Von menschlichen Kolonisatoren zu kosmischen Mägen, mikrobielles Leben, der Funke zum Menschen und Darwin-artige Selektion in der Quantenphysik

1) Was bedeutet es überhaupt, ständig auf oder in Menschen zu leben?

Ich habe nach allen identifizierten Arten gefragt, geordnet von den meisten zu den wenigsten, die ständig auf oder in Menschen leben. Das erste Problem ist die Definition. „Alle identifizierten" ist keine geschlossene Menge, weil die Metagenomik die Kataloge ständig erweitert, besonders bei Viren und bei Mikroben, die niemand kultiviert hat. „Ständig" kann in jedem Menschen bedeuten, in den meisten Menschen oder in Menschen als Spezies, also der globale Pool, und das sind sehr verschiedene Dinge. Und „Art" ist einfach bei Tieren, aber schwieriger bei Mikroben und noch schwieriger bei Viren, die oft über Sequenzcluster definiert werden und nicht über die klassische Idee einer Art. Ein praktischer Weg ist also, den globalen Pool menschenassoziierter Arten von dem zu trennen, was ein typischer Mensch zu einem Zeitpunkt beherbergt, und Viren separat zu behandeln, weil viele Leute sie nicht als lebendig zählen.

2) Wie viele mikrobielle Arten sind menschenassoziiert, und welche Gruppen führen bei der Artenzahl?

2.1 Der globale Pool, über Menschen und viele Körperstellen hinweg

Eine viel zitierte Einordnung des NIH Human Microbiome Project sagt, dass Menschen global etwa 10.000 Bakterienarten beherbergen, während eine Person etwa 1.000 Arten gleichzeitig beherbergt. Über diese Schlagzeile hinaus zeigen die neueren Referenzkataloge, warum „alle identifizierten" sich ständig verschiebt. Für Darmbakterien und Archaeen, die Prokaryoten, meldet der UHGG-Katalog 4.644 Darm-Prokaryoten-Arten, also Gruppen auf Artebene aus großen Genomsammlungen. Für Darmviren, die meist Bakteriophagen sind, meldete eine große metagenomische Studie mehr als 140.000 Darm-Virus-„Arten", über Sequenzen definierte Gruppen, und viele davon neu. Für Pilze, das Mykobiom, zählen Übersichtsarbeiten mehr als 390 Pilzarten an den Orten, wo sie am menschlichen Körper leben. Und Archaeen sind weniger divers als Bakterien, aber sie werden immer besser beschrieben, und große genombasierte Studien zeigen eine Menge Archaeen-Genomdiversität im Menschen.

2.2 Von den meisten zu den wenigsten nach Artenzahl, global und menschenassoziiert

Wenn du Viren als lebendig zählst, dann führen Viren bei den Gruppenzahlen auf Artebene in den aktuellen Katalogen höchstwahrscheinlich. Wenn nicht, führen Bakterien unter dem zellulären Leben. Die grobe Reihenfolge nach identifizierter Diversität geht so. Viren kommen zuerst, wenn du sie zählst, mit extrem hoher Diversität in den Darm-Virom-Katalogen. Dann Bakterien, Tausende global und etwa 10.000 Arten in der Einordnung des Human Microbiome Project. Dann Pilze, mit Hunderten identifiziert an menschlichen Körperstellen. Und dann Archaeen, weniger als Bakterien, aber nicht trivial und besser katalogisiert als früher gedacht.

3) Wenn wir nur Dinge mit Gehirn und Herz zählen, was sind die nächsten menschlichen Kolonisatoren?

Ich habe vorgeschlagen, es einfacher zu machen und nur Organismen anzuschauen, die dem Menschen näher sind, also Tiere mit einem Nervensystem und einer Pumpe, die wie ein Herz funktioniert. Das verschiebt die ganze Frage von Mikrobiomen zu Ektoparasiten und zu Arthropoden, die auf der Haut leben. Und hier wird „ständiger Kolonisator" eng. Die normalsten Langzeitbewohner sind Milben. Läuse und Krätze sind obligate menschliche Parasiten, aber nicht jeder hat sie. Andere wie Bettwanzen, Dasselfliegen und Sandflöhe sind an Menschen gebunden, aber sie bleiben meist nicht für immer.

Hier sind die zehn wichtigsten tierischen Kolonisatoren und menschenassoziierten Parasiten, die sich wie Bewohner verhalten, grob von den häufigsten Langzeitbewohnern zu denen, die weniger häufig, regionaler und gelegentlicher sind. Erstens Demodex folliculorum, die Gesichtsmilbe. Sie ist häufig bei Menschen und lebt in Haarfollikeln, besonders an den Wimpern und im Gesicht, oft ohne Symptome. Zweitens Demodex brevis, auch eine Gesichtsmilbe, ebenfalls häufig bei Menschen, und sie lebt eher in den Talgdrüsen, also den Öldrüsen, und in Follikeln. Drittens die Kopflaus, Pediculus humanus capitis, ein Parasit, der Blut saugt, auf der Kopfhaut lebt und Eier an die Haarschäfte legt. Viertens die Kleiderlaus, Pediculus humanus humanus, auch corporis genannt. Sie lebt und legt Eier meist in den Nähten von Kleidung und geht zum Saugen auf die Haut, und sie kann bleiben, solange die Bedingungen bleiben, die Menschen ihr aussetzen. Fünftens die Filzlaus, Pthirus pubis, eine Laus, die wie ein Krebs aussieht, in grobem Haar lebt, meist im Schambereich, und Blut saugt.

Sechstens die Krätzemilbe, Sarcoptes scabiei var. hominis. Befruchtete Weibchen graben sich in die oberste Hautschicht und legen Eier, also kann sie ohne Behandlung lange bleiben. Siebtens die gemeine Bettwanze, Cimex lectularius. Sie lebt nicht am Körper, aber sie ist ein hartnäckiger Blutsauger, der in der Nähe von Schlafplätzen lebt und immer wieder an Menschen saugt. Achtens die tropische Bettwanze, Cimex hemipterus, und es ist dieselbe Geschichte, sie lebt in der Umgebung, in Betten und Möbeln, und saugt immer wieder an Menschen. Neuntens der Sandfloh oder Chigoe, Tunga penetrans. Adulte Weibchen können sich in die Haut eingraben, oft in den Füßen, und dort bleiben, während sie Eier produzieren, und das nennt man Tungiasis. Und zehntens die Larven der menschlichen Dasselfliege, Dermatobia hominis. Sie können wochenlang in menschlicher Haut wachsen, was man furunkulöse Myiasis nennt, aber das passiert nur in manchen Regionen und nur ab und zu.

Der wichtige Vorbehalt ist, dass nur wenige davon echte ständige Kolonisatoren bei normalen gesunden Erwachsenen sind, hauptsächlich Demodex. Der Rest ist besser als Parasiten oder Befall zu bezeichnen, der lange bleiben kann, wenn die sozialen und ökologischen Bedingungen stimmen.

4) Wer ist der ultimative Herrscher der Erde an der Spitze der Nahrungskette?

Ich habe nach einem einzigen Wesen gefragt, das allein an der Spitze der Nahrungskette steht und nicht gefressen wird, wie Menschen. In der Ökologie passt die Frage nicht wirklich. Spitzenprädatoren können schwer zu jagen sein, solange sie leben, aber kein Organismus entkommt am Ende den Zersetzern. Eine bessere Sichtweise ist meine spätere Idee vom Magen der Welt, also die Organismen, die am Ende alles verdauen. Und da ist die nächste Antwort die Zersetzer, besonders Pilze und Bakterien. Sie schließen die Nahrungsnetze, indem sie tote organische Materie abbauen und die Nährstoffe recyceln. Wenn Herrscher also den Endverbraucher bedeutet, den Magen der Biosphäre, dann sind es die mikrobiellen Zersetzer. Wenn Herrscher bedeutet, wer die Erdoberfläche gerade am meisten formt, kann man für Menschen argumentieren, aber das geht um Technologie und globalen Einfluss und nicht darum, langfristig nie gefressen zu werden.

5) Was ist das wahrscheinlichste außerirdische Leben, das wir finden werden?

Meine Intuition war, dass die ersten Aliens, die wir finden, höchstwahrscheinlich Mikroben sein werden, und das passt zur Mainstream-Strategie in der Astrobiologie. Mikroben sind einfacher und zäher, und sie können chemische Energie an dunklen Orten nutzen, wie Ozeane unter der Oberfläche. NASA-Diskussionen über Lebensdetektion auf Europa und Enceladus konzentrieren sich meist auf Biosignaturen, die zu mikrobiellem Leben passen, und darauf, wie realistisch es ist, Proben dafür zu nehmen. Ich habe auch einen zweiten Punkt angesprochen, ohne es direkt zu sagen. Wir könnten Biosignaturen detektieren, also chemische, isotopische oder mineralische Muster, bevor wir je eine Zelle sehen. Deshalb sind Probenrückführung und Lebensdetektion vor Ort große Prioritäten für den Mars und für die Ozeanwelten.

6) Gibt es ein einzelnes Ereignis in der Weltgeschichte, wie den Murchison-Meteoriten, der die Bausteine des Lebens brachte?

Meine Idee war, dass ein kohlenstoffhaltiger Meteorit Aminosäuren und andere organische Stoffe liefert und die Erde so mit den Bausteinen für Mikroben versorgt. Murchison ist dafür ein gutes Symbol, denn es gibt starke Belege, dass er viele organische Stoffe enthält, darunter zahlreiche Aminosäuren, mit Isotopensignaturen, die auf einen außerirdischen Ursprung hindeuten. Isotopen- und Enantiomeren-Analysen stützen die Annahme, dass viele der Murchison-Aminosäuren tatsächlich aus dem All stammen und keine irdische Kontamination sind. Und Übersichtsarbeiten erwähnen Dutzende Aminosäuren, die in Murchison identifiziert wurden, und viele weitere, die in kohlenstoffhaltigen Meteoriten gefunden wurden. Aber man sollte das eher als einen einzelnen Input-Stream verstehen und nicht als das Ursprungsereignis. Die frühe Erde bekam organische Stoffe höchstwahrscheinlich aus vielen Quellen, auf der Erde selbst erzeugt und durch viele Einschläge angeliefert, und das in ganz unterschiedlichen Umgebungen.

7) „Viel Glück beim Erklären des Ursprungs des Lebens", also hier ein konkreterer Weg zum Menschen

Ich habe auf einen konkreten Funken gedrängt und nicht nur „Milliarden Jahre sind vergangen". Der Funke, der in der Wissenschaft nützlich ist, ist keine zufällige Aminosäure. Es ist etwas anderes, und es passiert in zwei Schritten.

7.1 Der früheste Funke, der Menschen möglich macht

Der erste ist ein sich selbst kopierendes System mit Vererbung und Variation, das Darwinsche Evolution durchlaufen kann. Man spricht oft von einem RNA-ähnlichen Replikator, der Information speichert und Katalyse übernimmt, gekoppelt an Kompartimente, die Protozellen. Das ist der Punkt, an dem Chemie zu einem evolutionären Prozess wird und aufhört, nur Reaktionen zu sein. Arbeiten an Fettsäure-Vesikeln, die genetische Polymere enthalten, sind eine experimentell gestützte Linie dafür, wie Protozell-ähnliche Systeme entstehen und Wachstum mit Teilung koppeln könnten. Und die Literatur zur RNA-Welt erklärt, warum RNA, oder ein Polymer wie RNA, attraktiv ist. Es kann Information tragen und Reaktionen katalysieren, also ist es eine Brücke von Chemie zu Vererbung.

7.2 Der spätere Funke, der einem Menschen am nächsten kommt

Ich habe auch gefragt, was der Funke eines Menschen ist, und nicht nur des Lebens. Ein starker Kandidat für den großen Übergang, der komplexes mehrzelliges Leben möglich machte, ist die Eukaryogenese mit Mitochondrien. Mitochondrien stammen von einem ursprünglichen Alphaproteobakterium ab, das als Endosymbiont in einer anderen Zelle lebte, und dieses Ereignis ist eng mit dem Aufstieg der komplexen eukaryotischen Zelle verbunden. Von dort aus ist der Weg zum Menschen die Standard-Evolutionsgeschichte, Multizellularität, dann Tiere, Wirbeltiere, Säugetiere, Primaten und Homininen.

8) Meine Physik-Analogie, Kettenreaktionen, Wärmemischung und Materie, die darum konkurriert, gleich zu sein

Ich hatte vorgeschlagen, dass physikalische Prozesse wie nukleare Kettenreaktionen, Fusion und Fission und sogar das Mischen warmer und kalter Luft wie Konkurrenz, Variation und das Bewahren von Information aussehen, und dass es vielleicht einen RNA-ähnlichen Informationsfluss in der Materie selbst gibt. Eine sorgfältige Art, das zu formulieren, geht so. Viele physikalische Systeme zeigen Verstärkung, wie Kettenreaktionen, und Musterbildung, wie Konvektion, und sie können Information auf mikroskopischer Ebene bewahren. Aber Darwinsche Evolution braucht etwas Besonderes, hochpräzises Kopieren von einer Vorlage mit Variation, die vererbt wird, damit sich Anpassung summieren kann. Turbulente Mischung und thermisches Gleichgewicht löschen normalerweise die nützliche makroskopische Information, selbst wenn die mikroskopische Dynamik im Prinzip reversibel bleibt, und das ist das Gegenteil von dem, was Genome tun. Also funktioniert meine Analogie am besten, wenn man sie als Physik fern vom Gleichgewicht liest, die Strukturen erzeugt, die bestehen bleiben, während offene Darwinsche Evolution Vererbung durch Vorlagen braucht.

9) Verschränkung, wenn A sich ändert, ändert sich B, warum ändert sich dann nicht Bs Umgebung?

Das war der Knoten, zu dem ich immer wieder zurückkam. Die Antwort ist, dass Leute zwei verschiedene Dinge meinen, wenn sie „Zustandsänderung" sagen.

9.1 Was sich sofort ändert, in der gemeinsamen Beschreibung

Wenn A und B verschränkt sind, erlaubt eine Messung an A, den bedingten Zustand zu aktualisieren, den man B zuweist, basierend auf dem Ergebnis bei A.

9.2 Was sich lokal bei B nicht ändert, ohne klassische Kommunikation

Die lokale Physik bei B folgt dem reduzierten Zustand von B. Das No-Communication-Prinzip, auch No-Signaling genannt, besagt, dass lokale Operationen und Messungen an A nicht benutzt werden können, um Information schneller als Licht zu B zu senden. Die lokalen Ergebnisstatistiken bei B bleiben gleich, bis ein klassisches Signal ankommt.

9.3 Wie Verschränkung in Experimenten nachgewiesen wird

Ich hatte gefragt, wie wir sie beeinflussen und nachweisen, und ob wir beide Seiten gleichzeitig ändern müssen. Ein Standardansatz ist, die Messbasen auf jeder Seite unabhängig zu wählen, die Ergebnisse aufzuzeichnen und dann zu zeigen, dass die Korrelationen eine Bell-Ungleichung verletzen, zum Beispiel CHSH. Das schließt Erklärungen mit lokalen verborgenen Variablen aus, unter den Annahmen des Experiments. Ein bahnbrechender lückenloser Bell-Test mit getrennten Systemen ist ein Beispiel für diese Art von Experiment. Und die Antwort auf meine Timing-Frage ist nein, man muss nicht beide Seiten gleichzeitig ändern. Man braucht Messungen auf beiden Seiten und eine Analyse der Korrelationen, und raumartige Trennung wird verwendet, damit normale kausale Koordination ausgeschlossen ist.

10) Ist Verschränkung nur Spin null oder eins, und spielt Spin eine Rolle bei Fusion und Fission?

Ich hatte gefragt, ob Verschränkung nur mit zwei Zuständen funktioniert, Spin up und Spin down, und ob Spin reale physikalische Effekte in nuklearen Prozessen hat.

10.1 Freiheitsgrade in der Verschränkung

Verschränkung kann viele Freiheitsgrade umfassen, wie Polarisation, Pfad, Energie- und Zeitbins oder Bahndrehimpuls. Und Systeme sind nicht auf zwei Niveaus beschränkt. Qudits und kontinuierliche Variablen-Verschränkung existieren im Prinzip und in der Praxis.

10.2 Spielt Spin bei der Fusion eine Rolle?

Ja. Die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion kann davon abhängen, wie die Spins ausgerichtet sind. Spin-polarisierte Fusion wird genau aus diesem Grund untersucht, weil das Ausrichten der Spins der Reaktanten die Wirkungsquerschnitte erhöhen kann. First-Principles-Kernrechnungen und Fusionsforschung berichten, dass vollständig ausgerichtete D–T-Polarisation den D–T-Fusionsquerschnitt um etwa 50% erhöhen kann, also ungefähr einen Faktor 1,5, bei idealer Polarisation. Das ist ein lokaler Effekt. Spin ändert die nuklearen Reaktionskanäle und die Wirkungsquerschnitte. Es ist kein Beispiel dafür, dass entfernte Verschränkung Materie weit weg anders verhalten lässt.

11) Mein Ziel, ein Experiment, bei dem Verschränkung eine darwinistische Reaktion auf beiden Seiten auslöst

Ich hatte nach dem nächstliegenden Experiment gefragt, bei dem zwei verschränkte Systeme jeweils mit ihrer eigenen lokalen Umgebung auf eine Weise interagieren, die darwinistisch aussieht, sodass Dinge bestehen bleiben, konkurrieren und stabile Gewinner hervorgehen. Das nächstliegende gut entwickelte Framework ist Quantum Darwinism. Dekohärenz filtert die fragilen Superpositionen heraus. Eine kleine Menge stabiler Pointer-Zustände überlebt den Kontakt mit der Umgebung, und das nennt man umgebungsinduzierte Superselektion, oder Einselection. Und dann speichert die Umgebung viele redundante Aufzeichnungen der Pointer-Zustandsinformation, sodass viele Beobachter sich auf dieselbe klassische Realität einigen können. Ein kürzliches Experiment mit supraleitenden Schaltkreisen berichtet eine vollständige Demonstration, die zu diesen Quantum-Darwinism-Signaturen passt, die Verzweigungsstruktur und die Redundanz, mit dem Plateau in der wechselseitigen Information.

11.1 Ein konkretes zweiseitiges Design, das dem entspricht, was ich vorgeschlagen hatte

Schritt 1, bereite A und B in einem verschränkten Zustand vor.

Schritt 2, kopple A an eine lokale Umgebung E_A, viele Ancilla-Qubits oder photonische Moden, und kopple B an eine unabhängige lokale Umgebung E_B.

Schritt 3, baue die Kopplung so, dass jede Umgebung ihr System überwacht, Pointer-Zustände auswählt und redundante Kopien der klassischen Information des Systems in viele Fragmente der Umgebung einprägt.

Schritt 4, prüfe auf Darwinismus-ähnliches Verhalten, indem du zeigst, dass kleine Fragmente von E_A, und separat von E_B, jeweils im Wesentlichen dieselbe Pointer-Zustandsinformation offenbaren, das Redundanz-Plateau, während die Quantenkohärenzen darunter unterdrückt werden.

Das ist nur in einem präzisen und begrenzten Sinne Darwin-ähnlich. Die Selektion ist, dass Pointer-Zustände die stabilen Überlebenden der Dekohärenz sind. Die Replikation ist, dass die Umgebung viele Kopien, redundante Aufzeichnungen, dieser Überlebenden speichert. Was es nicht ist, ist die offene Anpassung der biologischen Evolution, durch Variation, die über Generationen vererbt wird.

12) Meine Erweiterung auf kosmische Größenordnungen: Schwarze Löcher, Expansion und Chaos in der Ferne

Ich habe eine spekulative Extrapolation vorgeschlagen: Wenn ferne Systeme verschränkt sind, etwa das Innere Schwarzer Löcher mit der Hawking-Strahlung oder andere kosmologische Freiheitsgrade, könnte eine Seite vielleicht auf Darwin-ähnliche Weise Veränderungen oder Chaos an einem anderen Ort erzeugen. Eine vorsichtige Formulierung, die zu dem passt, was wir wissen, geht so: Schwarze Löcher und Hawking-Strahlung werfen tiefe Fragen zu Verschränkung und Information auf, etwa das Informationsparadoxon Schwarzer Löcher und die Page-Kurve. Es gibt spekulative Ideen, die Verschränkung und Geometrie verknüpfen, zum Beispiel ER=EPR, die Vermutung, dass Wurmlöcher und Verschränkung zusammenhängen. Aber Verschränkung allein gibt dir keinen kausalen Kanal, den du kontrollieren kannst. Sie verändert Korrelationen, und sie ändert die lokale Dynamik nicht so, dass du Effekte in einer fernen Umgebung erzwingen könntest, denn No-Signaling bleibt die Regel. Mein Bild von Schwarzen Löchern, Expansion und Schöpfung sollte man also am besten als Spekulation auf Forschungsniveau über globale Korrelationen behandeln, nicht als Mechanismus für Darwin-ähnlichen kausalen Einfluss aus der Ferne.

Der ganze Bogen kurz zusammengefasst

Menschen beherbergen eine riesige Biodiversität, vor allem mikrobiell. Globale Kataloge schätzen etwa 10.000 Bakterienarten, die mit Menschen assoziiert sind, und etwa 1.000 pro Person gleichzeitig; die Darm-Prokaryoten-Kataloge liegen bei 4.644 Arten, die Darm-Virome bei über 140.000 viralen Gruppen und die Mykobiome bei über 390 Pilzarten. Wenn du nur Tiere mit Gehirn und Herz zählst, sind die nächsten Besiedler hauptsächlich Demodex-Milben, dazu Läuse und Krätzmilben als Parasiten, die bleiben, während die anderen wie Bettwanzen, Sandflöhe und Dassellarven kommen und gehen oder in der Umgebung leben. Kein Organismus entkommt am Ende dem Gefressenwerden, und die Zersetzer, Bakterien und Pilze, sind die letzten Verdauer der Biosphäre. Das erste außerirdische Leben, das wir finden, wird höchstwahrscheinlich mikrobiell sein, und wir werden vielleicht Biosignaturen entdecken, bevor wir Organismen finden.

Meteoriten wie Murchison haben wahrscheinlich organisches Material, einschließlich Aminosäuren, zur frühen Erde gebracht, aber sie waren höchstwahrscheinlich ein Teil einer größeren chemischen Lieferkette. Der Funke für Leben, der sich am einfachsten verteidigen lässt, ist ein templatbasiertes Selbstkopiersystem, das Darwinsche Evolution durchlaufen kann, wahrscheinlich in Kompartimenten wie Protozellen. Der Funke für Komplexität auf menschlichem Niveau, der sich am einfachsten verteidigen lässt, ist die Eukaryogenese mit Mitochondrien. Verschränkung erzeugt starke nichtklassische Korrelationen, verifiziert durch Bell-Tests, aber sie erlaubt keine kausale Fernsteuerung einer entfernten Umgebung, wegen No-Signaling. Und das, was in der Physik dem Darwinismus am nächsten kommt, ist Quantum Darwinism, bei dem Dekohärenz stabile Pointer-Zustände auswählt und die Umgebung deren Information immer wieder kopiert.