Wissenschaftler und Philosophen identifizieren ein fehlendes evolutionäres Naturgesetz

Artikel veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Er beschreibt ein „verlorenes Naturgesetz“ und erkennt zum ersten Mal ein wichtiges Kriterium für die Funktionsweise der natürlichen Welt.

Im Wesentlichen besagt das neue Gesetz, dass sich komplexe natürliche Systeme zu Zuständen mit größerer Struktur, Vielfalt und Komplexität entwickeln. Mit anderen Worten: Evolution beschränkt sich nicht nur auf das Leben auf der Erde, sondern findet auch in anderen sehr komplexen Systemen statt, von Planeten und Sternen bis hin zu Atomen, Mineralien und mehr.

Es wurde von einem neunköpfigen Team geschrieben – Wissenschaftlern der Carnegie Institution for Science, des California Institute of Technology (Caltech) und der Cornell University sowie Philosophen der University of Colorado.

Die „mikroskopischen“ Naturgesetze beschreiben und erklären Phänomene, die täglich in der natürlichen Welt auftreten. Die Naturgesetze von Kraft und Bewegung, Schwerkraft, Elektromagnetismus und Energie wurden beispielsweise vor mehr als 150 Jahren beschrieben.

Die neue Arbeit stellt eine neue Ergänzung vor – ein mikroskopisches Gesetz, das die Evolution als gemeinsames Merkmal komplexer natürlicher Weltsysteme anerkennt, das gekennzeichnet ist durch:

• Es besteht aus vielen verschiedenen Bestandteilen wie Atomen, Molekülen oder Zellen, die immer wieder angeordnet und neu angeordnet werden können
• Sie unterliegen natürlichen Prozessen, die dazu führen, dass sich eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen bilden
• Nur ein kleiner Bruchteil aller dieser Formationen überlebt in einem Prozess namens „Selektion nach Funktion“.

Unabhängig davon, ob ein System lebt oder nicht, findet Evolution statt, wenn eine neue Konfiguration gut funktioniert und ihre Funktion verbessert wird.

Das „Gesetz der zunehmenden funktionalen Information“ der Autoren besagt, dass sich ein System weiterentwickeln wird, „wenn viele verschiedene Konfigurationen des Systems für eine oder mehrere Funktionen ausgewählt werden“.

„Ein wichtiges Element dieses vorgeschlagenen Naturgesetzes ist die Idee der ‚Selektion nach Funktion‘“, sagt der Carnegie-Astrobiologe Dr. Michael L. Wong, Erstautor der Studie.

Im Fall der Biologie setzte Darwin Funktion in erster Linie mit Überleben gleich, also der Fähigkeit, lange genug zu leben, um fruchtbare Nachkommen zu zeugen.

Die neue Studie erweitert diese Perspektive und weist darauf hin, dass es in der Natur mindestens drei Arten von Arbeitsplätzen gibt.

Die Hauptfunktion ist Stabilität, wobei stabile Anordnungen von Atomen oder Molekülen so gewählt werden, dass sie bestehen bleiben. Aus Gründen der Kontinuität wurden auch dynamische Systeme mit kontinuierlicher Stromversorgung ausgewählt.

Die dritte und interessanteste Funktion ist „Neuheit“ – die Tendenz sich entwickelnder Systeme, neue Konfigurationen zu erforschen, die manchmal zu überraschenden neuen Verhaltensweisen oder Eigenschaften führen.

Die Evolutionsgeschichte des Lebens ist reich an neuen Elementen: Die Photosynthese entwickelte sich, als einzelne Zellen lernten, Lichtenergie zu nutzen, mehrzelliges Leben entwickelte sich, als Zellen lernten, zusammenzuarbeiten, und Arten entwickelten sich dank nützlicher neuer Verhaltensweisen wie Schwimmen, Gehen, Fliegen und Denken .

Die gleiche Entwicklung findet im Mineralreich statt. Ältere Mineralien stellen stabile Anordnungen von Atomen dar. Diese primitiven Mineralien bildeten die Grundlage für zukünftige Generationen von Mineralien, die an der Entstehung des Lebens beteiligt waren. Die Entwicklung von Leben und Mineralien ist eng miteinander verbunden, wobei das Leben Mineralien zur Herstellung von Muscheln, Zähnen und Knochen verwendet.

Tatsächlich sind die Mineralien der Erde, die zu Beginn unseres Sonnensystems mit etwa 20 Mineralien begannen, dank komplexerer physikalischer, chemischer und biologischer Prozesse über einen Zeitraum von 4,5 Milliarden Jahren heute auf fast 6.000 bekannt.

Im Fall von Sternen geht die Studie davon aus, dass nur zwei Hauptelemente – Wasserstoff und Helium – kurz nach dem Urknall die ersten Sterne bildeten. Diese ersten Sterne nutzten Wasserstoff und Helium, um etwa 20 schwerere chemische Elemente herzustellen. Die nächste Generation von Sternen hat sich auf diese Vielfalt verlassen, um fast 100 zusätzliche Elemente zu produzieren.

„Charles Darwin hat eloquent erklärt, wie sich Pflanzen und Tiere durch natürliche Selektion entwickeln, mit vielen Variationen und Merkmalen von Individuen und vielen verschiedenen Konfigurationen“, sagt Co-Autor Robert M. Hazen von Carnegie for Science, der die Forschung leitete.

„Wir behaupten, dass die darwinistische Theorie lediglich ein ganz besonderer und sehr wichtiger Fall innerhalb eines viel größeren Naturphänomens ist. Die Idee, dass die Selektion nach Funktion die Evolution antreibt, gilt gleichermaßen für Sterne, Atome, Metalle und viele andere konzeptionell äquivalente Situationen, in denen viele Konfigurationen vorliegen.“ einem selektiven Druck ausgesetzt sind.“

Die Co-Autoren selbst stellen eine einzigartige interdisziplinäre Zusammensetzung dar: drei Wissenschaftsphilosophen, zwei Astrobiologen, ein Datenwissenschaftler, ein Mineraloge und ein theoretischer Physiker.

„In diesem neuen Papier befassen wir uns mit der Evolution im weitesten Sinne – dem Wandel im Laufe der Zeit –, einschließlich der darwinistischen Evolution, die auf Details des ‚Abstiegs mit Modifikation‘ basiert“, sagte Dr. Wong.

„Das Universum erzeugt neue Kombinationen von Atomen, Molekülen, Zellen usw. Diese stabilen Kombinationen, die weiterhin Neues hervorbringen können, werden sich weiterentwickeln. Das macht das Leben zum offensichtlichsten Beispiel für Evolution, aber Evolution ist überall.“

Neben vielen Implikationen präsentiert das Papier Folgendes:

1. Verstehen Sie, wie unterschiedliche Systeme unterschiedlich stark in der Lage sind, sich weiterzuentwickeln. „Potenzielle Komplexität“ oder „zukünftige Komplexität“ wurden als Maß dafür vorgeschlagen, wie komplex ein sich entwickelndes System werden könnte.
2. Einblick, wie die Evolutionsgeschwindigkeit einiger Systeme künstlich beeinflusst werden kann. Die Idee der funktionalen Information legt nahe, dass die Evolutionsrate in einem System auf mindestens drei Arten erhöht werden kann: (1) durch Erhöhung der Anzahl und/oder Diversität interagierender Faktoren, (2) durch Erhöhung der Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen vom System. System; und/oder (3) durch Erhöhung des selektiven Drucks auf das System (z. B. in chemischen Systemen durch häufigere Heiz-/Kühl- oder Benetzungs-/Trocknungszyklen).
3. Ein tieferes Verständnis der generativen Kräfte hinter der Entstehung und Existenz komplexer Phänomene im Universum und der Rolle von Informationen bei deren Beschreibung
4. Das Leben im Kontext anderer komplexer, sich entwickelnder Systeme verstehen. Das Leben teilt einige konzeptionelle Gleichungen mit anderen komplexen entwickelten Systemen, aber die Autoren weisen auf eine zukünftige Forschungsrichtung hin und fragen, ob es etwas Besonderes an der Art und Weise gibt, wie Leben Informationen über Funktionen verarbeitet (siehe auch https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2022.0810).
5. Hilfe bei der Suche nach Leben anderswo: Wenn eine Trennlinie zwischen Leben und Nicht-Leben mit der Berufswahl zusammenhängt, können wir dann „Lebensregeln“ identifizieren, die es uns ermöglichen, diese wichtige Trennlinie in astrobiologischen Untersuchungen zu erkennen? (Siehe auch „Gibt es Leben auf dem Mars? Andere Planeten? Mit Hilfe künstlicher Intelligenz werden wir es vielleicht bald herausfinden“)
6. In einer Zeit, in der die Entwicklung künstlicher Intelligenzsysteme ein wachsendes Problem darstellt, ist das prädiktive Informationsgesetz, das die Entwicklung natürlicher und symbolischer Systeme charakterisiert, besonders willkommen.

Naturgesetze – Bewegung, Schwerkraft, Elektromagnetismus, Thermodynamik – usw. Aufzeichnung des allgemeinen Verhaltens verschiedener makroskopischer natürlicher Systeme über Raum und Zeit hinweg.

Das „Gesetz der zunehmenden funktionalen Information“ ergänzt den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie (Unordnung) eines isolierten Systems mit der Zeit zunimmt (und Wärme immer von heißeren Objekten zu kälteren Objekten fließt).