Laut einer Studie der University of Portsmouth könnten genetische Mutationen mithilfe eines neuen physikalischen Gesetzes vorhergesagt werden, bevor sie auftreten.
Das Papier stellt fest, dass sich der zweite Hauptsatz der Informationsdynamik oder „Infodynamik“ anders verhält als der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – eine Entdeckung, die massive Auswirkungen auf zukünftige Entwicklungen in der Genomforschung, Evolutionsbiologie, Computer, Big Data, Physik und Kosmologie haben könnte .
Hauptautor Dr. Melvin Vopson ist von der School of Mathematics and Physics der Universität. Er sagt: „In der Physik gibt es Gesetze, die alles regeln, was im Universum passiert, zum Beispiel wie sich Objekte bewegen, wie Energie fließt und so weiter. Alles basiert auf den Gesetzen der Physik.“
„Eines der mächtigsten Gesetze ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie – ein Maß für die Unordnung in einem isolierten System – nur zunehmen oder gleich bleiben kann, aber niemals abnehmen wird.“
Dies ist ein unbestrittenes Gesetz, das mit dem Zeitpfeil verbunden ist und zeigt, dass die Zeit nur in eine Richtung geht. Es fließt in eine Richtung und kann nicht rückwärts gehen.
Er sagt: „Stellen Sie sich zwei durchsichtige Glaskästen vor. Auf der linken Seite haben Sie rote Gasmoleküle, die Sie sehen können, wie roten Rauch. Auf der rechten Seite haben Sie blauen Rauch, und dazwischen ist eine Barriere. Wenn Sie die entfernen Barriere, die beiden Gase beginnen sich zu vermischen und die Farbe ändert sich. Es gibt keinen Prozess, dem dieses System unterzogen werden kann, um sich selbst wieder von Blau und Rot zu trennen.
„Mit anderen Worten, man kann die Entropie nicht ohne Energieaufwand senken oder das System so organisieren, wie es vorher war, weil die Entropie nur konstant bleibt oder mit der Zeit zunimmt.“
Dr. Vopson ist Informationsphysiker. Seine Arbeit erforscht Informationssysteme, die alles sein können, von der Festplatte in einem Laptop bis hin zu DNA und RNA in lebenden Organismen. Dieses Papier wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Serban Lepadatu von der University of Central Lancashire verfasst.
Dr. Vopson fügte hinzu: „Wenn der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie konstant bleiben oder mit der Zeit zunehmen muss, dachte ich, dass die Informationsentropie vielleicht dieselbe sein würde.“
„Aber was Dr. Lepadatu und ich herausfanden, war das genaue Gegenteil – es nimmt mit der Zeit ab. Der zweite Hauptsatz der Informationsdynamik arbeitet genau im Gegensatz zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.“
Dr. Vopson behauptet, dass dies der Grund für genetische Mutationen in biologischen Organismen sein könnte.
„Der weltweite Konsens ist, dass Mutationen zufällig stattfinden und dann die natürliche Selektion bestimmt, ob die Mutation gut oder schlecht für einen Organismus ist“, erklärte er. Wenn die Mutation für einen Organismus vorteilhaft ist, wird sie beibehalten.
„Aber was ist, wenn es einen verborgenen Prozess gibt, der diese Mutationen antreibt? Jedes Mal, wenn wir etwas sehen, das wir nicht verstehen, beschreiben wir es als ‚zufällig‘ oder ‚chaotisch‘ oder ‚paranormal‘, aber es ist nur unsere Unfähigkeit, es zu erklären. “
„Wenn wir anfangen können, genetische Mutationen von einem deterministischen Standpunkt aus zu betrachten, können wir dieses neue physikalische Gesetz nutzen, um Mutationen – oder die Wahrscheinlichkeit von Mutationen – vorherzusagen, bevor sie stattfinden.“
Dr. Vopson und Kollegen analysierten echte COVID-19 (SARS-CoV-2)-Genome und stellten fest, dass ihre Informationsentropie im Laufe der Zeit abnahm: „Das beste Beispiel für etwas, das in kurzer Zeit eine Reihe von Mutationen durchmacht, ist ein Virus. Die Pandemie hat uns die ideale Testprobe geliefert, da SARS-CoV-2 in so viele Varianten mutiert ist und die verfügbaren Daten unglaublich sind.“
„Die COVID-Daten bestätigen den zweiten Hauptsatz der Infodynamik und die Forschung eröffnet unbegrenzte Möglichkeiten. Stellen Sie sich vor, Sie betrachten ein bestimmtes Genom und beurteilen, ob eine Mutation vorteilhaft ist, bevor sie auftritt. Dies könnte eine bahnbrechende Technologie sein, die in Gentherapien eingesetzt werden könnte. der pharmazeutischen Industrie, der Evolutionsbiologie und der Pandemieforschung.“
Das Papier ist erschienen in AIP-Fortschritte.
Melvin M. Vopson et al, Zweites Gesetz der Informationsdynamik, AIP-Fortschritte (2022). DOI: 10.1063/5.0100358