Lange tijd werd aangenomen dat het leven zijn eigen regels gehoorzaamt. Maar aangezien eenvoudige systemen tekenen van natuurlijk gedrag vertonen, discussiëren wetenschappers over de vraag of deze schijnbare complexiteit puur een gevolg is van thermodynamica.
Wat is het verschil tussen natuurkunde en biologie? Pak een golfbal en een kanonskogel en gooi ze van de scheve toren van Pisa. De natuurkundige wetten stellen je in staat de trajecten van hun val zo nauwkeurig te voorspellen dat je het beste niet kunt wensen.
Doe nu hetzelfde experiment opnieuw, maar vervang de kanonskogel door een duif.
Biologische systemen lenen zich natuurlijk niet voor de wetten van de fysica, maar blijkbaar kunnen de laatste ook hun gedrag niet voorspellen. Biosystemen verschillen in die zin dat ze doelgericht zijn om te overleven en zich voort te planten. Men kan zeggen dat ze een doel hebben - of wat filosofen traditioneel teleologie noemen - dat hun gedrag stuurt.
Evenzo, gebaseerd op de toestand van het universum op een miljardste van een seconde na de oerknal, stelt de fysica ons nu in staat om te voorspellen hoe ons universum er vandaag uitziet. Maar niemand denkt dat het verschijnen op aarde van de eerste primitieve cellen voorspelbaar heeft geleid tot de opkomst van het menselijk ras. Het lijkt erop dat het verloop van de evolutie niet door wetten wordt gedicteerd.
Teleologie en de historische conditionering van de biologie, volgens evolutiebioloog Ernst Mayr, maken het uniek onder de wetenschappen. Beide kenmerken komen misschien voort uit het enige gemeenschappelijke leidende principe van de biologie - evolutie. Het heeft een willekeurig en willekeurig karakter, maar natuurlijke selectie geeft het de indruk van intentie en doel. Dieren worden niet aangetrokken door water, niet onder invloed van een of andere magnetische aantrekkingskracht, maar vanwege hun instinct, een verlangen om te overleven. De benen dienen onder meer om ons naar het water te leiden.
Mayr voerde aan dat deze kenmerken biologie tot een uitzonderlijke wetenschap maken - een onafhankelijke wet. Ondertussen dagen recente vorderingen in de niet-evenwichtsfysica, de theorie van complexe systemen en de informatietheorie dit standpunt in twijfel.
Als we levende wezens beschouwen als agenten die berekeningen uitvoeren - informatie verzamelen en opslaan over een onvoorspelbare omgeving - kunnen hun capaciteiten en beperkingen, zoals reproductie, aanpassing, activiteit, doel en betekenis, niet worden opgevat als voortkomend uit evolutionaire improvisatie, maar als onvermijdelijke gevolgen van fysische wetten. … Met andere woorden, een soort fysica lijkt ten grondslag te liggen aan de activiteit van wezens en hun ontwikkeling in deze richting. Betekenis en bedoeling - waarvan werd aangenomen dat ze de bepalende kenmerken van levende systemen waren - zouden dan natuurlijk kunnen voortkomen uit de wetten van de thermodynamica en statistische mechanica.
Promotie video:
Afgelopen november ontmoetten natuurkundigen, wiskundigen en computerwetenschappers evolutionaire en moleculair biologen om over deze ideeën te praten - en soms te discussiëren - tijdens een seminar in het Santa Fe Institute in New Mexico, een mekka voor wetenschappers die aan "Ingewikkelde systemen". De vraag werd gesteld: hoe bijzonder (of niet) een wetenschappelijke discipline is biologie?
Het is niet verrassend dat de meningen verdeeld zijn. Maar één gedachte klonk heel duidelijk: als er een bepaalde fysica achter biologische factoren en teleologie schuilt, dan moet het omgaan met hetzelfde concept dat centraal lijkt te zijn gekomen in de fundamentele fysica zelf: informatie.
Wanorde en demonen
De eerste pogingen om informatie en intentie in de wetten van de thermodynamica te introduceren, werden gedaan in het midden van de 19e eeuw, toen de Schotse wetenschapper James Clerk Maxwell de statistische mechanica uitvond. Maxwell liet zien hoe het met de introductie van deze twee ingrediënten mogelijk leek om dingen te doen waarvan de thermodynamica verklaarde dat ze onmogelijk waren.
Tegen die tijd had Maxwell al aangetoond hoe voorspelbare en betrouwbare wiskundige relaties tussen de eigenschappen van een gas - druk, volume en temperatuur - konden worden afgeleid uit de willekeurige en onbegrijpelijke bewegingen van talloze moleculen die koortsachtig met elkaar in botsing kwamen onder invloed van thermische energie. Met andere woorden, thermodynamica - de nieuwe wetenschap van warmtestroom, waarin de enorme eigenschappen van materie zoals druk en temperatuur zijn verwerkt - was het resultaat van statistische mechanica op microscopisch niveau van moleculen en atomen.
Volgens de thermodynamica neemt het vermogen om nuttig werk uit de energiebronnen van het heelal te halen voortdurend af. De energiecentra worden verkleind, de warmtestolsels verdwijnen geleidelijk. Bij elk fysiek proces wordt onvermijdelijk een deel van de energie afgevoerd in de vorm van nutteloze warmte die verloren gaat tussen de willekeurige bewegingen van moleculen. Deze willekeur wordt gemeten door een thermodynamische grootheid genaamd entropie - een maatstaf voor wanorde - die voortdurend groeit. Dit is de tweede wet van de thermodynamica. Uiteindelijk zal het hele universum worden teruggebracht tot een uniform wanordelijk mengsel: een evenwichtstoestand waarin entropie maximaal is en er nooit iets zinvols zal gebeuren.
Wachten we echt op zo'n somber lot? Maxwell wilde het niet geloven en in 1867 stelde de wetenschapper zichzelf de taak om, zoals hij het uitdrukte, "een gat te slaan" in de tweede wet. Zijn doel was om een container met gas te nemen waarin moleculen willekeurig bewegen, en vervolgens de snelle moleculen van de langzame te scheiden, waardoor de entropie wordt verminderd.
Stel je een microscopisch wezen voor - natuurkundige William Thomson zou hem later, eerder tot Maxwells ergernis, een demon noemen - in staat om elk molecuul in een vat te zien. De demon verdeelt het vat in twee compartimenten, en er is een schuifdeur in de tussenruimte. Elke keer dat hij een bijzonder snel molecuul de deur uit het rechter compartiment ziet naderen, opent hij de deur om het links binnen te laten. En elke keer dat een langzaam, ‘koud’ molecuul de deur van links nadert, laat hij het ook door naar de andere kant. Uiteindelijk heeft hij een vat met rechts een compartiment voor koud gas en links heet gas: een warmteaccumulator waarmee het werk kan worden gedaan.
Dit is alleen mogelijk onder twee voorwaarden. Ten eerste heeft de demon meer informatie dan wij: hij kan alle moleculen afzonderlijk zien, en niet alleen statistisch gemiddelden. En ten tweede heeft het een bedoeling: een plan om warm en koud te scheiden. Door zijn kennis voor een specifiek doel te gebruiken, kan hij de wetten van de thermodynamica uitdagen.
Zo leek het tenminste. Het duurde honderd jaar om te begrijpen waarom Maxwells demon de tweede wet niet echt kan ondermijnen en haar onverbiddelijke afglijden naar het fatale algemene evenwicht niet kan voorkomen. De reden hiervoor is het bewijs van een diep verband tussen thermodynamica en informatieverwerking - of, met andere woorden, berekening. De Duitse en Amerikaanse natuurkundige Rolf Landauer heeft aangetoond dat zelfs als een demon informatie kan verzamelen en (wrijving vermijdend) de deur kan bewegen zonder enig energieverbruik, er vroeg of laat toch afrekening zal plaatsvinden. Omdat zijn geheugen, waar informatie over elke beweging van moleculen is opgeslagen, niet onbeperkt kan zijn, zal hij het van tijd tot tijd moeten opruimen - dat wil zeggen, wissen wat hij al heeft gezien en helemaal opnieuw beginnen - voordat hij kan doorgaan met het verzamelen van energie. Dit verwijderen van informatie brengt onvermijdelijke kosten met zich mee: het dissipeert energie en verhoogt daarom de entropie. Alle argumenten tegen de tweede wet, aangevoerd door de slimme demon, worden doorgestreept door de "Landauer limiet": de uiteindelijke kosten voor het wissen van informatie (of meer in het algemeen het omzetten van informatie van de ene vorm naar de andere).
Levende organismen lijken enigszins op de demon van Maxwell. Terwijl een beker vol chemicaliën die met elkaar reageren uiteindelijk zijn energie zal verbruiken en in saaie stilstand en evenwicht zal vervallen, ontsnappen levende systemen collectief aan een levenloze staat van evenwicht vanaf het allereerste begin van het leven gedurende ongeveer drie en een half miljard jaar. Ze verzamelen energie uit de omgeving om deze onevenwichtigheid in stand te houden, en dat doen ze met 'bedoeling'. Zelfs eenvoudige bacteriën verplaatsen zich met een "doel": naar warmtebronnen en voedsel. In zijn boek uit 1944 What is Life? natuurkundige Erwin Schrödinger verwoordde dit idee door te zeggen dat levende organismen zich voeden met 'negatieve entropie'.
Volgens Schrödinger bereiken ze dit door informatie te verzamelen en op te slaan. Een deel van deze informatie is gecodeerd in hun genen en doorgegeven van generatie op generatie: een reeks instructies voor het verzamelen van negatieve entropie. Schrödinger wist niet waar de informatie was opgeslagen of hoe deze was gecodeerd, maar zijn intuïtie vertelde hem dat het was vastgelegd in wat hij definieerde als een 'aperiodiek kristal', en dit idee diende als inspiratie voor Francis Crick, een natuurkundige in zijn belangrijkste specialiteit, en James Watson, die in 1953 begreep hoe genetische informatie kon worden gecodeerd in de moleculaire structuur van een DNA-molecuul.
Daarom is het genoom op zijn minst gedeeltelijk een record van nuttige kennis waardoor de voorouders van het organisme - al in het verre verleden - op onze planeet konden overleven. Volgens David Wolpert, een wiskundige en natuurkundige aan het Santa Fe Institute dat het recente seminar sponsorde, en zijn collega Artemy Kolchinsky, is de sleutel dat goed aangepaste organismen relaties aangaan met deze omgeving. Als een bacterie gegarandeerd naar links of rechts zwemt als er een voedselbron in die richting is, is hij beter aangepast en zal hij zich beter ontwikkelen dan een bacterie die in willekeurige richtingen zwemt en dus alleen bij toeval voedsel vindt. De correlatie tussen de toestand van het organisme en de toestand van het milieu impliceert dat ze algemene informatie uitwisselen. Volpert en Kolchinsky argumenterendat het deze informatie is die het lichaam helpt om evenwicht te vermijden - omdat het, net als de demon van Maxwell, zijn gedrag kan aanpassen om werk uit de vergankelijkheid van de omgeving te halen. Als hij deze informatie niet zou ontvangen, zou het lichaam geleidelijk tot een toestand van evenwicht komen, dat wil zeggen tot de dood.
Vanuit dit oogpunt kan het leven worden gezien als een computationeel proces dat erop gericht is de opslag en het gebruik van zinvolle informatie te optimaliseren. En het leven, zo blijkt, is hierin zeer succesvol. Landauer's oplossing voor de Maxwell-demonenpuzzel stelde een absolute ondergrens aan de hoeveelheid energie die een computersysteem met eindig geheugen nodig heeft, namelijk de energiekosten van het vergeten. De beste computers van tegenwoordig zijn onvergelijkbaar meer verspillend: ze verbruiken en verdrijven doorgaans een miljoen keer meer stroom. Maar, zoals Wolpert zegt, "volgens de meest conservatieve schattingen is de thermodynamische efficiëntie van het totale rekenproces dat door de cel wordt uitgevoerd, slechts ongeveer 10 keer groter dan de Landauer-limiet."
De implicatie is dat “natuurlijke selectie zich bij uitstek bezighoudt met het minimaliseren van de thermodynamische berekeningskosten. Hij zal zijn best doen om het totale aantal berekeningen dat de cel moet uitvoeren, te verminderen. Met andere woorden, de biologie (met de mogelijke uitzondering van onszelf) lijkt proactieve maatregelen te nemen om te voorkomen dat we ons bezig houden met overleven. Deze kwestie van de kosten en baten van het berekenen van het eigen levenspad van een organisme, zegt hij, is tot dusverre in de biologie grotendeels genegeerd.
Levenloos Darwinisme
Zo kunnen levende organismen worden gezien als objecten die zich met behulp van informatie aanpassen aan de omgeving, energie absorberen en daardoor afwijken van het evenwicht. Dit is natuurlijk een heel belangrijke uitspraak. Maar merk op dat het niets zegt over genen en evolutie, waarvan veel biologen, waaronder Mayer, hebben aangenomen dat biologische bedoelingen en doelen afhangen.
Hoe ver kan zo'n idee ons brengen? Genen gepolijst door natuurlijke selectie staan ongetwijfeld centraal in de biologie. Maar zou het kunnen dat evolutie door natuurlijke selectie zelf slechts een speciaal geval is van een meer algemene imperatief met betrekking tot functie en schijnbaar doel dat bestaat in een puur fysiek universum? Alles begint er zo uit te zien.
Aanpassing wordt lang gezien als een kenmerk van de darwinistische evolutie. Ondertussen stelt Jeremy England van het Massachusetts Institute of Technology dat aanpassing aan de omgeving zelfs in complexe niet-levende systemen kan plaatsvinden.
Aanpassing heeft hier een meer concrete betekenis dan de gebruikelijke darwinistische kijk op het organisme als zijnde goed uitgerust met de middelen om te overleven. Er zit één addertje onder het gras in de darwinistische theorie: we kunnen alleen achteraf een goed aangepast organisme definiëren. De "sterkste" zijn degenen die beter zijn aangepast om te overleven en zich voort te planten, maar we kunnen niet voorspellen wat een bepaalde conditie vereist. Walvissen en plankton zijn goed aangepast aan het zeeleven, maar op zo'n manier dat er nauwelijks iets duidelijk gemeenschappelijks tussen hen is.
De Engelse definitie van 'aanpassing' ligt dichter bij die van Schrödinger en in feite Maxwell: een goed aangepast object kan efficiënt energie absorberen uit een onvoorspelbare, veranderlijke omgeving - zoals een persoon die op zijn voeten kan staan tijdens het rollen van een schip, wanneer alle anderen vallen, omdat het is beter aangepast aan de trillingen van het dek. Gebruikmakend van de concepten en methoden van statistische mechanica in een niet-evenwichtssetting, beweren Engeland en zijn collega's dat het deze goed aangepaste systemen zijn die de energie van de omgeving absorberen en dissiperen, waardoor entropie in het proces wordt gegenereerd.
Complexe systemen hebben de neiging deze goed aangepaste toestanden met verrassend gemak binnen te gaan, zegt Engeland: "Thermisch vibrerende materie kan vaak spontaan ineenstorten tot vormen die werk goed absorberen vanuit een tijdsafhankelijke omgeving."
Niets in dit proces behelst een geleidelijke aanpassing aan de omgeving door darwinistische mechanismen van voortplanting, mutatie en overerving van eigenschappen. Er is helemaal geen replicatie. "Dat wil zeggen, wanneer we een fysiek verslag geven van de oorsprong van sommige ogenschijnlijk aangepaste structuren, zien we dat ze geen ouders hoeven te hebben in de gebruikelijke biologische zin - en deze bevindingen lijken ongelooflijk opwindend", zegt Engeland. "Evolutionaire aanpassing kan worden verklaard in termen van thermodynamica, zelfs in die merkwaardige gevallen waarin er geen zelfreplicatoren zijn en de darwinistische logica uit elkaar valt." Als het systeem in kwestie natuurlijk complex, flexibel en gevoelig genoeg is om te reageren op veranderingen in de omgeving.
Er is echter geen conflict tussen fysieke en darwinistische aanpassing. In feite kan het laatste worden beschouwd als een speciaal geval van het eerste. Als replicatie aanwezig is, wordt natuurlijke selectie de route waarop systemen het vermogen verwerven om werk - de negatieve Schrödinger entropie - uit de omgeving te absorberen. Het mechanisme van zelfreproductie is in feite vooral goed voor het stabiliseren van complexe systemen, en daarom is het niet verwonderlijk dat dit precies is wat de biologie gebruikt. Maar in de levenloze wereld, waar replicatie meestal niet voorkomt, zijn goed aangepaste dissipatieve structuren meestal zeer georganiseerde structuren, zoals golvende zandlagen en duinen die kristalliseren uit de incidentele dans van zand en wind. Vanuit dit standpunt,De darwinistische evolutie kan worden gezien als een concreet voorbeeld van een meer algemeen natuurkundig principe dat niet-evenwichtssystemen beheerst.
Voorspellingsmechanismen
Dit begrip van complexe structuren die zich aanpassen aan een veranderende omgeving stelt ons ook in staat om enkele conclusies te trekken over hoe deze structuren informatie opslaan. Kortom, aangezien dergelijke structuren - levend of niet - worden gedwongen om de beschikbare energie efficiënt te gebruiken, zullen ze hoogstwaarschijnlijk "voorspellingsmechanismen" worden.
Het feit dat biologische systemen van toestand veranderen als reactie op een soort controlesignaal van de externe omgeving, is misschien wel het belangrijkste kenmerk van het leven. Er gebeurt iets - u beantwoordt het. Planten worden aangetrokken door licht of produceren gifstoffen door te reageren op ziekteverwekkers. Deze omgevingssignalen zijn meestal onvoorspelbaar, maar levende systemen leren van hun eigen ervaringen, verzamelen informatie over hun omgeving en gebruiken deze om hun gedrag in de toekomst vorm te geven. (Genen, in deze weergave, geven je gewoon de meest elementaire, algemene elementen die je nodig hebt.)
Toegegeven, deze voorspelling is niet iets bijzonders. Volgens een onderzoek van Susanne Still van de Universiteit van Hawaï, Gavin Crooks, een voormalig werknemer van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Californië, en hun collega's, lijkt het vermogen om de toekomst te voorspellen fundamenteel te zijn voor elk energiezuinig systeem in een willekeurige veranderlijke omgeving.
Still en haar collega's laten zien dat het opslaan van informatie over het verleden die niet waardevol is voor het voorspellen van de toekomst, thermodynamische kosten met zich meebrengt. Om zo effectief mogelijk te zijn, moet het systeem selectief zijn. Als ze alles lukraak onthoudt, zal ze grote energieverliezen lijden. Aan de andere kant, als ze helemaal niet de moeite neemt om op zijn minst wat informatie over haar omgeving op te slaan, zal ze voortdurend veel moeite moeten doen om het hoofd te bieden aan het onverwachte. "Een thermodynamisch optimaal mechanisme moet geheugen en voorspelling in evenwicht brengen door nostalgie te minimaliseren - nutteloze informatie over het verleden", zegt co-auteur David Sivak, momenteel verbonden aan de Simon Fraser University in Barnaby, British Columbia. Kort gezegd,hij moet leren om zinvolle informatie te verzamelen - datgene dat het meest waarschijnlijk nuttig is voor toekomstig overleven.
Je zou kunnen verwachten dat natuurlijke selectie energie-efficiënte organismen bevordert. Maar zelfs individuele biomoleculaire apparaten, zoals pompen en motoren in onze cellen, moeten op de een of andere manier op belangrijke manieren van het verleden leren om de toekomst te kunnen voorzien. Om hun opmerkelijke effectiviteit te bereiken, zei Still, moeten deze apparaten "impliciet een rijk begrip opbouwen van de verschijnselen die ze tot dan toe zijn tegengekomen, waardoor ze toekomstige gebeurtenissen kunnen voorspellen."
Thermodynamica van de dood
Zelfs als sommige van deze basiskenmerken van informatieverwerking door levende systemen, bij afwezigheid van evolutie of replicatie, al te wijten zijn aan niet-evenwichtige thermodynamica, kan worden aangenomen dat meer complexe kenmerken - bijvoorbeeld het gebruik van tools of sociale samenwerking - moeten worden geleverd door evolutie.
Maar daar moet u ook niet op rekenen. Dit gedrag, dat over het algemeen wordt beschouwd als het exclusieve domein van hoogontwikkelde apen en vogels, kan worden nagebootst met behulp van een eenvoudig model van op elkaar inwerkende deeltjes. De truc is dat het systeem wordt bestuurd door een beperking: het werkt zo dat het de hoeveelheid entropie maximaliseert (in dit geval bepaald door rekening te houden met de verschillende mogelijke paden die de deeltjes zouden kunnen afleggen) die het genereert gedurende een bepaalde tijdsperiode.
Entropiemaximalisatie wordt lang beschouwd als een kenmerk van niet-evenwichtssystemen. Maar het systeem in dit model volgt een regel die het mogelijk maakt om entropie tot het uiterste te pushen gedurende een vast tijdvenster dat zich uitstrekt tot in de toekomst. Met andere woorden, ze kan voorspellen. In wezen houdt het model rekening met alle mogelijke paden van de deeltjes en dwingt het hen om het pad te volgen dat de meeste entropie produceert. Dit is grofweg een soort pad dat het grootste aantal mogelijkheden voor deeltjesbeweging in de toekomst openhoudt.
Men kan zeggen dat het deeltjessysteem een soort verlangen heeft om in de toekomst vrijheid van handelen te behouden, en dat dit verlangen op elk moment zijn gedrag bepaalt. De onderzoekers die dit model hebben ontwikkeld - Alexander Wissner-Gross van Harvard University en Cameron Freer, een wiskundige aan het Massachusetts Institute of Technology - noemen het 'causale entropische kracht'. In computersimulaties van de configuraties van schijfvormige deeltjes die onder bepaalde omstandigheden in cirkels bewegen, produceert deze kracht resultaten die griezelig suggestief zijn voor intelligentie.
In één geval kon de grote schijf de kleine schijf "gebruiken" om de tweede kleine schijf uit de smalle buis te verwijderen - een proces dat vergelijkbaar was met het gebruik van gereedschap. Het vrijmaken van de schijf verhoogde de entropie van het systeem. In een ander voorbeeld hebben twee schijven in afzonderlijke baaien hun gedrag gesynchroniseerd om de grotere schijf omlaag te brengen zodat ze ermee kunnen communiceren, waardoor de schijn van sociale samenwerking ontstaat.
Natuurlijk krijgen deze eenvoudige interacterende middelen een lucratieve blik in de toekomst. Het leven heeft het in de regel niet. Wat heeft dit dan met biologie te maken? Het antwoord is niet duidelijk, hoewel Wissner-Gross zegt dat hij momenteel werkt aan het creëren van een 'praktisch, biologisch plausibel mechanisme van causale entropische krachten'. Tegelijkertijd is hij van mening dat een dergelijke aanpak extra, bruikbare kansen biedt in de praktijk en snelle toegang biedt tot kunstmatige intelligentie. "Mijn voorspellingen zijn dat een kortere weg om dit te bereiken is om eerst dit gedrag te detecteren en dan in de tegenovergestelde richting te werken, uitgaande van fysieke principes en beperkingen, in plaats van te werken op basis van specifieke berekenings- of voorspellingsmethoden." hij claimt. Met andere woorden, zoek eerst het systeem,wie doet wat je wilt dat ze doet en zoek dan uit hoe ze het doet.
Veroudering wordt traditioneel ook gezien als een evolutionaire eigenschap. Organismen hebben een levensduur die kansen voor voortplanting schept, en tegelijkertijd, zoals ze zeggen, worden de vooruitzichten op het voortbestaan van nakomelingen niet belemmerd door ouders die te dicht op de loer liggen en strijden om middelen. Dit lijkt waar te zijn, maar Hildegard Meyer-Ortmanns, een natuurkundige aan de Jacobs Universiteit in Bremen, Duitsland, gelooft dat veroudering uiteindelijk een fysiek proces is, niet een biologisch proces dat wordt beheerst door de thermodynamica van informatie.
Het gaat natuurlijk niet alleen om slijtage. "Veel van het zachte materiaal waarvan we zijn gemaakt, wordt vernieuwd voordat het kan verouderen", zegt Meyer-Ortmanns. Maar dit vernieuwingsproces is niet perfect. De thermodynamica van het kopiëren van informatie vereist dat er een balans is tussen precisie en energie. Het lichaam beschikt over eindige energiebronnen, daarom zullen fouten zich na verloop van tijd zeker opstapelen. Dan wordt het lichaam gedwongen om steeds meer energie te besteden om deze fouten te corrigeren. Het vernieuwingsproces levert kopieën op die te beschadigd zijn om goed te functioneren, gevolgd door de dood.
Het empirische bewijs lijkt dit te ondersteunen. Het is al lang bekend dat gekweekte menselijke cellen zich niet meer dan 40-60 keer lijken te kunnen reproduceren (de zogenaamde Hayflick-limiet) voordat dit proces stopt en de veroudering begint. En recente studies naar de levensverwachting van mensen suggereren dat er een onderliggende reden is voor het feit dat de meeste mensen een eeuw niet kunnen overleven.
Er is een natuurlijk gevolg dat deze schijnbare drang naar energie-efficiënte, georganiseerde voorspellende systemen ontstaat in een vloeiende, niet-evenwichtige omgeving. Wij zijn zelf zulke systemen, zoals al onze voorouders tot aan de eerste primitieve cel. En niet-evenwichtige thermodynamica lijkt ons te vertellen dat dit precies is wat materie onder deze omstandigheden doet. Met andere woorden, de opkomst van leven op een planeet als de aarde in de vroege stadia van zijn bestaan, met zijn vele energiebronnen zoals zonlicht en vulkanische activiteit, die in onbalans blijven, begint niet langer een uiterst onwaarschijnlijke gebeurtenis te lijken, zoals veel wetenschappers denken, maar praktisch gezien. onvermijdelijk. In 2006 voerden Eric Smith en wijlen Harold Morowitz van het Santa Fe Institute ruziedat de thermodynamica van niet-evenwichtssystemen de opkomst van georganiseerde complexe systemen veel waarschijnlijker maakt in prebiotische omstandigheden op aarde, ver van evenwicht dan het zou zijn als de oorspronkelijke chemische ingrediënten gewoon zaten en rustig kookten in een 'kleine warme vijver' (in de woorden van Charles Darwin) …
Een decennium nadat de aankondiging voor het eerst werd gedaan, hebben onderzoekers meer details en diepere inzichten in het fenomeen toegevoegd. De kwaliteiten die Ernst Mayr als fundamenteel beschouwde voor de biologie - betekenis en intentie - zouden kunnen ontstaan als een natuurlijk gevolg van statistiek en thermodynamica. En deze algemene eigenschappen kunnen op hun beurt natuurlijk tot een of andere schijn van leven leiden.
Tegelijkertijd laten astronomen ons zien hoeveel werelden rond andere sterren in ons Melkwegstelsel draaien: volgens sommige schattingen zijn dat miljarden. Velen van hen zijn verre van evenwicht, en sommige zijn in ieder geval vergelijkbaar met de aarde. En daar gelden natuurlijk dezelfde regels.
Philip Ball