Smått galen teori: Livet har format universum

Graden av oordning i ett fysiskt system beräknas utifrån antalet möjliga tillstånd systemet kan befinna sig i. Ju fler möjliga tillstånd, desto större oordning, eller entropi.

Hittills har fysikerna inte tagit hänsyn till livet när de gjort beräkningar av universums totala entropi, eftersom antalet partiklar i livet på jorden är så obetydligt.

Nu har dock fyra forskare räknat på antalet möjliga tillstånd i biologin och siffran är anmärkningsvärt hög.

Faktum är att den är så hög att livets uppkomst kan ha spelat en avgörande roll för hela universums utveckling.

Ångmaskiner skapade kaos

Begreppet entropi kommer från den klassiska värmeläran, termodynamiken.

Teorin utvecklades på 1800-talet i det praktiska syftet att förbättra dåtidens ångmaskiners prestanda. Senare kom fysikerna fram till att termodynamikens huvudsatser är universella och gäller överallt och i alla sammanhang.

Problemet i förhållande till livets tillstånd av ordning är termodynamikens andra huvudsats. Den fastslår att graden av oordning, entropin, i alla opåverkade fysiska eller kemiska system kommer att vara antingen konstant eller öka.

Det är med andra ord omöjligt att systemet blir mer välordnat, vilket har skett med evolutionen på jorden under fyra miljarder år.

Med den ökade graden av ordning i komplexa levande organismer tycks livets entropi ha blivit lägre. Men forskargruppen som ligger bakom den nya teorin anser att livets entropi bör betraktas på ett helt nytt sätt.

Gruppen består av fyra fysiker och biologer från Perimeter Institute for Theoretical Physics i den kanadensiska provinsen Ontario och Institute of Systems Biology i Seattle i USA.

Forskarna inledde sitt teoretiska arbete med att beräkna graden av entropi under universums 13,8 miljarder år långa historia.

Under de första 380 000 åren efter stora smällen var universum ett eldklot av het plasma, det vill säga åtskilda protoner och elektroner som expanderade med våldsam kraft. Både materiens densitet och dess temperatur var likartad överallt i rymden.

Entropin i det nyfödda universum bestämdes bara av det totala antalet atomära partiklar och de begränsade sätt på vilka dessa reagerade med varandra.

Sedan dess har gravitationen samlat materien i nebulosor, stjärnor, galaxer och galaxhopar. Denna utveckling har skapat myriader av nya tillstånd som materien kan anta under vitt skilda tryck och temperaturer, vilket i hög grad har ökat universums entropi.

Livet överträffar den mörka energin

Enligt kosmologin är den främsta bidragsgivaren till universums entropi den så kallade mörka energin, en hypotetisk repellerande kraft som under de senaste fem–sex miljarder åren har motverkat gravitationens sammandragning och fått universums expansion att accelerera.

Den mörka energin utlöser en enorm entropi på 10¹²⁴ möjliga tillstånd, men enligt forskargruppen överträffar livet på vår lilla planet allt annat i universum när det gäller antalet kombinationsmöjligheter.

Levande organismer består huvudsakligen av sex grundämnen: Kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel. Grundämnena samlas i stora biologiska molekyler som dna, som bär på information, och proteiner, arbetshästarna i alla livets biokemiska processer.

Forskarnas poäng är att biomolekylerna kan anta betydligt fler tillstånd och utföra mycket fler processer än de sex grundämnena kan göra i den oorganiska kemin. Forskarna har beräknat antalet möjliga tillstånd till 10²³⁸.

Med sina många kombinationsmöjligheter ökar livet på jorden universums entropi över alla gränser.

Ny fysisk huvudsats styr biologin

Ingenting i den klassiska termodynamiken begränsar antalet möjliga biologiska tillstånd, men i praktiken har evolutionen bara använt en bråkdel av alla proteiner och biokemiska reaktioner som livet har potential att skapa.

Mot den bakgrunden föreslår de fyra forskarna en ny biologisk och termodynamisk huvudsats, som de kallar teorin om de närliggande möjligheterna.

Den går ut på att evolutionen via mutationer och könlig fortplantning bara väljer ut de bäst lämpade biomolekylerna för att bygga alla de specialiserade celler och organ som skapar extremt komplexa och välordnade organismer.

Teorin eliminerar motsättningen mellan livets utveckling och termodynamikens universella huvudsats om ständigt ökad oordning, entropi.

Å ena sidan har levande organismer visserligen en enorm entropi i form av alla de potentiellt möjliga biomolekyler och det astronomiska antalet tillstånd som biomolekylerna kan ge upphov till genom att reagera med varandra.

Men å andra sidan utnyttjar evolutionen bara en oändligt liten del av dessa möjligheter.

Därmed uppfyller livet fysikens krav på ökad oordning i form av ett ökat antal teoretiska kombinationsmöjligheter, men samtidigt är det extremt välordnat.

Livet expanderade universum

Den nya lagen om biologisk termodynamik innebär att livet spränger alla kända ramar för den totala entropin i universum. Mot den bakgrunden har forskarna lagt fram en hypotes som de själva kallar ”hårresande spekulativ”.

Astronomerna ser att universums expansion satte fart för mellan fem och sex miljarder år sedan. Enligt kosmologin beror det på att den mörka energin, som får universum att expandera, vid den tidpunkten övervann över gravitationen, som försöker dra ihop det.

Forskargruppen pekar nu på möjligheten att det var livets uppkomst som på något vis fick fart på den mörka energin.

Bakgrunden till tanken är den tidsmässiga överensstämmelsen. På jorden uppstod livet visserligen för knappt fyra miljarder år sedan, men om liv är vanligt förekommande i galaxerna uppstod det troligen tidigare än så på andra planeter.

Stjärnbildningen, och därmed planetbildningen i universum, kulminerade för tio miljarder år sedan, så livet kan ha uppstått på många platser och därmed tidigt nog för att sätta fart på den mörka energin för fem–sex miljarder år sedan.

De fyra forskarna sticker inte under stol med att de inte har något som helst bevis för sin hypotes. Men om de råkar ha rätt så har de i grunden förändrat förhållandet mellan biologi och astronomi och skapat århundradets nya vetenskap: Biokosmologi.