Kan fysikk forklare biologi?
Shutterstock / milliarder bilder
Følgende er et utdrag fra vårt Lost in Space-Time-nyhetsbrev. Hver måned overlater vi tastaturet til en fysiker eller to for å fortelle deg om fascinerende ideer fra deres hjørne av universet. Du kan registrere deg for Lost in Space-Time her.
Ved tidenes morgen eksploderte universet til eksistens med big bang, og startet en kjede av hendelser som førte til at subatomære partikler klumpet seg sammen til atomer, molekyler og til slutt planetene, stjernene og galaksene vi ser i dag. Denne hendelseskjeden førte også til oss, selv om vi ofte ser på livet og dannelsen av universet som atskilt, eller “ikke-overlappende magisteria” for å låne biologen Stephen Jay Goulds setning.
For kosmologer ser komplekse systemer som livet ut til å ha liten betydning for problemene de prøver å løse, for eksempel de som er knyttet til big bang eller standardmodellen for partikkelfysikk. Tilsvarende, for biologer, er livet plassert i en biosfære som er frikoblet fra hendelsene i det grandiose universet. Men stemmer det?
Bemerkelsesverdige forskere, inkludert John von Neumann, Erwin Schrödinger, Claude Shannon og Roger Penrose, har underholdt ideen om at det kan være innsikt å samle fra å se på livet og universet i tandem.
Fysiker Erwin Schrödingers synspunkter var spesielt interessante, ettersom hans dristige spekulasjoner og spådommer innen biologi har vært enormt innflytelsesrike. I 1943 holdt han en serie forelesninger ved Trinity College Dublin som til slutt skulle bli utgitt i en liten, men mektig bok kalt Hva er livet? I den spekulerte han i hvordan fysikk kunne slå seg sammen med biologi og kjemi for å forklare hvordan liv oppstår fra livløs materie.
Schrödinger mente at de samme fysikklovene som beskriver en stjerne må forklare de intrikate metabolismens prosesser i en levende celle. Han visste at fysikken i hans tid var utilstrekkelig til å forklare noen av de geniale eksperimentelle funnene som allerede var gjort om levende celler, men han pløyde på uansett og forsøkte å bruke fysikken han kunne for å forklare biologi.
Han sa at kvantemekanikk må spille en nøkkelrolle i livet, siden det er nødvendig for å gjøre atomer stabile og gjøre dem i stand til å binde seg i molekylene som finnes i materien, både levende og ikke. For ikke-levende stoffer, som i metall, lar kvantemekanikken molekyler organisere seg på interessante måter, for eksempel periodiske krystaller – gitter av molekyler med høy symmetri. Men han mente at periodisitet var for enkel for livet; i stedet spekulerte han i at levende materie er styrt av aperiodiske krystaller. Han foreslo at denne typen ikke-repeterende molekylstruktur skulle inneholde et “kodeskript” som ville gi opphav til “hele mønsteret for individets fremtidige utvikling og dets funksjon i den modne tilstanden”. Med andre ord, han snublet over en tidlig beskrivelse av DNA.
En outsiders tilnærming
Før Schrödingers tid hadde biologer fått ideen om genet, men det var bare en udefinert arveenhet. I dag virker ideen om at gener styres av en kode som programmerer strukturene og mekanismene til cellene og bestemmer skjebnen til levende organismer så kjent at det føles som sunn fornuft. Likevel, nøyaktig hvordan dette oppnås på et molekylært nivå er fortsatt ertet av biologer.
Det som er spesielt bemerkelsesverdig er at Schrödinger brukte resonnement som stammer fra kvantemekanikk for å formulere sin hypotese. Han var en outsider til biologi, og dette fikk ham naturlig nok til å komme med en annen tilnærming.
Fysikk og biologi har gått mye videre siden Schrödingers tid. Hva om vi skulle følge den samme prosessen og spørre hva som er livet i dag?
Gjennom årene har vi, forfatterne av dette nyhetsbrevet, utviklet et mønster. Vi møtes, noen ganger over en drink, for å utveksle ideer og dele våre siste funderinger innen kosmologi eller molekylærbiologi. Vi har ofte vært oppe til sent mens vi har lyttet til favorittjazz- eller flamencomusikerne våre. Til dels er samtalene våre en øvelse i bevisst å generere et outsiderperspektiv, slik Schrödinger gjorde, forhåpentligvis til fordel for hverandres forskning. Men det er også bare mye moro.
Spesielt siden 2014 har vi utviklet en felles intuisjon om at det er en skjult gjensidig avhengighet mellom levende systemer og kosmologi, som demonstrert i noen av våre publikasjoner. For å forstå dette må vi snakke om entropi, et mål på uorden, og hvordan det flyter i universet, både på biologisk og kosmologisk skala.
I det tidlige universet, før det fantes stjerner og planeter, var rommet stort sett fylt med like mye stråling og materie. Ettersom denne blandingen varmet og beveget seg mer, ble den mindre ordnet og entropien økte. Men etter hvert som universet utvidet seg, distribuerte det stråling og materie på en homogen, ordnet måte, og senket universets entropi.
Etter hvert som universet utvidet seg og avkjølte seg ytterligere, dannet det seg komplekse strukturer som stjerner, galakser og liv. Termodynamikkens andre lov sier at entropien alltid øker, men disse strukturene hadde mer orden (og derfor mindre entropi) enn resten av kosmos. Universet kan komme unna med dette fordi områdene med lavere entropi er konsentrert innenfor kosmiske strukturer, mens entropien i universet som helhet fortsatt øker.
Vi tror dette entropi-senkende nettverket av strukturer er hovedvalutaen for biosfæren og livet på planetene. Som termodynamikkens far, Ludwig Boltzmann, sa: «Den generelle kampen for levende veseners eksistens er derfor ikke en kamp for råvarer … heller ikke for energi som finnes i overflod i noen kropp i form av varme, men en kamp for entropi , som blir tilgjengelig gjennom overgangen av energi fra den varme solen til den kalde jorden.»
Nye fenomener
Ettersom universet avviker fra homogenitet, ved å så og danne lavere entropistrukturer, fortsetter entropien andre steder i universet å vokse. Og entropi har også en tendens til å vokse innenfor disse strukturene. Dette gjør entropi, eller dets fravær, til en nøkkelspiller for å opprettholde kosmiske strukturer, som stjerner og liv; derfor er et tidlig livløst univers med lav entropi nødvendig for liv her på jorden. Solen vår utstråler for eksempel energi som absorberes av elektroner i planter på jorden og brukes i funksjonene de trenger for å leve. Planter frigjør denne energien i form av varme, og gir tilbake til universet mer entropi enn det som ble tatt inn.
Dessverre er det vanskelig å forklare med vår nåværende forståelse av fysikk hvorfor entropien var så lav i det tidlige universet. Faktisk er dette problemet med den lave entropien vi krever av big bang et av hovedproblemene med denne teorien.
Den biologiske siden av historien stammer fra Salvadors forskning på de genetiske og økologiske driverne som fører til at populasjoner av ufarlige bakterier utvikler seg og dukker opp som patogener. Avgjørende for historien er at det ikke bare er et spørsmål om den genetiske koden til bakteriene. Et av Salvadors mantraer er at livet er et adaptivt fenomen som reagerer på konstante og uventede endringer i press fra omgivelsene.
Dette gjør en organisme til et fremvoksende fenomen, der den endelige formen på den ikke er inneholdt i de enkelte delene som utgjør den, men kan påvirkes av en rekke større systemer som den tilhører. Levende ting omfatter et nettverk av interaksjoner mediert gjennom miljøet. Et levende system er i stand til å regulere milliarder av celler for å opprettholde sin generelle funksjon. Utover det tilhører samlinger av organismer et nettverk kalt et økosystem, som også opprettholder en dynamisk likevekt.
Dette strekker seg helt til nettverk i livets største skalaer. Ideen om at jorden er et selvregulerende økosystem ble oppdaget av James Lovelock og Lynn Margulis på 1970-tallet, og den ble kjent som Gaia-hypotesen. Takeaway for oss er at strømmen av negativ entropi eksisterer ikke bare for individuelle levende ting, men for hele jorden.
Solen sender gratis energi til jorden, og gjennom en kjede av komplekse interaksjoner blir energien distribuert gjennom et nettverk av interaksjoner til levende ting, som hver stoler på den for å opprettholde sin kompleksitet i møte med økende uorden. For å kontekstualisere livets rolle innenfor rammen av termodynamikk, definerer vi disse ordensgenererende strukturene (som en celle) som Units Of Negentropy, eller UONs. Men det er ikke noe slikt som en gratis lunsj. Når UON frigjør denne energien tilbake til miljøet, gjør de det stort sett i en form som har høyere entropi enn det som ble mottatt.
Denne uhyggelige parallellen mellom levende systemer, UON og universets utvikling kan virke som en tilfeldighet, men vi velger å ikke tenke på det på denne måten. I stedet foreslår vi at det er et sentralt organiserende prinsipp for utviklingen av kosmos og eksistensen av liv. Salvador valgte å kalle dette det entroposentriske prinsippet, et blunk til det antropiske prinsippet, som i sin sterke form sier at universet er finjustert for livet. Dette oppstår fordi naturlovene ser ut til å være akkurat passe for livet. For eksempel, hvis styrken til kjernekraften som binder hjertene til atomer var forskjellig med noen få prosent, ville ikke stjerner være i stand til å produsere karbon, og det ville ikke være noe karbonbasert liv.
Finjusteringsproblemet er kanskje ikke så alvorlig som det ser ut til. I forskning Stephon utført med kolleger, viste han at universet kan være egnet for liv selv når vi lar naturens konstanter som tyngdekraft og elektromagnetisme variere, så lenge de varierer samtidig. Kanskje trenger vi ikke det antropiske prinsippet likevel. Det entroposentriske prinsippet er derimot vanskeligere å rokke ved. Hvis universet ikke var i stand til å tilby veier som gjorde det mulig for det å skape områder med lavere entropi, ville livet slik vi kjenner det ikke eksistere. Dette lar oss spørre: lever vi i en kosmisk biosfære eller er universet en kosmisk celle?
Stephon Alexander er en teoretisk fysiker ved Brown University i Rhode Island som bruker tiden sin på å tenke på kosmologi, strengteori og jazz, og lurer på om universet er en selvlærende AI. Han er forfatter av boken Frykt for et svart univers. Salvador Almagro-Moreno er molekylærbiolog ved University of Central Florida som undersøker nye egenskaper i komplekse biologiske systemer, fra proteinutvikling til pandemisk dynamikk.
Mer om disse emnene: