Leben

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Leben

Erstveröffentlichung am 15. August 2003; inhaltliche Überarbeitung Montag, 7. November 2011

Das Leben wird in grundlegenden biologischen Lehrbüchern häufig anhand einer Liste charakteristischer Eigenschaften definiert, die lebende Systeme von nicht lebenden unterscheiden. Obwohl es einige Überschneidungen gibt, unterscheiden sich diese Listen je nach den Interessen der Autoren häufig. Jeder Definitionsversuch ist untrennbar mit einer Theorie verbunden, aus der er seine Bedeutung ableitet (Benner 2010). Einige Biologen und Philosophen lehnen sogar die ganze Idee ab, dass eine Definition erforderlich ist, da das Leben für sie eine irreduzible Tatsache über die natürliche Welt ist. Andere sehen das Leben einfach als das, was Biologen studieren. Es gab drei philosophische Hauptansätze für das Problem der Definition des Lebens, die bis heute relevant sind: Aristoteles 'Sicht des Lebens als Animation, eine grundlegende, nicht reduzierbare Eigenschaft der Natur; Descartes 'Sicht des Lebens als Mechanismus; und Kant 's Sicht des Lebens als Organisation, zu der wir Darwins Konzept der Variation und Evolution durch natürliche Selektion hinzufügen müssen (Gayon 2010; Morange 2008). Darüber hinaus können wir die Idee hinzufügen, das Leben als eine emergente Eigenschaft bestimmter Arten komplexer Systeme zu definieren (Weber 2010).

Der Schwerpunkt dieses Beitrags liegt in erster Linie auf den Versuchen, das Leben im 20. Jahrhundert mit dem Aufstieg der Biochemie und Molekularbiologie zu definieren. Aber dies war das Jahrhundert, in dem künstliche Intelligenz, künstliches Leben und die Theorie komplexer Systeme aufkamen, und daher umfasst das Anliegen diese Perspektiven. Lebewesen teilen eine Reihe von Eigenschaften und Phänomenen, die in lebloser Materie nicht zusammen gesehen werden, obwohl Beispiele für Materie gefunden werden können, die das eine oder andere davon aufweisen. Lebewesen metabolisieren, wachsen, sterben, reproduzieren, reagieren, bewegen sich, haben komplexe organisierte Funktionsstrukturen, vererbbare Variabilität und Linien, die sich im Laufe der Generationszeit entwickeln können und neue und entstehende Funktionsstrukturen hervorbringen, die eine verbesserte Anpassungsfähigkeit in sich ändernden Umgebungen bieten. Die Reproduktion beinhaltet nicht nur die Replikation der Nukleinsäuren, die die genetische Information tragen, sondern auch den epigenetischen Aufbau des Organismus durch eine Abfolge von Entwicklungsschritten. Eine solche Fortpflanzung durch Entwicklung erfolgt innerhalb eines größeren Lebenszyklus des Organismus, einschließlich seiner Seneszenz und seines Todes. Etwas Lebendiges hat komplexe Strukturen organisiert, die diese Funktionen ausführen sowie innere Zustände und die äußere Umgebung erfassen und darauf reagieren und sich in dieser Umgebung bewegen. Es muss daran erinnert werden, dass evolutionäre Phänomene ein untrennbarer Aspekt lebender Systeme sind; Jeder Versuch, das Leben ohne diese diachrone Perspektive zu definieren, wird erfolglos sein. Es wird unten argumentiert, dass lebende Systeme als offene Systeme definiert werden können, die in stationären Zuständen gehalten werden, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind. Aufgrund von Materie-Energie-Flüssen, in denen informierte (genetisch) autokatalytische Zyklen Energie extrahieren, komplexe interne Strukturen aufbauen und Wachstum ermöglichen, selbst wenn sie in ihrer Umgebung eine größere Entropie erzeugen und über einen Zeitraum von mehreren Generationen hinweg in der Lage sind. der Evolution.

• 1. Vorspiel: Mechanist / Vitalist Debatte
• 2. Die biochemische Lebensauffassung
• 3. Schrödingers Was ist das Leben?
• 4. Schrödingers duales „Vermächtnis“
• 5. Ursprung (Entstehung) des Lebens
• 6. Künstliches Leben
• 7. Schlussfolgerung
• Literaturverzeichnis
• Akademische Werkzeuge
• Andere Internetquellen
• Verwandte Einträge

1. Vorspiel: Mechanist / Vitalist Debatte

Die letzten Worte, die Shelley in seinem unvollendeten Gedicht Der Triumph des Lebens schrieb, waren: „Was ist dann das Leben? Ich weinte." Offensichtlich meinte Shelley dies eher im alltäglichen Sinne als im technischen Gebrauch dessen, was belebt von unbelebt unterscheidet. CUM Smith (1976) versucht in seinem Buch The Problem of Life, Shelleys Frage zu beantworten, indem er sich nicht nur mit dem Problem befasst, wie Materie lebendig, sondern auch bewusst sein kann. Obwohl bewusste lebende Materie ein Problem für demokritische Philosophen war, war es weder für andere Vorsokratiker noch für Aristoteles, für die Lebewesen paradigmatisch waren. "Das Phänomen, das [Aristoteles] im scheinbaren Fluss der Welt am grundlegendsten zu sein schien, war die Einheit und Beständigkeit des individuellen Lebewesens" (Smith 1976, S. 72). In der Tat, Aristoteles 'Die Biologie und die Philosophie, die er daraus entwickelte, waren hoch entwickelt und dauerhaft (Lennox 2001). So gab es für Aristoteles kein Lebensproblem, obwohl es ein Problem für eine atomistische Sicht der Natur gab, die mit biologischen Phänomenen unvereinbar zu sein schien (Rosen 1991). Descartes hat das Problem durch seinen Dualismus von Materie und Geist radikal rekonzeptualisiert; Das Leben war ein Problem, für das eine Erklärung in den mechanistischen Wechselwirkungen der Materie gesucht werden sollte, und es stellte sich die Frage, wie der Geist mit der Materie in Lebewesen zusammenhängt. Als sich die Chemie im 18. und 19. Jahrhundert als Disziplin entwickelte, war es das Ziel der meisten fortgeschrittenen Denker, erklärende Theorien über Lebewesen in Bezug auf chemische Materie und Mechanismen zu entwickeln. Solche Versuche, was als vorzeitige Reduzierung zugegeben werden muss, wurden von Kritikern abgelehnt.darunter einige Vitalisten, deren Positionen ein breites Spektrum von romantischen Antimaterialisten über Chemiker, die eine neue Art von Newtonscher Kraft („Vitalkraft“) in der Natur suchen, bis hin zu Materialisten abdeckten, die die Bedeutung des organisierten Ganzen verstanden hatten (Fruton 1972) 1999).

Die Debatte zwischen den „Mechanisten“und den „Vitalisten“über das Verhältnis von Materie und Leben sowie Materie und Geist breitete sich bis ins 20. Jahrhundert aus, insbesondere in der Zeit, als Biochemiker ihr Fachgebiet als eine von Chemie oder Chemie getrennte Disziplin definierten Physiologie. Vier Bücher, die um 1930 veröffentlicht wurden, zeigen den Geschmack der Debatte (Woodger 1929; Haldane 1929, 1931; Hogben 1930). JS Haldane, ein Physiologe, widersetzte sich der Reduktion biologischer Phänomene auf mechanistische Erklärungen, da er sah, dass die Struktur biologischer Organismen und ihre Wirkung nicht mit denen in physikalischen Systemen übereinstimmen. Die Gesetze der Chemie und Physik waren einfach nicht robust genug, um die Biologie zu erklären. „Es ist das Leben, das wir in Biologie studieren.und keine Phänomene, die durch kausale Vorstellungen von Physik und Chemie dargestellt werden können “Haldane 1931, p. 28). Er lehnt jedoch die Suche nach einer Lebenskraft ab, da dies die Komplexität biologischer Phänomene auf ein einziges Prinzip reduzieren würde. Vielmehr können die Phänomene der Biologie nur in einer ganzheitlichen Perspektive verstanden werden, die der in biologischen Phänomenen beobachteten Komplexität treu bleibt. Lancelot Hogben plädiert in seinem Buch The Nature of Living Matter, das Bertrand Russell gewidmet war, für eine reduktionistische Erkenntnistheorie und Ontologie. Für Hogben wie für Haldane wird das Bewusstsein als integraler Bestandteil des Lebensproblems angesehen. „Eine Untersuchung der Natur des Lebens und der Natur des Bewusstseins setzt die Notwendigkeit voraus, das Problem richtig zu formulieren“(Hogben 1930, pp 31–32). Tatsächlich,„Kein Problem der Philosophie ist grundlegender als die Natur des Lebens“(Hogben 1930, S. 80). Aber für Hogben ist die Natur, ja der Ruhm der Wissenschaft, dass ihre Antworten immer unvollständig sind und sie nicht die Endgültigkeit sucht, die er als Ziel der Philosophie ansah. Er sah keine Notwendigkeit, die reduktionistische Methodik, die die Biochemie entwickelte, aufzugeben, und argumentierte, dass Whiteheads Annahme, dass die Wissenschaft ein Universum offenbaren würde, das mit den ethischen Vorlieben des Menschen vereinbar ist, umgekehrt werden sollte und dass die Philosophie den Erkenntnissen der Wissenschaft entsprechen müsste. Woodger sah die Themen in der mechanistisch-vitalistischen Debatte als komplexer an, als beide Seiten zugegeben hatten. Die Entschließung würde sich aus der Anerkennung der primären Bedeutung der biologischen Organisation und der Ebenen der biologischen Organisation ergeben."Unter einer Zelle verstehe ich daher eine bestimmte Art von biologischer Organisation, keine konkrete Einheit" (Woodger 1929, S. 296, Hervorhebung im Original). Woodger drängte darauf, die Verwendung des Wortes "Leben" im wissenschaftlichen Diskurs aufzugeben, da "lebender Organismus" erklärt werden müsse. Er sah die Frage, wie das Leben entstand, als außerhalb der Wissenschaft.

2. Die biochemische Lebensauffassung

Vielleicht war der Ort, an dem das Problem der Natur des Lebens am dringendsten angesprochen wurde, das Department of Biochemistry an der Universität von Cambridge. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts legte die Abteilung unter der Leitung ihres ersten Sir William Dunn-Professors für Biochemie, Sir Frederick Gowland Hopkins, einen Großteil des konzeptionellen Rahmens, der Methodik und der Ausbildung vieler führender Fachleute fest (Needham & Baldwin 1949; Weatherall und Kamminga 1992; Kamminga & Weatherall 1996; Weatherall & Kamminga 1996; Kamminga 1997; de Chadarevian 2002). Hopkins 'Vision vom aufstrebenden Gebiet der Biochemie war, dass es eine eigenständige Disziplin war (keine Ergänzung zu Medizin oder Landwirtschaft oder angewandter Chemie), die alle biologischen Phänomene auf chemischer Ebene untersuchen musste. Wichtiger,Hopkins war der Ansicht, dass Lebewesen zwar keine physikalischen oder chemischen Gesetze missachteten, sie jedoch auf eine Weise instanziierten, die das Verständnis biologischer Phänomene, Einschränkungen und funktionaler Organisation erforderte. In seiner einflussreichen Ansprache an die British Association for the Advancement of Science im Jahr 1913 lehnte Hopkins sowohl den Reduktionismus organischer Chemiker ab, die in vitro ableiten wollten, was in vivo geschehen musste, als auch den Krypto-Vitalismus vieler Physiologen, die das Protoplasma von lebende Zellen als lebendig und für die chemische Analyse nicht reduzierbar (Hopkins 1913 [1949]). Stattdessen bot Hopkins eine Ansicht der Zelle als chemische Maschine an, die den Gesetzen der Thermodynamik und der physikalischen Chemie im Allgemeinen gehorchte, aber molekulare Strukturen und Funktionen organisierte. Die dem Stoffwechsel zugrunde liegende Chemie wurde durch Enzyme, Proteinkatalysatoren katalysiert und reguliert und war aufgrund der biologischen Notwendigkeit mit geringen Änderungen der Struktur und Energie wohldefinierter chemischer Zwischenprodukte verbunden. Die lebende Zelle ist „keine Materiemasse, die aus einer Ansammlung gleicher Moleküle besteht, sondern ein stark differenziertes System: Die Zelle ist in der modernen Ausdrucksweise der physikalischen Chemie ein System koexistierender Phasen unterschiedlicher Konstitutionen“(Hopkins 1913) [1949] S. 151). Es war genauso wichtig zu verstehen, wie die Organisation erreicht wurde, wie zu wissen, wie die chemischen Reaktionen abliefen. Für Hopkins ist das Leben „eine Eigenschaft der Zelle als Ganzes, weil es von der Organisation der Prozesse abhängt“(Hopkins 1913 [1949], S. 152). Tatsächlich,Hopkins war beeindruckt von der Philosophie von Whitehead mit ihren Teil / Ganz-Beziehungen und der Betonung von Prozessen anstelle von Entitäten (Hopkins 1927 [1949]; Kamminga & Weatherall 1996) und bildete eine explizite Grundlage für das Forschungsprogramm, das er in Cambridge entwickelte und zu einem wurde implizite Annahme in den Forschungsprogrammen, die von vielen der dort ausgebildeten Studenten entwickelt wurden (Prebble & Weber 2003). Als Mitglied der Abteilung engagierte sich Joseph Needham aktiv dafür, Hopkins 'Vision in die breitere intellektuelle Gemeinschaft zu tragen und auf der philosophischen Grundlage der Biochemie zu schreiben (Needham 1925). Er folgte auch Hopkins und behauptete, dass die entscheidende Frage nicht mehr das Verhältnis von lebender und nicht lebender Substanz, sondern auch von Geist und Körper sei, wobei die Biochemie der Philosophie und den damals beginnenden Neurowissenschaften zugestanden habe.die letztere Frage, damit sie sich auf das Lernen über lebende Materie konzentrieren kann. Ein anderes Mitglied der Abteilung für Biochemie, NW Pirie, befasste sich mit der Frage der Definition des Lebens und kam zu dem Schluss, dass es nicht durch eine Liste von Eigenschaften oder sogar Prozessen angemessen definiert werden kann, da das Leben „nicht in Bezug auf eine Variable definiert werden kann“(Pirie 1937, p 21–22). Für Hopkins 'Programm bestand eine Herausforderung darin, herauszufinden, wie ziemlich einfache physikalische und chemische Gesetze die Komplexität lebender Systeme erzeugen können. Für Hopkins 'Programm bestand eine Herausforderung darin, herauszufinden, wie ziemlich einfache physikalische und chemische Gesetze die Komplexität lebender Systeme erzeugen können. Für Hopkins 'Programm bestand eine Herausforderung darin, herauszufinden, wie ziemlich einfache physikalische und chemische Gesetze die Komplexität lebender Systeme erzeugen können.

In den 1930er Jahren traf sich eine informelle Gruppe, bekannt als Biotheoretical Gathering, in Cambridge und umfasste mehrere Mitglieder der Abteilung für Biochemie (Joseph & Dorothy Needham und Conrad Waddington) sowie eine Reihe anderer Cambridge-Wissenschaftler (wie die Kristallographen JD Bernal und Dorothy) Crowford Hodgkins) und Philosophen (JH Woodger und Karl Popper). Diese Gruppe untersuchte bewusst den philosophischen Ansatz von Whitehead mit dem Ziel, eine transdisziplinäre theoretische und philosophische Biologie aufzubauen, die dazu beitrug, die Grundlage für den konzeptuellen Triumph der Molekularbiologie nach dem Zweiten Weltkrieg zu legen (Abir-Am 1987; de Chadarevian 2002). Das Forschungsprogramm von Hopkins war zu dieser Zeit gut etabliert und insbesondere durch die Needhams mit der Arbeit des Biotheoretical Gathering verbunden, das JBS beeinflussteHaldane, der wichtige Beiträge zur Enzymologie und zur Entwicklung der modernen Evolutionssynthese oder des Neo-Darwinismus geleistet hat. Haldane würde zusammen mit Bernal eine wichtige, frühe Rolle dabei spielen, das Anliegen von jenseits der Natur des Lebens zu seinem Ursprung als Gegenstand wissenschaftlicher Studien zu bringen. Haldane vermutete zusammen mit Pirie, dass eine völlig zufriedenstellende Definition des Lebens unmöglich sei, behauptete jedoch, dass die materielle Definition ein vernünftiges Ziel für die Wissenschaft sei. Er sah das Leben als „Muster chemischer Prozesse. Dieses Muster hat besondere Eigenschaften. Es erzeugt ein ähnliches Muster wie eine Flamme, aber es reguliert sich selbst wie eine Flamme nicht. “(Haldane 1947, S. 56). Die Verwendung der Flammenmetapher für die zelluläre Stoffwechselaktivität implizierte einen Nichtgleichgewichtsprozess in einem offenen System, das zur Reproduktion fähig ist, aber durch die Grenze der Metapher auch zur Selbstregulation. Darin spiegelte Haldane die sich wandelnde Sorge wider, herauszufinden, wie Materie und physikalische Gesetze zu biologischen Phänomenen führen könnten.

In der Zeit des Zweiten Weltkriegs war es sinnvoll, sich mit der Frage zu befassen, was Leben ist. in molekularen Begriffen und grundlegenden physikalischen Gesetzen. Es war klar, dass es verschiedene Arten gab, wie sich Materie in lebenden Systemen anders verhielt als nicht lebende Systeme. Wie könnte beispielsweise genetische Information auf molekularer Ebene instanziiert werden, wenn sich Ensembles von Atomen oder Molekülen statistisch verhalten? Oder wie könnten biologische Systeme angesichts des Imperativs des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, dass alle natürlichen Systeme mit zunehmender Entropie vorgehen, ihre innere Ordnung erzeugen und aufrechterhalten?

3. Schrödingers Was ist das Leben?

1943 hielt Erwin Schrödinger am Dublin Institute for Advanced Studies eine Reihe von Vorlesungen, die als What is Life? 1944 (Schrödinger 1944). Dieses kleine Buch hatte einen großen Einfluss auf die Entwicklung der Biologie des 20. Jahrhunderts, insbesondere auf Francis Crick und James Watson und andere Begründer der Molekularbiologie (Judson 1979; Murphy & O'Neill 1995). Schrödinger ging keine neuen Wege, wie Perutz (1987) betont hat, sondern sammelte mehrere Forschungsstränge und stellte seine Fragen auf krasse und provokative Weise. Aufbauend auf der Demonstration von Max Delbrück, dass die Größe des "Ziels" von durch Röntgenstrahlen verursachten Mutationen die Dimensionen eines Moleküls von etwa tausend Atomen hatte,Schrödinger fragte sich, wie es sein könnte, dass die für die Vererbung verantwortlichen Moleküle eine anhaltende Ordnung haben könnten, wenn bekannt war, dass statistische Ensembles von Molekülen schnell ungeordnet wurden (mit erhöhter Entropie, wie durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vorhergesagt). Das Problem der Vererbung wurde dann auf molekularer Ebene neu formuliert, wie Ordnung zu Ordnung führen kann. Das andere Hauptthema, das Schrödinger betraf, war die Thermodynamik von Lebewesen im Allgemeinen, dh wie konnten sie durch ihren Stoffwechsel Ordnung aus Unordnung erzeugen? Durch die Beantwortung dieser beiden spezifischen Fragen aus der Sicht eines Physikers versuchte Schrödinger, die große Frage zu beantworten: Was ist das Leben?was ist Leben?was ist Leben?Das Problem der Vererbung wurde dann auf molekularer Ebene neu formuliert, wie Ordnung zu Ordnung führen kann. Das andere Hauptthema, das Schrödinger betraf, war die Thermodynamik von Lebewesen im Allgemeinen, dh wie konnten sie durch ihren Stoffwechsel Ordnung aus Unordnung erzeugen? Durch die Beantwortung dieser beiden spezifischen Fragen aus der Sicht eines Physikers versuchte Schrödinger, die große Frage zu beantworten: Was ist das Leben?Das Problem der Vererbung wurde dann auf molekularer Ebene neu formuliert, wie Ordnung zu Ordnung führen kann. Das andere Hauptthema, das Schrödinger betraf, war die Thermodynamik von Lebewesen im Allgemeinen, dh wie konnten sie durch ihren Stoffwechsel Ordnung aus Unordnung erzeugen? Durch die Beantwortung dieser beiden spezifischen Fragen aus der Sicht eines Physikers versuchte Schrödinger, die große Frage zu beantworten: Was ist das Leben?

Es war die Antwort auf die erste Frage, die die Aufmerksamkeit der Gründer der neuen Biologie auf sich zog. Schrödinger argumentierte, dass das molekulare Material ein "aperiodischer" Feststoff sein müsse, der in seine Struktur einen "Miniaturcode" eingebettet habe. Das heißt, das Muster der Atome, aus denen das Vererbungsmolekül besteht, hätte keine einfache periodische Wiederholungsreihenfolge derselben Bestandteile oder Untereinheiten, sondern aufgrund des Musters seiner molekularen Untereinheiten eine übergeordnete Ordnung. Es war diese übergeordnete, aber aperiodische Ordnung, die die codierten Informationen der Vererbung enthalten würde. Die Aufklärung der Struktur der DNA und die Explosion unseres Verständnisses der Molekulargenetik haben den anderen, aber für Schrödinger gleichwertigen Arm des Arguments in den Schatten gestellt, nämlich dass der wichtigste Aspekt des Stoffwechsels darin besteht, dass er die Zelle darstellt.s Art und Weise, mit all der Entropie umzugehen, die es nicht anders kann, als beim Aufbau seiner inneren Ordnung zu produzieren, was Schrödinger als "Negentropie" bezeichnete. Er bemerkte, dass sich die Zelle in einem Zustand außerhalb des Gleichgewichts halten muss, da das thermodynamische Gleichgewicht die Definition des Todes ist. Durch die Schaffung einer inneren Ordnung und Organisation innerhalb eines lebenden Systems (Zellen, Organismen oder Ökosysteme) müssen die Stoffwechselaktivitäten eine größere Störung in der Umwelt hervorrufen, so dass das zweite Gesetz nicht verletzt wird. Er verband die beiden Begriffe Ordnung von Ordnung und Ordnung von Unordnung miteinander, indem er behauptete, „die erstaunliche Gabe eines Organismus, einen„ Strom der Ordnung “auf sich selbst zu konzentrieren und so dem Zerfall in ein atomares Chaos zu entkommen -„ Ordnung zu trinken “geeignete Umgebung - scheint mit dem Vorhandensein von "aperiodischen Feststoffen" verbunden zu sein,die Chromosomenmoleküle, die zweifellos den höchsten Grad an geordneter atomarer Assoziation darstellen, den wir kennen - viel höher als der gewöhnliche periodische Kristall - aufgrund der individuellen Rolle, die jedes Atom und jedes Radikal hier spielt “(Schrödinger 1944, 77). Obwohl Schrödinger die Antwort eines Physikers auf Shelleys Frage gab, beschränkte er sich nicht nur auf die Frage, was das Leben vom Nicht-Lebenden unterscheidet und im Epilog über den freien Willen und das Bewusstsein reflektiert. Wie bei so vielen früheren Versuchen, die Natur des Lebens anzusprechen, wurde auch die Frage des Bewusstseins von Schrödinger als mit der des Lebens selbst verbunden angesehen.die zweifellos den höchsten Grad an geordneter atomarer Assoziation darstellen, den wir kennen - viel höher als der gewöhnliche periodische Kristall - aufgrund der individuellen Rolle, die jedes Atom und jedes Radikal hier spielt “(Schrödinger 1944, 77). Obwohl Schrödinger die Antwort eines Physikers auf Shelleys Frage gab, beschränkte er sich nicht nur auf die Frage, was das Leben vom Nicht-Lebenden unterscheidet und im Epilog über den freien Willen und das Bewusstsein reflektiert. Wie bei so vielen früheren Versuchen, die Natur des Lebens anzusprechen, wurde auch die Frage des Bewusstseins von Schrödinger als mit der des Lebens selbst verbunden angesehen.die zweifellos den höchsten Grad an geordneter atomarer Assoziation darstellen, den wir kennen - viel höher als der gewöhnliche periodische Kristall - aufgrund der individuellen Rolle, die jedes Atom und jedes Radikal hier spielt “(Schrödinger 1944, 77). Obwohl Schrödinger die Antwort eines Physikers auf Shelleys Frage gab, beschränkte er sich nicht nur auf die Frage, was das Leben vom Nicht-Lebenden unterscheidet und im Epilog über den freien Willen und das Bewusstsein reflektiert. Wie bei so vielen früheren Versuchen, die Natur des Lebens anzusprechen, wurde auch die Frage des Bewusstseins von Schrödinger als mit der des Lebens selbst verbunden angesehen.er beschränkte sich nicht nur auf die Frage, was die Lebenden von den Nicht-Lebenden unterscheidet, und reflektiert im Nachwort den freien Willen und das Bewusstsein. Wie bei so vielen früheren Versuchen, die Natur des Lebens anzusprechen, wurde auch die Frage des Bewusstseins von Schrödinger als mit der des Lebens selbst verbunden angesehen.er beschränkte sich nicht nur auf die Frage, was die Lebenden von den Nicht-Lebenden unterscheidet, und reflektiert im Nachwort den freien Willen und das Bewusstsein. Wie bei so vielen früheren Versuchen, die Natur des Lebens anzusprechen, wurde auch die Frage des Bewusstseins von Schrödinger als mit der des Lebens selbst verbunden angesehen.

4. Schrödingers duales „Vermächtnis“

Der Einfluss von Schrödingers schmalem Band auf eine Generation von Physikern und Chemikern, die in die Biologie gelockt wurden und die Molekularbiologie gründeten, ist gut dokumentiert (Judson 1979; Kay 2000). Das Wissen über die Protein- und Nukleinsäurebasis lebender Systeme wird weiterhin mit zunehmender Geschwindigkeit gewonnen, wobei die Sequenzierung des menschlichen Genoms ein wichtiger Meilenstein auf diesem Entdeckungsweg ist. Die „sich selbst replizierende“DNA ist zu einer wichtigen Metapher für das Verständnis des gesamten Lebens geworden. Die Welt ist unterteilt in Replikatoren, die als grundlegend angesehen werden und die Entwicklung steuern und die grundlegende Handlungsebene für die natürliche Selektion darstellen, sowie in Interaktoren, die von den Replikatoren codierten Moleküle und Strukturen (Dawkins 1976, 1989). In der Tat verbannt Dawkins Organismen in den Status epiphänomenaler Genvehikel oder Überlebensmaschinen. Eine Reaktion hat zu einer Überbetonung der Nukleinsäurereplikation geführt (siehe zum Beispiel Keller 1995, 2002; Moss 2003). Insbesondere Theoretiker von Entwicklungssystemen haben sich für einen kausalen Pluralismus in der Entwicklungs- und Evolutionsbiologie ausgesprochen (siehe Aufsätze und Referenzen in Oyama, Griffiths & Gray 2001). Der rasche Fortschritt bei der Gensequenzierung liefert jedoch grundlegende Einblicke in die Beziehung zwischen Genen und Morphologie und hat unser Verständnis von Evolutionsphänomenen um wichtige Dimensionen erweitert (siehe zum Beispiel Graur & Li 2000; Carroll, Grenier & Weatehrbee 2001). Insbesondere Theoretiker von Entwicklungssystemen haben sich für einen kausalen Pluralismus in der Entwicklungs- und Evolutionsbiologie ausgesprochen (siehe Aufsätze und Referenzen in Oyama, Griffiths & Gray 2001). Der rasche Fortschritt bei der Gensequenzierung liefert jedoch grundlegende Einblicke in die Beziehung zwischen Genen und Morphologie und hat unser Verständnis von Evolutionsphänomenen um wichtige Dimensionen erweitert (siehe zum Beispiel Graur & Li 2000; Carroll, Grenier & Weatehrbee 2001). Insbesondere Theoretiker von Entwicklungssystemen haben sich für einen kausalen Pluralismus in der Entwicklungs- und Evolutionsbiologie ausgesprochen (siehe Aufsätze und Referenzen in Oyama, Griffiths & Gray 2001). Der rasche Fortschritt bei der Gensequenzierung liefert jedoch grundlegende Einblicke in die Beziehung zwischen Genen und Morphologie und hat unser Verständnis von Evolutionsphänomenen um wichtige Dimensionen erweitert (siehe zum Beispiel Graur & Li 2000; Carroll, Grenier & Weatehrbee 2001).

Weniger bekannt ist die über ein halbes Jahrhundert dauernde Arbeit, die teilweise von der anderen Säule von Schrödingers Argumentation inspiriert ist, nämlich wie Organismen durch Unordnung durch die Thermodynamik offener Systeme, die weit vom Gleichgewicht entfernt sind, Ordnung erlangen (Schneider & Kay 1995). Unter den frühen Studenten einer solchen Nichtgleichgewichtsthermodynamik war Ilya Prigogine (1947) prominent. Prigogine beeinflusste JD Bernal in seinen Vorlesungen über die physischen Grundlagen des Lebens von 1947, um zu verstehen, wie Organismen ihre innere Ordnung erzeugten und ihre Umwelt nicht nur durch ihre Aktivitäten, sondern auch durch die darin verursachte Störung beeinflussten (Bernal 1951). Harold Morowitz ging ausdrücklich auf das Problem des Energieflusses und der Herstellung biologischer Organisationen ein, das anschließend auf verschiedene Weise verallgemeinert wurde (Morowitz 1968; Peacocke 1983; Brooks und Wiley 1986: Wicken 1987; Schneider 1993;Swenson 2000; Morowitz 2002). Interne Ordnung kann durch Gradienten von Energie (Materie / Energie) erzeugt werden, die durch lebende Systeme fließen. Auf diese Weise erzeugte Strukturen tragen nicht nur dazu bei, mehr Energie durch das System zu ziehen, die Verweilzeit im System zu verlängern, sondern auch verschlechterte Energie oder Entropie an die Umwelt abzuleiten, wodurch Schrödingers „Entropie-Schulden“bezahlt werden. Lebende Systeme werden dann als Beispiel für ein allgemeineres Phänomen dissipativer Strukturen angesehen. „Mit Hilfe dieses Energie- und Materieaustauschs mit der Umwelt hält das System sein inneres Ungleichgewicht aufrecht, und das Ungleichgewicht hält wiederum den Austauschprozess aufrecht…. Eine dissipative Struktur erneuert sich kontinuierlich und behält ein bestimmtes dynamisches Regime bei, eine global stabile Raum-Zeit-Struktur “(Jantsch 1980). Jedoch,Die Thermodynamik kann nur mit der Möglichkeit umgehen, dass etwas spontan auftreten kann. Ob selbstorganisierende Phänomene auftreten, hängt von den tatsächlichen spezifischen Bedingungen (Anfang und Grenze) sowie von den Beziehungen zwischen Komponenten ab (Williams & Frausto da Silva 1999).

Die Zelle als thermodynamische "dissipative Struktur" zu betrachten, sollte nicht als Reduktion der Zelle auf die Physik angesehen werden, wie Bernal betonte, sondern als eine reichhaltigere Physik dessen, was Warren Weaver "organisierte Komplexität" nannte (im Gegensatz zu einfacher Ordnung oder "unorganisierter Komplexität")”) Wurde eingesetzt (Weaver 1948). Die Entwicklung dieser „neuen“Physik offener Systeme und der darin entstehenden dissipativen Strukturen war die Erfüllung der von Schrödinger vorausgesehenen Entwicklung (Rosen 2000). Dissipative Strukturen in physikalischen und chemischen Systemen sind Phänomene, die durch die Nichtgleichgewichtsthermodynamik erklärt werden (Prigogine & Stengers 1984). Das Auftauchen,Selbstorganisierende räumlich-zeitliche Muster, die bei der Belousov-Zhabotinski-Reaktion beobachtet wurden, treten auch in biologischen Systemen auf (wie bei der Schleimpilzaggregation oder elektrischen Mustern bei der Herzaktivität) (Tyson 1976; Sole und Goodwin 2000). In der Tat durchdringen verwandte selbstorganisierende Phänomene die Biologie (Camazine et al. 2001). Solche Phänomene treten nicht nur in Zellen und Organismen auf, sondern auch in Ökosystemen, was die Vorstellung verstärkt, dass im Rahmen der neuen Physik eine breitere Systemperspektive erforderlich ist (Ulanowicz 1997). Wichtig für solche Phänomene ist die Dynamik nichtlinearer Wechselwirkungen (bei denen die Reaktionen eines Systems viel größer sein können als der Stimulus) und autokatalytischer Zyklen (Reaktionssequenzen, die für sich geschlossen sind und in denen sich eine größere Menge eines oder mehrerer Ausgangsmaterialien befindet durch die Prozesse gemacht). Angesichts der Tatsache, dass die Katalysatoren in biologischen Systemen in den Genen der DNA kodiert sind, besteht ein Ausgangspunkt für die Definition des Lebens darin, lebende Systeme als informierte, autokatalytische zyklische Einheiten zu betrachten, die sich unter dem doppelten Diktat des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik und der Natur entwickeln und entwickeln Auswahl (Depew & Weber 1995; Weber & Depew 1996). Ein solcher Ansatz verbindet die Phänomene lebender Systeme nichtreduktiv mit den Grundgesetzen der Physik und Chemie (Harold 2001). Andere meinen, dass eine noch reichhaltigere Physik erforderlich ist, um die in der Biologie beobachteten selbstorganisierenden Phänomene angemessen zu erfassen, und spekulieren, dass letztendlich ein „vierter Hauptsatz“der Thermodynamik über solche Phänomene erforderlich sein könnte (Kauffman 1993, 1995, 2000). In jedem Fall,Zunehmend werden die Werkzeuge für die „Wissenschaften der Komplexität“entwickelt und eingesetzt, um bessere Modelle lebender Systeme zu entwickeln (Depew & Weber 1995; Kauffman 2000). Robert Rosen hat uns daran erinnert, dass Komplexität nicht das Leben selbst ist, sondern das, was er als „Lebensraum des Lebens“bezeichnet, und dass wir uns auf das Relationale konzentrieren müssen. "Organisation beinhaltet von Natur aus Funktionen und ihre Wechselbeziehungen" (Rosen 1991, 280). Es bleibt abzuwarten, ob die vorhandenen Komplexitätswissenschaften ausreichen oder ein neuerer konzeptioneller Rahmen erforderlich ist (Harold 2001). Lebewesen weisen eine komplexe, funktionale Organisation und die Fähigkeit auf, sich im Laufe der Generationszeit besser an ihre Umgebung anzupassen. Diese Phänomene stellen die Herausforderung für physikalisch fundierte Erklärungen dar, die auf mechanistischen (reduktionistischen) Annahmen beruhen. Durch die Berufung auf die Dynamik komplexer Systeme besteht die Möglichkeit physikalisch fundierter Theorien, die aufkommende Phänomene robust angehen können, ohne auf die Art von „Vitalismus“zurückgreifen zu müssen, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts von einigen empfohlen wurde.

5. Ursprung (Entstehung) des Lebens

Eines der größten und wichtigsten aufkommenden Phänomene ist das des Ursprungs oder der Entstehung des Lebens. Franklin Harold stuft das Geheimnis des Ursprungs des Lebens als die konsequenteste Wissenschaft der Gegenwart ein (Harold 2001, 235). Michael Ruse behauptet, dass es wichtig ist, den Ursprung des Lebens in den Darwinismus einzubeziehen, da dies eine notwendige Voraussetzung für eine wissenschaftlich und philosophisch angemessene Definition des Lebens ist (Ruse 2008, 101). Robert Rosen argumentierte, dass der Grund, dass die Frage "Was ist das Leben?" Es ist so schwer zu beantworten, dass wir wirklich viel mehr wissen wollen als das, was es ist. Wir wollen wissen, warum es so ist. „Wir fragen physikalisch wirklich, warum ein bestimmtes materielles System ein Organismus ist und nicht etwas anderes.“(Rosen 1991, 15). Um diese Warum-Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, wie das Leben entstanden sein könnte. Obwohl weder die Aufmerksamkeit noch die Höhe der Finanzierung der Molekularbiologie auf sich gezogen wurden, gab es während eines Großteils des 20. Jahrhunderts ein kontinuierliches Forschungsprogramm zum Ursprung des Lebens (historische Zusammenfassungen siehe Fry 2000; Lahav 1999).

In den 1920er Jahren schlugen Alexander Oparin und JBS Haldane unabhängig voneinander die ersten modernen Hypothesen vor, wie das Leben auf der Erde entstanden sein könnte (Oparin 1929; Haldane 1929/1967). Die Hauptannahmen waren, dass die geophysikalischen Bedingungen auf der primitiven Erde sich stark von der heutigen unterschieden. Vor allem hätte es keinen molekularen Sauerstoff in der Atmosphäre gegeben (Sauerstoff, der sehr viel später mit dem Auftreten von photosynthetischen Organismen entsteht, die Lichtenergie zur Spaltung verwenden Wasser) und dass in dieser chemisch reduzierenden Atmosphäre eine zunehmend komplexe „Suppe“oder organische Moleküle entstehen würden, aus denen die Vorläufer lebender Systeme entstehen könnten (für eine aktuelle Diskussion über die frühe Atmosphäre siehe Miyakawa et al. 2002). Tatsächlich kann diese Art von Ansatz als Metabolismus-First-View bezeichnet werden.

Nach dem Nachweis, dass einige Aminosäuren durch die Einwirkung einer elektrischen Entladung durch ein Gemisch von Gasen erzeugt werden könnten, von denen angenommen wird, dass sie in der primitiven Atmosphäre vorhanden sind (Miller 1953), wurde ein weiterer möglicher Ausgangspunkt für die Sequenz zu Lebewesen in Betracht gezogen, nämlich Proteine die unter hohen Temperaturbedingungen gebildeten Polymere von Aminosäuren (Fox & Harada 1958). Diese Protein-First-Ansicht deutete darauf hin, dass die Chemie, die zum Leben führte, in einer sequestrierten Umgebung (Proteinkugeln) aufgetreten sein könnte, die möglicherweise auch eine schwache katalytische Aktivität aufweist, die die Produktion der anderen benötigten molekularen Komponenten erleichtert hätte (Fox 1988).

Mit dem Verständnis der Struktur der DNA verlagerte sich der Fokus auf die abiotischen Wege zu Nukleinsäuren, die dann als Matrizen für ihre eigene Replikation dienen könnten. Obwohl Dawkins davon ausging, dass eine zufällig gebildete Nukleinsäure der Beginn des Lebens sein würde, da sie sich selbst replizieren würde (Dawkins 1976), beinhalten viele Ansätze, um an Nukleinsäuren zu gelangen, eine Rolle für Mineralien, um Gerüste zu bilden, die als Art von dienen Ordnungsschablonen und sogar als Katalysatoren für die Nukleinsäurebildung (Cairns-Smith 1982; siehe Zusammenfassung in Lahav 1999). Die Entdeckung, dass RNA zu einer gewissen katalytischen Aktivität fähig ist, hat dazu geführt, dass nicht nur zuerst eine Nukleinsäure, sondern allgemeiner eine "RNA-Welt" postuliert wurde (Gilbert 1986). Varianten dieses Ansatzes stellen die vorherrschende Denkweise über die frühen Phasen der Entstehung des Lebens dar (Maynard Smith und Szathmary 1995). Angesichts der Tatsache, dass eine Art von Metabolismus erforderlich wäre, um die RNA-Replikation aufrechtzuerhalten, mischen eine Reihe von Ansätzen die Replikation zuerst mit dem Metabolismus zuerst (Dyson 1982, 1999; de Duve 1995; Eigen 1992).

Eine alternative Sichtweise, die für einen thermodynamischen und systemischen Ansatz zur Entstehung von Leben kongenial ist, geht einen Schritt weiter und betont die Notwendigkeit des Vorhandenseins der Hauptfaktoren, die Zellen von Nichtzellen unterscheiden: Metabolismus über autokatalytische Zyklen katalytischer Polymere, Replikation und eine physikalische Umschließung innerhalb einer chemischen Barriere, wie sie von der Zellmembran bereitgestellt wird. Dies könnte als Proto-Cell-First-Ansatz bezeichnet werden (Morowitz 1992; Weber 1998; Williams & Frausto da Silva 2002, 2003). Chemische Zwänge und die selbstorganisierenden Tendenzen komplexer chemischer Systeme in einer solchen Sichtweise wären entscheidend für die Bestimmung der Eigenschaften der ersten Lebewesen gewesen. (Kauffman 1993, 1995, 2000; Williams & Frausto da Silva 1999, 2002, 2003; Weber 2007, 2009). Mit der Entstehung der ersten Wesenheiten, die als Leben bezeichnet werden könnten, würde die biologische Selektion oder natürliche Selektion entstehen, bei der die Kontingenz eine viel größere Rolle spielt.

Darwin hat die Frage nach dem Ursprung des Lebens bekanntermaßen von Fragen der Abstammung mit Modifikation durch natürliche Auslese eingeklammert. In der Tat können darwinistische Evolutionstheorien lebende Systeme als gegeben betrachten und dann untersuchen, wie Neuheiten durch eine Kombination von Zufall und Notwendigkeit entstehen. Ein Verständnis darüber, wie das Leben entstanden sein könnte, würde jedoch eine Brücke zwischen unserer Sicht auf die Eigenschaften lebender Systeme und den evolutionären Phänomenen schlagen, die sie aufweisen. Ein solches Verständnis ist letztendlich erforderlich, um lebende Systeme in der Materie und den Naturgesetzen zu verankern (Harold 2001, 235). Dies bleibt eine Herausforderung, der sich die Wissenschaft stellen muss, um Shelleys Frage vollständiger beantworten zu können.

6. Künstliches Leben

Fortschritte in der Computertechnologie in den letzten Jahren haben es ermöglicht, das Leben sozusagen „in silico“zu erforschen. Während Computersimulationen von vielen theoretischen Biologen verwendet werden, versuchen diejenigen, die sich mit "künstlichem Leben" oder "A-Leben" befassen, mehr als nur bekannte lebende Systeme zu modellieren. Ihr Ziel ist es, das auf der Erde bekannte Leben in einen größeren konzeptuellen Kontext möglicher Lebensformen zu stellen (Langton 1989, 1995). Die Arbeit in A-Life verlagert unseren Fokus eher auf die Prozesse in Lebewesen als auf die materiellen Bestandteile ihrer Strukturen an sich (Emmeche 1994). In gewisser Weise ist dies eine Wiederbelebung des Prozessdenkens der Cambridge-Biochemiker der 1930er Jahre, beinhaltet jedoch eine Abstraktionsebene über die materiellen Strukturen, die diese Prozesse instanziieren, die sie nicht geteilt hätten. Jedoch,Solche Studien betonen eher die organisatorische Beziehung zwischen Komponenten als die Komponenten selbst, ein wichtiger Schwerpunkt im aufkommenden Zeitalter der „Proteomik“, in dem in der Ära nach dem menschlichen Genom die komplexen funktionellen Wechselwirkungen der großen Anzahl zellulärer Proteine untersucht werden (Kumar & Snyder 2002).

A-Life-Studien können uns helfen, unsere Vorstellungen darüber zu schärfen, was das Leben vom Nichtleben unterscheidet, und zu unserer Definition des Lebens beitragen. Solche Arbeiten können dazu beitragen, den Grad der Wichtigkeit der typischen Liste von Attributen lebender Wesen wie Reproduktion, Stoffwechsel, funktionelle Organisation, Wachstum, Reaktion auf die Umwelt, Bewegung sowie kurz- und langfristige Anpassungen zu bestimmen. A-Life-Arbeiten können auch die Erforschung der Merkmale des Lebens ermöglichen, die auf die Einschränkungen zurückzuführen sind, auf bestimmte Weise und unter Berücksichtigung physikalischer und chemischer Gesetze zusammengeführt zu werden, sowie die Erforschung einer Vielzahl von Faktoren, die Evolutionsszenarien beeinflussen könnten (Etxeberria 2002).. Zum Beispiel könnten die relativen potenziellen Rollen von Selektion und Selbstorganisation bei der Entstehung neuer Merkmale in der Evolutionszeit durch A-Life-Forschung bewertet werden. Es ist noch zu früh, um zu wissen, wie wichtig der Beitrag des A-Life-Programms sein wird, aber es wird wahrscheinlich im Diskurs über den Ursprung und die Natur des Lebens an Bedeutung gewinnen.

7. Schlussfolgerung

Unser besseres Verständnis der physikalisch-chemischen Grundlagen lebender Systeme hat im letzten Jahrhundert enorm zugenommen, und es ist möglich, das Leben in diesen Begriffen plausibel zu definieren. „Lebende Organismen sind autopoetische Systeme: selbstkonstruierende, sich selbst erhaltende, energietransduzierende autokatalytische Einheiten“, in denen Informationen, die zum Aufbau der nächsten Generation von Organismen benötigt werden, in Nukleinsäuren stabilisiert werden, die sich im Kontext ganzer Zellen replizieren und mit anderen Entwicklungszellen zusammenarbeiten Ressourcen während des Lebenszyklus von Organismen, aber sie sind auch „Systeme, die sich durch Variation und natürliche Selektion entwickeln können: sich selbst reproduzierende Einheiten, deren Formen und Funktionen an ihre Umgebung angepasst sind und die Zusammensetzung und Geschichte eines Ökosystems widerspiegeln“(Harold) 2001, 232). Eine solche Perspektive stellt eine Erfüllung der grundlegenden doppelten Einsichten von Schrödinger gegen Mitte des Jahrhunderts dar. Es bleibt noch viel zu klären über die Beziehungen zwischen den komplexen molekularen Systemen lebender Wesen, wie sie durch das Gesamtsystem sowie durch physikalische Gesetze eingeschränkt werden. In der Tat ist es für einige immer noch eine offene Frage, ob wir die Naturgesetze noch ausreichend verstehen oder ob wir nach tiefen Gesetzen suchen müssen, die zu Ordnung und Organisation führen (Kauffman 2000). Zu Beginn des neuen Jahrhunderts besteht ein Gefühl dafür, wie wichtig es ist, Schrödingers Programm in einen Systemkontext zu stellen (siehe zum Beispiel Rosen 1991, 2000; Kauffman 1993, 1995, 2000; Depew und Weber 1995; Weber & Depew 1996; 2001; Ulanowicz 1997, 2001; Williams und Frausto da Silva 1999; 2002, 2003; Harold 2001; Morowitz 2002;Bunge 2003; Macdonald und Macdonald 2010). Es bleiben bedeutende Herausforderungen, wie die vollständige Integration unserer neuen Sicht auf Organismen und ihre Wirkung in die Evolutionstheorie und das Verständnis plausibler Wege für die Entstehung des Lebens. Die Erfüllung eines solchen Programms gibt uns einen guten Eindruck davon, was das Leben auf der Erde ist. Die Arbeit in A-Life und empirische Arbeiten, die nach Beweisen für ein außerirdisches Leben suchen, können zur Formulierung eines universelleren Lebenskonzepts beitragen. Die Arbeit in A-Life und empirische Arbeiten, die nach Beweisen für ein außerirdisches Leben suchen, können zur Formulierung eines universelleren Lebenskonzepts beitragen. Die Arbeit in A-Life und empirische Arbeiten, die nach Beweisen für ein außerirdisches Leben suchen, können zur Formulierung eines universelleren Lebensbegriffs beitragen.

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Akademische Werkzeuge

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Andere Internetquellen

• Für komplexe Systeme siehe

  • Über komplexe Systeme (vom New England Complex Systems Institute, einer unabhängigen Bildungs- und Forschungseinrichtung, die sich der Weiterentwicklung des Studiums komplexer Systeme widmet.
  • Das Santa Fe Institut
  • Semiosis Evolution Energy (finanziert vom kanadischen Forschungsrat für Sozial- und Geisteswissenschaften)
• Informationen zur Entstehung finden Sie unter Exploring Emergence (von Mitchel Resnick und Brian Silverman, MIT Media Laboratory).
• Ressourcen zur Evolution finden Sie unter Dialog über Wissenschaft, Ethik und Religion: Evolution (gepflegt von der American Association for the Advancement of Science)
• Erwin Schrödinger finden Sie unter Was ist Leben (whatislife.com, ein Bildungsdienst zur Förderung der wissenschaftlichen Kompetenz und Kommunikation zwischen Wissenschaft und Öffentlichkeit).