, Artikel door:

Hoe leven ontstaat

Lessen van een VLINDER

Hoe is het leven ontstaan? En wat is bewustzijn? Het zijn vragen waar de biologie nog geen antwoorden op heeft. De nieuwe wetenschappelijke tak van de kwantumbiologie zoekt die antwoorden in de wondere wereld van het extreem kleine, waar natte cellen en droge deeltjes elkaar ontmoeten.

Iedere herfst vliegen miljoenen monarchvlinders van het zuid-oosten van Canada naar het noord-westen van Mexico om er te overwinteren. In de vroege lente van het jaar daarop maken ze de omgekeerde beweging. Hoe vindt zo’n kleine vlinder zijn weg, vroeg men zich lang af. Onthoudt hij dat of vliegt hij op de zon? En nog voor men dit mysterie had opgelost, ontdekte men nog iets anders: die vlinders keren helemaal niet terug. Zij planten zich onderweg voort en sterven in Mexico. De monarchen die uiteindelijk hun zomer in Canada zullen doorbrengen zijn hun kleinkinderen. En dat maakte het enigma er natuurlijk alleen maar groter op, want hoe vinden die jonkies hun weg naar een plaats waar ze nog nooit geweest zijn?

Volgens Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden, de een fysicus en de ander moleculair geneticus en samen de auteurs van het boek Hoe leven ontstaat, maken ze daarvoor gebruik van de kwantummechanica. Menigeen zal bij deze stelling de wenkbrauwen fronsen, want die kwantummechanica zegt toch iets over het gedrag van de kleinste bouwstenen van ons heelal, terwijl monarchvlinders op een heel ander niveau actief zijn. Zij bestaan uit cellen die samen een dier vormen. Het een is ‘droge’ wetenschap en het ander ‘natte’. Maar schijn bedriegt, zoals we steeds beter gaan inzien. Wanneer biologie niets anders is dan toegepaste scheikunde, en scheikunde niets anders dan toegepaste fysica, waarom zou het bestaan van de kwantumbiologie dan hoeven te verbazen?

De klassieke manier om aan te tonen dat de kwantumwereld anders is dan de wereld om ons heen is het tweespletenexperiment. Je neemt een scherm met daarin twee smalle spleten. Wanneer je er een lamp voor plaatst, zullen de lichtgolven die door de twee spleten vallen interfereren met elkaar en krijg je een golfpatroon te zien op de wand erachter. Wanneer je de lamp vervangt door een revolver en in het wilde weg richting spleten schiet, zul je op de wand twee lijnen te zien krijgen. Kogels gedragen zich immers als deeltjes en vliegen in rechte lijn door de spleten. Vervang tenslotte die revolver door een atoomkanon en je krijgt op de wand een golfpatroon met lijnen erdoorheen. Atomen gedragen zich dus niet als golven en ook niet als deeltjes, maar wel als beide tegelijk. Ze kunnen allerlei vreemd kwantumgedrag vertonen, zoals op twee plaatsen tegelijk zijn, tezelfdertijd twee kanten op spinnen, door ondoordringbare barrières tunnelen of spookachtig verstrengeld zijn met een partner aan de andere kant van het heelal en toch op hetzelfde moment van gedaante veranderen. Kwantummechanica lijkt magie, maar dat is het alleen omdat wij in een wereld leven waar het kwantumniveau van geen tel is.

Wordt Vervolgd

Of niet? Want zoals Al-Khalili en McFadden tonen speelt die kwantumfysica een grote rol bij de fotosynthese. De zon zendt lichtenergie uit. Het chlorofyl van de planten vangt dit op, zet dit om in excitonen en deze brengen de energie vervolgens naar de plaats waar ze in de plant nodig is. Het opzienbarende is dat hierbij geen energie verloren gaat. Men heeft heel lang gedacht dat het pad van de excitonen willekeurig was en de energie-overdracht dus alle kanten op ging. Dat die energie dan op de juiste plaats terechtkwam was een zaak van toeval. Alleen was dit in tegenspraak met de vaststelling dat bij die overdracht geen energie verloren gaat. De volle honderd procent komt aan op de plaats waar nodig. Als het transport echt in het wildeweg zou verlopen, zou dit hoogstens zeventig procent mogen zijn. Recent onderzoek heeft een antwoord gevonden op dit mysterie: het exciton volgt op kwantumcoherente wijze alle mogelijke routes doorheen het chlorofyldoolhof tegelijk en kan zo alle energie zonder verlies op de juiste plaats brengen. Je kan het vergelijken met in de file staan op weg naar het werk en je afvragen of er geen alternatieve route is. Je weet niet welke weg de kortste is. Ideaal zou natuurlijk zijn dat je alle mogelijke trajecten tegelijkertijd zou kunnen volgen. Dat is wat bij fotosynthese gebeurt.

Hoe leven ontstaat gaat natuurlijk niet alleen over fotosynthese. Het geeft ook een mogelijke verklaring voor de uiterst snelle werking van ons bewustzijn, probeert de mysteries van de genetica te ontrafelen en verklaart hoe enzymen werken, de katalysatoren die in ons lichaam biochemische reacties soms wel tot een triljoen keer sneller laten verlopen. Finaal gaat het zelfs op zoek naar de oorsprong van het leven en toont het in welke richting we moeten zoeken willen we ooit zelf leven creëren. Het is geen makkelijk boek, maar het geeft wel een beeld van de recentste stand van de biologische wetenschap, en die blijkt veel fascinerender dan men zou denken. En o ja, vraagt u zich nu misschien af, hoe zit dat nu met die monarchvlinder? Die blijkt chryprochroom op zijn voelsprieten te hebben, waardoor hij zich kan oriënteren ten opzichte van het magnetisch veld van de aarde. De hoeveelheid energie die daarmee gepaard gaat is zo gering, dat alleen de kwantumbiologie hiervoor een verklaring kan geven.

Vier vragen aan Johnjoe McFadden

1.     Wat is voor u de imposantste ontdekking van de kwantumbiologie?

McFadden: ‘Waarschijnlijk dat fotosynthese niet mogelijk is zonder kwantumcoherentie, wat betekent dat bepaalde deeltjes tezelfdertijd op verschillende plaatsen aanwezig zijn. Zonder fotosynthese zou er geen leven zijn op aarde. Dit proces staat immers in voor het opvangen van lichtenergie en is zo verantwoordelijk voor alle biomassa, de stuff waaruit het leven is gemaakt.’

2.     Waarom is dat inzicht zo belangrijk?

McFadden: ‘Omdat het ook praktische toepassingen kan hebben. Zonnecellen werken volgens het principe van fotosynthese. Een van de minst efficiënte aspecten daarvan is momenteel het transport van de energie dat zelden meer dan 70% bedraagt. Als we het kwantummechanische principe achter de fotosynthese zouden kunnen integreren in die cellen, zouden we die verloren 30% kunnen recupereren. En er zijn nog andere toepassingen denkbaar. Enzymen gebruiken kwantummechanica om de biochemische reacties in onze cellen te versnellen. Zowat alle geneesmiddelen werken via die enzymen. Begrijpen hoe ze die kwantummechanica precies gebruiken, kan betere geneesmiddelen opleveren.’

3.     Kunnen we zelf leven maken met kwantumbiologie?

McFadden: ‘De enige manier waarop we vandaag leven kunnen maken is door het zich op biologische wijze te laten voortplanten. Wij denken echter dat ook hier de kwantumbiologie uitkomst kan brengen door een alliantie aan te gaan met de synthetische biologie die nieuwe levensvormen wil creëren. Sommige wetenschappers proberen daarbij het leven op te bouwen uit niet-levende materie. Zo willen ze artificiële levende cellen maken. Voorlopig nog zonder resultaat, maar wij denken dat de introductie van kwantumbiologie in die cellen ze wel levensvatbaar zou maken. Eens dat gelukt zou er een nieuwe toekomst voor ons opengaan. We zouden dan cellen kunnen maken die lichtenergie opvangen, milieuvervuiling afbreken of geneesmiddelen maken. Ik denk dat dit type artificieel leven iets voor over een jaar of twintig is.’

4.     Wat zou voor u de ultieme kwantumbiologische ontdekking zijn?

McFadden: ‘Het antwoord op de vraag of zij ook werkzaam is bij mutaties. Het leven evolueert door middel van mutaties en natuurlijke selectie, maar mutaties zijn ook verantwoordelijk voor erfelijke ziektes en kanker. Recent onderzoek wijst erop dat fouten bij het dupliceren van het DNA die tot mutaties leiden, veroorzaakt kunnen worden door kwantumtunneling. Daarbij bewegen deeltjes zich door wat op het eerste zicht massieve, niet te doorkruisen barrières zijn. Eens dat bewezen, zou niemand nog kunnen ontkennen dat de kwantummechanica een fundamentele rol speelt in het leven.’

Verschenen in De Morgen

Titel

  • Hoe leven ontstaat

Auteurs

Vertaling van

  • Life on the Edge

Genre

ISBN

  • 9789045029306

Uitgeverij & Jaar

  • Atlas Contact 2015

Aantal Pagina's

  • 359

Beoordeling:

  • (4,5)

Boek aanschaffen

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Recente artikelen:

De lekkerste salades in a jar
Water & vuur
Victor Papanek: The politics of design

Bestellen

Op zoek naar een boek? Bestel het hier.
Zo steun je De Leesclub van Alles