Livet har formet universet

Vild teori: Livet har formet universet

Lige siden big bang har universet udvidet sig, men for 5-6 mia. år siden satte det farten op. På omtrent samme tid opstod livet, og måske er de to ting forbundet. Ifølge en ny teori skaber livet nemlig så stor uorden, at det påvirker universet.

Lige siden big bang har universet udvidet sig, men for 5-6 mia. år siden satte det farten op. På omtrent samme tid opstod livet, og måske er de to ting forbundet. Ifølge en ny teori skaber livet nemlig så stor uorden, at det påvirker universet.

Claus Lunau

Ifølge fysikerne vokser graden af uorden uvægerlig med tiden. Derfor kan de også forudsige universets endeligt: Til sidst vil alt være rodet sammen til en kold og livløs gas.

Når det gælder livet på Jorden, er udviklingen imidlertid gået den stik modsatte vej: Evolutionen har skabt mere og mere velordnede livsformer – fra simple biologiske molekyler til komplekse dyr og mennesker.

Men hvordan kan livet overtræde en lov, der gælder for alt i universet?

Ifølge termodynamikkens anden lov vokser graden af uorden, også kaldet entropi, i et fysisk system med tiden. Siden universet opstod for 13,8 mia. år siden, er det blevet mere og mere uordnet.

Universets to gasser
© Claus Lunau

1. Reaktionsmuligheder skaber uorden

Graden af uorden vokser med antallet af reaktionsmuligheder. To gasser i hver sin kasse er et velordnet system, men åbnes døren mellem kasserne, kan gasserne reagere med hinanden og antage flere tilstande – entropien vokser.

Lav entropi illustration
© Claus Lunau

2. Det unge univers var velordnet

Efter big bang var universet et glohedt plasma med en ensartet temperatur og stoftæthed. Som i eksemplet med de to gasser, der var ordnet i hver sin kasse, havde stoffet kun få reaktionsmuligheder, og entropien var derfor lav.

Øget entropi
© Claus Lunau

3. Grundstofferne lavede rod

I de første 200 mio. år bestod stoffet i universet især af brint. Men da de første stjerner tændte, begyndte de processer, som skabte alle de nuværende grundstoffer og dermed langt flere stoftilstande – entropien voksede.

Graden af uorden i et fysisk system beregnes ud fra antallet af mulige tilstande, systemet kan være i. Jo flere mulige tilstande, jo større er uordenen – også kaldet entropien.

Hidtil har fysikerne slet ikke taget livet med i betragtning, når de beregner universets samlede entropi, fordi antallet af partikler i livet på Jorden er så ubetydeligt.

Men nu har fire forskere regnet på antallet af mulige tilstande i biologien, og tallet er overraskende stort.

Faktisk er det så stort, at livets opståen kan have spillet en afgørende rolle for hele universets udvikling.

Dampmaskiner skabte kaos

Begrebet entropi stammer fra den klassiske varmelære, termodynamikken.

Teorien blev udviklet i 1800-tallet med det helt igennem praktiske formål at forbedre ydelsen af datidens dampmaskiner. Med tiden blev fysikerne klar over, at termodynamikkens love er universelle og gælder overalt til alle tider.

Termodynamikkens love

0. Termodynamisk ligevægt
Naturen søger altid mod termisk ligevægt. Hvis man åbner en dør mellem to beholdere med varm og kold luft, vil temperaturforskellen udligne sig med tiden.

1. Energibevarelse
Energi kan aldrig opstå eller forsvinde af sig selv, men kun omdannes; fx bruger du energi fra føden, når du løber en tur.

2. Entropi og varmetransport
Graden af uorden, entropien, i ethvert fysisk eller kemisk system, som overlades til sig selv, vil enten være konstant eller vokse.

3. Absolut nulpunkt
Total orden kan kun eksistere ved det absolutte nulpunkt på minus 273,15 grader celsius, hvor atomerne har den lavest mulige energi og i princippet står stille.

Problemet i forhold til livets velordnethed er termodynamikkens anden lov. Den fastslår, at graden af uorden, entropien, i ethvert fysisk eller kemisk system, som overlades til sig selv, enten vil være konstant eller vokse.

Det er simpelthen umuligt, at systemet bliver mere velordnet, sådan som det er sket med evolutionen på Jorden igennem 4 mia. år.

Med den voksende grad af orden i komplekse levende organismer er livets entropi tilsyneladende blevet lavere og lavere. Men forskergruppen, der står bag den nye teori, mener, at livets entropi skal anskues på en helt ny måde.

Gruppen består af fire fysikere og biologer fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, Canada, og Institute of Systems Biology i Seattle, USA.

Forskerne begyndte deres teoretiske arbejde med at opgøre graden af entropi igennem universets 13,8 mia. år lange historie.

I de første 380.000 år efter big bang var universet en ildkugle af brændende varmt plasma, dvs. adskilte protoner og elektroner, som udvidede sig voldsomt. Både stoftætheden og temperaturen var meget ensartet i hele rummet.

Supernova eksplosioner

I begyndelsen var stoffet i universet meget ensartet, og entropien lav. Men stjernerne skabte et mylder af nye stoftilstande, og dermed voksede entropien.

© Shutterstock

Entropien i det nyfødte univers blev derfor kun bestemt af det totale antal atomare partikler og de begrænsede måder, partiklerne kunne reagere med hinanden på.

Lige siden har tyngdekraften trukket stoffet sammen i gaståger, stjerner, galakser og galaksehobe. Udviklingen har skabt myriader af nye tilstande, som stoffet kan antage under vidt forskellige tryk og temperaturer, hvilket har øget universets entropi markant.

Livet overhaler mørk energi

Den største bidragyder til entropien i universet er ifølge kosmologien den såkaldt mørke energi – en hypotetisk, frastødende kraft, som gennem de seneste 5-6 mia. år har modvirket tyngdekraftens sammentrækning og fået universets udvidelse til at accelerere.

Den mørke energi udløser en enorm entropi på 10124 mulige tilstande. Men ifølge forskergruppen slår livet på vores lille planet alt andet i universet, når det gælder kombinationsmuligheder.

1 med 124 nuller – så mange mulige tilstande rummer den mørke energi. Men livets entropi er langt større.

Levende organismer består primært af seks grundstoffer – kulstof, brint, kvælstof, ilt, fosfor og svovl. Grundstofferne samles i store biologiske molekyler som dna, der bærer information, og proteiner, som er arbejdshestene i alle livets biokemiske processer.

Forskernes pointe er, at biomolekylerne kan antage langt flere tilstande og udføre langt flere processer, end de seks grundstoffer er i stand til i den uorganiske kemi. Forskerne har beregnet antallet af mulige tilstande til 10238.

Sorte huller og den mystiske mørke energi har hidtil været regnet for de største bidragydere til universets uorden, men ifølge en ny teori udløser livet på Jorden langt den største entropi.

Entropi sort hul
© EHT Collaboration

1. Sorte huller laver rod

Sorte huller pakker størst mulig uorden ind i det mindst mulige volumen. Alene det supertunge sorte hul i Mælkevejen rummer mere entropi end hele det unge univers. I alt har de sorte huller en entropi på 10104 mulige tilstande.

Galakseflugt
© Shutterstock

2. Den mørke energi øger kaos

Ifølge kosmologien er universet fuldt af en frastødende mørk energi, der modvirker tyngdekraftens sammentrækning og får universets udvidelse til at accelerere. Den mørke energi udløser en enorm entropi på 10124 mulige tilstande.

Molekyler
© Shutterstock

3. Livet sprænger alle rammer

Når kulstof, brint og livets andre byggesten samles i komplekse biomolekyler, kan de udføre utallige reaktioner, som ikke er mulige i uorganisk kemi. Ifølge en ny teori udløser livet en entropi på 10238 mulige tilstande.

Med de mange kombinationsmuligheder øger livet på Jorden universets entropi ud over alle grænser.

Ny fysisk lov styrer biologien

Intet i den klassiske termodynamik begrænser antallet af mulige biologiske tilstande, men i praksis har evolutionen kun gjort brug af en lille brøkdel af alle de proteiner og biokemiske reaktioner, som livet har mulighed for at frembringe.

På den baggrund foreslår de fire forskere en ny biologisk og termodynamisk lov, som de kalder teorien om de nærliggende muligheder.

Den går ud på, at evolutionen via mutationer og kønnet formering kun udvælger de bedst egnede biomolekyler til at bygge alle de specialiserede celler og organer, der skaber ekstremt komplekse og velordnede organismer.

Evolution illustration

Biologien rummer et ekstremt antal mulige molekyler. Men evolutionen har kun udvalgt de bedst egnede af dem og derved skabt velordnede organismer.

© Claus Lunau

Teorien eliminerer modsætningen mellem livets udvikling og termodynamikkens universelle lov om stadig stigende uorden, entropi.

På den ene side rummer levende organismer ganske vist en enorm entropi i form af alle de potentielt mulige biomolekyler og det astronomiske antal tilstande, som biomolekylerne kan frembringe ved at reagere med hinanden.

Men på den anden side udnytter evolutionen kun en uendelig lille del af mulighederne.

Dermed opfylder livet fysikkens krav om stadig stigende uorden i form af et voksende antal teoretiske kombinationsmuligheder, men er samtidig ekstremt velordnet.

Livet udvidede universet

Den nye lov om biologisk termodynamik indebærer, at livet sprænger alle kendte rammer for den samlede entropi i universet. På den baggrund har forskerne fremsat en hypotese, som de selv kalder “hårrejsende spekulativ”.

Astronomer kan observere, at universets udvidelse tog fart for 5-6 mia. år siden. Ifølge kosmologien skyldes det, at den mørke energi, der udvider universet, på det tidspunkt vandt over tyngdekraften, der prøver at trække det sammen.

Forskergruppen peger nu på den mulighed, at det var livets oprindelse, der på en eller anden måde satte skub i den mørke energi.

Baggrunden for idéen er det tidsmæssige sammenfald. På Jorden opstod livet for knap 4 mia. år siden, men hvis livet er vidt udbredt i galakserne, er det sandsynligt, at det opstod tidligere på andre planeter.

Stjernedannelsen og dermed planetdannelsen i universet kulminerede for 10 mia. år siden, så livet kan være opstået mange steder og altså tidsnok til at skrue op for den mørke energi for netop 5-6 mia. år siden.

De fire forskere lægger ikke skjul på, at de ikke har nogen beviser for deres hypotese. Men hvis de rammer plet, har de ændret fundamentalt på forholdet mellem biologi og astronomi og skabt århundredets nye videnskab – biokosmologien.