Leven is het bijzonderste en raadselachtigste gegeven van het universum. Nog nooit heeft iemand leven kunnen opwekken uit dode materie. Hoe ontstaat leven? Wat is die ‘spark of life’? Niemand weet het. Nu brengt Hoe leven ontstaat ons dichter bij het antwoord.

Met grote helderheid en aan de hand van eenvoudige vragen – hoe weten trekvogels waar ze naartoe moeten vliegen? Hoe ruiken we de geur van bloemen? Hoe kunnen onze genen zichzelf zo nauwkeurig kopiëren? – laten Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden zien dat de antwoorden waarschijnlijk te vinden zijn op het grensgebied van moleculaire biologie en kwantummechanica. Zoals Richard Dawkins in De zelfzuchtige genen uiteenzette hoe de evolutietheorie werkt en onze kijk daarop voorgoed veranderde, zo zal Hoe leven ontstaat ons denken ingrijpend beïnvloeden.

==

‘Een verbazingwekkende reeks eyeopeners voor liefhebbers van echte nieuwe wetenschap.’ – Martijn van Calmthout, de Volkskrant

==

‘Ik ben blij verrast. Snap nu voor het eerst de kwantummechanica.’ – Hans Clevers, geneticus

==

‘Een buitengewoon intelligente en overtuigende verkenning van een nieuw onderzoeksgebied.’ – Nature

Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden

Hoe leven ontstaat

OP HET SNIJVLAK VAN BIOLOGIE EN KWANTUMLEER

Vertaald door Robert Vernooy

==

Uitgeverij Atlas Contact

Amsterdam/Antwerpen

© 2015 Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden

© 2015 Nederlandse vertaling Robert Vernooy

Oorspronkelijke titel Life on the Edge

Oorspronkelijke uitgeverij Transworld

Omslagontwerp Zeno

E-book Perfect Service

==

ISBN 978 90 450 2931 3

NUR 600

==

www.atlascontact.nl

==

Dit e-book werd gemaakt op basis van de eerste druk, 2015, ISBN 978 90 450 2930 6.

Voor Penny en Ollie

Julie, David en Kate

Hoofdstuk 1

Inleiding

De winterse vorst is dit jaar vroeg in Europa en er hangt een doordringende kilte in de avondlucht. Diep in de geest van een jong roodborstje wordt een aanvankelijk vaag gevoel van vastberadenheid steeds sterker.

De vogel heeft de afgelopen paar weken veel meer dan haar normale portie insecten, spinnen, wormen en bessen tot zich genomen en is nu bijna twee keer zo zwaar als toen haar kroost in augustus uitvloog. Dit extra gewicht bestaat voornamelijk uit vetreserves, die ze nodig zal hebben als brandstof voor de zware reis die ze op het punt staat te ondernemen.

Dit zal haar eerste trek zijn weg van het sparrenbos in Midden-Zweden, waar zij tot nu toe haar hele korte leven heeft doorgebracht en waar ze slechts een paar maanden geleden haar jongen heeft grootgebracht. Gelukkig voor haar was de vorige winter niet al te streng, want een jaar geleden was ze nog niet helemaal volgroeid en daarom niet sterk genoeg om zo’n lange reis te ondernemen. Maar nu ze tot het volgende voorjaar is ontheven van haar ouderlijke verantwoordelijkheden, hoeft ze alleen maar aan zichzelf te denken en is ze klaar om de komende winter te ontvluchten door zuidwaarts te trekken op zoek naar een warmer klimaat.

Het is een paar uur na zonsondergang. In plaats van rustig te gaan zitten voor de nacht, hipt ze in de toenemende duisternis naar het puntje van een tak onder aan de enorme boom die sinds het voorjaar haar huis is geweest. Ze schudt zich even uit, als een marathonloper die zijn spieren losmaakt voor een wedstrijd. Haar oranje borst glinstert in het maanlicht. De zorg waarmee ze haar nest heeft gebouwd – slechts een meter verderop, deels aan het oog onttrokken tegen de bemoste schors van de boomstam – is nu een flauwe herinnering.

Zij is niet de enige vogel die zich op een vertrek voorbereidt, want andere roodborstjes – zowel mannetjes als vrouwtjes – hebben ook besloten dat dit een goede nacht is om aan hun lange trek naar het zuiden te beginnen. Overal om zich heen hoort ze in de bomen een schril gezang dat de gebruikelijke geluiden van andere nachtdieren in het bos overstemt. Het is alsof de vogels zich gedwongen voelen om hun vertrek aan te kondigen en een boodschap af te geven aan de andere bewoners van het bos dat ze maar beter niet het territorium van de vogels binnen kunnen dringen en hun nesten leeghalen terwijl ze weg zijn. Want deze roodborstjes zijn zeker van plan om in het voorjaar terug te komen.

Ze draait haar kop snel even naar links en naar rechts om zich ervan te vergewissen dat de kust veilig is en vliegt dan de avondhemel tegemoet. Met het naderen van de winter zijn de nachten langer geworden, en ze zal nog ruim tien uur moeten vliegen voordat ze weer uit kan rusten.

Ze gaat op weg op een kompaskoers van 195º (15º westelijker dan pal naar het zuiden). De komende dagen zal ze min of meer in diezelfde richting blijven vliegen, waarbij ze op een goede dag meer dan 300 kilometer aflegt. Ze heeft geen idee wat ze onderweg moet verwachten of hoe lang het zal duren. Ze kent het terrein rond haar sparrenbos, maar na een paar kilometer vliegt ze over een vreemd maanovergoten landschap van meren, dalen en steden.

Ergens bij de Middellandse Zee zal ze op haar bestemming aankomen. Hoewel ze niet naar een bepaalde plaats gaat, zal ze stoppen als ze op een geschikte plek aankomt en zich de plaatselijke oriëntatiepunten inprenten zodat ze daar de komende jaren terug kan keren. Als ze de kracht heeft, kan ze zelfs helemaal naar de Noord-Afrikaanse kust vliegen. Maar dit is haar eerste trek, en haar hoogste prioriteit is nu om te ontkomen aan de barre kou van de naderende Scandinavische winter.

Ze lijkt zich niet bewust van de roodborstjes in haar omgeving, die allemaal ongeveer dezelfde kant op vliegen en waarvan sommige de reis vele malen eerder hebben gemaakt. Ze kan uitstekend zien in het donker, maar ze is niet op zoek naar oriëntatiepunten – zoals wij misschien zouden doen als wij zo’n reis zouden maken – en ook volgt ze niet het patroon van de sterren aan de heldere nachthemel door haar interne sterrenkaart te raadplegen, zoals veel andere nachtelijke trekvogels doen. In plaats daarvan heeft ze dankzij enkele miljoenen jaren evolutie een heel opmerkelijk vermogen ontwikkeld, waardoor ze de reis van zo’n drieduizend kilometer kan maken, die een jaarlijkse najaarstrek zal worden.

Trekken is, uiteraard, heel gewoon in het dierenrijk. Zo schieten zalmen elke winter kuit in de rivieren en meren van Noord-Europa, om een broedsel achter te laten dat als het is uitgekomen de loop van de rivier naar de zee volgt, tot in het noordelijke deel van de Atlantische Oceaan, waar ze groeien en volwassen worden. Drie jaar later keren deze jonge zalmen terug om zich voort te planten in dezelfde rivieren en meren waar ze ter wereld zijn gekomen. In de Nieuwe Wereld trekken monarchvlinders in het najaar duizenden kilometers zuidwaarts, de hele Verenigde Staten over. Zij, of hun nazaten (omdat ze zich onderweg voortplanten), keren vervolgens in het voorjaar terug naar het noorden, naar dezelfde bomen waar ze zich verpopt hebben. Groene zeeschildpadden die aan de kust van het eiland Ascension in het zuiden van de Atlantische Oceaan uit het ei komen zwemmen duizenden kilometers door de oceaan voordat ze, eens in de drie jaar, terugkeren, om zich voort te planten op precies hetzelfde met eierschalen bezaaide strand waar ze geboren zijn. De lijst gaat maar door: vele soorten vogels, walvissen, kariboes, langoesten, kikkers, salamanders en zelfs bijen zijn in staat om reizen te ondernemen die zelfs voor de grootste menselijke ontdekkingsreizigers een uitdaging zouden zijn.

Hoe dieren erin slagen om over de aardbol hun weg te vinden is eeuwenlang een raadsel geweest. Wij weten nu dat ze zich van diverse methoden bedienen: sommige oriënteren zich overdag op de zon en ’s nachts op de sterren; andere prenten zich oriëntatiepunten in; weer andere kunnen over de hele wereld de weg vinden met behulp van hun reukvermogen. Maar het meest mysterieuze navigatievermogen is dat van het Europese roodborstje: het vermogen om de richting en de kracht van het aardmagnetisch veld te detecteren, de zogenaamde magnetoreceptie. En hoewel we nu weten dat een aantal andere dieren dit vermogen ook bezit, is de manier waarop het Europese roodborstje (Erithacus rubecula) haar weg over de aardbol vindt het meest interessant voor ons verhaal.

Het mechanisme waardoor ons roodborstje weet hoe ver het moet vliegen, en in welke richting, is gecodeerd in het DNA dat ze van haar ouders heeft geërfd. Het is een verfijnd en ongebruikelijk zesde zintuig waarmee zij haar koers bepaalt. Want evenals vele andere vogels, en ook insecten en zeedieren, heeft zij het vermogen om het zwakke magnetisch veld van de aarde waar te nemen en daar richtingsinformatie aan te ontlenen door middel van een ingebouwd navigatiesysteem, dat in haar geval een nieuw soort chemisch kompas vereist.

Magnetoreceptie is een raadsel. Het probleem is dat het aardmagnetisch veld heel zwak is – tussen de 30 en 70 microtesla aan het oppervlak: dat is voldoende om invloed uit te oefenen op een zorgvuldig uitgebalanceerde en bijna wrijvingsloze kompasnaald, maar het is slechts een honderdste van de kracht van een doorsnee koelkastmagneetje. Dat roept de volgende vraag op: wil een dier het aardmagnetisch veld waarnemen, dan moet dat veld op de een of andere manier van invloed zijn op een chemische reactie ergens in het lichaam van het dier – per slot van rekening is dat hoe alle levende wezens, ook wij, een signaal van buitenaf waarnemen. Maar de hoeveelheid energie die de wisselwerking tussen het aardmagnetisch veld en de moleculen in levende cellen oplevert, is minder dan een miljardste van de energie die nodig is om een chemische verbinding tot stand te brengen of op te heffen. Hoe kan dat magnetisch veld dan waarneembaar zijn voor een roodborstje?

Raadsels, hoe klein ook, zijn fascinerend omdat er altijd een kans is dat de oplossing ervan zal leiden tot een fundamentele verandering van ons inzicht in de wereld. Zo leidden in de zestiende eeuw de overpeinzingen van Copernicus over een relatief onbeduidend probleem met betrekking tot de geometrie van het ptolemeïsche geocentrische model van het zonnestelsel ertoe dat hij het zwaartepunt van het hele universum van de mens naar de ruimte verlegde. Darwins obsessie met de geografische verspreiding van diersoorten en het raadsel waarom geïsoleerde soorten vinken en spotlijsters op eilanden vaak zo gespecialiseerd zijn, leidde tot het formuleren van zijn evolutieleer. En de oplossing voor het raadsel van de straling van zwarte lichamen, de manier waarop hete objecten warmte afgeven, leidde tot de suggestie van de Duitse natuurkundige Max Planck dat energie uit losse pakketjes of ‘kwantums’ bestond, en daarmee tot de geboorte van de kwantumtheorie in 1900. Zou de oplossing van het raadsel hoe vogels over de hele wereld de weg vinden dan ook kunnen leiden tot een revolutie in de biologie? Hoe bizar het ook mag lijken, het antwoord is: ja.

Maar zulke raadsels zijn ook een trekpleister voor pseudowetenschappers en mystici. Zoals Peter Atkins, een scheikundige aan Oxford, in 1976 verklaarde: ‘Het onderzoek naar de effecten van magnetische velden op chemische reacties is lange tijd een speelplaats geweest voor charlatans.’1 Allerlei exotische verklaringen – van telepathie en oude leylijnen (onzichtbare banen die diverse archeologische of geografische locaties met elkaar verbinden en die naar verluidt spirituele energie bezitten) tot het concept ‘morfische resonantie’, bedacht door de omstreden parapsycholoog Rupert Sheldrake – zijn te eniger tijd voorgesteld als het mechanisme dat trekvogels gebruiken als leidraad op hun routes. Atkins’ bedenkingen in de jaren zeventig waren dus begrijpelijk, een weerspiegeling van de scepsis onder de meeste toen actieve wetenschappers ten aanzien van elke suggestie dat dieren het aardmagnetisch veld zouden kunnen waarnemen. Er leek gewoon geen moleculair mechanisme te zijn waardoor een dier dat zou kunnen – althans niet binnen het domein van de conventionele biochemie.

Maar in hetzelfde jaar waarin Peter Atkins uiting gaf aan zijn scepsis, publiceerden Wolfgang en Roswitha Wiltschko, een Duits ornithologenechtpaar uit Frankfurt, een baanbrekend artikel in Science, een van ’s werelds meest vooraanstaande academische tijdschriften, waarin overtuigend werd vastgesteld dat roodborstjes inderdaad het magnetisch veld van de aarde kunnen detecteren.2 Nog opmerkelijker is dat zij aantoonden dat het zintuig van de vogels niet leek te werken als een normaal kompas. Want waar een kompas het verschil aangeeft tussen de magnetische noord- en zuidpool, kon een roodborstje alleen onderscheid maken tussen een pool en de evenaar.

Om te begrijpen hoe zo’n kompas zou kunnen werken, moeten we even stilstaan bij magnetische veldlijnen, de onzichtbare sporen die de richting van een magnetisch veld bepalen en waarlangs de naald van een kompas zich zal richten als hij ergens in dat veld wordt geplaatst. Wij kennen dit vooral als de lijnen in het patroon dat ontstaat in ijzervijlsel op een vel papier boven een staafmagneet. Stel je nu eens voor dat de hele aarde een gigantische staafmagneet is, waarbij de veldlijnen straalsgewijs vanaf de zuidpool uitlopen en lussen beschrijven die bij de noordpool weer naar binnen gaan (zie figuur 1.1). De richting van deze veldlijnen is bij beide polen bijna verticaal de grond in of uit, maar hoe dichter ze bij de evenaar komen, hoe vlakker ze worden en hoe meer ze bijna parallel aan het aardoppervlak gaan lopen. Een kompas dat de hoek van de magnetische veldlijnen ten opzichte van het aardoppervlak meet, wat wij een inclinatiekompas noemen, kan dus onderscheid maken tussen de richting naar een pool en de richting naar de evenaar; maar het kan geen onderscheid maken tussen de noord- en de zuidpool, omdat de veldlijnen aan beide kanten van de aardbol dezelfde hoek met de grond maken. In het onderzoek van de Wiltschko’s uit 1976 werd vastgesteld dat het magnetische zintuig van het roodborstje werkt als een inclinatiekompas. Het probleem was dat niemand enig idee had hoe zo’n biologisch inclinatiekompas zou kunnen werken, want op dat moment was er geen bekend – of zelfs maar voorstelbaar – mechanisme dat kon verklaren hoe de inclinatie van het aardmagnetisch veld in het lichaam van een dier gedetecteerd kon worden. Het antwoord bleek te vinden te zijn in een van de meest verbluffende wetenschappelijke theorieën van de moderne tijd, en had te maken met de vreemde wetenschap van de kwantummechanica.

==

==

Figuur 1.1 Het aardmagnetisch veld.

Een verborgen spookachtige werkelijkheid

Als je vandaag de dag een kleine enquête houdt onder wetenschappers en hun vraagt wat volgens hen de meest succesvolle, verstrekkende en belangrijke theorie in de hele wetenschap is, zal het antwoord er waarschijnlijk van afhangen of je het vraagt aan een natuur- of scheikundige of aan iemand die zich met de levenswetenschappen bezighoudt. De meeste biologen beschouwen Darwins theorie over evolutie door natuurlijke selectie als het meest fundamentele idee dat ooit is bedacht. Maar een natuur- of scheikundige zal waarschijnlijk betogen dat die ereplaats toekomt aan de kwantummechanica – tenslotte is dat het fundament waarop een groot deel van de natuur- en scheikunde gebouwd is, en verschaft deze theorie ons een opmerkelijk volledig beeld van de bouwstenen van het hele universum. Zonder haar verklarende vermogen verdwijnt zelfs een groot deel van ons huidige inzicht in de werking van de wereld.

Vrijwel iedereen zal over kwantummechanica hebben gehoord, en het is een wijdverbreid idee dat dit een verbijsterende en moeilijke tak van wetenschap is, die slechts door een piepkleine, superslimme minderheid der mensen wordt begrepen. Maar de waarheid is dat de kwantummechanica sinds het begin van de twintigste eeuw een onderdeel van al onze levens is geweest. De wetenschap is rond het midden van de jaren twintig ontwikkeld als een wiskundige theorie om de wereld van het heel kleine te verklaren (de microwereld, zoals die wordt genoemd). Het gaat daarbij om het gedrag van de atomen waaruit alles bestaat wat wij om ons heen zien en de eigenschappen van de nog kleinere deeltjes waaruit die atomen bestaan. Zo beschrijft de kwantummechanica de wetten die elektronen volgen en de manier waarop zij zichzelf ordenen binnen atomen. Daarmee ligt zij ten grondslag aan alle scheikunde, materiaalleer en zelfs elektrotechniek. Zij mag nog zo vreemd zijn, maar haar wiskundige regels zijn cruciaal voor de meeste technologische ontwikkelingen uit de afgelopen halve eeuw. Zonder de kwantummechanische verklaring van de manier waarop elektronen zich door materialen verplaatsen, zouden wij niets hebben begrepen van het gedrag van de halfgeleiders die het fundament vormen van de moderne elektronica, en zonder inzicht in halfgeleiders zouden wij de siliciumtransistor niet hebben ontwikkeld en later de microchip en de moderne computer. De lijst gaat maar door: zonder de ontwikkelingen in onze kennis dankzij de kwantummechanica zouden er geen lasers zijn en derhalve geen cd-, dvd- en blu-rayspelers; zonder de kwantummechanica zouden we geen smartphones hebben, geen satellietnavigatie en geen MRI-scanners. Er wordt zelfs geschat dat meer dan een derde van het bruto binnenlands product in de ontwikkelde wereld afhankelijk is van toepassingen die er zonder ons inzicht in de mechanica van de kwantumwereld domweg niet zouden zijn.

En dit is nog maar het begin. We kunnen uitkijken naar een kwantumtoekomst – hoogstwaarschijnlijk maken wij die zelf nog mee – waarin we misschien kunnen beschikken over bijna onbeperkte elektrische energie uit door lasers gestuurde kernfusie; waarin artificiële moleculaire machines een enorme verscheidenheid aan taken zullen uitvoeren in de techniek, de biochemie en de geneeskunde; waarin kwantumcomputers zullen voorzien in kunstmatige intelligentie; en waarin mogelijk zelfs de sciencefictiontechnologie van teleportatie dagelijks gebruikt zal worden om informatie over te brengen. De kwantumrevolutie van de twintigste eeuw raakt in de eenentwintigste eeuw in een stroomversnelling en zal onvoorstelbare veranderingen teweegbrengen in ons leven.

Maar wat is kwantummechanica precies? Dat is een vraag waarmee wij ons overal in dit boek zullen bezighouden. Bij wijze van voorproefje zullen we hier beginnen met enkele voorbeelden van de verborgen kwantumrealiteit die ten grondslag ligt aan ons leven.

Ons eerste voorbeeld illustreert een van de vreemde kenmerken van de kwantumwereld, misschien wel haar meest kenmerkende eigenschap: de dualiteit van deeltjes en golven. We zijn vertrouwd met het feit dat wij, en alles om ons heen, bestaan uit een heleboel piepkleine, losse deeltjes zoals atomen, elektronen, protonen en neutronen. Misschien ben je je er ook van bewust dat energie, zoals licht of geluid, niet de vorm van deeltjes maar van golven aanneemt. Golven zijn diffuus en niet corpusculair en ze verplaatsen zich door de ruimte als... nou ja, als golven, met toppen en dalen, net als de golven van de zee. De kwantummechanica werd geboren toen in het begin van de twintigste eeuw werd ontdekt dat subatomaire deeltjes zich als golven kunnen gedragen, en dat lichtgolven zich als deeltjes kunnen gedragen.

Hoewel de dualiteit van golven en deeltjes niet iets is waarbij je dagelijks stil hoeft te staan, ligt die wel ten grondslag aan veel erg belangrijke apparaten, zoals de elektronenmicroscopen waarmee artsen en onderzoekers minuscule objecten kunnen zien, identificeren en bestuderen die te klein zijn voor traditionele optische microscopen, zoals de virussen die aids en verkoudheid veroorzaken. De inspiratie voor de elektronenmicroscoop was de ontdekking dat elektronen golfachtige eigenschappen hebben. De Duitse wetenschappers Max Knoll en Ernst Ruska beseften dat omdat de met elektronen geassocieerde golflengte (de afstand tussen opeenvolgende toppen of dalen van een golf) veel korter was dan die van zichtbaar licht, een microscoop die gebaseerd was op beeldvorming met behulp van elektronen veel fijnere details zou moeten kunnen oppikken dan een optische microscoop. De reden is dat elk zeer klein object of onderdeel met afmetingen die kleiner zijn dan de golf die erop valt, die golf niet zal beïnvloeden. Denk eens aan oceaangolven met een golflengte van een paar meter, die breken op kiezelsteentjes op het strand. Door die golven te bestuderen zou je niets te weten komen over de vorm of omvang van een individuele kiezelsteen. Je zou veel kortere golflengten nodig hebben, zoals die welke worden opgewekt in een golfbak van het soort dat iedereen kent van natuurkundelessen op school, om een kiezelsteen te ‘zien’ door middel van de golven die erop afketsen of erdoor worden afgebogen. En dus bouwden Knoll en Ruska in 1931 ’s werelds eerste elektronenmicroscoop, die ze gebruikten om de allereerste foto’s van virussen te maken, waarvoor Ernst Ruska in 1986 (twee jaar voor zijn dood) de Nobelprijs ontving, misschien tamelijk laat.

Ons tweede voorbeeld is nog fundamenteler. Waarom schijnt de zon? De meeste mensen zijn er waarschijnlijk van op de hoogte dat de zon in wezen een kernfusiereactor is die waterstofgas verbrandt, waarbij de warmte en het zonlicht vrijkomen die alle leven op aarde in stand houden. Minder mensen weten echter dat de zon helemaal niet zou schijnen zonder een opmerkelijke kwantumeigenschap die deeltjes in staat stelt om ‘door muren te gaan’. De zon, en alle andere sterren in het universum, kan die enorme hoeveelheden energie afgeven omdat de kernen van waterstofatomen (die elk bestaan uit slechts één positief geladen deeltje, een proton) kunnen fuseren, met als gevolg dat er energie vrijkomt in de vorm van de elektromagnetische straling die wij zonlicht noemen. De waterstofkernen moeten heel dicht bij elkaar komen om te fuseren; maar hoe dichter ze bij elkaar komen, hoe sterker ze elkaar gaan afstoten, omdat ze allemaal een positieve elektrische lading hebben en ‘gelijksoortige’ ladingen elkaar afstoten. Om zo dicht bij elkaar te komen dat een fusie mogelijk is, moeten de deeltjes door het subatomaire equivalent van een bakstenen muur heen: een schijnbaar ondoordringbare energetische barrière. De klassieke natuurkunde3 – die gebaseerd is op de bewegingswetten, de mechanica en de zwaartekracht van Isaac Newton, waarmee alledaagse ballen, veren, stoommachines en zelfs planeten heel goed beschreven kunnen worden – zou voorspellen dat dit niet zou horen te gebeuren: deeltjes zouden niet door muren heen moeten kunnen en daarom zou de zon niet moeten schijnen.

Maar deeltjes die de wetten van de kwantummechanica volgen, zoals de kernen van atomen, hebben een leuk kunstje achter de hand: ze kunnen dergelijke barrières makkelijk passeren door middel van een proces dat ‘kwantumtunneleffect’ wordt genoemd. En feitelijk kunnen zij dat dankzij hun golfdeeltjesdualiteit. Zoals golven om objecten heen kunnen stromen, bijvoorbeeld om de kiezelstenen aan het strand, zo kunnen ze ook dóór objecten heen stromen, zoals de geluidsgolven die door je muren gaan als je de tv van je buren hoort. Natuurlijk gaat de lucht waardoor de geluidsgolven zich voortplanten zelf niet echt door de muren heen; het zijn de trillingen in de lucht – geluid – waardoor jullie gemeenschappelijke muur gaat trillen en tegen de lucht in jouw kamer aan begint te drukken om dezelfde geluidsgolven aan jouw oor door te geven. Maar als jij je als een atoomkern zou kunnen gedragen, zou je soms als een spook door een massieve muur heen kunnen gaan.4 Dat is wat een waterstofkern in het inwendige van de zon doet: hij verspreidt zich en ‘lekt’ als een geest door de energiebarrière heen om zo dicht bij zijn partner aan de andere kant van de muur te komen dat ze kunnen fuseren. Dus de volgende keer als je op het strand in de zon ligt toe te kijken hoe de golven tegen het strand slaan, denk dan even aan de spookachtige, golfachtige bewegingen van kwantumdeeltjes die er niet alleen voor zorgen dat jij van de zonneschijn kunt genieten, maar die ook alle leven op onze planeet mogelijk maken.

Het derde is een aanverwant voorbeeld, maar illustreert een ander en nog vreemder aspect van de kwantumwereld: een verschijnsel dat superpositie wordt genoemd, waarbij deeltjes twee – of honderd, of een miljoen – dingen tegelijk kunnen doen. Deze eigenschap is verantwoordelijk voor het feit dat ons universum zo complex en interessant is. Niet lang na de big bang waarmee dit universum ontstond, wemelde het in de ruimte van slechts één soort atoom: dat met de simpelste structuur, waterstof, dat bestaat uit één positief geladen proton en één negatief geladen elektron. Het was een vrij saai oord, zonder sterren of planeten en zeker zonder levende wezens, want de elementaire bouwstenen van alles om ons heen, inclusief onszelf, bestaan niet alleen uit waterstof maar ook uit zwaardere elementen zoals koolstof, zuurstof en ijzer. Gelukkig werden deze zwaardere elementen bereid in sterren die wemelden van de waterstof. Hun eerste ingrediënt, een vorm van waterstof die bekendstaat als deuterium, heeft zijn bestaan te danken aan een beetje kwantummagie.

De eerste stap in het recept is de gebeurtenis die we net hebben beschreven, waarbij twee waterstofkernen – protonen – door kwantumtunneling zo dicht bij elkaar komen dat een deel van de vrijkomende energie verandert in het zonlicht dat onze planeet verwarmt. Vervolgens moeten de twee protonen een binding aangaan, en dat is niet eenvoudig, want de krachten ertussen zijn als lijm niet sterk genoeg. Alle atoomkernen bestaan uit twee soorten deeltjes: protonen en hun elektrisch neutrale partners, neutronen. Als een kern te veel van het ene of het andere type heeft, dicteren de wetten van de kwantummechanica dat het evenwicht hersteld moet worden en dat die overtollige deeltjes in de andere vorm zullen veranderen: protonen zullen neutronen worden, of neutronen protonen, door middel van een proces dat bètaverval wordt genoemd. Dit is precies wat er gebeurt als twee protonen samenkomen: een samenstel van twee protonen kan niet bestaan en een van de twee zal door bètaverval in een neutron veranderen. Het resterende proton en het zojuist getransformeerde neutron kunnen zich dan verbinden tot een object dat een deuteron wordt genoemd (de kern van een atoom van de zware waterstofisotoop5 die deuterium wordt genoemd), waarna nog meer kernreacties de totstandkoming mogelijk maken van de complexere kernen van andere elementen die zwaarder zijn dan waterstof, van helium (met twee protonen en een of twee neutronen) tot koolstof, stikstof, zuurstof, enzovoort.

Waar het om gaat is dat het deuteron zijn bestaan dankt aan zijn vermogen om tegelijk in twee toestanden te bestaan, op grond van een kwantumsuperpositie. Dat komt doordat het proton en het neutron op twee verschillende manieren aan elkaar kunnen blijven kleven. Dat hangt af van hun spin. Wij zullen later zien hoe dit concept ‘kwantumspin’ feitelijk heel iets anders is dan de bekende spin van een groot voorwerp, zoals een tennisbal. Maar vooralsnog zullen wij meegaan met onze klassieke intuïtie van een draaiend deeltje en ons voorstellen dat het proton en het neutron allebei binnen het deuteron draaien in een zorgvuldig gechoreografeerde combinatie van een langzame, intieme wals en een snellere jive. Aan het eind van de jaren dertig van de vorige eeuw werd er ontdekt dat deze twee deeltjes binnen het deuteron niet samen dansen in ofwel de ene ofwel de andere van deze twee toestanden, maar in beide toestanden tegelijkertijd – ze bevinden zich in een werveling van wals en jive tegelijk – en dat is wat ze in staat stelt om zich met elkaar te verbinden.6

Een voor de hand liggende reactie op deze uitspraak is: ‘Hoe weten wij dit?’ Atoomkernen zijn toch zeker veel te klein om gezien te worden, dus zou het niet redelijker zijn om aan te nemen dat we onvoldoende inzicht hebben in de kernkrachten? Het antwoord is nee, want het is telkens weer in vele laboratoria bevestigd dat de nucleaire ‘lijm’ tussen het proton en het neutron niet sterk genoeg zou zijn om ze aan elkaar te binden als ze het equivalent van ofwel een kwantumwals ofwel een kwantumjive zouden uitvoeren. Pas wanneer die twee toestanden over elkaar heen worden gelegd – en de twee realiteiten tegelijkertijd bestaan – is de bindende kracht sterk genoeg. Je kunt die twee gesuperponeerde realiteiten enigszins beschouwen als het mengen van twee verschillende kleuren verf, blauw en geel, die samen de mengkleur groen opleveren. Hoewel je weet dat de groene kleur bestaat uit de twee primaire kleuren, is het noch de ene noch de andere. En verschillende verhoudingen van blauw en geel zullen verschillende tinten groen opleveren. Zo ook voltrekt zich de binding van het deuteron als het proton en het neutron voornamelijk een wals dansen, met slechts een zweem van een jive.

Dus als deeltjes niet tegelijk zouden kunnen jiven en walsen, zou ons universum simpelweg een soep van waterstofgas zijn gebleven – er zouden geen sterren stralen, geen van de andere elementen zou gevormd zijn en jij zou deze woorden niet lezen. We bestaan vanwege het vermogen van protonen en neutronen om zich op deze tegen de intuïtie indruisende kwantummanier te gedragen.

Ons laatste voorbeeld voert ons terug naar de wereld van de technologie. De aard van de kwantumwereld kan niet alleen benut worden om naar minuscule objecten zoals virussen te kijken, maar ook om binnen in ons lichaam te kijken. Beeldvorming met behulp van kernspinresonantie (oftewel MRI, van magnetic resonance imaging) is een medische scantechniek die zeer gedetailleerde beelden van zachte weefsels oplevert. MRI-scans worden doorgaans gebruikt om ziektes te diagnosticeren en met name om tumoren in interne organen te ontdekken. In de meeste niet-technische beschrijvingen van MRI wordt voorbijgegaan aan het feit dat de techniek gebruikmaakt van de wonderlijke manier waarop de kwantumwereld werkt. Bij MRI worden grote sterke magneten gebruikt om de assen van de ronddraaiende kernen van waterstofatomen in het lichaam van de patiënt dezelfde kant op te richten. Die atomen worden vervolgens gebombardeerd met een puls van radiogolven, die de gelijkgerichte kernen dwingt om in die vreemde kwantumtoestand te verkeren waarbij ze in beide richtingen tegelijk draaien. Het is zinloos om zelfs maar te proberen te visualiseren wat dit betekent, omdat het zover af staat van onze dagelijkse ervaring! Waar het om gaat, is dat er energie vrijkomt wanneer atoomkernen weer terugkeren naar hun oorspronkelijke toestand – waarin ze verkeerden voordat ze de energiepuls opvingen waardoor ze met een schok in een kwantumsuperpositie raakten. Die energie wordt dan opgepikt door de elektronica van de MRI-scanner en gebruikt om die prachtige, gedetailleerde beelden van je inwendige organen te maken.

Dus als je ooit in een MRI-scanner ligt, misschien luisterend naar muziek via je hoofdtelefoon, sta dan even stil bij het contra-intuïtieve gedrag van subatomaire deeltjes dat deze technologie mogelijk maakt.

Kwantumbiologie

Wat heeft al dit vreemde kwantumgedoe te maken met de vlucht van het Europese roodborstje dat haar weg zoekt over de aardbol? Nou, je zult je nog wel herinneren dat in het onderzoek van de Wiltschko’s aan het begin van de jaren zeventig werd vastgesteld dat het magnetische zintuig van het roodborstje net zo werkt als een inclinatiekompas. Dat was een heel groot raadsel, omdat destijds niemand enig idee had hoe een biologisch inclinatiekompas zou kunnen werken. Rond dezelfde tijd raakte Klaus Schulten, een Duitse wetenschapper, echter geïnteresseerd in de vraag hoe de overdracht van elektronen zich voltrok bij chemische reacties waar vrije radicalen aan te pas kwamen. Dat zijn moleculen met één elektron in hun buitenste schil, in tegenstelling tot de meeste elektronen, die paarsgewijs in een baan rond het atoom cirkelen. Dat is belangrijk als je nadenkt over die vreemde kwantumeigenschap ‘spin’, omdat gepaarde elektronen meestal in tegengestelde richtingen draaien, zodat hun totale spin gelijkstaat aan nul. Maar zonder een tegenhanger die de spin neutraliseert heeft het enkele elektron bij vrije radicalen een netto spin die ze een magnetische eigenschap geeft: de spin kan gericht worden met behulp van een magnetisch veld.

Schulten opperde dat bij de paren vrije radicalen die gegenereerd worden door een proces dat bekendstaat als een ‘snelle tripletreactie’, de corresponderende elektronen in een toestand van ‘kwantumverstrengeling’ raken. Om subtiele redenen die verderop hopelijk duidelijk worden, is die hachelijke kwantumtoestand van de twee afzonderlijke elektronen erg gevoelig voor de richting van een extern magnetisch veld. Vervolgens opperde Schulten dat het raadselachtige kompas van vogels weleens gebruik zou kunnen maken van zo’n verstrengelingsmechanisme.

Wij hebben het nog niet gehad over kwantumverstrengeling omdat het waarschijnlijk het vreemdste aspect van de kwantummechanica is. Ze zorgt dat deeltjes die ooit bij elkaar hoorden, op bijna magische wijze met elkaar in direct contact blijven, ook al zitten er enorme afstanden tussen. Zo kunnen deeltjes die ooit hecht met elkaar verbonden waren maar later gescheiden zijn en zo ver uit elkaar zijn geraakt dat ze zich elk aan een andere kant van het universum bevinden, in principe nog steeds met elkaar verbonden zijn. Als je een van de deeltjes een por geeft, zou dat ertoe leiden dat zijn verre partner onmiddellijk opschrikt.7 De kwantumpioniers hebben aangetoond dat verstrengeling vanzelf volgde uit hun vergelijkingen, maar de implicaties ervan waren zo buitengewoon dat zelfs Einstein, aan wie wij zwarte gaten en de gekromde ruimtetijd te danken hebben, weigerde om het effect te accepteren. Hij deed het spottend af als ‘een spookachtige werking op afstand’. En het is juist deze spookachtige werking op afstand die ‘kwantummystici’ vaak zo intrigerend vinden. Zij doen buitensporige beweringen over kwantumverstrengeling, zoals dat daarmee paranormale ‘verschijnselen’ zoals telepathie verklaard zouden kunnen worden. Einstein was sceptisch omdat verstrengeling in strijd leek te zijn met zijn relativiteitstheorie, die stelde dat geen invloed of signaal zich ooit door de ruimte kon voortplanten met een snelheid groter dan die van het licht. Volgens Einstein zouden er geen onmiddellijke spookachtige connecties moeten zijn tussen ver van elkaar verwijderde deeltjes. In dit geval had Einstein het mis: wij weten nu empirisch dat kwantumdeeltjes werkelijk directe relaties over grote afstanden kunnen hebben. Maar voor het geval je het je afvraagt: kwantumverstrengeling kan telepathie niet verklaren.

Aan het begin van de jaren zeventig vond men het een bizar idee dat de vreemde kwantumeigenschap verstrengeling een rol speelt bij gewone chemische reacties. Destijds waren vele wetenschappers het met Einstein eens wat betreft zijn twijfel of er werkelijk verstrengelde deeltjes bestonden, omdat nog niemand die had ontdekt. Maar in de tientallen jaren sindsdien hebben vele ingenieuze laboratoriumexperimenten de realiteit van deze spookachtige relaties bevestigd. Het beroemdste werd reeds in 1982 uitgevoerd door een team van Franse wetenschappers onder leiding van Alain Aspect aan de Universiteit van Parijs-Zuid.

Het team van Aspect genereerde gepaarde fotonen (lichtdeeltjes) met verstrengelde polarisatietoestanden. De polarisatie van licht kennen de meesten onder ons waarschijnlijk van het dragen van een gepolariseerde zonnebril. Elk lichtfoton heeft een bepaalde gerichtheid, een polarisatiehoek, die een beetje lijkt op de eerder besproken spin.8 De fotonen in zonlicht hebben alle mogelijke polarisatiehoeken, maar een gepolariseerde zonnebril filtert die en laat alleen fotonen door met één bepaalde polarisatiehoek. Aspect genereerde paren fotonen waarvan de polarisatierichtingen niet alleen van elkaar verschilden – zeg dat de ene naar boven wees en de andere naar beneden – maar ook verstrengeld waren. En evenals bij de eerder beschreven danspartners wees geen van beide fotonen van het verstrengelde paar de ene of de andere kant op: ze wezen allebei beide kanten tegelijk op, tot ze gemeten werden.

Meting is een van de meest mysterieuze – en zeker een van de meest omstreden – aspecten van de kwantummechanica, omdat dit raakt aan de vraag die ongetwijfeld al in je is opgekomen: waarom doen niet alle objecten die wij zien al die vreemde, wonderbaarlijke dingen die kwantumdeeltjes kunnen doen? Het antwoord is dat deeltjes zich in de microscopische kwantumwereld wel op zulke vreemde manieren kunnen gedragen – bijvoorbeeld door twee dingen tegelijk te doen, door muren heen te gaan of spookachtige relaties te hebben – maar alleen als er niemand kijkt. Zodra ze worden waargenomen of op de een of andere manier worden gemeten, verliezen ze hun vreemdheid en gedragen ze zich als de klassieke objecten die wij om ons heen zien. Dat roept uiteraard de volgende vraag op: wat is er zo bijzonder aan metingen dat ze kwantumgedrag in klassiek gedrag doen veranderen?9 Het antwoord op deze vraag is van cruciaal belang voor ons verhaal, want meting bevindt zich op de grenslijn tussen de kwantumwereld en de klassieke wereld, de kwantumgrens, waar het leven zich volgens ons ook bevindt.

We zullen ons overal in dit boek bezighouden met kwantummetingen en hopen dat de lezer geleidelijk aan vat krijgt op de subtiliteiten van dit mysterieuze proces. Voorlopig zullen we alleen kijken naar de simpelste interpretatie van het verschijnsel: wanneer een kwantumeigenschap van een deeltje, zoals een polarisatietoestand, met een wetenschappelijk instrument wordt gemeten, wordt het deeltje onmiddellijk gedwongen om zijn kwantumvermogens (bijvoorbeeld dat het in vele richtingen tegelijkertijd wijst) te vergeten en krijgt het een gewone klassieke eigenschap (bijvoorbeeld dat het slechts in één richting wijst). Dus toen Aspect de polarisatietoestand van een helft van een willekeurig paar verstrengelde fotonen mat, door te observeren of het door een gepolariseerde lens heen kon gaan, verloor dat deeltje meteen zijn spookachtige relatie met zijn partner om slechts één polarisatierichting aan te nemen. Dat deed zijn partner ook, terstond, ongeacht hoe ver die ervan verwijderd was. Dat is althans wat de vergelijkingen van de kwantummechanica voorspelden en wat Einstein dwarszat.

Aspect en zijn team voerden hun beroemde experiment uit voor gepaarde fotonen die in zijn laboratorium een paar meter van elkaar gescheiden waren, ver genoeg van elkaar om ervoor te zorgen dat zelfs geen invloed die zich voortplantte met de lichtsnelheid – en de relativiteitstheorie vertelt ons dat niets sneller kan gaan dan de lichtsnelheid – ertussen uitgewisseld had kunnen worden om hun polarisatiehoeken op elkaar af te stemmen. Toch was er een correlatie tussen de metingen van de gepaarde deeltjes: als de polarisatie van het ene foton naar boven wees, wees die van het andere naar beneden. Sinds 1982 is het experiment zelfs herhaald met deeltjes die honderden kilometers van elkaar gescheiden zijn, en ook dan is er nog steeds die spookachtige verstrengeling die Einstein niet kon accepteren.

Toen Schulten stelde dat verstrengeling een rol speelde bij het vogelkompas, zou het nog een paar jaar duren voordat Aspect zijn experiment uitvoerde en was het verschijnsel nog omstreden. Ook had Schulten geen idee hóé een roodborstje door zo’n geheimzinnige chemische reactie het aardmagnetisch veld kon zien. We zeggen hier ‘zien’ vanwege een andere eigenaardigheid die door de Wiltschko’s is ontdekt. Ondanks het feit dat het Europese roodborstje een nachtelijke trekvogel is, was voor de activering van haar magnetische kompas een kleine hoeveelheid licht vereist (aan de blauwe kant van het zichtbare spectrum), hetgeen suggereerde dat de ogen van de vogel een belangrijke rol speelden bij de werking ervan. Maar wat konden ogen, los van het zicht, bijdragen aan een magnetisch zintuig? Met of zonder een mechanisme van radicale paren was dit een volslagen raadsel.

De theorie dat het vogelkompas berustte op een kwantummechanisme verdween meer dan twintig jaar in de la van de wetenschap. Schulten verhuisde terug naar de VS, waar hij een heel succesvolle groep voor theoretische natuur- en scheikunde oprichtte aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Maar hij vergat zijn bizarre theorie geen moment, en herschreef voortdurend een artikel waarin hij mogelijke biomoleculen suggereerde (moleculen die door levende cellen worden gemaakt) die de radicale paren zouden kunnen genereren welke nodig waren voor de snelle tripletreactie. Maar geen daarvan voldeed echt: of ze konden geen radicale paren genereren, of ze waren niet aanwezig in de ogen van vogels. Maar in 1998 las Schulten dat er een raadselachtige lichtreceptor, cryptochroom genaamd, was aangetroffen in de ogen van dieren. Hierdoor ging er meteen een wetenschappelijk lichtje bij hem branden, want cryptochroom stond bekend als een eiwit dat mogelijk radicale paren kon genereren.

Een getalenteerde promovendus, Thorsten Ritz genaamd, was onlangs Schultens lab komen versterken. Als student aan de Universiteit van Frankfurt had Ritz Schulten college horen geven over het vogelkompas en hij was meteen verkocht. Toen hij de kans kreeg om als aio in Schultens lab te gaan werken, greep hij die met beide handen aan. Aanvankelijk hield hij zich bezig met fotosynthese. Toen het cryptochroomverhaal bekend werd, ging hij aan de slag met magnetoreceptie, en in 2000 schreef hij samen met Schulten een artikel met de titel ‘Een model voor op fotoreceptoren gebaseerde magnetoreceptie bij vogels’, waarin werd beschreven hoe cryptochroom kon zorgen voor een kwantumkompas in het vogeloog. (In hoofdstuk 6 zullen we uitgebreider op dit onderwerp terugkomen.) Vier jaar later ging Ritz samenwerken met de Wiltschko’s om onderzoek te doen naar Europese roodborstjes, dat het eerste experimentele bewijs leverde voor deze theorie dat vogels kwantumverstrengeling gebruiken om de weg te vinden over de aardbol. Naar het scheen had Schulten al die tijd gelijk gehad. Hun artikel uit 2004, dat gepubliceerd werd in het prestigieuze Engelse tijdschrift Nature, wekte veel belangstelling en het kwantumkompas van vogels werd onmiddellijk het boegbeeld voor de nieuwe wetenschap van de kwantumbiologie.

==

==

Figuur 1.2 De aanwezigen bij de workshop over kwantumbiologie die in 2012 in Surrey werd gehouden. Van links naar rechts: de auteurs, Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden; Vlatko Vedral, Greg Engel, Nigel Scrutton, Thorsten Ritz, Paul Davies, Jennifer Brookes en Greg Scholes.

Als kwantummechanica normaal is, waarom is kwantumbiologie dan opwindend?

We hebben hiervoor al het kwantumtunneleffect en de kwantumsuperpositie beschreven, zowel in het hart van de zon als in instrumenten zoals elektronenmicroscopen en MRI-scanners. Waarom zou het ons dan verbazen als kwantumverschijnselen zich ook in de biologie voordoen? Tenslotte is biologie een soort toegepaste scheikunde, en is scheikunde een soort toegepaste natuurkunde. Berust dus in de kern der zaak niet alles, inclusief wijzelf en andere levende wezens, op natuurkunde? Zo redeneren inderdaad veel wetenschappers die accepteren dat de kwantummechanica op een diep niveau een rol moet spelen in de biologie. Zij houden echter vol dat die rol onbeduidend is. Wat zij daarmee bedoelen is dat omdat de wetten van de kwantummechanica het gedrag van atomen bepalen en het bij biologie uiteindelijk draait om wisselwerkingen tussen atomen, de wetten van de kwantumwereld ook moeten gelden op het meest microscopische niveau van de biologie – maar alléén op dat niveau, met als gevolg dat ze weinig tot geen effect zullen hebben op de processen op grotere schalen, die van belang zijn voor het leven.

Die wetenschappers hebben het, uiteraard, zeker voor een deel bij het rechte eind. Biomoleculen zoals DNA en enzymen bestaan uit elementaire deeltjes zoals protonen en elektronen, waarvan de wisselwerkingen bepaald worden door de kwantummechanica. Aan de andere kant geldt dat ook voor de structuur van het boek dat je nu leest of de stoel waarin je zit. Hoe je loopt, praat, eet, slaapt en zelfs denkt wordt uiteindelijk noodzakelijkerwijs bepaald door kwantummechanica. Maar over het algemeen hoef je dat niet te weten. Automonteurs hoeven geen colleges over kwantummechanica te volgen, en in de meeste leerplannen voor biologie wordt niet gerept van kwantumtunneling, verstrengeling of superpositie. De meesten onder ons kunnen het wel stellen zonder de wetenschap dat, op een fundamenteel niveau, de wereld werkt volgens een heel andere verzameling wetten dan die waarmee wij vertrouwd zijn. Dat rare kwantumgedoe dat zich afspeelt op een microscopisch niveau maakt doorgaans niets uit voor de grote dingen zoals de auto’s en de broodroosters die wij dagelijks gebruiken.

Waarom niet? Voetballen gaan niet door muren heen; mensen hebben geen spookachtige connecties (ondanks de valse aanspraken van telepathie); en helaas kun je niet tegelijkertijd zowel op kantoor als thuis zijn. Maar de elementaire deeltjes in een voetbal, of een mens, kunnen dat allemaal wel. Waarom is er een breuklijn, een grens, tussen de wereld die wij zien en de wereld waarvan natuurkundigen weten dat zij werkelijk onder het oppervlak daarvan ligt? Dit is een van de meest fundamentele vraagstukken in de hele natuurkunde, en het houdt verband met het eerder geïntroduceerde verschijnsel van de kwantummeting. Als een kwantumsysteem een interactie aangaat met een klassiek meetinstrument, zoals de polariserende lens in het experiment van Alain Aspect, raakt het zijn vreemde kwantumeigenschappen kwijt en gaat het zich als een klassiek object gedragen. Maar de metingen die natuurkundigen verrichten kunnen niet verantwoordelijk zijn voor hoe de wereld die wij om ons heen zien zich voordoet. Wat is het dan dat kwantumgedrag tenietdoet, ook buiten het natuurkundig laboratorium?

Het antwoord heeft te maken met de manier waarop deeltjes geordend zijn en hoe ze zich binnen grote (macroscopische) objecten verplaatsen. Atomen en moleculen zijn meestal willekeurig verspreid en zijn in levenloze vaste objecten op grillige manieren aan het trillen; in vloeistoffen en gassen bewegen ze zich ook nog voortdurend op een willekeurige manier in het rond als gevolg van warmte. Vanwege deze tot willekeur leidende factoren – verspreiding, trillingen en beweging – zijn de golfachtige kwantumeigenschappen van deeltjes heel vluchtig. Het is derhalve het samenspel van alle kwantumcomponenten van een lichaam dat de ‘kwantummeting’ op al die eigenschappen verricht en de wereld die wij om ons heen zien normaal doet lijken. Om die vreemde kwantumeigenschappen waar te nemen moet je ofwel naar ongebruikelijke plaatsen toe gaan (zoals het inwendige van de zon), ofwel diep in de microwereld turen (met instrumenten zoals elektronenmicroscopen) ofwel de kwantumdeeltjes zorgvuldig richten zodat ze in de pas lopen (zoals gebeurt bij de spins van waterstofkernen in je lichaam wanneer dat in een MRI-scanner ligt – tot de magneet wordt uitgeschakeld, de spinrichting van de kernen opnieuw willekeurig wordt en de kwantumcoherentie weer teniet wordt gedaan). Hetzelfde soort moleculaire willekeur is verantwoordelijk voor het feit dat wij het doorgaans zonder kwantummechanica kunnen stellen: al die vreemde kwantumeigenschappen worden weggespoeld in het willekeurig georiënteerde en voortdurend bewegende moleculaire inwendige van de zichtbare levenloze objecten om ons heen.

Doorgaans... maar niet altijd. Zoals Schulten ontdekte, kan de snelheid van de snelle chemische tripletreactie alleen verklaard worden als de subtiele kwantumeigenschap verstrengeling daar een rol in speelt. Maar de snelle tripletreactie voltrekt zich... heel snel. En er zijn slechts enkele moleculen bij betrokken. Wil die verantwoordelijk zijn voor de navigatie bij vogels, dan zou de reactie een langer durend effect op een heel roodborstje moeten hebben. De bewering dat het magnetische kompas van vogels gebaseerd was op kwantumverstrengeling was derhalve van een heel andere orde dan de bewering dat verstrengeling een rol speelde bij een exotische chemische reactie waarbij slechts enkele deeltjes betrokken waren, en werd met heel wat twijfel ontvangen. Men dacht dat levende cellen voornamelijk bestonden uit water en biomoleculen die in een voortdurende staat van moleculaire beroering verkeerden, waarvan je kon verwachten dat die de vreemde kwantumeffecten onmiddellijk zou meten en verstrooien. Met ‘meten’ bedoelen wij hier uiteraard niet dat watermoleculen of biomoleculen een meting verrichten zoals we het gewicht of de temperatuur van een object kunnen meten en die waarde vervolgens op papier, op de harde schijf van een computer of gewoon in onze hersenen kunnen vastleggen. We hebben het hier over wat er gebeurt als een watermolecuul tegen de helft van een paar verstrengelde deeltjes aan botst: de daaropvolgende beweging ervan zal worden beïnvloed door de toestand van dat deeltje, zodat je enkele van de eigenschappen van het deeltje waar het watermolecuul tegenop was gebotst zou kunnen afleiden als je de beweging van dat molecuul na de botsing zou bestuderen. In die zin heeft het watermolecuul een ‘meting’ verricht omdat de beweging ervan een vastlegging is van de toestand van een verstrengeld paar, ongeacht of er iemand is die dat onderzoekt. Zo’n toevallige meting is doorgaans voldoende om toestanden van verstrengeling teniet te doen. Daarom vonden velen de bewering dat zorgvuldig gearrangeerde verstrengelingstoestanden zich zouden kunnen handhaven in het warme, complexe inwendige van levende cellen een bizar idee, dat grensde aan waanzin.

Maar de laatste jaren heeft onze kennis van zulke zaken grote vooruitgang geboekt – en niet alleen met betrekking tot vogels. Kwantumverschijnselen zoals superpositie en tunneling zijn ontdekt bij veel biologische verschijnselen, van de manier waarop planten het zonlicht opvangen tot de manier waarop al onze cellen biomoleculen aanmaken. Zelfs ons reukvermogen en de genen die wij van onze ouders erven kunnen gebaseerd zijn op die vreemde kwantumwereld. In ’s werelds meest prestigieuze wetenschappelijke tijdschriften verschijnen nu regelmatig nieuwe artikelen over onderzoek op het gebied van de kwantumbiologie; en er is een klein maar toenemend aantal onderzoekers dat met klem stelt dat aspecten van de kwantummechanica inderdaad een niet onbelangrijke, en zelfs cruciale, rol spelen bij het verschijnsel leven, en dat het leven zich in een unieke positie bevindt om die vreemde kwantumeigenschappen op de grens van de kwantumwereld en de klassieke wereld in stand te houden.

Dat het inderdaad om een gering aantal onderzoekers gaat werd ons duidelijk toen wij in september 2012 aan de Universiteit van Surrey een internationale workshop over kwantumbiologie organiseerden en ze met zijn allen in een kleine collegezaal bleken te passen. Maar het vakgebied groeit snel, omdat het zo spannend is om te ontdekken welke rol de kwantummechanica speelt in alledaagse biologische verschijnselen. En een van de meest prikkelende onderzoeksgebieden – dat enorme gevolgen kan hebben voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën – is de recente oplossing van het raadsel hoe vreemde kwantumeigenschappen zich in warme, vochtige en rommelige levende lichamen weten te handhaven.

Maar om deze bevindingen op hun volle waarde te kunnen schatten moeten we eerst een bedrieglijk simpele vraag stellen: wat is leven?

1 P.W. Atkins, ‘Magnetic field effects’, Chemistry in Britain, vol. 12 (1976), p. 214.

2 S. Emlen, W. Wiltschko, N. Demong en R. Wiltschko, ‘Magnetic direction finding: evidence for its use in migratory indigo buntings’, Science, vol. 193 (1976), pp. 505-508.

3 De deterministische natuurkundige theorieën van vóór de kwantummechanica, inclusief de bijzondere en de algemene relativiteitstheorie, worden gewoonlijk de klassieke natuurkunde genoemd – dit in tegenstelling tot de niet-klassieke kwantummechanica.

4 Het zou echter onjuist zijn om te denken dat er bij het kwantumtunneleffect tastbare golven door barrières heen lekken. Het is eerder een gevolg van abstracte wiskundige golven die de waarschijnlijkheid beschrijven dat het kwantumdeeltje op hetzelfde moment aan de andere kant van de barrière te vinden is. In dit boek proberen wij waar mogelijk intuïtieve analogieën te bieden om kwantumverschijnselen te verklaren, maar de realiteit is dat de kwantummechanica volstrekt tegen de intuïtie indruist, en dat we omwille van de begrijpelijkheid het risico lopen dat we de zaken al te zeer simplificeren.

5 Alle chemische elementen komen voor in diverse variëteiten, die isotopen worden genoemd. Een element wordt gedefinieerd door het aantal protonen in de kern van zijn atomen: waterstof heeft er één, helium twee, enzovoort. Maar het aantal neutronen dat de kern bevat kan variëren. Zo bestaan er drie vormen (isotopen) van waterstof: de atomen van normale waterstof bevatten slechts een proton, terwijl die van de zwaardere isotopen, deuterium en tritium, daarnaast respectievelijk een en twee neutronen bevatten.

6 Technisch gesproken dankt het deuteron zijn stabiliteit aan een aspect van de kernkracht die het proton en het neutron bijeenhoudt die ‘tensorinteractie’ wordt genoemd, welke het paar dwingt tot een kwantumsuperpositie van twee hoekmomenten, die s-golf en d-golf worden genoemd.

7 We moeten even toelichten dat kwantumfysici zich niet van dergelijk simplistisch taalgebruik bedienen. Het is correcter om te zeggen dat twee ver van elkaar verwijderde maar verstrengelde deeltjes niet-lokaal met elkaar verbonden zijn omdat ze deel uitmaken van dezelfde kwantumtoestand. Aan de andere kant helpt het niet echt om het zo te stellen, toch?

8 Maar omdat licht enerzijds als een golf en anderzijds als een deeltje kan worden beschouwd, is het begrip polarisatie (anders dan kwantumspin) makkelijker te begrijpen als de richting waarin een lichtgolf trilt.

9 Wederom stellen we de zaken hier al te simplistisch voor, omwille van de helderheid. Een bepaalde eigenschap van een kwantumdeeltje meten, bijvoorbeeld de positie ervan, betekent dat we niet meer onzeker zijn over zijn locatie – in zekere zin wordt erop scherpgesteld, waarna het niet meer vaag is. Dat betekent echter niet dat het zich nu gedraagt als een klassiek deeltje. Vanwege Heisenbergs onzekerheidsrelatie heeft het nu geen vaste snelheid meer. Een deeltje op een bepaalde positie zal, op dat moment, verkeren in een superpositie van alle mogelijke snelheden in alle mogelijke richtingen. En wat betreft de kwantumspin: omdat die eigenschap alleen in de kwantumwereld wordt aangetroffen, gaat het deeltje zich zeker niet klassiek gedragen als die spin wordt gemeten.

Hoofdstuk 2

Wat is leven?

Een van de meest succesvolle wetenschappelijke missies aller tijden begon op 20 augustus 1977, toen de ruimtesonde Voyager 2 opsteeg in de hemel boven Florida, twee weken later gevolgd door zijn zusterschip, Voyager 1. Twee jaar later bereikte Voyager 1 zijn eerste bestemming, Jupiter, waar hij de wervelende wolken en de beroemde grote rode vlek van de gasreus fotografeerde voordat hij verder vloog over het ijzige oppervlak van een van de manen, Ganymedes, en getuige was van een vulkaanuitbarsting op een andere maan, Io. Intussen had de Voyager 2 een andere route gevolgd en begon die toen hij in augustus 1981 Saturnus bereikte verbijsterend mooie foto’s terug te sturen van de ringen rond de planeet. Die bleken een fijn gevlochten halssnoer te zijn van miljoenen kleine rotsblokjes en maantjes. Maar er verstreken nog bijna tien jaren voordat, op 14 februari 1990, Voyager 1 een van de meest opmerkelijke foto’s nam die ooit zijn gemaakt: een foto van een heel klein blauw stipje tegen een korrelige grijze achtergrond.

In de loop van de laatste halve eeuw heeft de mensheid dankzij de missies van de Voyagers en andere explorerende ruimtevaartuigen op de maan kunnen lopen, van veraf de dalen van Mars kunnen verkennen, in de gloeiend hete woestijnen van Venus kunnen kijken en zelfs getuige kunnen zijn van een komeet die in de gasachtige atmosfeer van Jupiter afdaalde. Maar ze hebben voornamelijk gesteente ontdekt... veel gesteente. Men zou zelfs kunnen betogen dat de verkenning van onze zusterplaneten voornamelijk een onderzoek naar gesteenten is geweest, van de ton of wat aan mineralen die de Apollo-astronauten van de maan hebben meegenomen, of de microscopische komeetfragmenten die het bezoekje van NASA’s Stardust-missie aan de komeet Wild 2 in 2006 heeft opgeleverd, tot het directe contact van de Rosetta-sonde met een komeet in 2014, alsook de analyse van het oppervlak van Mars door het onbemande robotvoertuig Curiosity Rover – veel, heel veel gesteente.

Stenen uit de ruimte zijn uiteraard fascinerende objecten. Hun structuur en samenstelling geven aanwijzingen omtrent de oorsprong van het zonnestelsel, de vorming van de planeten en zelfs de kosmische gebeurtenissen van vóór de totstandkoming van onze zon. Maar voor de meeste niet-geologen is er niet zoveel verschil tussen een martiaanse chondriet (een soort stenige, niet-metalige meteoriet) en een lunaire troctoliet (een ijzer- en magnesiumrijke meteoriet). Er is echter een plaats in ons zonnestelsel waar de basisingrediënten van rotsen en stenen in zo’n verscheidenheid aan vormen, functies en chemische samenstellingen bestaan dat slechts één gram van het resulterende materiaal meer variatie vertoont dan alle materie die elders in het bekende universum wordt gevonden. Deze plaats is, uiteraard, die lichtblauwe stip die door Voyager 1 is gefotografeerd, de planeet die wij aarde noemen. Het meeste opmerkelijke is dat al die verschillende grondstoffen waaruit het oppervlak van onze planeet bestaat, zich gecombineerd hebben om leven te creëren.

Leven is buitengewoon. We hebben al gekeken naar het verbazingwekkende zintuig magnetoreceptie bij het Europese roodborstje, maar dat speciale vermogen is slechts één van haar vele en uiteenlopende vaardigheden. Ze kan zien, ruiken, horen, vliegen vangen; ze kan over de grond hippen of heen en weer tussen de takken in een boom; en ze kan hoog in de lucht vliegen en wel honderden kilometers afleggen. Het meest opmerkelijke is dat ze, met een beetje hulp van haar mannetje, een heel broedsel van soortgelijke schepselen kan maken van dezelfde materialen waaruit al die rotsen bestaan. En ons roodborstje is slechts één van de talloze levende organismen die in staat zijn tot honderden van deze en vele andere al even verbluffende prestaties.

Een ander opmerkelijk organisme bent jij, uiteraard. Als je opkijkt naar de nachthemel, vallen er lichtfotonen in je ogen, die door het weefsel van je netvlies worden omgezet in minuscule elektrische stroompjes die via je oogzenuwen naar het zenuwweefsel van je hersenen gaan. Daar genereren ze een flikkerend patroon van vurende neuronen, dat jij ervaart als de flonkerende ster aan de hemel boven je. Tegelijkertijd registreren de haarcellen in je binnenoor minuscule drukvariaties van minder dan een miljardste van de atmosferische druk, die signalen in de gehoorzenuw opwekken die je vertellen dat de wind in de bomen ruist. Een handjevol moleculen dat je neus binnendrijft wordt opgepikt door gespecialiseerde reukreceptoren, waarna hun chemische identiteit wordt doorgegeven aan je hersenen, wat jou informeert dat het zomer is en dat de kamperfoelie in bloei staat. En iedere kleine beweging van je lichaam, terwijl je naar de sterren kijkt, naar de wind luistert en de lucht opsnuift, wordt gegenereerd door het samenspel van honderden spieren.

Maar hoe buitengewoon ook, de fysieke prestaties van de weefsels van ons eigen lichaam verbleken vergeleken met die van vele van onze levende medewezens. De bladsnijdermier kan een last dragen die dertigmaal zijn eigen gewicht is. Dat zou hetzelfde zijn als wanneer jij een auto op je rug zou dragen. En de valkaakmier kan in slechts 0,13 milliseconden zijn kaken versnellen van 0 tot 230 kilometer per uur, terwijl een Formule 1-auto er ongeveer veertigduizend maal zo lang over doet (zo’n vijf seconden) om diezelfde snelheid te bereiken. De sidderaal uit het Amazonegebied kan 600 Volt aan mogelijk dodelijke elektriciteit opwekken. Vogels kunnen vliegen, vissen kunnen zwemmen, wormen kunnen wroeten en apen kunnen door de bomen slingeren. En zoals we al ontdekt hebben kunnen veel dieren, waaronder ons Europese roodborstje, over duizenden kilometers de weg vinden door gebruik te maken van het magnetische veld van de aarde. Wat betreft biosynthetisch vermogen is er niets wat de groene diversiteit van het leven op aarde evenaart, waarin lucht- en watermoleculen (en wat mineralen) met elkaar zijn gecombineerd tot gras, eiken, zeewier, paardenbloemen, korstmossen en gigantische Californische sequoia’s.

Alle levende organismen hebben zo hun eigen vaardigheden en specialiteiten, zoals de magnetoreceptie van het roodborstje of het snelle happen van de valkaakmier, maar er is één menselijk orgaan waarvan de prestaties ongeëvenaard zijn. Het rekenvermogen van het grijze vlezige materiaal in onze benige schedel overtreft dat van elke computer op deze planeet en heeft geleid tot piramides, de algemene relativiteitstheorie, Het Zwanenmeer, de Rig Veda, Hamlet, Ming-keramiek en Donald Duck. En misschien wel het meest opmerkelijke is dat de menselijke hersenen het vermogen bezitten om te wéten dat ze bestaan.

Toch bestaat deze hele diversiteit aan levende materie, met haar talrijke vormen en eindeloze verscheidenheid aan functies, uit min of meer dezelfde atomen als die welke in klompjes martiaanse chondrieten worden aangetroffen.

De grootste vraag in de wetenschap, die centraal staat in dit boek, is hoe de inerte atomen en moleculen die in gesteente worden aangetroffen dagelijks worden omgezet in rennend, springend, vliegend, varend, zwemmend, groeiend, hatend, verlangend, vrezend, denkend, lachend, huilend, lévend materiaal. Deze buitengewone transformatie valt ons niet op omdat wij er zo aan gewend zijn, maar we moeten niet vergeten dat zelfs in deze tijd van genetische manipulatie en synthetische biologie, mensen nog nooit iets levends hebben gemaakt van louter levenloze materialen. Dat onze technologie er tot dusver niet in is geslaagd om een transformatie te bewerkstelligen die zelfs de simpelste microbe op onze planeet moeiteloos kan voltrekken, suggereert dat onze kennis van wat ervoor nodig is om leven te maken onvolledig is. Hebben wij een of andere vitale vonk over het hoofd gezien die het levende bezielt en bij het niet-levende ontbreekt?

Daarmee wil niet gezegd zijn dat wij beweren dat het leven bezield wordt door een soort vitale kracht, een geest of een magisch ingrediënt. Ons verhaal is veel interessanter. In plaats daarvan zullen wij ons verdiepen in recent onderzoek waaruit blijkt dat minstens één van de ontbrekende puzzelstukjes te vinden is in de wereld van de kwantummechanica, waar objecten op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn, spookachtige betrekkingen kunnen onderhouden en door schijnbaar ondoordringbare barrières heen kunnen gaan. Het leven lijkt met één been in de klassieke wereld van de dagelijkse dingen te staan, en met het andere in de vreemde, wonderlijke diepte van de kwantumwereld. Wij zullen betogen dat het leven zich afspeelt op de kwantumgrens.

Maar kunnen roodborstjes, mensen, dieren, planten en microben werkelijk beheerst worden door natuurwetten waarvan wij tot nu toe hebben aangenomen dat ze alleen het gedrag van elementaire deeltjes beschrijven? Levende organismen die uit talloze deeltjes bestaan zijn toch macroscopische objecten die, net als voetballen, auto’s en stoomtreinen, afdoende beschreven moeten kunnen worden met de klassieke regels, zoals de bewegingswetten van Newton en de wetenschap van de thermodynamica? Om te ontdekken waarom we de verborgen wereld van de kwantummechanica nodig hebben om de verbazende eigenschappen van levende materie te verklaren, moeten we eerst een klein rondje maken langs de pogingen van de wetenschap om te begrijpen wat er zo bijzonder is aan leven.

De ‘levenskracht’

Het fundamentele raadsel van het leven is: waarom gedraagt materie zich als levend wezen zo anders dan als gesteente? De oude Grieken behoorden tot de eerste volken die deze vraag probeerden te beantwoorden. De filosoof Aristoteles, waarschijnlijk ’s werelds eerste grote wetenschappelijk onderzoeker, stelde correct bepaalde eigenschappen van levenloze materie vast die betrouwbaar en voorspelbaar waren: bijvoorbeeld de neiging van vaste voorwerpen om te vallen, terwijl vuur en dampen de neiging hebben om op te stijgen, en hemellichamen doorgaans een cirkelvormige baan rond de aarde beschrijven. Maar het leven was anders: hoewel veel dieren vielen, renden ze ook; planten groeiden omhoog en vogels vlogen zelfs de aarde rond. Wat maakte ze zo verschillend van de rest van de wereld? Het antwoord dat een eerdere Griekse denker, Socrates, voorstelde werd opgetekend door zijn leerling Plato: ‘Wat is het dat een lichaam levend maakt als het daarin aanwezig is? – Een ziel.’ Aristoteles was het met Socrates eens dat levende wezens een ziel hadden, maar hij beweerde dat die in verschillende gradaties bestond. De laagste was die van planten, die ze in staat stelde om te groeien en zich te voeden; een trede hoger op de ladder bevond zich de ziel van dieren, die ervoor zorgde dat de gastheer kon voelen en bewegen; maar alleen de menselijke ziel was verantwoordelijk voor de rede en het intellect. De oude Chinezen geloofden eveneens dat levende wezens bezield werden door een onstoffelijke levenskracht, die ‘qi’ (uit te spreken als ‘tsjie’) werd genoemd en door ze heen stroomde. Het concept van een ziel werd later opgenomen in alle grote wereldgodsdiensten; maar de aard ervan en het verband met het lichaam bleven een mysterie.

Een ander raadsel was sterfelijkheid. Over het algemeen werd aangenomen dat zielen onsterfelijk zijn, maar aan de andere kant: waarom is het leven zo kortstondig? Het antwoord waarop de meeste culturen uitkwamen was dat de dood gepaard gaat met het vertrek van de ziel uit het lichaam dat daardoor tot leven werd gebracht. Zelfs nog in 1907 beweerde de Amerikaanse arts Duncan MacDougall dat hij de ziel kon meten door zijn stervende patiënten vlak voor en vlak na hun dood te wegen. Zijn experimenten overtuigden hem ervan dat de ziel ongeveer 21 gram woog. Maar het bleef een raadsel waarom de ziel het lichaam na doorgaans zo’n zeventig jaar moest verlaten.

Het concept van een ziel betekende in elk geval een scheidslijn tussen de studie van het niet-levende en het levende, waardoor wetenschappers de oorzaken van beweging in levenloze objecten konden bestuderen zonder gehinderd te worden door de filosofische en theologische vragen die het onderzoek van levende wezens in de weg zaten. We hebben het standpunt van Aristoteles al genoemd met betrekking tot objecten die de neiging vertoonden om naar, van of rond de aarde te bewegen, wat hij allemaal als natuurlijke bewegingen beschouwde. Hij besefte ook dat vaste voorwerpen geduwd, getrokken en geworpen konden worden, allemaal bewegingen die hij ‘heftig’ noemde en die naar zijn mening werden veroorzaakt door de een of andere kracht die afkomstig was van een ander object, zoals degene die wierp. Maar wat was verantwoordelijk voor de beweging van het werpen, of de vlucht van een vogel? Daarvoor leek geen externe oorzaak te zijn. Aristoteles stelde dat levende wezens, in tegenstelling tot levenloze objecten, in staat waren om de aanzet te geven tot hun eigen beweging, en dat in dit geval de ziel de oorzaak was van die beweging.

Tot de middeleeuwen bleven de opvattingen van Aristoteles met betrekking tot de oorzaken van beweging het meest invloedrijk. Toen gebeurde er echter iets opmerkelijks. Wetenschappers (die zichzelf destijds natuurfilosofen genoemd zouden hebben) begonnen theorieën met betrekking tot de beweging van levenloze objecten te beschrijven in de taal van de logica en de wiskunde. Je kunt erover twisten wie verantwoordelijk was voor deze buitengewoon productieve verschuiving in het menselijk denken. Middeleeuwse Arabische en Perzische geleerden, zoals Alhazen en Avicenna, speelden zeker een rol, en de trend werd vervolgens overgenomen door de opkomende academische instellingen in Europa, zoals de universiteiten in Parijs en Oxford. Maar waarschijnlijk wierp deze manier om de wereld te beschrijven zijn eerste belangrijke vrucht af aan de universiteit van het Italiaanse Padua, waar Galileo Galilei eenvoudige bewegingswetten in wiskundige formules vervatte. In 1642, het jaar waarin hij overleed, werd Isaac Newton geboren in het Engelse Lincolnshire. Hij zou later een buitengewoon succesvolle wiskundige beschrijving geven van de manier waarop de beweging van levenloze objecten veranderd kan worden door de inwerking van krachten, een systeem dat tot op de dag van vandaag de newtoniaanse mechanica wordt genoemd.

De krachten van Newton waren aanvankelijk tamelijk mysterieuze zaken, maar in de loop van de daaropvolgende eeuwen werden ze steeds meer gelijkgesteld aan het concept ‘energie’. Men zei dat bewegende objecten ‘kinetische energie’ bezaten, die kon worden overgedragen op de stilstaande objecten waar ze tegenop botsten, waardoor die gingen bewegen. Maar krachten konden ook op afstand van het ene object op het andere worden overgedragen: voorbeelden zijn de zwaartekracht van de aarde, die Newtons appel naar de grond toe trok, en de magnetische krachten die op de naald van een kompas inwerken.

De enorme wetenschappelijke vooruitgang waartoe Galilei en Newton de aanzet gaven, raakte in de achttiende eeuw in een stroomversnelling, en tegen het eind van de negentiende eeuw was het kader van wat bekend zou worden als de ‘klassieke natuurkunde’ in grote lijnen vastgesteld. Tegen die tijd was ook bekend dat andere vormen van energie, zoals warmte en licht, eveneens in staat waren tot een krachtige interactie met de elementaire bestanddelen van materie, atomen en moleculen, en ervoor zorgden dat ze warmer werden, licht gingen uitstralen of van kleur veranderden. Men dacht dat objecten bestonden uit deeltjes waarvan de beweging werd beïnvloed door de zwaartekracht en de krachten van het elektromagnetisme.10 De stoffelijke wereld, of althans de levenloze objecten in die wereld, werd derhalve verdeeld in twee verschillende categorieën: zichtbare materie, die uit deeltjes bestond, en de onzichtbare krachten die daar op een nog slecht begrepen manier op inwerkten, als energiegolven die zich door de ruimte voortplantten of in termen van krachtvelden. Maar hoe zat het met de materie waaruit levende wezens bestonden? Waarvan was die gemaakt en hoe bewoog die?

De triomf der machines

Het oude idee dat alle levende wezens bezield werden door de een of andere bovennatuurlijke substantie of essentie bood in elk geval een zekere verklaring voor de opvallende verschillen tussen het levende en het niet-levende. Het leven was iets anders omdat het bewogen werd door een spirituele ziel en niet door een van die banale mechanische krachten. Maar dat was altijd een onbevredigende verklaring – net zoiets als de beweging van de zon, de maan en de sterren verklaren door te stellen dat ze door engelen werden rondgeduwd. Eerlijk gezegd was er geen echte verklaring, omdat de aard van zielen (en engelen) een volslagen raadsel bleef.

In de zeventiende eeuw kwam de Franse filosoof René Descartes met een totaal andere benadering. Hij was onder de indruk van de mechanische klokken, speeltjes en automatische poppen die zorgden voor vermaak aan de toenmalige Europese hoven, en werd door hun mechanismen geïnspireerd om de revolutionaire uitspraak te doen dat de lichamen van planten en dieren, waaronder mensen, niet meer waren dan complexe machines, die uit conventionele materialen bestonden en werden aangedreven door mechanische middelen zoals pompen, tandwielen, zuigers en nokken die op hun beurt onderhevig waren aan dezelfde krachten die de beweging van levenloze materie bepaalden. Volgens Descartes vormde de menselijke geest een uitzondering op dit mechanistische wereldbeeld: hij kende er een onsterfelijke ziel aan toe. In zijn filosofie deed hij in elk geval een poging om een wetenschappelijk kader te creëren dat het leven verklaarde in termen van de natuurwetten waarvan toen werd ontdekt dat ze levenloze objecten beheersten.

De mechanistische biologische benadering werd voortgezet door iemand die bijna een tijdgenoot van Sir Isaac Newton was: de arts William Harvey, die ontdekte dat het hart niets meer was dan een mechanische pomp. Een eeuw later toonde de Franse scheikundige Antoine Lavoisier aan dat een ademende cavia zuurstof verbruikt en kooldioxide genereert, net als het vuur dat de drijfkracht was van stoommachines, destijds een nieuwe technologie. Hij kwam dan ook tot de conclusie dat ‘ademhaling dus een heel traag verbrandingsverschijnsel is, dat sterk lijkt op dat van kolen’. Zoals Descartes voorspeld had kunnen hebben, leken dieren niet zoveel te verschillen van de met kolen gestookte locomotieven die algauw de industriële revolutie in Europa verbreidden.

Maar kunnen de krachten die stoomtreinen voortbewegen ook het leven voortbewegen? Om die vraag te beantwoorden, moeten we begrijpen hoe een stoomtrein een heuvel op kan rijden.

Een moleculaire biljarttafel

De wetenschap die de wisselwerking tussen warmte en materie onderzoekt wordt ‘thermodynamica’ genoemd, en het belangrijkste inzicht ervan is afkomstig van de negentiende-eeuwse Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Boltzmann, die de drieste stap zette dat hij de deeltjes waaruit materie bestond zag als een heel grote verzameling chaotisch botsende biljartballen die Newtons mechanische wetten gehoorzaamden.

Stel je het oppervlak van een biljarttafel voor11 dat door een beweegbare biljartstok in twee helften wordt verdeeld. Alle ballen, ook de speelbal, bevinden zich links van de stok, keurig geordend in de vorm van een driehoek. Stel je nu voor dat die driehoek heel hard met de speelbal wordt geraakt, zodat de ballen snel alle kanten op gaan bewegen, op elkaar botsen en tegen de starre wanden van de tafel en de losse stok aan ketsen. Bedenk wat er met de stok gebeurt: die zal de kracht ondergaan van veel botsingen van links, waar alle ballen zich bevinden, terwijl van de lege rechterkant van de tafel geen botsingen komen. Ondanks het feit dat de beweging van de ballen volkomen willekeurig is, zal de stok, geraakt door al die willekeurig bewegende ballen, een gemiddelde kracht ondergaan die hem naar rechts duwt, waardoor het speelgedeelte aan de linkerkant groter wordt en het lege rechtergedeelte kleiner. We zouden ons vervolgens kunnen voorstellen dat we onze biljarttafel willen inzetten om wat arbeid te verrichten door middel van een constructie met hefbomen en katrollen, die de beweging naar rechts van de stok opvangt en doorgeeft om, bijvoorbeeld, een speelgoedtreintje tegen een speelgoedheuvel op te duwen.

Boltzmann besefte dat dit in wezen is hoe warmtemotoren echte stoomlocomotieven tegen echte hellingen op duwen – vergeet niet dat dit het stoomtijdperk was. De watermoleculen in de cilinder van de stoommachine gedragen zich ongeveer zoals de biljartballen nadat ze uiteen zijn gedreven door de impact van de speelbal: hun willekeurige beweging wordt versneld door de hitte van de ketel, zodat de moleculen met meer energie tegen elkaar en tegen de zuiger van de motor aan botsen, waardoor de zuiger naar buiten wordt gedrukt, om de assen, het raderwerk, de kettingen en de wielen van de stoomtrein aan te drijven en zo de beweging een richting te geven. Meer dan een eeuw na Boltzmann werkt jouw eigen auto volgens precies dezelfde principes, maar heeft de stoom plaatsgemaakt voor de verbranding van benzine.

Een opmerkelijk aspect van de thermodynamica is dat dit eigenlijk alles is wat ze om het lijf heeft. De ordelijke beweging van elke warmtemotor die ooit is gebouwd wordt teweeggebracht door nuttig gebruik te maken van de gemiddelde beweging van talloze willekeurig bewegende atomen en moleculen. Bovendien is de wetenschap buitengewoon algemeen toepasbaar, niet alleen op warmtemotoren, maar op vrijwel alle gewone chemische processen die zich voltrekken wanneer wij kolen verbranden, een ijzeren spijker laten roesten, een maaltijd bereiden, staal fabriceren, zout in water oplossen, een fluitketel water aan de kook brengen of een raket naar de maan sturen. Al deze processen gaan gepaard met de uitwisseling van warmte en worden, op een moleculair niveau, allemaal gedreven door thermodynamische principes die gebaseerd zijn op willekeurige beweging. Feitelijk worden alle niet-biologische (fysische en chemische) processen die voor verandering in onze wereld zorgen, gedreven door thermodynamische principes. Oceaanstromingen, hevige stormen, het verweren van rotsen, het verbranden van bossen en de corrosie van metalen worden allemaal bepaald door de onstuitbare krachten van de chaos die ten grondslag liggen aan de thermodynamica. Elk complex proces mag ons misschien gestructureerd en ordelijk toeschijnen, maar in de kern worden ze allemaal aangedreven door de willekeurige beweging van moleculen.

Leven als chaos?