At liv krever tilførsel av energi er uomtvistelig. Men er energi mer enn bare en betingelse for liv – gir det også liv?
Det spørsmålet stiller den bare 35 år gamle fysikeren Jeremy England fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Boston, USA, som i løpet av få år har blitt kjent for forskningen sin innen livets opprinnelse og evolusjon ut fra termodynamiske begreper.
Hvis forskningen hans kan understøttes ytterligere, kan vi stå overfor en helt ny forståelse av livets opprinnelse – et mysterium, som noen har prøvd å forklare biologisk, andre religiøst og som også opptar forfattere. Det er for eksempel det vitenskapelige omdreiningspunktet i Dan Browns siste bok Opprinnelse, som har ligget høyt på bestselgerlistene de siste månedene.
Vannpytt-teorien
Når det gjelder de naturvitenskapelige forklaringsforsøkene, er saken at biologi og evolusjonsteori i høy grad kan forklare livets mangfoldighet og utvikling. Dette oppsummeres elegant i utsagnet «ingen ting i biologien gir mening unntatt i lyset av evolusjon» – satt fram av genetikeren Theodosius Dobzhansky i 1973.
Men når det handler om det aller første livet, er biologien på gyngende grunn. Oppsto det første livet på Jorden ved et lykketreff under maksimalt optimale betingelser, eller var det uunngåelig? Dette er ikke bare interessant å vite for å forstå livet på Jorden; det har også betydning for muligheten for å finne livsformer andre steder i universet.
Charles Darwin pekte på at livet kunne ha oppstått i en liten varm vannpytt. Nyere forskning kan brukes til å støtte den oppfatningen, så Darwin var kanskje også her inne på noe som kan være riktig.
Vannpytt-teorien konkurrerer med en teori om at de livsnødvendige molekylene oppsto ved hydrotermiske kanaler i havene, der varme gasser og mineraler strømmer ut i havet.
Kultstatus
Men kanskje slike biokjemiske forklaringer slett ikke er de fundamentale, og årsakene til livets opprinnelse kan finnes i de helt grunnleggende fysiske lovene. Og nettopp her kommer Jeremy England på banen, og han har fått ganske stor oppmerksomhet.
Hvis man begynner med et tilfeldig utvalg av atomer og lyser på dem gjennom lang tid, bør man ikke bli overrasket over å få en plante.
Jeremy England, fysiker, Massachusetts Institute of Technology
Han har offentliggjort en lang rekke vitenskapelige artikler i anerkjente tidsskrifter, og har presentert forskningen sin på ledende universiteter og forskningsinstitusjoner verden over.
Siden han dessuten gjerne stiller opp i tv-intervjuer og talkshows, har han oppnådd en tilnærmet kultstatus. Han har blitt kalt «den neste Darwin», og den tidligere omtalte Dan Brown-romanen har ikke bare Jeremy Englands forskningsområde som tema – England selv opptrer svært mot sin vilje, som en karakter i boka.
Det er forøvrig en overraskende vri på denne historien, noe vi skal komme tilbake til senere. Men la oss først se nærmere på Jeremy Englands forskning og dens betydning for en forståelse av livets opprinnelse.
- Disse to sto bak «tidenes oppdagelse». Problemet var bare at de kuttet altfor mange svinger
Varme gir tiden en retning
Jeremy England er ikke den første fysikeren som vil hjelpe biologene med å finne en forklaring på livets opprinnelse, og han er neppe den siste.
Det første og største problemet man støter på når man vil en finne en fysisk forklaring på liv, er at alle fysikkens helt fundamentale lover er tidssymmetriske.
En ball som sparkes opp i lufta, vil stige til en bestemt høyde, og en ball som slippes fra samme høyde, vil falle til bakken. Ser man en film av en ball som faller nedover, er det umulig å avgjøre om vi ser en film av en ball sluppet fra en høyde, eller en film spilt av baklengs av en ball som er sparket opp i lufta.
Men en lang rekke hverdagsfenomener er ikke tidssymmetriske. Vi fødes, vokser og eldes, og ved hjelp av energien fra lys fra Sola vokser planter ved å ta opp CO2 fra atmosfæren og frigi varme og oksygen.
Vi ser aldri den omvendte prosessen, der planter vokser baklengs.
Gjennombrudd
Det har lenge vært anerkjent at termodynamikken er nøkkelen til å forklare at en rekke prosesser har en foretrukket tidsretning. Ser vi for eksempel en film hvor kaffe og melk blir adskilt i en kaffekopp under omrøring, er vi ikke i tvil om at det er snakk om en film vist baklengs, for i den virkelige verden oppstår ikke orden når tiden går. Det gjør derimot uorden, hvor alle forskjeller jevnes ut – i termodynamikkens terminologi økes entropien.
Når planter vokser, tilføres energi til systemet, som til gjengjeld avgir varme. Sammenhengen mellom varmeproduksjon og tidens retning, har vært kjent i mange år, men det var først da den engelske kjemikeren Gavin Crooks og den amerikanske kjemikeren Christopher Jarzynski for nesten 20 år siden fikk satt entropiproduksjon og irreversibilitet i en mere stringent matematisk sammenheng, at det kom et gjennombrudd.
Uten å gå helt i detaljer med Jarzynkis arbeid, er det ut fra et snevert skandinavisk synspunkt interessant at han baserer seg på den såkalte Jensens ulikhet fra 1906, omkring integraler av konvekse funksjoner, som ble utarbeidet den danske matematikeren og telefoningeniøren Johan Ludvig William Valdemar Jensen (1859-1925), og som sikkert er helt ukjent for de fleste.
Med utgangspunkt i Crooks og Jarzynskis arbeid, kan man forstå at avgiving av varme er den prisen vi betaler for tidens retning når man for eksempel ser på et system som en plante omgitt av det fysikerne kaller «et ideelt varmebad»: Et stort system som kan absorbere og avgi varme uten at temperaturen i det endres – i denne sammenhengen atmosfæren i forhold til den enkelte planten.
Den belgiske kjemikeren Ilya Prigogine studerte allerede for omkring 50 år siden systemer langt fra termisk likevekt, drevet av eksterne energikilder. Jeremy England har nå blandet Prigogine sammen med Crooks og Jarzynski, og tatt skrittet videre. Dermed har han vist at i et system som tilføres energi, vil en rekke enkle molekyler over tid danne forbindelser som best mulig høster energien og avgir varme.
Denne formen for selvorganisering og vekst har ikke blitt observert tidligere, og den minner mye om det som skjer i levende organismer. Så dette kan være første skrittet mot noe som minner om liv.
– Hvis man begynner med et tilfeldig utvalg av atomer og lyser på dem gjennom lang tid, bør man ikke bli overrasket over å få en plante, har Jeremy England forklart.
Men det er viktig å understreke at Jeremy England fremdeles ikke har sett noe som reelt kan betegnes som liv i analysene og eksperimentene sine.
- Kjernefysiske bomber: Strålingen dreper deg ikke, smellet gjør det
Fiksjon, virkelighet og tro
Jeremy Englands forskning har som nevnt fått mye omtale og stor oppmerksomhet både i forskerkretser og blant lekfolk, men responsen har vært litt blandet.
På den ene siden står for eksempel kreasjonister i USA, og de er ikke begeistret for forskning som indikerer at livslignende systemer oppstår naturlig og helt av seg selv.
De har brukt en del krutt på å finne personer med akademisk utdannelse som kan tilbakevise tanken.
På den andre siden blir denne kommentaren fra den amerikanske historikeren Edward J. Larson ofte gjengitt i artikler om Jeremy England, hvor han også ofte blir betegnet som en av verdens mest lovende forskere: «Hvis han kan demonstrere at teorien er sann, kan han være den neste Darwin.»
Interessen hos kjemikere og Englands fagfeller blant fysikere har vært stor, men gjennomslagskraften har vært litt mindre. Ideene og studiene hans har blitt beskrevet som interessante for forståelsen av statistisk mekanikk og systemer langt fra termisk likevekt, men også som meget spekulative når det gjelder deres betydning for biologi og livets opprinnelse.
Det er kanskje årsaken til at Jeremy England ikke ligger imponerende høyt – og neppe mye bedre enn en gjennomsnittsforsker fra et anerkjent universitet – når det gjelder siteringer, som er det foretrukne vurderingskriteriet i forskerkretser. Men han er da også fremdeles ganske ung, så det kan endre seg med tiden.
Det er også tankevekkende at biologer fremdeles ikke synes å være spesielt mottagelige for Jeremy Englands ideer.
Det skyldes vel til dels at mange evolusjonsbiologer ikke setter pris på at fysikere blander seg inn i feltet deres. Det kom for eksempel til uttrykk da en av det 20. århundrets ledende evolusjonsbiologer, den tysk-amerikanske Ernst Mayr, i 2004 i anledning sin 100-års fødselsdag ga ut boka What makes biology unique. I den argumenterer han for at biologi er så komplisert at fysikkens svært generelle teorier ikke er til stor hjelp.
Men Jeremy Englands forskning har vært omtalt på et nettsted som drives av en annen ledende evolusjonsbiolog, Richard Dawkins – en markant ateist, som i Storbritannia er like kjent som Stephen Hawking.
Jeremy England og «Jeremy England»
Fra et helt annet utgangspunkt kommer forfatteren Dan Brown; en annen kjent religionskritiker som i bøkene sine ofte stiller den katolske kirken i et lite flatterende lys. Men han foretrekker å kalle seg selv agnostiker framfor ateist.
Dan Brown har tatt Jeremy Englands tanker til seg i så stor grad at de spiller en sentral rolle i hans siste roman Opprinnelse. I boka opptrer til og med en professor fra MIT med navnet Jeremy England – uten at den ekte Jeremy England ble gjort oppmerksom på dette på forhånd, eller hadde vært i kontakt med Dan Brown før romanen ble utgitt. Dessuten siterer Dan Brown flere steder i romanen sin ordrett reelle uttalelser fra den ekte Jeremy England, noe som kan virke litt underlig siden Dan Brown i forordet skriver at alle personer er fiktive og enhver likhet med faktiske personer er tilfeldig.
I boka lar Dan Brown det framgå at hvis den fiktive Jeremy Englands teori er korrekt (og den er identisk med den virkelige Jeremy Englands teori), vil den være dødsstøtet for alle andre fortellinger om skapelsen, og alle former for religion vil være passé.
Det fikk den ekte Jeremy England til å tenne på alle pluggene i en kommentar i Wall Street Journal. For nå kommer den lovte overraskende vrien på fortellingen om biofysikeren som, med strengt vitenskapelige metoder, leter etter forklaringen på livets begynnelse:
Han er, liksom den fiktive person i Dan Browns roman, erklært ortodoks jøde.
Som sønn av en jødisk mor født like etter andre verdenskrig i Polen av overlevende fra holocaust, og en far som er ikke-praktiserende protestant, ble Jeremy England oppdratt som jøde. Men det var først under oppholdet hans som ph.d.-student ved Oxford University i England fra 2003 til 2005 at hans religiøse interesse for alvor ble vakt. Deretter dro han til Israel for å studere hebraisk og lese Toraen.
- Les også: Disse kurvene forteller hvorfor fornybar energi blir Europas største kraftkilde innen 2020 (Ekstra)
Fysikken kan ikke stå alene
Jeremy Englands forhold til religion og vitenskap er i seg selv et interessant emne som det kunne skrives mye om. For hans vitenskapelige tilnærming, er det interessant at han leser Bibelen med utgangspunkt i østerrikeren Ludwig Wittgensteins språkfilosofi, hvor ordenes mening er bestemt av den konteksten den opptrer i.
Det Gamle Testamente innledes med de velkjente ord:
«I begynnelsen skapte Gud himmelen og jorden.»
Jeremy England har forklart at det hebraiske ordet for skapelse først får en mening ut fra de etterfølgende versene. I hans tolkning er skapelsen en prosess hvor det gis navn til ting og begreper, og verden er bestemt av den måten som vi snakker om den på.
På samme måte som forskjellige vitenskapelige språk som fysikk og biologi ikke utelukker hverandre, men supplerer hverandre, gjør religion og vitenskap også det for Jeremy England. Fysikkens språk kan ikke stå alene.
I kommentaren sin i Wall Street Journal skriver Jeremy England:
«Ligninger kan elegant beskrive hvordan et fly beveger seg gjennom lufta, men de kan ikke videreformidle ærefrykten ved å fly over skyene.»
Og han slår fast:
«Jeg er vitenskapsmann, men jeg studerer og lever også med den hebraiske bibelen. For meg er tanken om at fysikk kan bevise at Abrahams Gud ikke er skaper eller hersker over verden, en misforståelse – både med hensyn til den vitenskapelige metoden og den bibelske teksten.»
Så når noen mener at Jeremy Englands forskning kan fjerne Gud helt fra regnestykket, vil han nok mene at Gud slett ikke lar innlemme i noen som helst ligning eller vitenskapelige teori.
- Geotermisk kraftverk på Island med negative CO2-utslipp: Omdanner CO2 til kalkstein
Livets fysikk
Mange fysikere har gjennom tidene fundert på hvordan livet henger sammen med fundamentale fysiske prinsipper og prosesser.
I en åpningstale ved en internasjonal konferanse om lysterapi i København i 1932 (trykt i blant annet Nature i 1933 under tittelen Light and Life) konkluderte Niels Bohr med at «eksistensen av liv må betraktes som et eksperimentelt faktum som ikke kan forklares, men som må tas som basis for biologien».
Den manglende fysiske eller kjemiske forklaringen på de funksjonene som er særegne for liv, tilsvarte ifølge Bohr en mekanisk analyses utilstrekkelighet når det gjelder å forklare atomers stabilitet.
En annen av kvantefysikkens giganter, Erwin Schrödinger, gikk mer systematisk til verks i sin lille bok What is Life fra 1944. Her tok han sats med en forklaring med utgangspunkt i hvordan levende organismer skaper orden på molekylær skala, og hvordan de kan gi videre denne ordenen fra generasjon til generasjon.
Selv om boka ikke ga et direkte svar på spørsmålet i tittelen, anses den av mange for å være startskuddet til vår nåværende forståelse av hva liv er. Boka var blant annet en direkte inspirasjon for Francis Crick, som var med på å oppdage DNA i 1952.
På begynnelsen av 1970-tallet studerte den russiskfødte, belgiske kjemikeren Ilya Prigogine såkalte dissipative strukturer, hvor svingninger eller mønstre kan dannes i fysiske, kjemiske eller biologiske systemer langt fra termisk likevekt. Prigogine, som fikk Nobelprisen i kjemi i 1977, viste hvordan orden på denne måten kan oppstå ut fra uorden. Den nye forskningen til Jeremy Englands er nært beslektet med, og delvis inspirert, av Prigogines tanker.
Til slutt kan man trekke fram den engelske multitalent-fysikeren Freeman Dyson, bosatt i USA siden 1947. I boka Origins of Life fra 1985, argumenterer Dyson for at man må skjelne mellom metabolisme og reproduksjon, som er det som karakteriserer levende vesener.
Der metabolisme styres av proteiner, er det RNA og DNA som inngår i reproduksjonen. Forklaringen til dette er kanskje at de oppstod hver for seg, mener Dyson. Det første ‘livet’ var bare metabolisme, og først senere kom reproduksjon på en eller annen mystisk måte til, foreslår Dyson.
