Eläviin olioihin, jopa niiden pienimpiin osasiin, soluihin, liittyy tiettyjä ominaisuuksia, jotka tekevät niistä paitsi vaikeita tutkimuksen kohteita, myös hyvin mielenkiintoisia. Näitä ominaisuuksia ovat epälineaarisuus, tasapainotilojen puuttuminen ja kompleksisuus. Toisaalta monet ilmiöt soluissa näyttävät perustuvan monimutkaisiin satunnaisiin, ts. sattumanvaraisiin prosesseihin. Kuitenkin yhdistettynä muihin luonnonlakeihin nämä satunnaiset ilmiöt ohjautuvat tapahtumasarjoiksi, jotka näyttäytyvät meille elämänä.
Epälineaarisuus on yksi elämän keskeisiä ilmiöitä. Tiede tutkii usein ilmiöitä, jotka ovat yksinkertaisesti summautuvia eli lineaarisia (esimerkiksi 1 kg + 1 kg = 2 kg). Elämän perustana olevat lainalaisuudet noudattavat tätä sääntöä hyvin harvoin, ja monet elämän ilmiöt perustuvat nimenomaan tämän säännönmukaisuuden rikkomiseen, epälineaarisuuteen. Tällaisia ilmiöita esiintyy esimerkiksi hermosolujen viestinnässä ja sydämen pumppaustoiminnan mahdollistavassa sydänsolujen supistumisessa.
Tasapainotilojen puuttuminen on myös yksi keskeinen elämän piirre. Elävät oliot käyttävät energiaa toimiessaan, ja muuttavat sen lopulta lämmöksi. Tämän vuoksi yksi keskeinen fysiikan osa-alue, lämpöoppi (termodynamiikka), on hyödyllinen yritettäessä ymmärtää elämää luonnonilmiönä. Perinteisesti fysiikassa käsitellään ympäristönsä kanssa tasapainotilassa tai hyvin lähellä sitä olevia ilmiöitä. Elävät eliöt ovat sen sijaan energiatasapainossa ainoastaan kuoltuaan eli niiden toiminnan lakattua. Elämä perustuu siihen, että solut voivat ylläpitää suuria kemiallisen ja sähköisen energian eroja sisä- ja ulkotilansa välillä sekä valmistaa ja säilyttää ns. energiarikkaita yhdisteitä, jotka hajoavat helposti. Tällaisten epätasapainojen fysiikka on kovin erilaista kuin klassinen tasapainojen fysiikka.
Monimutkaisuus (kompleksisuus) kuuluu myös elävien olioiden ominaisuuksiin. Solujen ja niistä koostuvien eliöiden toiminta perustuu valtavaan määrään keskinäisessä vuorovaikutuksessa olevia osasia. Esimerkiksi pelkästään ihmisen perimän analyysin perusteella voidaan arvioida, että ihmisen elämän aikana mahdollisesti jopa 30 000 perimän määräämää molekyyliä on toiminnassa. Varsinaiset proteiinit kuten entsyymit, koostuvat usein useasta tällaisesta osasesta, jolloin päästään valtavaan määrään, eräiden arvioiden mukaan jopa miljoonaan toiminnalliseen osaan. Nämä ryhmittyvät veden ja veteen liuenneiden aineiden (kuten ionien) ympäristössä moninaisiksi solun osiksi, solut kudoksiksi ja kudokset eliöiksi. Kaikki osaset, molekyylit ja niitä suuremmat ryhmittymät ovat lukuisissa toiminnallisissa vuorovaikutuksissa toisiinsa molekyylitasolta solutasolle. Tätä monien tekijöiden ja vuorovaikutustasojen ymmärtämisen muodostamaa probleemaa voidaan sanoa elämän tutkimisen monimutkaisuusongelmaksi. Satunnainen liike on kaikkien molekyylien ja ionien ominaisuus. Kun molekyylejä tai ioneja tarkastellaan vesiliuoksessa, millainen elimistön nestekin on, havaitaan, että ne liikkuvat koko ajan paikasta toiseen. Tämän tapahtuman vuoksi erilaisten aineiden pitoisuuserot pyrkivät tasoittumaan sekä soluissa että niiden ulkopuolella, esimerkiksi sokeri tai alkoholi veressä. Tämän mekanismin nimi on diffuusio. Mutta miten ja kuinka nopeasti erilaiset molekyylit oikeastaan liikkuvat? Tätä asiaa on fysiikan ja kemian historiassa tutkittu pitkään. Vasta 1800-luvun alkupuolella englantilainen kasvitieteilijä Robert Brown kuvasi siitepölyhiukkasten liikettä vesiliuoksessa, kun hän katseli sitä mikroskoopilla. Tämä näkyvien hiukkasten liike, ns. Brownin liike, johtuu liuoksen (silmälle näkymättömien) vesimolekyylien jatkuvasta pommituksesta. Havaintoa edelleen analysoinut Albert Einstein onnistui "ihmeellisenä vuonnaan" 1905 julkaisemaan tutkimuksen, jonka pohjalta tätä voitiin mitata ja ymmärtää. Soluissa sekä liuottimen (vesi) että liuenneiden aineiden (mm. ionit, proteiinit) liike on hyvin nopeaa. Vesimolekyylit liikkuvat ihmisen soluissa tyypillisesti yli 1000 km/h ja suurehkot proteiinitkin jopa satoja km/h -nopeudella. Diffuusionopeus on tätä paljon hitaampi, koska molekyylit koko ajan törmäilevät toisiinsa. Molekyylien lämpöliike aiheuttaa useita seuraamuksia elämän tutkimuksella. Tarkasteltaessa hermoston tiedonkäsittelyä havaitaan, että sen nopeus ei voi olla valtavan nopeaa, ellei siihen osallistu suuri määrä soluja. Yhden hermosolun toimintaa rajoittaa olennaisesti lämpöliikkeestä syntyvä kohina. Siirretyn tiedon määrä aikayksikössä voidaan määrätä signaalien ja kohinan voimakkuuden avulla. Niinpä soluissa voisi olla esimerkiksi 50 mV signaaleja 50 kertaa sekunnissa, mutta jos kohina on 5 mV, on signaali-kohina-suhde vain kymmenen. Tästä voidaan laskea, että yksi solu siirtää noin 160 bittiä tietoa sekunnissa. Näköaistin tapauksessa on arvioitu, että verkkokalvo voi kerätä noin miljardi bittiä sekunnissa. Tämän lähettämiseen aivoihin tarvittaisiin noin 62 miljoonaa hermosolua. Verkkokalvolta lähtee todellisuudessa noin miljoona yhteyttä aivoihin, mikä tarkoittaa, että verkkokalvolla tietoa käsitellään ja pakataan, ennen kuin se saapuu aivokuoren käsiteltäväksi.
Yhtenäisteorioilla tutkimuksen kohteiden lukumäärää on kyetty pienentämään. Yhdellä teorialla kyetään sitomaan eri asioilta näyttäviä luonnonilmiöitä toisiinsa. Elämän tutkimuksen ongelmia ei ole kyetty lähestymään tämän tyyppisellä ratkaisulla Seurauksena on tutkimuksen keskittyminen yksittäistapausten selvittämiseen, kukin vuorovaikutussuhde kerrallaan. Voidaan arvailla, että syitä tähän voisivat olla mainitut epälinearisuus, tasapainojen puuttuminen sekä satunnaisilmiöiden suuri merkitys. Tutkimuksessa joudutaan usein käyttämään lineaarisia ja tasapainossa olevia malleja, joiden antamat tulokset ovat usein rajoitetusti käyttökelpoisia, mutta antavat perimmältään väärän kuvan elävien olentojen toiminnasta. Selvittämällä elävien olentojen toimintaa niiden oikeista lähtökohdista elämä näyttäytyisi ehkä fyysikollekin oikeassa valossa, ja ehkä jonkinlainen "yhtenäisteoriakin" voisi joskus olla mahdollinen.