metamorworks/Shutterstock
Wat is het verschil tussen een levende verzameling materie, zoals een schildpad, en een levenloze klomp, zoals een steen? Ze zijn tenslotte allebei gewoon opgebouwd uit niet-levende atomen. De waarheid is dat we het nog niet echt weten. Leven lijkt op de een of andere manier te ontstaan uit niet-levende delen.
Dit is een raadsel dat we behandelen in de vijfde aflevering van onze Grote Mysteries van de Natuurkunde podcast – gepresenteerd door mij, Miriam Frankel, wetenschapsredacteur bij The Conversation, en ondersteund door FQxI, het Foundational Questions Institute.
De fysica van de levende wereld lijkt uiteindelijk in tegenspraak met de tweede wet van de thermodynamica: dat een gesloten systeem in de loop der tijd wanordelijker wordt en toeneemt in wat natuurkundigen entropie noemen. Levende systemen hebben een lage entropie. Een rommelig klompje weefsel in de baarmoeder kan bijvoorbeeld uitgroeien tot een zeer geordende voet met vijf tenen.
“We houden dit hoge gevoel van orde vele, vele tientallen jaren vol,” verklaart Jim Al-Khalili, een omroeper en vooraanstaand hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Surrey in het Verenigd Koninkrijk. “Het is pas wanneer we sterven dat entropie en de tweede wet van de thermodynamica echt in werking treden.”
Kwantumbiologie is één benadering om te begrijpen hoe levende materie verschilt van levenloze materie. Het is gebaseerd op de vreemde wereld van de kwantummechanica, die de microwereld van deeltjes en atomen beheerst. Het idee is dat levende systemen de kwantummechanica in hun voordeel kunnen gebruiken – door kwantumprocessen te bevorderen of te stoppen.
“De evolutie heeft lang genoeg de tijd gehad om dingen af te stellen of om de kwantummechanica ervan te weerhouden iets te doen wat het leven niet wil,” legt Al-Khalili uit, die onderzoek doet op dit gebied. “Het is een nieuw wetenschappelijk gebied.”
Een voorbeeld, hoewel nog steeds controversieel, is fotosynthese, het proces waarbij planten of bacteriën deeltjes zonlicht, fotonen, absorberen en omzetten in chemische energie. Sommige natuurkundigen geloven dat een kwantumeigenschap die bekend staat als superpositie – waardoor een deeltje in vele mogelijke toestanden kan verkeren, zoals het nemen van verschillende paden, tegelijkertijd – dit proces mogelijk maakt.
“Een brok energie [such as a photon] die zomaar willekeurig rondstuitert, zou verloren moeten gaan als afvalwarmte,” legt Al-Khalili uit. “Er is een kwantummechanische verklaring voor hoe dat foton meerdere paden tegelijk volgt.”
Al-Khalili en zijn collega’s gebruiken de kwantumbiologie nu om DNA-mutaties – een essentieel onderdeel van het leven – te begrijpen, en ze hebben al een aantal intrigerende ontdekkingen gedaan. En hoewel hij er niet van overtuigd is dat de aanpak ooit het bewustzijn zal kunnen verklaren, stelt hij dat we het niet kunnen uitsluiten.
Sara Walker, astrobioloog en theoretisch natuurkundige, werkzaam als professor aan de Arizona State University in de VS, is echter voorstander van een andere benadering. Zij probeert een nieuwe natuurkundige theorie van het leven te creëren, gebaseerd op de informatietheorie – die ervan uitgaat dat informatie echt en fysiek is.
Informatie lijkt cruciaal te zijn voor het leven. Levende organismen hebben een ingebouwde set instructies, DNA, die niet-levende dingen eenvoudigweg niet hebben. Evenzo, wanneer levende wezens dingen uitvinden, zoals raketten, vertrouwen zij op informatie, zoals kennis van de wetten van de fysica, opgeslagen in hun geheugen.
We kunnen de huidige wetten van de natuurkunde gebruiken om te voorspellen hoe een planeet zich in de tijd ontwikkelt, bijvoorbeeld of en wanneer nabije objecten er waarschijnlijk op zullen botsen. Maar we kunnen de wetten niet gebruiken om te verklaren hoe en wanneer intelligente wezens ontstaan en besluiten om raketten en satellieten te bouwen die ze in een baan om de planeet lanceren.
“Ik denk dat er nog onontdekte natuurkundige wetten zijn die het verschijnsel leven verklaren, en ik denk dat die te maken hebben met hoe informatie de werkelijkheid in zekere zin structureert,” legt Walker uit.
Walker gelooft dat levende organismen complexer en moeilijker te assembleren zijn uit fundamentele bouwstenen dan levenloze, natuurlijk geproduceerde objecten, zoals eenvoudige moleculen. En als er eenvoudige levende wezens bestaan, lijken ze nog meer complexiteit te genereren – hetzij door evolutie, hetzij door constructie.
Walker gelooft dus dat het leven een plotselinge toename in complexiteit genereert, die mogelijk een drempel heeft die een fundamenteel kenmerk zou kunnen zijn in de fysica van het leven. Een ander centraal onderdeel van haar theorie is tijd. “Hoe dieper in de tijd een object is, hoe meer evolutie nodig is om het te produceren.”
Walker heeft een experiment ontworpen om te kijken hoe moleculen worden opgebouwd door kleinere stukjes op verschillende manieren samen te voegen. Ze zegt dat het team geen bewijs heeft gevonden dat moleculen met een hoge complexiteit kunnen worden geproduceerd door niet-levende dingen. Het uiteindelijke doel is een oorsprong van leven aan te wijzen waarbij een chemisch systeem zijn eigen complexiteit kan genereren.
Dat zou ons niet alleen kunnen helpen te begrijpen hoe leven ontstaat uit niet-levende bouwstenen, we zouden het ook kunnen gebruiken om te zoeken naar leven op andere werelden in de kosmos.
Je kunt naar Grote Mysteries van de Natuurkunde luisteren via een van de bovenstaande apps, onze RSS-feed, of hier vinden hoe je anders kunt luisteren. U kunt hier ook een transcriptie van de aflevering lezen.
Jim Al-Khalili ontvangt financiering voor zijn onderzoek van verschillende instanties: Britse financieringsinstanties (EPSRC, STFC), trusts en liefdadigheidsinstellingen (Leverhulme Trust, John Templeton Foundation). Deze middelen worden gebruikt om een deel van zijn salaris te betalen, samen met dat van collega’s en medewerkers, postdocsalarissen, reis- en verblijfskosten voor onderzoek en conferenties, enz. Sara Walker ontvangt financiering van de John Templeton Foundation en de NASA. Zij is fellow aan het Berggruen Instituut en extern faculteit aan het Santa Fe Instituut.