Der neue Darwin: Physiker findet heraus, wie Materie überhaupt lebendig wird

Wie und wann das Leben auf der Erde entstanden ist, wissen wir nicht.

Manche Forscher nehmen an, dass vor etwa 3,5 Milliarden Jahren die ersten organischen Verbindungen in der Tiefsee entstanden sind, aus denen sich erst Einzeller und dann komplexere Lebewesen entwickelten. Eine These, die unter anderem das Jet Propulsion Laboratory von Caltech und NASA erforschen. Andere Modelle, wie zum Beispiel die Panspermie-Theorie, schlagen vor, dass Kometen bei ihrem Einschlag auf die Erde das Leben auf unseren Planeten gebracht haben könnten.

Und dann gibt es noch Jeremy England. Mit seinen revolutionären Ideen wird er bereits als der neue Darwin gehandelt. Doch auch wenn dieser Titel möglicherweise etwas vorschnell bemüht wurde, liefert England tatsächlich eine neue Theorie über die Entstehung des Lebens—und damit eine, die Darwins Evolutionslehre um eine Vorgeschichte bereichert. Er beschäftigt sich nicht mit der Entwicklung und der Evolution des intelligenten Lebens, sondern mit seinem Ursprung—und zwar aus physikalischer Sicht.

England wuchs in Boston auf. Sein Vater ist Wirtschaftsprofessor uns seine Mutter Lehrerin. Erzählungen seines Vaters zufolge war er ein überaus wissbegieriges Kind und England sagt selbst, mit sieben Jahren habe er erstmals das Gefühl gehabt, nicht genug zu wissen. So war es nur eine logische Folge, dass er eine erfolgreiche Karriere einschlug. England studierte an den Universitäten Harvard, Oxford und Stanford und landete schließlich mit einem Lehrauftrag am MIT.

Mit Fortschreiten seiner Studien kam auch die Religion. Die Familie seiner Mutter stammt aus Polen und nur wenige ihrer Verwandten hatten den Holocaust überlebt. So war der jüdische Glaube im Hause England zwar traditionell vorhanden, wurde aufgrund der bitteren und schmerzhaften Erinnerungen jedoch nicht gepflegt. Erst im Jahr 2005 begann England, die Thora zu studieren, besuchte Israel und fand zu Gott. Heute lebt er als frommer, und seiner eigenen Auskunft nach, orthodoxer Jude. Die intellektuelle Herausforderung des Thora-Studiums sei „in ihrer Subtilität und ihrem umfassenden Anspruch anders als alles gewesen, was ich je erlebt hatte", sagte er dem Magazin OZY.

Inzwischen leitet der 34-Jährige eine eigene Forschungsgruppe am MIT. Die Ausgangsthese seines England Labs lautet, dass sich lebensfähige Organismen spontan entwickeln können, sofern die nötigen physikalischen Bedingungen in der Umgebung vorherrschen. Kurz gesagt, England will beweisen, wie sich unbelebte Atome organisieren können, so dass aus ihnen eine Lebensform entsteht.

Eine grundsätzliche, strukturelle Eigenschaft lebender Organismen ist, dass sie Energie aus vorhandenen Quellen in ihrer Umwelt effizient aufnehmen können. England zeigt in seinen Forschungen nun, dass sich sogar eine zufällige Ansammlung von Atomen vollständig selbst so organisieren kann, um Energie wie zum Beispiel Licht oder Wärme besser zu absorbieren.

Da die Wissenschaft bezüglich der Entstehung des Lebens noch immer nach profunden Erklärungen sucht, ist Jeremy Englands Forschung umso aufregender. Das neue an Englands Modell ist in erster Linie eine physikalische Perspektive auf die Frage, wie Leben zustande kommt. Er will zeigen, welch fein aufeinander abgestimmten Strukturen in Systemen auftauchen können, obwohl sich in diesen Umgebungen kein Zusammenhang zur bekannten darwinistischen natürlichen Auslese finden lässt. In diesen Systemen, die England an seinem Computer repliziert, gibt es nämlich kein erkennbares 'Selbst' zur 'Selbstreplikation'. Es fehlt also jegliche Art von Bewusstsein, welches den Selbsterhaltungstrieb befeuern könnte.

„Unser Fokus liegt auf der Sprache der Physik. Wir wollen präzise erklären, was die physikalischen Voraussetzungen sind und was die markanteste (aber nicht einzigartige) Eigenschaft lebender Dinge ist", so England in einer E-Mail an Motherboard. „Das ermöglicht uns, Fragen wie

Woher kam das Leben?

oder

Was ist Leben?

zu vermeiden und statt dessen Fragen wie diese zu stellen: Gibt es Szenarien, in denen die Anforderungen an lebende Dinge besonders erfolgreich und unterstützend sind und können wir diese als generelle dynamische Tendenzen in einer bestimmten Klasse eines physikalischen Systems ansehen?

England sucht also nach der idealen Ausgangssitutation, in der sich Organismen besonders erfolgreich entwickeln können und geht weiter in seiner Argumentation: „Falls ja, lassen sich diese möglicherweise als generelle günstige und notwendige Eigenschaften auf physikalischer Basis für die Entstehung von Leben verzeichnen. Wenn wir diese Frage auf eine befriedigende Weise beantworten können (wobei wir dabei zur Zeit erst ganz am Anfang sind), dann haben wir zwar erst einmal nur etwas über die Physik gesagt, aber es könnte uns eine ganze Menge darüber verraten, auf welche Weise lebende Dinge auf molekularer Ebene arbeiten."

Der Physiker erweitert also den Raum der Evolutionsforschung und behauptet, dass es sich in der normalen Vorstellung einer darwinistischen Natürlichen Auslese lediglich um einen speziellen Fall eines viel generelleren Phänomens handelt. Und dieses Phänomen lässt sich ihm zufolge am besten mit den Bedingungen der Thermodynamik erklären.

Eine der grundsätzlichen Annahmen in der Biologie ist, dass sich eine Spezies mit Hilfe der natürlichen Auslese an ihre Umwelt anpasst. Das bedeutet nicht nur, der physisch Stärkere überlebt, sondern, dass auch derjenige der Stärkere ist, der sich am effizientesten reproduzieren kann oder am gesündesten und widerstandsfähigsten ist. Die Art, wie eine Spezies heute aussieht, ist letztendlich das Ergebnis eines erfolgreichen Überlebens- und Reproduktionsprozesses ihrer Vorfahren.

England geht in diesem Modell jedoch einen Schritt zurück und wendet sich lebloser Materie zu. „Wir nehmen jetzt eine Ansammlung von Teilchen, in denen sich keine biologischen Anzeichen finden lassen (jedenfalls zu Beginn)", beschreibt England seinen Forschungsgegenstand.

Der Wissenschaftler und sein Forschungsteam entwickeln nun ein Computerprogramm, mit dem sich Veränderungen, die ein System in seiner Entwicklung durchgemacht hat, zurückverfolgen lassen. Dafür untersuchten sie die nötigen Gestaltveränderungen, die jeweils zur besseren Energieaufnahme stattgefunden hatten und Stabilität für ein langes Leben des Systems lieferten. Diese Wechsel in der Form sollten Aufschluss über die Entwicklung des Organismus geben.

Eine erstaunliche Erkenntnis, die die Physiker dabei in ihren Computersimulationen machten, war, dass das Energielevel der Organismen während der gesamten Zeit hinweg permanent angestiegen war. Gleichzeitig ereigneten sich immer genau dann unwiderrufliche Veränderungen in einer Teilchengruppe, wenn diese eine neue Form angenommen hatte, welche in der Lage ist, die Energie einer externen Quelle besonders gut aufzunehmen.

Eine über lange Zeit gewachsene Ansammlung von Teilchen mag uns heute in ihrer einmaligen Form wie ein perfekt arrangiertes Gefüge vorkommen, das die in seiner Umwelt verfügbaren Energiequellen besonders effizient nutzen kann. Doch zu Beginn der Entwicklung herrschte auch hier lediglich ein absolutes Chaos atomarer Teilchen. Die Entwicklung zu einer lebensähnlichen Struktur in Form eines koordinierten Netzwerks mit untereinander interagierenden Komponenten spiegelte, wie Englands Forschung zeigte, das grundlegende Verhalten eines lebendigen Organismus wider, obwohl die aus leblosen Atomen gewonnene „Kreatur" nicht mittels natürlichen Auslese entstanden ist. Stattdessen entwickelte sie sich aufgrund physischer Einschränkungen und den enorm langwierigen Dynamiken eines Systems.

„Es handelt sich dabei nicht um wirkliches Leben, doch es könnte sich um eine Art Werkzeugkasten von Verhaltensweisen handeln, durch die die ersten Lebewesen entstanden sind", so England. „Und der Punkt ist, dass dieser Werkzeugkasten überraschend nützlich gestaltete Werkzeuge beinhaltet ohne, dass es zu diesem Zeitpunkt bereits eine natürliche Auslese gegeben hätte, die über die sich wiederholenden Zyklen der Selbstreplikation verfügt."

Die bisherige Forschung des england lab war rein theoretisch und computerbasiert. Man darf gespannt sein, ob die nun folgenden Experimente die Entstehung des Lebens ebenfalls so beeindruckend abbilden.