Fehlendes Evolutionsgesetz der Natur identifiziert

Astronomie

Von | Mitarbeiter, A&S Communications

Darwin wandte die Evolutionstheorie auf das Leben auf der Erde an, nicht jedoch auf andere äußerst komplexe Systeme wie Planeten, Sterne, Atome und Mineralien. Nun hat eine interdisziplinäre Forschergruppe einen fehlenden Aspekt dieser Theorie identifiziert, der im Wesentlichen auf alles anwendbar ist.

Ihr am 16. Oktober in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichter Artikel „On the Roles of Function and Selection in Evolving Systems“ beschreibt „ein fehlendes Naturgesetz“, das zum ersten Mal eine wichtige Norm innerhalb des Natürlichen anerkennt Funktionsweise der Welt. Das neue Gesetz besagt, dass sich komplexe natürliche Systeme zu Zuständen größerer Strukturierung, Vielfalt und Komplexität entwickeln.

„Dies war eine echte Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Philosophen, um eines der tiefgreifendsten Geheimnisse des Kosmos zu lösen: Warum entwickeln sich komplexe Systeme, einschließlich Leben, im Laufe der Zeit zu größeren funktionalen Informationen?“, sagte Co-Autor Jonathan Lunine, der David C. Duncan-Professor für Physik und Lehrstuhl für Astronomie am College of Arts and Sciences.

Das multidisziplinäre Team bestand aus drei Wissenschaftsphilosophen, zwei Astrobiologen, einem Datenwissenschaftler, einem Mineralogen und einem theoretischen Physiker von der Carnegie Institution for Science, dem California Institute of Technology und der University of Colorado sowie Cornell. Der Carnegie-Wissenschaftler Michael L. Wong ist Erstautor; Als Astrobiologe arbeiten er und Lunine an einer bald erscheinenden zweiten Auflage von Lunines Lehrbuch „Astrobiology: A Multidisciplinary Approach“.

Das neue Werk stellt eine moderne Ergänzung zu „makroskopischen“ Naturgesetzen dar, die alltägliche Phänomene in der Natur beschreiben und erklären. Es postuliert ein „Gesetz der zunehmenden funktionalen Information“, das besagt, dass sich ein System entwickelt, „wenn viele verschiedene Konfigurationen des Systems für eine oder mehrere Funktionen ausgewählt werden“.

Dieses neue Gesetz gilt für Systeme, die aus vielen verschiedenen Komponenten wie Atomen, Molekülen oder Zellen bestehen, die wiederholt angeordnet und neu angeordnet werden können und natürlichen Prozessen unterliegen, die dazu führen, dass unzählige verschiedene Anordnungen entstehen – aber nur in denen Ein kleiner Teil dieser Konfigurationen überlebt in einem Prozess namens „Auswahl nach Funktion“.

Unabhängig davon, ob das System lebt oder nicht, findet Evolution statt, wenn eine neuartige Konfiguration gut funktioniert und sich die Funktion verbessert, sagen die Forscher.

Im Fall der Biologie setzte Darwin Funktion in erster Linie mit Überleben gleich – der Fähigkeit, lange genug zu leben, um fruchtbare Nachkommen zu zeugen. Die neue Studie erweitert diese Perspektive und stellt fest, dass in der Natur mindestens drei Arten von Funktionen vorkommen.

Die grundlegendste Funktion ist Stabilität – stabile Anordnungen von Atomen oder Molekülen werden ausgewählt, um fortzubestehen. Auch dynamische Systeme mit kontinuierlicher Energieversorgung sind für den Fortbestand ausgewählt.

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

Die gleiche Entwicklung findet im Mineralreich statt. Die frühesten Mineralien stellen besonders stabile Anordnungen von Atomen dar. Diese ursprünglichen Mineralien bildeten die Grundlage für die nächsten Generationen von Mineralien, die an der Entstehung des Lebens beteiligt waren. Die Evolution des Lebens und der Mineralien sind eng miteinander verbunden, da das Leben Mineralien für Panzer, Zähne und Knochen verwendet.

Im Fall von Sternen stellt der Artikel fest, dass nur zwei Hauptelemente – Wasserstoff und Helium – kurz nach dem Urknall die ersten Sterne bildeten. Diese frühesten Sterne nutzten Wasserstoff und Helium, um etwa 20 schwerere chemische Elemente herzustellen. Und die nächste Generation von Stars baute auf dieser Vielfalt auf und produzierte fast 100 weitere Elemente.

Die Forschung habe Auswirkungen auf die Suche nach Leben im Kosmos, sagte Lunine, Mitglied des Carl Sagan Institute. „Wenn die zunehmende Funktionalität sich entwickelnder physikalischer und chemischer Systeme durch ein Naturgesetz gesteuert wird, können wir davon ausgehen, dass Leben ein gemeinsames Ergebnis der Planetenentwicklung ist.“

Die Forschung wurde von der John Templeton Foundation finanziert. Lunine wurde als erster McDonald Agape Visiting Scholar am Dominikanischen Studienhaus in Washington, D.C. bei der Vorbereitung des Aufsatzes unterstützt.

David C. Duncan Professor für Physik