Volgens natuurkundigen neemt de mate van chaos steevast toe met de tijd. Dus kunnen ze ook het einde van het heelal voorspellen – uiteindelijk zal alles een kille, levenloze gassoep zijn.
Maar wat het leven op aarde betreft nam de chaos juist af, waarbij er steeds meer geordende levensvormen kwamen – van eenvoudige moleculen tot complexe dieren en mensen.
Maar kan het leven een wet overtreden die voor alles in het heelal geldt?
Puinhoop in het heelal neemt toe
1. Reactiemogelijkheden creëren wanorde
De mate van wanorde neemt toe met het aantal reactiemogelijkheden. Twee gassen in elk een kist vormen een ordelijk systeem, maar open de deur ertussen en de gassen reageren met elkaar en nemen meer toestanden aan: de entropie neemt toe.
2. Het jonge heelal is nog ordelijk
Na de oerknal was het heelal een heet plasma met een gelijkmatige temperatuur en dichtheid. Zoals met het voorbeeld van de twee gassen in elk een kist had de materie weinig mogelijkheden om te reageren, en was de entropie dus gering.
3. Elementen maken er een potje van
De eerste 200 miljoen jaar bestond materie vooral uit waterstof. Maar toen de eerste sterren ontbrandden, begonnen er processen die alle nu bekende elementen creëerden en dus veel meer toestanden van materie – de entropie nam toe.
De mate van wanorde in een fysisch systeem wordt berekend uit het aantal mogelijke toestanden waarin het systeem kan verkeren. Hoe meer toestanden, hoe groter de wanorde of entropie.
Tot nu toe hebben natuurkundigen bij de berekening van de totale entropie van het heelal geen rekening gehouden met leven, omdat het aantal deeltjes van het leven op aarde te verwaarlozen lijkt.
Maar nu hebben vier wetenschappers alsnog het aantal mogelijke toestanden in de biologie berekend, en dat blijkt verrassend groot te zijn.
Zo groot zelfs dat de oorsprong van het leven een beslissende rol gespeeld kan hebben in de evolutie van het hele heelal.
Stoommachines creëren chaos
Het begrip entropie komt uit de klassieke warmtetheorie, de thermodynamica.
Deze theorie werd in de jaren 1800 ontwikkeld met het praktische doel om de stoommachine te verbeteren. Maar de natuurkundigen begrepen dat de wetten van de thermodynamica universeel zijn en overal en altijd gelden.
Het probleem van de wanorde is de tweede wet van de thermodynamica. Die stelt dat de mate van wanorde, entropie, van elk fysisch of chemisch systeem dat aan zichzelf wordt overgelaten constant zal zijn of zal toenemen.
En het is onmogelijk dat het systeem ordelijker wordt, zoals met de evolutie op aarde in 4 miljard jaar gebeurd is.
Met de toenemende mate van orde in complexe levende organismen lijkt de entropie van het leven steeds geringer te zijn geworden. Maar het onderzoeksteam van de nieuwe theorie wil de entropie van het leven nu heel anders benaderen.
Vier natuurkundigen en biologen van het Institute of Systems Biology in Seattle (VS) en van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario (Canada) begonnen hun theoretische werk met het berekenen van de snelheid van entropie gedurende de 13,8 miljard jaar lange geschiedenis van het heelal.
De eerste 380.000 jaar na de oerknal was het heelal een vuurbal van gloeiend heet plasma – gescheiden protonen en elektronen – die heftig uitdijde. Zowel de dichtheid als de temperatuur waren in de hele ruimte zeer gelijkmatig.
In het begin was de materie in het heelal zeer uniform en was de entropie laag. Maar sterren creëerden allerlei nieuwe toestanden van materie, en zo nam de entropie toe.
De entropie van het jonge heelal werd dus alleen bepaald door het aantal atoomdeeltjes en de beperkte manieren waarop die met elkaar konden interageren.
Daarna trok de zwaartekracht materie samen in gaswolken, sterren, stelsels en clusters. Deze evolutie heeft ontelbare nieuwe toestanden geschapen die materie kan aannemen onder sterk uiteenlopende druk en temperatuur, waarmee de entropie van het heelal flink is toegenomen.
Leven haalt donkere energie in
De grootste bijdrage aan de entropie in het heelal is volgens de kosmologie donkere energie – een hypothetische, afstotende kracht die de samentrekking van de zwaartekracht in de afgelopen 5-6 miljard jaar heeft tegengewerkt en de uitdijing van het heelal nog meer heeft versneld.
De donkere energie brengt een enorme entropie van 10124 mogelijke toestanden teweeg. Maar het team zegt dat het leven op onze piepkleine planeet al het andere in het heelal verslaat als het op het aantal combinaties aankomt.
1 met 124 nullen – zo veel mogelijke toestanden kent donkere energie. Maar de entropie van het leven is veel groter.
Levende organismen bestaan uit met name zes elementen – koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel. Die vormen samen biologische moleculen als DNA, onze informatiedrager, en eiwitten, de werkpaarden van alle biochemische processen in het leven.
Het punt is dat biomoleculen veel meer toestanden kunnen aannemen en processen uitvoeren dan waartoe de zes elementen in de anorganische scheikunde in staat zijn – het aantal mogelijke toestanden is berekend op 10238.
Het leven schept de grootste chaos in het heelal
1. Zwarte gaten rommelen wat aan
Zwarte gaten verpakken de meeste chaos in het kleinste volume. Het superzware zwarte gat in de Melkweg bevat alleen al meer entropie dan het gehele jonge heelal. In totaal hebben zwarte gaten een entropie van 10104 mogelijke toestanden.
2. Donkere energie vergroot de chaos
Volgens de kosmologie zit het heelal vol afstotende donkere energie die de samentrekking van de zwaartekracht tegenwerkt en het heelal sneller doet uitdijen. Donkere energie brengt een enorme entropie van 10124 mogelijke toestanden teweeg.
3. Leven gaat alle grenzen te buiten
Wanneer koolstof, waterstof en de andere bouwstenen van het leven complexe biomoleculen vormen, kunnen ze ontelbare reacties uitvoeren die in de anorganische chemie niet mogelijk zijn. Volgens een nieuwe theorie brengt het leven een entropie van 10238 mogelijke toestanden teweeg.
Met de vele mogelijke combinaties verhoogt het leven op aarde de entropie van het heelal tot boven alle grenzen.
Nieuwe wet regeert de biologie
Niets in de thermodynamica beperkt het aantal mogelijke biologische toestanden, maar in de praktijk maakt de evolutie slechts gebruik van een fractie van alle eiwitten en biochemische reacties die het leven kan voortbrengen.
Daarom komen de vier onderzoekers met een biologisch/thermodynamische wet die ze de theorie van de naaste mogelijkheden noemen.
Die stelt dat de evolutie, via mutaties en geslachtelijke voortplanting, alleen de meest geschikte biomoleculen selecteert om de gespecialiseerde cellen en organen te bouwen die uiterst complexe en goed geordende organismen vormen.
Het leven bevat een extreem aantal mogelijke moleculen. Maar de evolutie heeft alleen de meest geschikte geselecteerd, en zo geordende organismen geschapen.
Deze theorie heft de tegenstelling op tussen de evolutie van het leven en de universele wet van de thermodynamica van toenemende wanorde, entropie.
Enerzijds kennen levende organismen een enorme entropie in de vorm van alle potentieel mogelijke biomoleculen en het astronomische aantal toestanden die die biomoleculen kunnen produceren door met elkaar te reageren.
Aan de andere kant benut de evolutie slechts een fractie van de mogelijkheden.
Het leven voldoet dus aan de eis van de natuurkunde van toenemende chaos – steeds meer theoretische combinatiemogelijkheden – maar is ook heel ordelijk.
Leven breidde het heelal uit
De nieuwe biologisch/thermodynamische wet impliceert dat het leven alle bekende grenzen aan de totale entropie van het heelal doorbreekt. Daarom brengen de onderzoekers een hypothese naar voren die ze zelf ‘gruwelijk speculatief’ noemen.
Astronomen zien dat de uitdijing van het heelal 5-6 miljard jaar geleden op gang kwam. Volgens de kosmologie komt dit doordat de donkere energie, waardoor het heelal uitzet, toen de zwaartekracht – die het samen probeert te trekken – overwon.
Het onderzoeksteam wijst er nu op dat de oorsprong van het leven mogelijk de donkere energie heeft aangewakkerd.
De achtergrond van dit idee is het toeval in de tijd. Op aarde ontstond het leven bijna 4 miljard jaar geleden, maar als het in meer sterrenstelsels voorkomt, kan het op andere planeten eerder zijn ontstaan.
De vorming van sterren en dus ook van planeten piekte 10 miljard jaar terug, dus kan het leven op veel plaatsen zijn ontstaan – en dus op tijd om 5-6 miljard jaar terug donkere energie op te wekken.
De vier onderzoekers maken er geen geheim van dat ze hun hypothese niet kunnen bewijzen. Maar mogelijk hebben ze de relatie van biologie en astronomie fundamenteel veranderd en een nieuwe wetenschap gecreëerd – biokosmologie.