Leven en Evolueren aan de Rand van de Chaos

Met het vertrek van een nieuwe karavaan ruimteschepen naar Mars laait de hoop om Leven te vinden op andere planeten dan de Aarde weer hevig op. De algemene opinie lijkt het er bijna over eens te zijn. Het op koolstof, waterstof en zuurstof gebaseerde Leven waar de Aarde van wemelt kan bijna niet de enige vorm van Leven in het universum zijn. Het is goed mogelijk om elders iets te treffen dat leeft. De grote vraag lijkt dan niet zozeer wanneer of wat we gaan vinden, maar eerder of we het gaan kunnen herkennen als levende systemen.

Hoe kunnen we Leven definieren zonder daarvoor naar strikt Aardse begrippen te moeten grijpen? Zijn vage, maar goed te herkennen concepten als metabolisme, groei en misschien zelfs reproductie echt zo universeel voor het Leven als we denken? Of, integendeel, zijn deze eigenschappen niet specifiek genoeg? Een auto heeft ook een metabolisme, bergen groeien, en kristallen ontstaan door zich reproducerende structuren; Maar auto's, bergen en kristallen zijn -- in vergelijking met een rondspringende kikker of een rozenstruik in bloei -- toch dood? Het is best knap dat we als mensen gemakkelijk levende systemen kunnen onderscheiden van dode, terwijl we eigenlijk geen concrete definitie kunnen geven van wat nu net leeft en wat nu allemaal dood is. Zelfs even specifiek worden als "eet en wordt gegeten" is gevaarlijk. Het feit dat de Aarde de enige plek is waar we Leven hebben gevonden, ook al komt het in ontelbare vormen voor, maakt onze statistische proef zeer onbetrouwbaar. We kunnen er moeilijk voorspellingen voor Leven op andere planeten op baseren.

Een universele definitie van wat levende systemen zijn is dus wenselijk. We willen een definitie bouwen zodat daar ook buitenaards Leven onder verzameld kan worden. En als we dan al een onderscheid kunnen maken tussen de systemen die Leven en zij die dat niet doen, kan ik dan een abstracte wereld met abstracte regels bouwen, om zo een abstract universum te creeren, misschien in de computer, zodat zich daarin iets bevindt dat, volgens onze definitie, leeft? Een prangend vraagstuk.

Artificial Life (ALife) is de naam van een jonge wetenschappelijke discipline die "natuurlijk" of "Aards" Leven hoopt te bestuderen door biologische fenomenen in abstracte vormen na te bouwen in computers en andere kunstmatige media, zoals bijvoorbeeld robots, computer spelletjes of voor de camera in Hollywood. ALife probeert hierdoor een complement te verzorgen van de traditioneel analytische aanpak van traditionele biologie met een synthetische aanpak in dewelke er geprobeerd wordt om systemen te bouwen die zich gedragen als levende organismen, in plaats van deze uit elkaar te halen om te onderzoeken hoe ze werken.

En net daar lijkt het schoentje te wrikken wat de definitie van Leven betreft. Het geheel geeft een ander inzicht dan dat van de som van de delen. Het is frappant om te zien hoe het eenvoudige gedrag van botcellen mogelijk leidt tot de hogere structuren van botmateriaal die de krachten binnen in onze beenderen opvangen. Of hoe een collectie moleculen zich kan organiseren om een cel te vormen, en zo zijn zelfvoorziening te verwezenlijken. Het geheel emergeert, of komt naar boven, en manifesteert zich met volledig nieuwe eigenschappen.

Er is een groot aanbod emergente fenomenen aan de gang in en rond ons, en we maken er zonder het zelf te weten een belangrijk deel van uit. Een beurscrash en de wederopgroei is een geheel, meer dan de som van de met elkaar handelende "agenten." Het ontstaan van een onverklaarbare verkeersopstopping is het gevolg van een aantal eenvoudige regeltjes die autobestuurders proberen naleven. Een massa spreeuwen die hun eigen gang proberen gaan komen samen in een zich vloeiend voortbewegende zwerm. Het enige dat ze allen blijken te doen is dicht bij hun collega's te vliegen, zonder tegen elkaar op te botsen. Het is vrijwel onmogelijk om het gedrag van de gehele zwerm in dezelfde woorden te beschrijven.

Je zou al deze -- zeg maar interessante -- systemen kunnen ordenen op een schaal van complexiteit. Aan het begin van deze maatstaf staan statische systemen. Niets is minder boeiend. Daarna komen eenvoudige lineaire, en steeds moeilijker begrijpbare systemen. Helemaal achterin staan de chaotische systemen. Het wordt daar onmogelijk om de toekomst te voorspellen. Op zo'n schaal zouden alle interessante, emergerende of complexe fenomenen zich zeer dicht bij elkaar op een scherpe grens tussen ordelijk en chaotisch komen staan. Net op de rand. Ga iets opzij en je komt onboeiend eenvoudig gedrag of een ongeorganizeerde rotzooi tegen. Onze interessante systemen worden boeiend op de rand die de orde en chaos van elkaar scheidt.

Hoe zit het nu met evolutie? En het ontstaan van het Aardse Leven? Het lijkt bijna onvermijdelijk dat daar emergentie aan te pas komt. Een boeiende hypothese gaat als volgt. We kunnen ons goed voorstellen dat op het oppervlak van de primordiale Aarde (de Aarde toen er nog geen Leven was) volgezaaid was met poelen die allerhande chemicalien en catalysatoren bevatten. In sommige van deze poelen is het in theorie mogelijk dat er cycli van catalysatoren ontstonden, die zichzelf reproduceerden. Naarmate steeds meer catalysatoren voor een cyclus geproduceerd worden, des te succesvoller de cyclus. Toen poelen met verschillende cycli in elkaar vloeiden, ontstond er een strijd om de beste en snelste cyclus te zijn die zichzelf kon reproduceren. In deze strijd heeft DNA en RNA de bovenhand gekregen. Deze kan zichzelf namelijk catalyseren en dus reproduceren. Leven en Evolutie ontstaan door de interactie van eenvoudig -- in theorie toch -- begrijpbare, chemische systemen. Het wonder dat daarop volgt, evolutie, is overal om ons heen merkbaar. En daarbij ontstaan heel wat nieuwe eigenschappen op een veel hoger niveau dan op het niveau van de chemische interacties. Een ware metamorfose van de som van de delen naar het geheel vindt plaats.

About

This piece was written as a "theme piece" for the lustrum book of our faculty's (Biomedical Technology at the Technische Universiteit Eindhoven) student association Protagoras.


comments powered by Disqus