W ciągu zaledwie 300 lat od wynalezienia współczesnej fizyki zdobyliśmy głębsze zrozumienie tego, jak nasz wszechświat działa zarówno w małej, jak i dużej skali. Jednak fizyka jest wciąż bardzo młoda i jeśli chodzi o wykorzystanie jej do wyjaśnienia życia, fizycy mają trudności.

Nawet dzisiaj nie potrafimy tak naprawdę wyjaśnić, jaka jest różnica między żywą bryłą materii a martwą. Ale moi koledzy i ja tworzymy nową fizykę życia, która może wkrótce dostarczyć odpowiedzi.

Ponad 150 lat temu Darwin przejmująco zwrócił uwagę na dychotomię między tym, co rozumiemy w fizyce, a tym, co obserwujemy w życiu — zauważając na końcu O powstawaniu gatunków „… podczas gdy ta planeta krąży zgodnie z ustalonym prawem grawitacji, z tak prostego początku powstawały i rozwijają się nieskończone formy, najpiękniejsze i najwspanialsze”.

Znaczenie czasu

Isaac Newton opisał wszechświat, w którym prawa nigdy się nie zmieniają, a czas jest niezmiennym i absolutnym tłem, na którym wszystko się porusza. Darwin jednak obserwował wszechświat, w którym generowane są nieskończone formy, z których każda zmienia cechy tego, co było wcześniej, co sugeruje, że czas nie tylko powinien mieć kierunek, ale że w pewnym sensie zawija się z powrotem. Nowe formy ewolucyjne mogą powstać tylko poprzez selekcję w przeszłości.

Przypuszczalnie te dwie dziedziny nauki opisują ten sam wszechświat, ale jak można ujednolicić dwa tak diametralnie przeciwne poglądy? Kluczem do zrozumienia, dlaczego życia nie da się wyjaśnić we współczesnej fizyce, może być ponowne rozważenie naszych koncepcji czasu jako kluczowej różnicy między wszechświatem opisanym przez Newtona a wszechświatem Darwina. W rzeczywistości czas był wielokrotnie odkrywany na nowo w historii fizyki.

Chociaż czas Newtona był ustalony i absolutny, czas Einsteina stał się wymiarem — podobnie jak przestrzeń. I tak jak wszystkie punkty w przestrzeni istnieją jednocześnie, tak samo istnieją wszystkie punkty w czasie. Ta filozofia czasu jest czasami określana jako „wszechświat blokowy”, w którym przeszłość, teraźniejszość i przyszłość są równie realne i istnieją w statycznej strukturze – bez specjalnego „teraz”. W mechanice kwantowej upływ czasu wynika z tego, jak stany kwantowe zmieniają się z jednego na drugi.

Wynalazek termodynamiki dał czasowi swoją strzałę, wyjaśniając, dlaczego porusza się on do przodu, a nie do tyłu. To dlatego, że istnieją wyraźne przykłady systemów w naszym wszechświecie, takich jak działający silnik, które są nieodwracalne – działają tylko w jednym kierunku. Każda nowa dziedzina fizyki fundamentalnej, czy to opisująca przestrzeń i czas (Newton/Einstein), materię i światło (mechanika kwantowa), czy też ciepło i pracę (termodynamika), wprowadzała nowe pojęcie czasu.

Ale co z ewolucją i życiem? Aby zbudować nowe rzeczy, ewolucja wymaga czasu. Nieskończona nowość może pojawić się tylko we wszechświecie, w którym czas istnieje i ma wyraźny kierunek. Ewolucja jest jedynym procesem fizycznym w naszym wszechświecie, który może generować kolejne nowe obiekty, które kojarzymy z życiem — takie jak drobnoustroje, ssaki, drzewa, a nawet telefony komórkowe.

Informacja i pamięć

Takie obiekty nie mogą spontanicznie pojawiać się w egzystencji. Wymagają pamięci opartej na tym, co istniało w przeszłości, aby konstruować rzeczy w teraźniejszości. To właśnie taka „selekcja” wyznacza linię podziału między wszechświatem opisanym przez współczesną fizykę, a tym, co widział Darwin: jest to mechanizm, który zmienia wszechświat, w którym pamięć nie ma znaczenia w określaniu tego, co istnieje, we taki, w którym istnieje.

Pomyśl o tym, wszystko w żywym świecie wymaga pewnego rodzaju pamięci i przepływu informacji. DNA w naszych komórkach jest naszym planem. Aby wynaleźć nowe rzeczy, takie jak rakiety czy lekarstwa, istoty żywe również potrzebują informacji — znajomości praw fizyki i chemii.

Aby wyjaśnić życie, musimy zatem zrozumieć, w jaki sposób złożone obiekty, które tworzy życie, istnieją w czasie. Wraz z moimi współpracownikami właśnie to robiliśmy w nowo zaproponowanej teorii fizyki zwanej teorią składania.

Kluczowym założeniem teorii składania jest to, że w miarę jak obiekty stają się bardziej złożone, zwiększa się liczba unikalnych części, które się na nie składają, podobnie jak potrzeba lokalnej pamięci do przechowywania sposobu składania obiektu z jego unikalnych części. W teorii montażu określamy to ilościowo jako najkrótszą liczbę fizycznych kroków potrzebnych do zbudowania obiektu z jego elementarnych elementów konstrukcyjnych, zwaną indeksem zespołu.

Co ważne, teoria składania traktuje tę najkrótszą ścieżkę jako wewnętrzną właściwość obiektu i rzeczywiście pokazaliśmy, w jaki sposób można zmierzyć wskaźnik złożenia dla cząsteczek przy użyciu kilku różnych technik pomiarowych, w tym spektrometrii mas (analityczna metoda pomiaru stosunku masy do ładunku cząsteczek).

Dzięki takiemu podejściu pokazaliśmy w laboratorium, wykonując pomiary zarówno na próbkach biologicznych, jak i niebiologicznych, w jaki sposób cząsteczki o indeksie składania powyżej 15 kroków można znaleźć tylko w żywych próbkach.

Sugeruje to, że teoria składania jest rzeczywiście w stanie przetestować naszą hipotezę, że życie jest jedyną fizyką, która generuje złożone obiekty. I możemy to zrobić, identyfikując te obiekty, które są tak złożone, że jedynym fizycznym mechanizmem ich tworzenia jest ewolucja.

Zamierzamy wykorzystać naszą teorię do oszacowania, kiedy powstaje życie, mierząc punkt, w którym cząsteczki w zupie chemicznej stają się tak złożone, że zaczynają wykorzystywać informacje do tworzenia własnych kopii – próg, w którym życie powstaje z nieożywionych . Możemy następnie zastosować teorię do eksperymentów mających na celu wygenerowanie nowego pochodzenia zdarzenia życiowego w laboratorium.

A kiedy to wiemy, możemy wykorzystać tę teorię do poszukiwania życia na światach, które są radykalnie różne od Ziemi i dlatego mogą wyglądać na tak obce, że nie rozpoznalibyśmy tam życia.

Jeśli teoria się utrzyma, wymusi to radykalne przemyślenie fizyki na czas. Zgodnie z naszą teorią montaż można zmierzyć jako wewnętrzną właściwość cząsteczek, która odpowiada ich rozmiarowi w czasie — co oznacza, że ​​czas jest atrybutem fizycznym.

Ostatecznie czas jest nieodłącznym elementem naszego doświadczania świata i jest niezbędny do zajścia ewolucji. Jeśli chcemy, aby fizyka była w stanie wyjaśnić życie — i nas — być może po raz pierwszy w fizyce musimy potraktować czas jako właściwość materialną.

Jest to prawdopodobnie najbardziej radykalne odejście fizyki życia od standardowej fizyki, ale może to być krytyczny wgląd potrzebny do wyjaśnienia, czym jest życie.