Fysikk og kjemi kunne ikke gi opphav til biologi
Av Emily Reeves; 2. januar 2024. Oversatt herfra

Naturlovene gir stabile forhold og fysiske grenser som biologiske utfall er mulig innenfor. Lover er faktisk et sjakkbrett. De gir en stabil plattform og ikke-forhandlingsbare omgivelser. Men de bestemmer ikke bevegelsen av stykker eller resultatet av spillet.
Eller gjør de det? Rope Kojonen, teolog ved University of Helsinki, argumenterer for kompatibiliteten til design og evolusjon. Mine kolleger Steve Dilley, Brian Miller, Casey Lubskin, og i publiserte en anmeldelse av Kojonens gjennomtenkte bok -lenke, The Compatibility of Evolution and Design, i tidsskriftet Religions. I en serie på Evolution News -lenke, har vi utvidet vårt svar til Dr. Kojonen. Her vil vi skifte gir for å analysere hans påstander om naturlovene og deres rolle i opprinnelsen til biologisk kompleksitet og mangfold.

Bilde 1. Klorofyll-fylte blader

Mekanismer for design
Naturlovene er kjernen i Kojonens modell. De er mekanismene for design, i Linchpin of Kojonens prosjekt for 'å gifte' design og evolusjon. Men for å evaluere modellen hans, må vi være tydelige på hva hans posisjon er. Kojonen er ikke helt tydelig på hvordan naturlovene (og initiale forhold) sies å føre til livets opprinnelse, diversifisering av livet og menneskelig erkjennelse. Det ser imidlertid ut til å være minst tre mulige måter å tolke Kojonens modell:

1. Naturlovene gir opphav til "lov om former" og andre forutsetninger, som tillot seleksjon og mutasjon (sammen med andre prosesser) for å skape all biologisk kompleksitet og mangfold, inkludert nukleotidsekvenser, nye proteiner, montering av proteinmaskiner, intrikat konstruert konstruert bevegelighet og navigasjonssystemer, og alle de unike egenskapene som mennesker har. I dette synet har naturlovene (i hovedsak) årsakskraft eller begrenser muligheten utfallsrommet gir, nok til at organisme dukker opp. Spesielt er denne prosessen deterministisk per se. På denne tolkningen er det rom for miljøforhold til å arbeide sammen med naturlovene for å forme hvilke evolusjonsveier som er tilgjengelige, hva slags strukturer som har lettere for å utvikle seg, og så videre. Innsikt fra strukturalisme, konvergens og evolusjonsalgoritmer gir tilsynelatende detaljer om hvordan dette kan fungere. Men bunnlinjen med denne tolkningen er at lovene om natur og miljømessige forhold spiller en generativ rolle i å få til flora og fauna. Lovene om natur, miljøforhold og så videre overfører ikke ganske enkelt biologisk relevant "informasjon" innebygd i de første forholdene i Big Bang. I stedet skaper de faktisk mer biologisk relevant informasjon.

Bilde 2. Hva mener Kojonen om naturlovenes rolle?

2. Naturlovene overførte ganske enkelt biologisk relevant informasjon som er tilstrekkelig til å produsere all biologisk kompleksitet og mangfold, inkludert nye proteiner, proteinmaskiner og lignende. Denne biologisk relevante informasjonen ble "innebygd" i masseenergikonfigurasjonen på Big Bang. Naturlovene skapte ikke noe, men var snarere media (eller "transportører") som biologisk relevant informasjon til slutt ble uttrykt og instantiert i alt fra proteiner til bakteriell flagellum -til mennesker.

3. Lovene om naturgave stiger til "platoniske" former, som deretter begrenset evolusjonen på måter som tillot seleksjon og mutasjon å bygge biologiske former. Disse "formene" er "en frembrytende koneskvens ved lovene i kjemi og fysikk." I denne tolkningen opprettet lovene disse formene. Formene i seg selv er mer enn bare lover og betyr noe under en annen form; De er ikke-fysiske. I dette synet genererte lover disse formene, som deretter formet de fysiske tendensene til materie slik at (med mulig beredskap og andre faktorer i drift) produserte de biologisk informasjon, som var tilstrekkelig for seleksjon og mutasjon til å utvikle alle slags proteiner, proteindaskiner, unikt menneskelige menneskelige evner og lignende.
La oss diskutere punkt én, nemlig at naturlovene (og lignende) har årsakskraft eller begrenser mulighetsrommet nok til at mangfoldet av plante- og dyrearter som ble observert i dag, fremkommet fra encellulær organisme. Selv om jeg personlig er overbevist om at design er tydelig i selve stoffet i universet, og ja, i lovene om fysikk og kjemi, har disse materielle mekanismene ikke tilstrekkelig årsakskraft eller begrenser mulighetene tilstrekkelig til å forklare hvordan mangfoldet av organisme er å være (Hvis disse lovene har holdt seg like over tid). For å støtte dette poenget, vil jeg snakke om evnene til lovene om fysikk og kjemi og gi eksempler på hvordan de for tiden samhandler med biologi.

I Kojonens modell gjør naturlovene det tunge løftet når det gjelder å skape biologisk kompleksitet. Mens Kojonen siterer en rekke andre faktorer - for eksempel miljøforhold, strukturalisme, konvergens og evolusjonsalgoritmer - er også klar over at disse faktorene er undergitt naturlovene. Men det er grenser for den kreative kraften i naturlovene. Hvis det viser seg at lovene har begrenset evne til å produsere biologisk kompleksitet, er andre faktorer (som miljø, konvergens, etc.) som er avhengig av naturlovene som har grenser. Hvis Kojonen mener at disse andre faktorene har kreative krefter som overskrider grensene for naturlovene, er byrden på ham å vise det. Er det mulig for naturlovene å være en årsakskraft eller tilstrekkelig å begrense mulighetsrommet?

Materielle mekanismer
I følge en definisjon er en mekanisme en prosess som virker på objekter for å gi et resultat. Her vil jeg definere en materiell mekanisme som en prosess, der et fysisk objekt blir handlet på av en av de fysiske lovene. Materielle objekter er bygget fra elementene i den periodiske tabellen, og fysikkens og kjemiens -lover er de konstante prosessene som begrenser hvordan materielle objekter oppfører seg. For å forstå materialistiske mekanismer, la oss se på noen få illustrasjoner.

Gravitasjonsloven
Definisjon: Loven om universell gravitasjon sier at et objekt vil tiltrekke seg et annet objekt proporsjonalt med produktet av massene deres og omvendt proporsjonalt med kvadratet av deres avstand til hverandre.
Denne loven forteller oss hvordan gjenstander oppfører seg mot hverandre. Tyngdekraften begrenser bevegelse, enten den bevegelsen er menneskelig, planetarisk eller lys. Et komplekst system kan også være i stand til å oppdage tyngdekraften og bruke det som en signal. La oss se på et eksempel på plantevekst. Bladene vokser i motsatt retning av gravitasjonens dragning , men røttene vokser nedover i retning av gravitasjonstrekket. Hva forårsaker dette? Er det tyngdekraften? Definitivt ikke. Rotvekst skjer gjennom avdelingen av stameceller i rotspissen. Dermed er rotstemmeceller avhengige av tyngdekraften som et signal som skal oppdages av sensorene deres, slik at de vet hvor de skal rette veksten. Men tyngdekraften er ikke mekanismen som skaper plantemorfologi. Snarere fungerer planter innenfor tyngdekraften og utnytter den via sensorer for å sette opp sin arkitektur.

Bilde 3. Gravitasjonens tiltrekning på formel

Elektrostatiske lover
Definisjon: De elektrostatiske lovene oppgir at ladninger tiltrekker eller frastøter hverandre med en styrke som er proposjonnal med produktet av deres ladninger og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem, og avhenger av om de er like eller ulike.
Elektrostatiske lover beskriver tiltrekningen av positive ladede ioner til negativt ladede ioner. Disse lovene begrenser (men forårsaker ikke) måten en elektrokjemisk gradient kan dannes og arbeide over en membran. Ladnings- og konsentrasjons-differensialet over en membran skaper et elektrisk felt. Cellen bruker deretter potensiell energi i det elektriske feltet for å generere energi, formidle elektriske signaler og drive levering av næringsstoffer i cellen. Det avgjørende poenget her er at elektrokjemiske gradienter ikke er en fremvoksende egenskap av de elektrostatiske lovene. I stedet er de forårsaket av molekylære maskiner. Som Elbert Branscomb og Michael J. Russell sier i et nylig Bioessay-artikkel: "For å fungere, må livet ta sine transformasjoner ut av kjemien og betjene dem selv, ved å bruke makromolekylære "mekano-kjemiske "maskiner, som krever en maskin (omtrent) for hver transformasjon; Livet må, i Nick Lanes stemningsfulle frasering, "overskride kjemi." (Branscomb og Russell 2018)
Hvordan er elektrostatiske lover grensesnitt til organismenes kroppsplaner? Organisme kroppsmønster dannes delvis av bioelektriske nettverk, som fungerer på tvers av cellefelt for å integrere informasjon og formidle morfologisk beslutningstaking. (Djamgoz og Levin 2022) De bioelektriske nettverkene spiller kritiske roller ved å regulere genuttrykk, organ morfogenese og organ mønstring. Dette er selvfølgelig nøyaktig hva som vil være nødvendig som en fremvoksende egenskap fra elektrostatiske lover, for at de skal ha generativ kapasitet. Men disse bioelektriske nettverkene kommer ikke mer ut av de elektrostatiske lovene enn cellulære nettverk; Snarere er disse bioelektriske nettverkene informasjonsrike nettverk som har informasjon i en bioelektrisk kode som kan blir forstått av avsenderen og mottakeren. (Levin 2014)

Bilde 4. Periodisk tabell

Den periodiske tabellen
Nå begrenser de elektrostatiske lovene, i forbindelse med utformingen av den periodiske elementertabellen, det mulige kjemiske rommet til molekyl-bindingshendelser. For eksempel basert på de kjemiske egenskapene til hydrogen og oksygen så vel som de elektrostatiske lovene, har H2O en spesifikk bindingskonfigurasjon. Disse mekanismene kan dermed forklare opprinnelsen og ferdig dannelse av noen enkle molekyler. Men hva med mer komplekse molekyler som de som brukes i livet? I følge en artikkeli tidsskriftet Nature, "Chemical Space and Biology", "representerer de kjemiske forbindelsene som brukes av biologiske systemer, en svimlende liten brøkdel av det totale mulige antallet små karbonbaserte forbindelser med molekylmasser i samme område, som for levende systemer (det vil si mindre enn rundt 500 Dalton). Noen estimat av dette tallet er over 10^60. " (Dobson 2004) Denne uttalelsen stemmer overens med vår observasjon av at komplekse molekyler som glukose og nukleinsyrer er resultatet av enzymer. Hvis man mener at elektrostatiske lover og den periodiske tabellen begrenser søkeområdet slik at molekyler som nukleinsyrer dannes på egen hånd, bør nukleinsyrer dannes spontant fra fosfat, nitrogen, karbon, hydrogen og oksygen, akkurat som vann gjør. Men dette er ikke noe som blir observert. I stedet kan komplekse molekyler i en betydelig mengde bare bygges ved hjelp av enzymer (som er bygget ved hjelp av informasjon i DNA) eller i sterkt kontrollerte laboratoriesyntesemiljøer. For ikke å nevne det faktum at det må være noe i naturlovene som "tvinger" livets kjemi til å bruke bare venstrehånds molekyler. Og hvis det er sant, så hvorfor alle molekyler venstrehendt, da dette ser ut til å kreve en "regel" i lovene.

Hvis man tar den første cellen for gitt (antar at livets opprinnelse er en mirakuløs hendelse), er det fortsatt tusenvis av unike molekylære forbindelser som er viktige for at mangfoldet i livet skal velges, fra det kjemiske utfallsrommet. Vi vet at mange av disse molekylære strukturene er flerbruks, resirkulerbare og essensielle for andre økosystemmedlemmer. Utformingen er at disse molekylene og enzymene som lager og bryter dem ned, ser ut til å ha krevd framsyn for økosystemets behov og funksjoner, samt en grundig forståelse av kjemi og biokjemi. Er denne typen informasjon og årsakskraft tilgjengelig i de elektrostatiske lovene eller de andre naturlovene?

Bilde 5. 1. og 2. Termodynamiske lov

De termodynamiske lovene
Definisjon: Den første loven om termodynamikk sier at materie og energi ikke kan skapes eller ødelegges, men bare kan endre form. Den andre loven om termodynamikk sier at lukkede systemer alltid beveger seg mot tilstander med større uorden. åpne systemer beveger seg mot likevekt, der uorden (aka entropi) til universet er maksimal.
Lovene om termodynamikk legger begrensninger for hva biologisk organisme må gjøre for å forbli i live. Det vil si at organismen må fange, høste og bruke energi på å opprettholde en tilstand langt fra likevekt. For å gjøre dette, må organismene må/ha utrolig designede arkitekturer som gjenspeiler en svært avansert forståelse og utnyttelse av naturlovene. For eksempel, i sentral karbonmetabolisme, blir energi ekstrahert fra molekylet glukose på en mest mulig effektiv måte. Men bare fordi denne biokjemiske banen viser en arkitektur som er utrolig designet for å utnytte begrensningene som er pålagt av termodynamikk, betyr ikke det at lovene gir en mekanisme som gjorde at disse komplekse systemene oppsto i utgangspunktet. Med andre ord, ganske enkelt fordi et kjøretøy er svært effektivt, innebærer ikke det at lovene om termodynamikk designet det. Mer sannsynlig betyr det at den som designet kjøretøyet hadde en grundig forståelse av termodynamikk.

Kvantefysikk
Definisjon: Kvantefysikk beskriver de fysiske egenskapene på nivået av atomer og subatomære partikler ved bruk av bølgefunksjonen, som bestemmes av Schrödinger -ligningen. Schrödinger -ligningen er kvantemotstykket til Newtons andre lov, og beskriver hva som skjer i kvante-sfæren for systemer med subatomære partikler.
Schrödinger -ligninger er lineære ligninger, så når det er lagt til, er utfallet også lineært. Dette er veldig forskjellig fra det som observeres i den virkelige verden. For biologi og komplekse systemer skjer betinget forgrening, som i eksemplet:
"Hvis {antibiotika oppdages}, (uttrykkes antibiotikautstrømningspumpe). Hvis {antibiotika reduseres, reduseres uttrykket av antibiotika utstrømnings-pumpen)."
Denne typen forgrening som finnes i komplekse systemer kan ikke kokes ned til bølgefunksjon. Som George Ellis, en ledende teoretiker i kosmologi og komplekse systemer, sier "Her er ingen enkeltbølgefunksjon for en levende celle eller makroskopiske gjenstander, som en katt eller en hjerne." Kort sagt, den komplekse ikke -lineære verden er ikke i stand til å oppstå fra en enkelt bølgefunksjon.

Bilde 6. Overlevelse -for hva?

Ønsket om å overleve - ikke en materialistisk mekanisme
Definisjon: Atferden som en organisme programmatisk/kognitivt påtar seg for å unngå død.
Lovene om fysikk og kjemi inkluderer ikke naturlig seleksjon. Naturlig utvalg er et resultat av programmeringen av et spesifikt mål: ønsket om å overleve. Som sådan, i å definere naturlig seleksjon som befolkningsendringen, som avhenger av deres programmerte og i noen tilfeller kognitive kapasitet til å overleve og miljøfaktorene de står overfor. Vær oppmerksom på at denne definisjonen er forskjellig fra hvordan folk flest kan tenke på naturlig seleksjon, men man håper den er mer nøyaktig på linje med hvordan den faktisk fungerer. For å støtte dette målet har "ønsket om å overleve" organismer en rekke mekanismer som kan omfatte frivillige og involverte. For eksempel hos mennesker ville immunforsvaret være et eksempel på en ufrivillig respons (programatisk samlet) der forsvaret av kroppen kjemper mot inntrengerne. Et eksempel på en frivillig respons (en kognitiv respons) hos mennesker kan være når noen løper for livet sitt fra en bjørn eller dreper en giftig slange. Et annet eksempel på en ufrivillig mekanisme er naturlig genteknologi. I tilfelle du ikke er familie med naturlig genteknologi, betyr det bare at celler har evnen til å omorganisere og endre sine egne genom aktivt for å muliggjøre overlevelse. Dette involverer mekanismer som transponering (bevegelser av genetiske elementer i genomet), genduplikasjon, horisontalt genoverføring (overføring av genetisk materiale mellom forskjellige organismer) og andre former for genetisk rearrangment. Et annet viktig eksempel er fenotypisk plastisitet, som ofte har vært forvekslet med naturlig seleksjon, men er en individuell organismes evne til å utvise forskjellige fenotyper (observerbare karakteristikker eller egenskaper), for eksempel som respons på endringer i den forbedringen. Fenotypisk plastisitet forekommer for raskt til å bli drevet av mutasjon og seleksjon; Dermed er det anerkjent som en medfødt tilpasnings-algoritme innebygd i en organisme.

Så ønsket om å overleve, kombinert med miljøforhold og tilfeldige mutasjoner som favoriserer noen individer fremfor andre, er "naturlig seleksjon." Ettersom naturlig utvalg er avhengig av byrået eller livsspesifikk mekanisme for et ønske om å overleve, kan det ikke redegjøre for noe relatert til livets opprinnelse, bare mangfoldet i livet. I hvilken grad naturlig utvalg kan utgjøre mangfoldet i livet er et aktivt forskningsområde, men ID -talsmenn Douglas Ax og Brian Miller har diskoovert noen viktige grenser. Miller oppsummerte flere tiår med forskning om temaet proteinutvikling, som er avhengig av naturlig seleksjon, i vårt svar på Rope Kojonen. Kort sagt har de vist at naturlig seleksjon ikke er i stand til å skape et høy kompleksitetsenzym fra en tilfeldig sekvens av aminosyrer eller å transformere ett proteinfold til en annen fold uten veiledning. Dette er effektivt en øvre grense for hva naturlig utvalg kan oppnå, som ikke bare bærer på livs-i-livsscenarier, men også på livets evne til å diversifisere fra en enkelt organisme til mangfoldet vi ser i dag.

Nødvendig, men ikke tilstrekkelig
De fremvoksende egenskapene til fysikk og kjemi er nødvendige, men ikke tilstrekkelige til å forklare opprinnelsen eller diversifiseringen av biologiske organismer. Tyngdekraften kan brukes som signal i biologi for å bestemme retning, men gravitasjon kan ikke få et blad til å vokse opp eller en rot vokse ned - noe som bare skjer fordi et komplekst system senser, tolker og virker på gravitasjons -signalet. Utformingen av den periodiske tabellen begrenser bindingsmønsteret mellom hydrogen og oksygen og skjenker vannets livsgivende egenskaper, men disse begrensningene for kjemisk binding forårsaker ikke dannelse av DNA eller andre komplekse molekyler. Enzymer er nødvendige for at mer komplekse molekyler skal formes med den hastigheten som kreves for livet. De elektrostatiske lovene beskriver hvordan positive og negative ladninger tiltrekker hverandre, men disse lovene forårsaker ikke dannelse av en elektrokjemisk gradient over en membran - som bare skjer fordi molekylære maskiner utnytter energi for å pushe et system bort fra likevekt. I kvantefysikk beskriver den lineære bølgefunksjonen bølgepartikelen dualiteten til materie, men den kan ikke redegjøre for den betingede forgreningen observert i komplekse systemer.

Bilde 7. Manglende logisk sammenheng

Kort sagt, den beste måten å oppsummere kapasiteten til alle disse materialmekanismene er i George Ellis ord fra hans nylige artikkel, "Quantum Physics and Biology: Den lokale bølgefunksjons tilnærmingen. Fysikkens lover bestemmer ikke noe spesifikt resultat overhodet Snarere bestemmer de mulighetsrommet som slike utfall kan utformes i. " (Ellis 2023)
I morgen skal vi se på den andre tolkningen av Kojonens modell for hvordan naturens og innledende forhold kan gi liv og diversifisering.

Emily Reeves

Emily Reeves er en biokjemiker, metabolsk ernæringsfysiolog og aspirerende systembiolog. Hennes doktorgradsstudier ble fullført ved Texas A&M University i biokjemi og biofysikk. Emily er for tiden en aktiv kliniker for metabolsk ernæring og ernæringsmessig genomikk ved Nutriplexity. Hun liker å identifisere og designe ernæringsintervensjon for subtile medfødte metabolismefeil. Hun jobber også med stipendiater fra Discovery Institute og det større vitenskapelige samfunnet for å fremme integrering av ingeniørfag og biologi. Hun tilbringer helgene på oppdagingsferd med mannen sin, brygge Kombucha og løpe i nærheten av Puget Sound.

Musikk til Guds ære: Forever.

Overrsettelse via google oversetter og bilder ved Asbjørn E. Lund