Life 2012, 2, 1-105; doi:10.3390/life2010001

OPEN ACCESS

life

ISSN 2075-1729

www.mdpi.com/journal/life

Article

Theory of the Origin, Evolution, and Nature of Life

Erik D. Andrulis

Department of Molecular Biology and Microbiology, Case Western Reserve University School of

Medicine, Wood Building, W212, Cleveland, OH 44106, USA; E-Mail: exa32@case.edu;

Tel.: +1-216-368-0261; Fax: +1-216-368-3055

Received: 15 November 2011; in revised form: 10 December 2011 / Accepted: 13 December 2011 /

Published: 23 December 2011

Abstract: Life is an inordinately complex unsolved puzzle. Despite significant theoretical

progress,  experimental  anomalies,  paradoxes,  and  enigmas  have  revealed  paradigmatic

limitations. Thus, the advancement of scientific understanding requires new models that

resolve fundamental problems. Here, I present a theoretical framework that economically

fits  evidence  accumulated  from  examinations  of  life.  This  theory  is  based  upon  a

straightforward  and  non-mathematical  core  model  and  proposes  unique  yet  empirically

consistent  explanations  for  major  phenomena  including,  but  not  limited  to,  quantum

gravity,  phase  transitions  of  water,  why  living  systems  are  predominantly  CHNOPS

(carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, phosphorus, and sulfur), homochirality of sugars and

amino acids, homeoviscous adaptation, triplet code, and DNA mutations. The theoretical

framework unifies the macrocosmic and microcosmic realms, validates predicted laws of

nature, and solves the puzzle of the origin and evolution of cellular life in the universe.

Keywords: quantum; gyre; emergence; thermodynamics; singularity; natural law; adaptation;

learning and memory

1. Introduction

How life abides by the second law of thermodynamics yet evolutionarily complexifies and maintains

its  intrinsic  order  is  a  fundamental  mystery  in  physics,  chemistry,  and  biology  [1].  Solving  this

problem requires an interdisciplinary knowledge and an awareness of conventional theories, especially

those related to the origin and evolution of life. Rather than give a comprehensive literature review,

I introduce a handful of these ideas and point out their limitations.

Life 2012, 2                                                                                                                                                                                                  2

The panspermia hypothesis has many forms, some of which suggest that life started elsewhere

in the universe and arrived on Earth by cometary, meteoric, or planetary delivery [2,3]. The problem

with this group of models is that it does not, in an empirically complete and consistent manner, explain

the molecular origin of the first cell and hence avoids the issue in need of solution. The primordial

soup hypothesis, also know as the Oparin-Haldane model, posits that during the early evolution of the

Earth, a reducing atmosphere provided the correct environment for the formation of basic organic

compounds [4,5]. Though the soup model has matured in recent decades, it has difficulty explaining

the  exact  conditions  of  the  early  Earth  atmosphere  and  the  manner  and  order  of  emergence  of

polymeric systems. In the iron-sulfur world theory, primitive life is assumed to have started at deep-sea

hydrothermal  vents  as  a  mineral  base;  redox  reactions  provided  the  chemical  energy  to  drive  the

emergence of cellular life [6]. However, this model does not explain the origin of genetic information,

membrane  systems,  or  the  complexification  or  diversity  of  cellular  structure.  Finally,  the  RNA

(ribonucleic acid) world hypothesis posits that ribonucleotide-based genetic systems evolved prior to

protein and deoxyribonucleic acid (DNA). This hypothesis does not fit well with the central dogma

and  is  unable  to  resolve  precisely  how  the  translation  apparatus,  genetic  code,  and  biometabolic

pathways evolved [7-9]. In short, no consensus model for life has emerged.

Now, therefore, to know what life is and how life works, scientists need a scientifically accurate

theory. The aim of a scientific theory is to construct a formal structure—in which the natural world is

being modeled—to explain, predict, and control systems, events, and objects. Insofar as the physical,

chemical, and biological sciences are true, physical reality and life itself thus reflexively model such a

scientific theory; tautologically, the natural world subsumes said theory. Several investigators have

detailed what would be required of a unifying bioscientific theory [1,10-24]. The correct theory would

be expected to not only explain how the living cell works now, but also to provide insight into the

evolution of life on Earth.

In the theory proposed herein, I use the heterodox yet simple gyre—a spiral, vortex, whorl, or

similar circular pattern—as a core model for understanding life. Because many elements of the gyre

model (gyromodel) are alien, I introduce neologisms and important terms in bold italics to identify

them; a theoretical lexicon is presented in Table 1. The central idea of this theory is that all physical

reality, stretching from the so-called inanimate into the animate realm and from micro- to meso- to

macrocosmic scales, can be interpreted and modeled as manifestations of a single geometric entity, the

gyre. This entity is attractive because it has life-like characteristics, undergoes morphogenesis, and is

responsive  to  environmental  conditions.  The  gyromodel  depicts  the  spatiotemporal  behavior  and

properties  of  elementary  particles,  celestial  bodies,  atoms,  chemicals,  molecules,  and  systems  as

quantized packets of information, energy, and/or matter that oscillate between excited and ground

states around a singularity. The singularity, in turn, modulates these states by alternating attractive and

repulsive forces. The singularity itself is modeled as a gyre, thus evincing a thermodynamic, fractal,

and nested organization of the gyromodel. In fitting the scientific evidence from quantum gravity to

cell  division,  this  theory  arrives  at  an  understanding  of  life  that  questions  traditional  beliefs

and definitions.

Life 2012, 2                                                                                                                                                                                                  3

Table 1. Gyromodel Lexicon a.

Term                         Meaning

Alternagyre             A gyrosystem whose gyrapex is not triquantal

Dextragyre              A right-handed gyre or gyromodel

Focagyre                  A gyre that is the focal point of analysis or discussion

Gyradaptor             The gyre singularity—a quantum—that exerts all forces on the gyrosystem

Gyrapex                   The relativistically high potential, excited, unstable, learning state of a particle

Gyraxiom                A fact, condition, principle, or rule that constrains and defines the theoretical framework

Gyre                          The spacetime shape or path of a particle or group of particles; a quantum

Gyrequation            Shorthand notation for analysis, discussion, and understanding gyromodels

Gyrobase                 The relativistically low potential, ground, stable, memory state of a particle

Gyrognosis              The thermodynamically demanding process of learning and integrating IEM

Gyrolink                   The mIEM particle that links two gyromodules in a gyronexus

Gyromnemesis       The thermodynamically conserving process of remembering and recovering IEM

Gyromodel              The core model undergirding the theoretical framework

Gyromodule            A dIEM particle in a gyronexus

Gyronexus               A polymer of dIEM particles linked by mIEM particles

Gyrostate                 The potential and/or kinetic state that a particle occupies in its gyratory path

Gyrosystem             A gyromodel with specific IEM composition, organization, and purpose

IEM  b                       Information, energy, and/or matter

Levoragyre              A left-handed gyre or gyromodel

Majorgyre               A gyrosystem whose gyrapex is triquantal

Matrioshkagyre      A model that demonstrates how gyres organize in nested sets

Ohiogyre                  Higher-order organization in which a gyre gyrates around another gyre

Particle                     A discrete, finite, empirically definable unit of IEM

Quantal                    Of or relating to the quantum; tri-, di-, uni- and aquantal gyrostates found in majorgyres

Quantum                 A capacious, potentially infinite, uncertain unit of IEM; a gyre

Subgyre                    The gyre that subsumed by the focagyre

Supragyre                The gyre that subsumes the focagyre

Trimergence            Evolutionary emergence of a triquantal IEM

Prefixes  c

Amino                      Of or relating to sulfur compounds (particles), amino acids, polypeptides

Carbo                       Of or relating to carbon particles, carbohydrates, hydrocarbons

Cellulo                      Of or relating to cells, archaebacteria, eubacteria, eukaryotes

Electro                      Of or relating to visible matter particles, chemical elements, planetary cores

Geno                         Of or relating to genes, DNA, chromosomes, genomes

Oxy                           Of or relating to oxygen particles, water, oceans, lunar cores

Phospho                   Of or relating to phosphate particles, phospholipids, phosphate signaling

Ribo                          Of or relating to nitrogen particles, nitrogenous bases, RNA

Suffixes   c

–cycle                       The spacetime period to complete a regular series of events in the same order

–gyre                        Having the quality of a vortex; characterized by cyclical, oscillatory, and unpredictable

motion; attractorepulsive, expansocontractive, and creatodestructive

–gnose                      Characterized by learning or by IEM consideration and integration

–helix                       Having a three-dimensional twisting, winding shape like that of a spiral staircase

–matrix                    Having a three-dimensional networked, latticed shape like graphene or an ice crystal

–mneme                  Characterized by memory or by IEM storage and retrieval

Life 2012, 2                                                                                                                                                                                                  4

Table 1. Cont.

Term                Meaning

Suffixes   c

–nexus             Being connected or linked in a series

–on                Having the quality of a quantum; a particle or an amalgam of such particles

–sphere            Having orb-like features and hyperbolic geometry

a This lexicon is presented alphabetically. In several circumstances, this ordering of words causes definitional

cascading—that is, reading of word 1 uncovers an undefined word 2; reading the definition of word 2 reveals

undefined word 3; the definition of word 3 provides an ultimate explanation and a meaningful backdrop for

understanding  words  1  and  2. b  The  gyromodel  has  defining  IEM  (dIEM)  and  modifying  IEM  (mIEM)

particles.  c  Each  prefix  is  combined  with  each  and  every  suffix  to  expand  the  lexicon  of  the  theoretical

framework.  This  neologistical  appending  reveals  the  commonality  between,  within,  and  among  the  distinct

gyrosystems.

2. Model

Throughout history, scholars have used the gyre in their models. For example, in ancient Greece,

Democritus posited vortex motion to be a law of nature. In the 16th century, Copernicus modeled

planets gyrating around a stellar singularity and Descartes proposed his vortex theory for planetary

motion in the 17th century. The 19th century found Helmholtz rediscovering the Democritean law and

Lord Kelvin and Maxwell using the gyre as the basis of different electromagnetic theories. In the early

20th century, Bostick used the gyre in his spiraling helicon fiber model and Thomson proposed that

atoms were vortex rings. Many others have promulgated the gyre as core model of nature.

Perhaps one reason for their theoretical appeal is that gyres are detectable throughout the cosmic

and  tellurian  realms.  Astronomically,  galaxies,  solar  systems,  comets,  and  lunar  bodies  gyrate.

Atmospherically, tornadoes, hurricanes, eddies, and vortex streets are all gyres. Oceanographically,

there are seven major gyres. Molecularly, numerous nucleic acid and protein structures—DNA double

helix, RNA hairpins, pseudoknots, α-helices, coiled coils, and β-propellers—all gyrate. Cellularly and

organismally, shells, horns, antennae, flagellae, and the cochlea all carry a spiral imprint. Given its

theoretical pedigree, empirical ubiquity, and dynamic character, the gyre appears, a posteriori, to be a

prime candidate for a core model of natural systems.

2.1. Gyre Facts

There  are  numerous  facts  that  characterize  all  gyres  [25-28].  These  facts—introduced  here  for

propaedeutic purposes—demonstrate that the gyre is protean. For this presentation, I have separated

these facts into four broad, overlapping categories and subsections: gyre structure, gyre qualities, gyre

thermodynamics, and gyre forces. I conclude this section with a brief summary regarding the gyre and

its relevance to theoretical pursuits.

2.1.1. Gyre Structure

A  visual  examination  of  the  gyre  reveals  a  remarkably  plastic  geometric  form.  That  is,  gyres

manifest particular shapes and patterns of a non-Euclidean form. Viewed transversely, many gyres are

elongated, helicoid, conical, or funnel-shaped, with a tapered bottom that ends in a point or singularity

Life 2012, 2                                                                                                                                                                                                  5

and have a wide aperture at their top. Other gyres are cylindrical, catenoid, flattened, or disc-like.

When viewed head on, both the singularity and aperture frequently appear as perfect circles, like in a

galactic center or the eye of a hurricane. Measurements from the singularity of a natural gyre to its

circumferential aperture show exponential growth whereas the converse shows exponential decay. Any

gyre is fractal because of its self-similarity, fine structure, and simple and recursive nature.

The  gyre  singularity  is  defined  here  as  the  central  position  around  which  energy  and  matter

(discussed further in 2.3.1) revolve. The singularity is also the point of highest energy and matter

density and potency in the gyre. Suggestive of the applicability of the gyre to modeling nature, the

singularity concept is found both in astrophysics [29,30] and in life sciences [31]. Gyres are also

symmetrical: they have organizational or compositional reflectivity, identity, or similarity around a

radial axis that bisects the singularity. This symmetry is detectable in spiral galaxies, chemicals like

heme, and macromolecules structures like the centrosome.

Gyres are chiral, i.e., have handedness. When viewed head on, a left-handed gyre rotates clockwise;

a right-handed gyre rotates counter-clockwise. The paradox of chirality is that a left-handed gyre,

when inverted 180° and viewed anew, is a right-handed gyre. This paradox is at the core of the

problem of life. Indeed, homochirality—exclusive use of one chiral form or the other—is observed

throughout life, where sugars are dextral (D), amino acids in polypeptides are levoral (L) and nucleotides

in nucleic acids are D form [32]. With this paradox in mind, the core, generic gyromodel can be

viewed as either left-handed (levoragyre; (Figure 1a (i)) or right-handed (dextragyre; (Figure 1a (ii)).

2.1.2. Gyre Qualities

There are several characteristics of a gyre that make it theoretically appealing. Most notably, gyres

are organic, that is, they have qualities identical to those found in living systems: they adapt their

shape, size, position, rate, strength, and direction. Furthermore, gyres follow a life cycle of emergence

(birth),  development  (aging),  and  dissolution  (death).  Gyres  spontaneously  self-organize  when  the

pressure,  temperature,  energy,  and  matter  conditions  are  appropriate.  Foreshadowing  gyromodel

application,  scientists  have  proposed  that  the  universe,  matter,  molecules,  cells,  and  ecosystems,

among  other  aspects  of  nature,  are  self-organizing  [33-36].  Given  gyre  spontaneity,  the  precise

spatiotemporal coordinates of gyre emergence or trajectory are unpredictable. Likewise, accurately

predicting gyre strength and composition is beyond current scientific techniques.

This  unpredictability  is  found  in  nonlinear  equations:  gyres  do  not  operate  in  a  sequential  or

deterministic manner and therefore do not permit simple mathematical depiction. Restated, the versatile

gyre does not avail itself to the predictive power of mathematics. As an aside, it is worth mentioning

that a complete and consistent mathematical model of the universe is thought impossible due to Gödel’s

incompleteness [37,38]. The vicissitudinous gyre, though non-mathematical, epitomizes nature.