لا تستطيع الفيزياء الحديثة تفسير ذلك – لكن نظريتنا الجديدة ، التي تقول أن الوقت أساسي ، ربما

على مدى 300 عام فقط ، منذ اختراع الفيزياء الحديثة ، اكتسبنا فهمًا أعمق لكيفية عمل كوننا على كل من المقاييس الصغيرة والكبيرة. ومع ذلك ، لا تزال الفيزياء صغيرة جدًا وعندما يتعلق الأمر باستخدامها لشرح الحياة ، فإن الفيزيائيين يعانون.

حتى اليوم ، لا يمكننا حقًا تفسير الفرق بين كتلة حية من المادة والقطعة الميتة. لكنني وزملائي نبتكر فيزياء جديدة للحياة قد تقدم إجابات قريبًا.

منذ أكثر من 150 عامًا ، لاحظ داروين بشكل مؤثر الانقسام بين ما نفهمه في الفيزياء وما نلاحظه في الحياة – مشيرًا في نهاية أصل الأنواع “… بينما كان هذا الكوكب يتنقل وفقًا لقانون الجاذبية الثابت ، من هذه البساطة والبداية ، فإن الأشكال التي لا نهاية لها أجمل وأروع تم تطويرها وما زالت تتطور “.

أهمية الوقت

وصف إسحاق نيوتن كونًا لا تتغير فيه القوانين أبدًا ، والوقت هو خلفية ثابتة ومطلقة يتحرك في ضوئها كل شيء. ومع ذلك ، فقد لاحظ داروين كونًا تتولد فيه أشكال لا نهاية لها ، كل منها تغير سمات ما جاء من قبل ، مما يشير إلى أن الوقت لا يجب أن يكون له اتجاه فحسب ، بل إنه بطريقة ما ينعكس على نفسه. لا يمكن أن تظهر الأشكال التطورية الجديدة إلا من خلال الانتقاء في الماضي.

من المفترض أن هذين المجالين من العلم يصفان الكون نفسه ، ولكن كيف يمكن توحيد وجهتي نظر متعارضتين تمامًا؟ قد يكون المفتاح لفهم سبب عدم إمكانية تفسير الحياة في الفيزياء الحالية هو إعادة النظر في مفاهيمنا عن الوقت باعتبارها الاختلاف الرئيسي بين الكون كما وصفه نيوتن وداروين. في الواقع ، تم اختراع الزمن مرات عديدة عبر تاريخ الفيزياء.

على الرغم من أن زمن نيوتن كان ثابتًا ومطلقًا ، إلا أن زمن أينشتاين أصبح بُعدًا – تمامًا مثل الفضاء. ومثلما توجد جميع النقاط في الفضاء مرة واحدة ، كذلك توجد جميع النقاط في الوقت المناسب. يُشار أحيانًا إلى فلسفة الوقت هذه باسم “الكون المحجوب” حيث يكون الماضي والحاضر والمستقبل واقعيًا بنفس القدر وموجودًا في بنية ثابتة – مع عدم وجود “الآن” خاص. في ميكانيكا الكم ، ينشأ مرور الوقت من كيفية تغير الحالات الكمية من حالة إلى أخرى.

أعطى اختراع الديناميكا الحرارية الوقت لسهمه ، موضحًا سبب تحركه للأمام وليس للخلف. هذا بسبب وجود أمثلة واضحة لأنظمة في عالمنا ، مثل محرك عامل ، لا رجعة فيه – تعمل فقط في اتجاه واحد. كل مجال جديد من مجالات الفيزياء الأساسية ، سواء كان يصف المكان والزمان (نيوتن / أينشتاين) ، أو المادة والضوء (ميكانيكا الكم) ، أو الحرارة والعمل (الديناميكا الحرارية) قد أدخل مفهومًا جديدًا للوقت.

لكن ماذا عن التطور والحياة؟ لبناء أشياء جديدة ، التطور يتطلب وقتا. لا يمكن أن تأتي الجدة اللانهائية إلا في كون يوجد فيه الوقت وله اتجاه واضح. التطور هو العملية الفيزيائية الوحيدة في كوننا التي يمكن أن تولد تعاقب كائنات جديدة نربطها بالحياة – أشياء مثل الميكروبات والثدييات والأشجار وحتى الهواتف المحمولة.

المعلومات والذاكرة

مثل هذه الأشياء لا يمكن أن تتقلب إلى الوجود بشكل تلقائي. إنهم يحتاجون إلى ذاكرة ، بناءً على ما كان موجودًا في الماضي ، لبناء الأشياء في الحاضر. إن مثل هذا “الاختيار” هو الذي يحدد الخط الفاصل بين الكون الموصوف في الفيزياء الحالية ، وما رآه داروين: إنه الآلية التي تحول الكون حيث لا تهم الذاكرة في تحديد ما هو موجود ، إلى مكان يوجد فيه.

فكر في الأمر ، فكل شيء في العالم الحي يتطلب نوعًا من الذاكرة وتدفق المعلومات. الحمض النووي في خلايانا هو مخططنا. ولاختراع أشياء جديدة ، مثل الصواريخ أو الأدوية ، تحتاج الكائنات الحية أيضًا إلى معلومات – معرفة قوانين الفيزياء والكيمياء.

لشرح الحياة ، نحتاج إذن إلى فهم كيفية وجود الأشياء المعقدة التي تخلقها الحياة في الوقت المناسب. مع زملائي ، كنا نفعل ذلك بالضبط في نظرية فيزيائية مقترحة حديثًا تسمى نظرية التجميع.

التخمين الأساسي لنظرية التجميع هو أنه كلما أصبحت الكائنات أكثر تعقيدًا ، يزداد عدد الأجزاء الفريدة التي تتكون منها ، وكذلك تزداد الحاجة إلى الذاكرة المحلية لتخزين كيفية تجميع الكائن من أجزائه الفريدة. نحدد هذا في نظرية التجميع على أنه أقصر عدد من الخطوات المادية لبناء كائن من كتل بنائه الأولية ، تسمى فهرس التجميع.

الأهم من ذلك ، تتعامل نظرية التجميع مع هذا المسار الأقصر كخاصية جوهرية للجسم ، وقد أظهرنا بالفعل كيف يمكن قياس مؤشر التجميع للجزيئات باستخدام العديد من تقنيات القياس المختلفة بما في ذلك قياس الطيف الكتلي (طريقة تحليلية لقياس نسبة الكتلة إلى الشحن) من الجزيئات).

من خلال هذا النهج ، أظهرنا في المختبر ، من خلال قياسات على كل من العينات البيولوجية وغير البيولوجية ، كيف توجد الجزيئات التي يزيد مؤشر تجميعها عن 15 خطوة في العينات الحية فقط.

يشير هذا إلى أن نظرية التجميع قادرة بالفعل على اختبار فرضيتنا القائلة بأن الحياة هي الفيزياء الوحيدة التي تولد كائنات معقدة. ويمكننا القيام بذلك من خلال تحديد تلك الأشياء شديدة التعقيد ، والآلية الفيزيائية الوحيدة لتشكيلها هي التطور.

نحن نهدف إلى استخدام نظريتنا لتقدير متى نشأت الحياة عن طريق قياس النقطة التي تصبح فيها الجزيئات في الحساء الكيميائي معقدة للغاية بحيث تبدأ في استخدام المعلومات لعمل نسخ من نفسها – وهي العتبة التي تنشأ عندها الحياة من اللا حياة. . قد نطبق النظرية بعد ذلك على التجارب التي تهدف إلى توليد أصل جديد لحدث الحياة في المختبر.

وعندما نعرف هذا ، يمكننا استخدام النظرية للبحث عن الحياة في عوالم مختلفة اختلافًا جذريًا عن الأرض ، وبالتالي قد تبدو غريبة جدًا لدرجة أننا لن نتعرف على الحياة هناك.

إذا ثبتت صحة النظرية ، فستجبر على إعادة التفكير جذريًا في الوقت المناسب في الفيزياء. وفقًا لنظريتنا ، يمكن قياس التجميع كخاصية جوهرية للجزيئات ، والتي تتوافق مع حجمها في الوقت المناسب – بمعنى أن الوقت هو سمة فيزيائية.

في نهاية المطاف ، يعتبر الوقت جوهريًا لتجاربنا في العالم ، ومن الضروري أن يحدث التطور. إذا أردنا أن تكون الفيزياء قادرة على تفسير الحياة – ونحن – فقد نحتاج إلى التعامل مع الوقت باعتباره خاصية مادية لأول مرة في الفيزياء.

ربما يكون هذا هو الابتعاد الأكثر جذرية لفيزياء الحياة عن الفيزياء القياسية ، لكنه قد يكون البصيرة الحاسمة اللازمة لشرح ماهية الحياة.