Ryan Boedi/Shutterstock
In de korte periode van slechts 300 jaar, sinds de uitvinding van de moderne natuurkunde, hebben we meer inzicht gekregen in hoe ons universum werkt op zowel kleine als grote schaal. Toch is de natuurkunde nog erg jong en als het erop aankomt haar te gebruiken om het leven te verklaren, worstelen natuurkundigen.
Zelfs nu nog kunnen we niet echt verklaren wat het verschil is tussen een levende klomp materie en een dode. Maar mijn collega’s en ik creëren een nieuwe fysica van het leven die misschien binnenkort antwoorden kan geven.
Meer dan 150 jaar geleden noteerde Darwin op aangrijpende wijze de dichotomie tussen wat we begrijpen in de fysica en wat we waarnemen in het leven – aan het eind van The Origin of Species merkte hij op “…terwijl deze planeet verder fietst volgens de vaste wet van de zwaartekracht, zijn en worden uit zo’n eenvoudig begin eindeloos veel mooie en wonderbaarlijke vormen geëvolueerd”.
Het belang van tijd
Isaac Newton beschreef een universum waarin de wetten nooit veranderen, en de tijd een onveranderlijke en absolute achtergrond is waartegen alles beweegt. Darwin echter, observeerde een universum waar eindeloze vormen ontstaan, die elk kenmerken veranderen van wat daarvoor kwam, wat suggereert dat de tijd niet alleen een richting heeft, maar dat het in zekere zin op zichzelf terugplooit. Nieuwe evolutionaire vormen kunnen alleen ontstaan door selectie op het verleden.
Vermoedelijk beschrijven deze twee wetenschapsgebieden hetzelfde universum, maar hoe kunnen twee zulke diametraal tegenovergestelde visies verenigd worden? De sleutel om te begrijpen waarom het leven niet verklaarbaar is in de huidige natuurkunde is misschien het heroverwegen van onze opvattingen over tijd als het belangrijkste verschil tussen het universum zoals beschreven door Newton en dat van Darwin. Tijd is in de geschiedenis van de natuurkunde vele malen opnieuw uitgevonden.
Hoewel Newton’s tijd vast en absoluut was, werd Einstein’s tijd een dimensie – net als ruimte. En net zoals alle punten in de ruimte tegelijk bestaan, bestaan ook alle punten in de tijd. Deze filosofie van de tijd wordt soms het “blokuniversum” genoemd, waarin verleden, heden en toekomst even reëel zijn en in een statische structuur bestaan – zonder speciaal “nu”. In de kwantummechanica komt het verstrijken van de tijd voort uit de manier waarop kwantumtoestanden van het ene op het andere moment veranderen.
Bij dit artikel hoort een podcastserie genaamd Great Mysteries of Physics, waarin de grootste mysteries waar natuurkundigen vandaag de dag mee te maken hebben aan het licht komen – en de radicale voorstellen om ze op te lossen worden besproken.
De uitvinding van de thermodynamica gaf de tijd zijn pijl, die verklaart waarom hij vooruit gaat in plaats van achteruit. Dat komt omdat er duidelijke voorbeelden zijn van systemen in ons universum, zoals een werkende motor, die onomkeerbaar zijn – slechts in één richting werken. Elk nieuw gebied van de fundamentele natuurkunde, of het nu gaat om de beschrijving van ruimte en tijd (Newton/Einstein), materie en licht (kwantummechanica), of warmte en arbeid (thermodynamica) heeft een nieuw begrip van tijd geïntroduceerd.
Maar hoe zit het met evolutie en leven? Om nieuwe dingen te bouwen heeft evolutie tijd nodig. Eindeloze nieuwigheid kan alleen ontstaan in een universum waar tijd bestaat en een duidelijke richting heeft. Evolutie is het enige fysieke proces in ons universum dat de opeenvolging van nieuwe objecten kan voortbrengen die wij met leven associëren – dingen als microben, zoogdieren, bomen en zelfs mobiele telefoons.
Informatie en geheugen
Dergelijke objecten kunnen niet spontaan ontstaan. Zij vereisen een geheugen, gebaseerd op wat er in het verleden bestond, om dingen in het heden te construeren. Het is een dergelijke “selectie” die de scheidslijn bepaalt tussen het universum dat door de huidige fysica wordt beschreven, en wat Darwin zag: het is het mechanisme dat een universum waarin het geheugen er niet toe doet om te bepalen wat er bestaat, verandert in een universum waarin dat wel het geval is.
Leven is informatie.
Shutterstock
Denk erover na, alles in de levende wereld heeft een soort geheugen en informatiestroom nodig. Het DNA in onze cellen is onze blauwdruk. En om nieuwe dingen uit te vinden, zoals raketten of medicijnen, hebben levende wezens ook informatie nodig – kennis van de wetten van de fysica en de chemie.
Om het leven te verklaren, moeten we dus begrijpen hoe de complexe objecten die het leven creëert in de tijd bestaan. Met mijn medewerkers hebben we precies dat gedaan in een nieuw voorgestelde natuurkundige theorie, de assemblagetheorie.
Een belangrijke veronderstelling van de assemblagetheorie is dat, naarmate objecten complexer worden, het aantal unieke onderdelen waaruit ze bestaan toeneemt, en dus ook de behoefte aan lokaal geheugen om op te slaan hoe het object uit zijn unieke onderdelen moet worden samengesteld. Wij kwantificeren dit in de assemblagetheorie als het kortste aantal fysieke stappen om een object op te bouwen uit zijn elementaire bouwstenen, de assemblage-index genoemd.
Belangrijk is dat de assemblagetheorie deze kortste weg behandelt als een intrinsieke eigenschap van het object, en we hebben inderdaad laten zien hoe de assemblage-index kan worden gemeten voor moleculen met behulp van verschillende meettechnieken, waaronder massaspectrometrie (een analytische methode om de massa/ladingsverhouding van moleculen te meten).
Met deze aanpak hebben wij in het laboratorium, met metingen aan zowel biologische als niet-biologische monsters, aangetoond hoe moleculen met een assemblage-index van meer dan 15 stappen alleen voorkomen in levende monsters.
Dit suggereert dat de assemblagetheorie inderdaad in staat is onze hypothese te testen dat leven de enige fysica is die complexe objecten voortbrengt. En we kunnen dat doen door die objecten te identificeren die zo complex zijn dat het enige fysische mechanisme om ze te vormen evolutie is.
We proberen onze theorie te gebruiken om in te schatten wanneer het leven ontstaat door het punt te meten waarop moleculen in een chemische soep zo complex worden dat ze informatie gaan gebruiken om kopieën van zichzelf te maken – de drempel waarop leven uit niet-leven ontstaat. Vervolgens kunnen we de theorie toepassen op experimenten die tot doel hebben een nieuwe gebeurtenis op het gebied van het ontstaan van leven in het lab te genereren.
En als we dit weten, kunnen we de theorie gebruiken om te zoeken naar leven op werelden die radicaal anders zijn dan de aarde, en er daarom misschien zo buitenaards uitzien dat we er geen leven zouden herkennen.
Als de theorie klopt, zal het een radicale herbezinning op tijd in de fysica forceren. Volgens onze theorie kan assemblage gemeten worden als een intrinsieke eigenschap voor moleculen, die overeenkomt met hun grootte in de tijd – wat betekent dat tijd een fysische eigenschap is.
Uiteindelijk is tijd intrinsiek aan onze ervaringen van de wereld, en het is noodzakelijk voor de evolutie. Als we willen dat de natuurkunde in staat is om het leven – en ons – te verklaren, kan het zijn dat we tijd voor het eerst in de natuurkunde moeten behandelen als een materiële eigenschap.
Dit is voor de fysica van het leven misschien wel de meest radicale afwijking van de standaard fysica, maar het kan het kritische inzicht zijn dat nodig is om te verklaren wat leven is.
Sara Imari Walker ontvangt financiering van de National Aeronautics and Space Administration en de John Templeton Foundation die relevant is voor het werk in dit artikel. Zij is tevens lid van de externe faculteit van het Santa Fe Institute en Fellow van het Berggruen Institute.
