Evolutionaire transities en het ontstaan van leven

gastbijdrage HENNY VAN DER MEER

In een eerder op deze blog verschenen Engelstalig betoog heeft de auteur gepleit voor een uitbreiding van de evolutionaire transities op aarde met de kosmische faseovergangen (emergent transitions in cosmic evolution). Hieronder wordt in het Nederlands nogmaals ingegaan op die transities alsmede op verschillende benaderingen waarmee dergelijke transities zouden kunnen worden begrepen. Een uitgebreidere Engelstalige versie met volop referenties is binnenkort te vinden op www.vision-in-cichlids.com.


Dank zij wiskundige modellen, astrofysische waarnemingen en subatomaire experimenten met deeltjesversnellers hebben we misschien wel een paar goede ideeën over de samenstelling en oorsprong van het heelal. Niettemin is onze kennis over de kosmos beperkt. We geloven dat alles uit dezelfde materie bestaat en dat de natuurkundige wetten overal en altijd gelden. Daarom zijn we er ook van overtuigd dat alles hier op aarde net zo goed op een andere planeet kan voorkomen, mits de omstandigheden (temperatuur, zwaartekracht, aanwezige stoffen) gelijk zijn. Zelfs onder geheel andere omstandigheden zouden dezelfde universele wetten moeten gelden. Die wetten hebben ook betrekking op de evolutionaire transities.

1995

2011

Het zal menige bioloog al eerder zijn opgevallen dat er tijdens de evolutie opmerkelijke sprongen in de ontwikkeling van het leven hebben plaatsgevonden, maar het was pas in de jaren negentig van de vorige eeuw dat dit beperkte aantal ontwikkelingssprongen de nodige wetenschappelijke aandacht kreeg door een aantal publicaties over major transitions1 (helaas alleen in het Engels). Deze biologische transities lijken opvallend veel op de faseovergangen kort na de oerknal. Daardoor lijkt het of alles in het heelal op hiërarchische wijze is geordend, van elementaire deeltjes tot en met intelligente netwerken.

De biologische transities worden gekenmerkt door de volgende drie punten:

1. wezens die zich onafhankelijk konden vermeerderen deden dat na de transitie alleen nog in groepsverband (bv. endosymbiose)
2. met de verdeling van taken wordt het prestatievermogen verhoogd (bv. cel-differentiatie)
3. elke transitie gaat gepaard met een plotselinge toename van informatie overdracht (bv. het ontstaan van de genetische code)

Deze evolutionaire transities hangen samen met de hiërarchische ontwikkeling van het leven op aarde, vanaf de eerste moleculaire replicatie tot en met de ontwikkeling van de menselijke taal en kunstmatige neuronale netwerken in de toekomst.

De fundamentele faseovergangen na de oerknal weerspiegelen de hiërarchische opbouw van de materie, van quarks via protonen en neutronen tot atomen van lichte elementen als waterstof en helium. Na de levensloop van vele miljarden sterren ontstond er steeds meer galactisch stof van zwaardere elementen en de verschillende atomen vormden moleculen die samenklonterden tot planeten.

De moleculaire wereld op aarde werd al spoedig na haar ontstaan gedomineerd door vloeibaar water (desnoods in de vorm van zwevende druppeltjes). Een medium waarbinnen zeer uiteenlopende fysische en chemische processen konden plaatsvinden die de overgang naar wezens met levenskenmerken konden bewerkstelligen (abiogenese). Het gaat daarbij om de combinatie van een aantal auto-katalytische systemen: energie opwekken door stofwisseling, een mal om een replica te kunnen vormen en een omhulsel om homeostase mogelijk te maken. Over hoe een dergelijke combinatie precies heeft plaats gevonden, zijn de onderzoekers het nog niet eens.

Eén van de problemen met abiogenese is dat levende wezens worden opgevat als (open) systemen die een hogere mate van orde ten opzichte van hun omgeving in stand houden. Volgens de 2e Hoofdwet (thermodynamica) kan dat alleen als elders de entropie (mate van wanorde) toeneemt. Door open systemen stroomt voortdurend energie en materie waarbij de gevormde entropie uit het systeem wordt verdreven (dissipatie) om de interne organisatie te verbeteren. Dit kan onder meer doordat de instromende energie (zonlicht) een lagere entropie heeft dan de afgegeven warmte. Uit recent onderzoek blijkt dat ook bij de wisselwerking van moleculen in een waterige oplossing zowel entropie als orde in die oplossing kan toenemen2. Of dit zal bijdragen tot een beter begrip van de abiogenese moet nog blijken, maar dergelijke concentratie afhankelijke interacties tussen organische moleculen zouden wel eens een belangrijke rol gespeeld kunnen hebben bij het ontstaan van leven.

De meeste hedendaagse astrofysici huldigen het holografisch principe waarmee het heelal wordt opgevat als een stapel tweedimensionale lagen met elk een maximaal toelaatbare hoeveelheid entropie. Telkens als de bovengrens wordt bereikt vindt transitie plaats naar de volgende laag. Volgens dit model zou dus ook de overgang van een levenloos molecuul naar een levend organisme samenhangen met het bereiken van het organisatieniveau dat kenmerkend is voor leven. En dat zou tevens overeenstemmen met de maximaal toelaatbare entropie van de betreffende laag. Dergelijke abstracte, overwegend op wiskundige modellen gebaseerde verbindingen tussen leven en niet-leven worden ook beschreven door theorieën over fluctuerende kwantum golven in een vacuüm-zee. Zij behandelen nauwelijks toegankelijke materie voor niet-ingewijden, waartoe ik ook mijzelf reken [3].

Veel moderne onderzoekers menen dat de hiërarchische structuur van de kosmos en de evolutionaire ontwikkelingen op aarde het best zijn te beschrijven met behulp van de complexiteitstheorie. Zij gaan ervan uit dat elk ontwikkelingsniveau kan worden opgevat als een interactie tussen de componenten die zowel vanuit henzelf (van binnen uit; reductionistisch) als vanuit de emergente eigenschappen die ze opwekken (vanuit het grote geheel; holistisch) wordt aangestuurd. De zelforganisatie die er het gevolg van is, werd aanvankelijk vooral gebruikt om evolutionaire processen te begrijpen en voorspellingen te doen over kunstmatig leven. Thans kennen complexe systemen ook een algemenere toepassing en gaat de aandacht in het bijzonder uit naar de eenwording en afsluiting van zo’n systeem4.

Met de reductionistische analyse van het heelal heeft men de hiërarchische opbouw van de materie en de daarmee samenhangende krachten in kaart gebracht. Sommige onderzoekers in de kwantum chromodynamica menen nu dat alles is terug te voeren op de sterke kernkracht want als de onderlinge afstand tussen quarks groter wordt neemt hun aantrekkingskracht ook toe. Dit resulteert in de residukracht die de positief geladen protonen bijeen houdt en mogelijk, in geringe mate, in nog meer. In elk geval bestaat er nog geen algemeen aanvaarde theorie voor de samenhang tussen de sterke kernkracht en de veel zwakkere zwaartekracht5.

Reductionistische benaderingen, in welke vorm dan ook, maken altijd deel uit van complexe systemen, maar holistische opvattingen winnen steeds meer terrein. Emergente eigenschappen die enerzijds zijn terug te voeren tot de wisselwerking tussen kleinere bouwstenen, worden, mogelijk onder invloed van toenemende spiritualiteit, steeds vaker toegeschreven aan het grotere geheel. Een dergelijke holistische benadering kan zelfs wortelen in de relativiteitstheorie. De beroemde formule E=mc² is eigenlijk afgeleid van een vierkantswortel, ongeveer als E=(m²c⁴)^1/2 en elke middelbare scholier weet dat die vergelijking een positieve én een negatieve oplossing heeft. De negatieve uitkomst werd echter verworpen als zijnde absurd omdat die suggereert dat de tijd ook in tegengestelde richting kan lopen: een oorzaak zou in de toekomst kunnen liggen. Sommige onderzoekers in de kwantum elektrodynamica waren wel gecharmeerd van deze tijd-symmetrie en promootten wat thans bekend staat als retrocausaliteit. Het effect van retrocausaliteit of syntropie is op te vatten als het effect van een toekomstige attractor die geleidelijk alles naar een hoger plan van organisatie trekt6. Een dergelijke holistische benadering kan ook deel uitmaken van complexe systemen. Het valt niet uit te sluiten dat in de nabije toekomst verschillende combinaties van genoemde benaderingen zullen worden gepresenteerd als het ultimate antwoord op de vraag over Life, the Universe and Everything [7].

Noten

1. Recente publicaties over dit onderwerp zijn onder meer: The Major Transitions in Evolution Revisited van Brett Calcott & Kim Sterelny (2011); Darwinian Dynamics: Evolutionary Transitions in Fitness and Individuality van Richard Michod (2011); ‘Rapid transition towards the division of labor via evolution of developmental plasticity’ door Sergey Gavrilets in PLoS Comput Biol 6 (2010): http://www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.1000805 en ‘Local interaction, multilevel selection, and evolutionary transitions’ door Peter Godfrey-Smith in Biological Theory 1: 372-380 (2006): http://petergodfreysmith.com/PGS-LocalInteraction-BioTy06.pdf.
2. Onder invloed van kleine kunststof bolletjes worden grotere bolletjes gedwongen tot een meer georganiseerde rangschikking. Deze toename van orde onder invloed van toenemende entropie (de kleine bolletjes verdelen zich homogeen over de ruimte) werd voor het eerst beschreven in ‘The gentle force of entropy’ door W.A. Adamson in Science 5364: 655. Dit verschijnsel wordt thans veelvuldig onderzocht met betrekking tot de wisselwerking tussen polymeren met verschillende vorm. Zie bv. ‘Shapes and coiling of mixed phospholipid vesicles’ door Parades-Quijada, G., H. Aranda-Espinoza & A. Maldonado (2009) in Lipids 44: 283-289; ‘Concentration distributions during flow of confined flowing polymer’ door Hernandez-Ortiz, J.P., H. Ma, J.J. de Pablo & M.D. Graham (2008) in Kor.-Aust. Rheo. J. 20: 143-152;  Block Copolymers in Solution: Fundamentals and Applications van I. Hamley (2005); ‘Entropic recoil separation of long DNA molecules’ door Cabodi, M., S.W.P. Turner & H.G. Craighead (2002) in Anal. Chem. 74: 5169-5174.
3. Een zeer toegankelijk stukje over het holografisch beginsel, is op internet te vinden: http://www.kowalczyk.nl/user/image/holografie.pdf. Eveneens heel toegankelijk is 'De Ontrafeling van de Kosmos' van Brian Green die in hoofdstuk 16 uitleg geeft over het onderwerp. Voor de liefhebbers is er een hoofdstuk over Ether Vibraties op internet: http://www.soulsofdistortion.nl/dutch/SODA_chapter6.html.
4. Roger Lewin schreef in 1993 een boeiend boek over de opkomst van de complexiteitstheorie: Complexiteit: Het Grensgebied van de Chaos. Een Nederlandstalige on-line cursus (2008-2009) van Francis Heylighen over complexiteit en evolutie is te vinden op http://pespmc1.vub.ac.be/CLEA/CompEvCursus.pdf. Een interessant boekje over complexiteit en evolutie is Eieren, Straalmotoren en Paddestoelen van Stuart Kauffman (1996).
5. Een aardig boekje over elementaire deeltjes en de kwantumwereld is De Bouwstenen van de Schepping. Een Zoektocht naar het Allerkleinste van Gerard ’t Hooft (2002) dat ook op internet is te vinden: http://www.dbnl.org/tekst/hoof031bouw01_01/downloads.php. Met behulp van de snaartheorie wordt naarstig gezocht naar de mogelijkheid om de zwaartekracht met de kernkrachten te verbinden. Een Nederlandstalig boek over supersnaren is Snaren en de Snaartheorie van Marcel Vonk (2010). Helaas alleen nog in het Engels: The Cosmic Landscape. String Theory and the Illusion of Intelligent Design van Leonard Susskind (2006).
6. Over syntropie is vooral veel Engelstalige literatuur afkomstig uit Italië, bv. Syntropy and Entropy in Self-Organized Systems van Mario Ludovico (2006): http://www.mario-ludovico.com/pdf/syntropy.pdf.
7. Derde deel van het hilarische Transgalactisch Liftershandboek van Douglas Adams (1982).