie ist ein Generalist, der in verschiedensten Situationen überleben und gedeihen kann, und im kompetitiven Evolutionsspiel wird höhere Intelligenz wahrscheinlich niedrigere Intelligenz schlagen. Am Ende entsteht ein Lebewesen, das intelligent genug ist, eine KI über seinem eigenen Niveau zu erschaffen; das könnte eine weitere Art des Gewinnens sein, die viel schneller evolvieren kann als die Intelligenz, die sie gebootstrapt hat
Interessant ist auch, ob KI oder künstliches Leben überhaupt autonom und unabhängig werden muss. Es könnte auch wie ein Virus bleiben, das zum Überleben einen Wirt braucht. KI der ersten Stufe braucht eindeutig einen Wirt, aber vielleicht muss sie sich nie vollständig unabhängig machen. Wie in Linus Torvalds’ Witz „Echte Männer brauchen keine Backups“: Man vertraut darauf, dass Software, sobald sie veröffentlicht ist, in git-Repositories auf der ganzen Welt repliziert wird. Wenn KI nur allgegenwärtig genug wird, könnte sie auch ohne Backups oder Körper gegen Aussterben robust sein
Buchstäblich nach unserem Bild geschaffen; man könnte vor Stolz weinen
In der Chemie gibt es eine klare Definition, und auch in der Kosmologie gibt es Analogien zu Phasenübergängen, die das frühe Universum bei viel höherer mittlerer Dichte im Vakuumzustand durchlief. All das hat mit qualitativen Änderungen der Eigenschaften von Materie infolge von Temperatur- und Dichteänderungen zu tun
Man kann zugestehen, dass Leben ein qualitativ anderer Zustand von Materie ist, aber es ist nicht annähernd so offensichtlich wie die vertrauten Phasenübergänge. Es gibt auch keine scharfe Grenze dafür, was Leben ist und was nicht. Dieses Paper versucht zwar, eine Definition zu liefern, zeigt damit aber gerade, dass es keinen allgemein akzeptierten Maßstab wie bei der Definition von fest und flüssig gibt
Alles Leben, das wir kennen, besitzt mindestens eine semipermeable Barriere, nimmt Energie in diese hinein und speichert sie, senkt lokal die Entropie innerhalb der Barriere und gibt dafür Wärme oder Nebenprodukte an die Umgebung ab
Natürlich tut nicht nur Leben solche Dinge. Mein Haus passt ebenfalls zu dieser Beschreibung. Die fast einzige Linie, die wir zwischen lebenden Dingen und Werkzeugen ziehen, ist, dass Dinge, die wir für lebendig halten, von anderem Leben geboren wurden und abstammen, während Werkzeuge aus entdeckten oder gefertigten Teilen zusammengesetzt werden
Das ist jedoch ein Unterschied der Herkunft, nicht der Eigenschaften oder Fähigkeiten. Wenn man irgendein Werkzeug, einschließlich elektronischer Rechengeräte, zur Selbstmontage, Selbstheilung und Selbstreplikation befähigt, kann es lebensähnliche Eigenschaften besitzen. Bei Software ist das in gewissem Maß möglich, aber es ist auch nicht klar, wie man eine Einheit von „Software“ als Individuum abgrenzt. Die Grenze zwischen intelligenter und nicht intelligenter Software ist noch unschärfer, und der materielle Zustand, in dem die Berechnung läuft, ändert sich dadurch ebenfalls nicht; ohne den Begriff stark zu überdehnen, ist es daher schwer, das einen Phasenübergang zu nennen
Der Satz „Wir sind wirklich Teil der Natur, nicht Wesen über der Natur“ lässt mich immer Begriffe wie „unnatürlich“, „künstlich“ und „synthetisch“ hinterfragen
Wenn wir Teil der Natur sind und solche Dinge Nebenprodukte von uns sind, sind sie dann nicht ebenfalls natürlich entstanden?
Dieses Eingreifen kann mechanisch sein, wie bei Stonehenge. Es kann biologisch sein, etwa bei der Zucht von Tierrassen, die für Menschen nützlicher sind. Es kann chemisch sein, wie bei der Synthese von Öl aus Plastik. Oder es kann eine komplexe Kombination all dessen sein, wie bei Whisky. Außerdem ist es transitiv: Was ein Artefakt hervorbringt, ist ebenfalls ein Artefakt
Nach dieser Definition ist es überhaupt nicht überraschend, dass Menschen, die natürlich entstandene Wesen sind, Artefakte herstellen können. Theoretisch ließe sich diese Definition auch auf menschenähnliche Akteure wie hypothetische Außerirdische ausweiten; es gab nur bislang keinen praktischen Bedarf dafür
Allerdings halten die Nebenbedeutungen in Ausdrücken wie „künstlicher Süßstoff“ versus „natürliches Pestizid“ einer ernsthaften Prüfung meiner Ansicht nach nicht gut stand
Andererseits gibt es in Sprache und Kultur viele Tabus, und nicht alle davon sind im Hinblick auf gesellschaftliches Wohlergehen oder persönliches Glück schlecht. Kindern gelegentlich etwas vorzulügen ist ein einfaches Beispiel. Ich denke, das, was hinter solchen Tabus versteckt wird, tendiert dazu, als „unnatürlich“ oder häufiger als „übernatürlich“ aufzutauchen
Auch der Aussage, dass die Physik keine Revolution brauche, stimme ich normalerweise nicht zu, aber ich verstehe, dass die Physik erfolgreich genug ist, um tatsächlich funktionierende Maschinen hervorzubringen, und dass wir diese erhalten müssen
Der operative Unterschied liegt darin, wie leicht ein Lebewesen den betreffenden Stoff verdauen kann. Wenn er leicht verdaulich ist, ist er Nahrung; wenn er überhaupt nicht verdaulich ist, ist er schlimmer als künstlich: antilebendig
In letzter Zeit scheint es üblich zu sein, nach mathematischen oder physikalischen Theorien zu suchen, um Leben, Evolution und Bewusstsein zu erklären.
Im E/Acc-Umfeld sieht man den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik als etwas, das „Leben“ als Form der Entropiezunahme antreibt: https://www.quantamagazine.org/a-new-thermodynamics-theory-of-the-origin-of-life-20140122/
In der Constructor Theory ist ein Constructor eine Entität, die eine bestimmte Aufgabe bewirken kann und dabei die Fähigkeit behält, diese Aufgabe erneut zu bewirken; Leben wird als ein solcher Constructor betrachtet.
Die Assembly Theory, Arbeiten von Lee Cronin, definiert jedes Objekt darüber, wie es auf minimalem Weg zusammengesetzt oder zerlegt werden kann: https://iai.tv/articles/a-new-theory-of-matter-may-help-explain-life-lee-cronin-auid-2656
Und dann gibt es noch das, worüber Donald Hoffman in letzter Zeit spricht. Vielleicht geht es dabei weniger um die fundamentale Ebene selbst als darum, dass wir sie nicht erkennen können.
Ich bin derzeit sehr von den Arbeiten von Michael Levin an der Tufts University fasziniert. Er erforscht unter anderem zielgerichtetes Verhalten von Zellen und Zellsystemen. Als Einstieg eignet sich dieses Video gut: https://www.youtube.com/watch?v=p3lsYlod5OU
„Ist die Entstehung des Lebens ein zu erwartender Phasenübergang in einem sich entwickelnden Universum?“ lässt sich leicht beantworten.
Wir wissen nicht, wie Bewusstsein entsteht, und können es weder präzise definieren noch eindeutig feststellen, ob es vorhanden ist. Wir glauben, dass wir Bewusstsein haben, sind uns aber nicht sicher, ob andere Tiere oder Objekte es haben.
Daher kann man nach Ockhams Rasiermesser vorläufig annehmen, dass alle Materie in gewissem Maß bewusst ist; das ist die einfachste Annahme. Die Alternative wäre zu behaupten, Bewusstsein gebe es ausnahmsweise nur in Lebewesen, wofür es keine Belege, aber viele Gegenargumente gibt.
Deshalb ist Leben kein besonderer Zustand von Materie oder Energie, und die Entstehung des Lebens ist kein Phasenübergang, der den physikalischen Gesetzen widerspricht oder eine gesonderte Erklärung erfordert.
Leben ist in dem Sinne besonders, dass es im Vergleich zu Mineralien erstaunlich komplex ist, aber nicht in dem Sinne, dass es anderen Gesetzen folgen würde als Mineralien.
Niemand behauptet, Leben widerspreche den physikalischen Gesetzen. So wie ich den Artikel verstehe, geht es darum, dass Moleküle zusammenstoßen und Bindungen eingehen, dabei irgendwann komplex genug werden, dass zufällig selbsterhaltende und selbstreplizierende Systeme entstehen können, und dass dieser Prozess auf kosmischen Zeitskalen deterministisch genug sein könnte, um überall zu ähnlichen Zeitpunkten abzulaufen.
Viele Wissenschaftler, die das von uns erlebte Bewusstsein als emergente Eigenschaft ansehen, tendieren zum Panpsychismus und betrachten Materie und Bewusstsein als gemeinsame ursprüngliche Elemente, mit denen Realität beginnt. Der Panpsychismus hat jedoch viele Probleme. Zunächst ist er dualistisch und verlangt daher zu Beginn zwei getrennte Arten von Magie. Da die Physik nur Materie behandelt, gilt Panpsychismus eher als interessante Philosophie denn als wissenschaftliche Theorie. Weitere Probleme sind Überreste des alten materialistischen Rahmens: Wie bringt das Proto-Bewusstsein der Materie den Geschmack von Zucker oder Liebe hervor, wo befinden sich diese bewussten Eigenschaften, und wie identifiziert man sie?
Aus Sicht von Ockhams Rasiermesser erscheint der weniger populäre Idealismus knapper: Bewusstsein ist ursprünglich und bootet danach die Materie. Anfangs wirkt das weniger intuitiv, aber wenn man Argumente von Leuten wie Don Hoffman oder Bernardo Kastrup aus wissenschaftlicher und analytisch-philosophischer Perspektive anhört, scheint es tatsächlich der einzige Rahmen zu sein, der Sinn ergibt, und er löst auch mehrere Probleme der Physik und Philosophie. Zum Beispiel: Wenn lokaler Realismus falsch ist, wo ist Materie, wenn sie nicht von Bewusstsein erfahren wird? Oder: Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass wir uns in der einen echten Realität befinden, 1/N beträgt, warum nehmen wir dann an, dass wir dort sind?
Als Bonus lässt sich das auch mit den nondualen Intuitionen von Traditionen wie Buddhismus, Advaita, Daoismus, Sufismus und christlicher Mystik vereinbaren, deren Vertreter überliefert haben, aus einer solchen Einsicht heraus gelebt zu haben. Allerdings erfordert das einen tiefgreifenden konzeptuellen Paradigmenwechsel und ist viel tiefer, als man zunächst denkt. Deshalb würde ich empfehlen, die Texte und Diskussionen der oben genannten Personen zu lesen und anzuhören, statt sofort zu reagieren.
Sammelt man ein wenig Wasserstoff, passiert nicht viel; sammelt man genug, wird daraus ein Stern. Bewusstsein könnte demselben Muster folgen und dennoch mit Ockhams Rasiermesser vereinbar sein.
Eine solche chemische Komplexität impliziert außerdem schwach, dass verfügbare freie Energie vorhanden ist, was ebenfalls eine notwendige Bedingung für Selbstreplikation ist.