Livet har format universum, illustration

Smått galen teori: Livet har format universum

Ända sedan stora smällen har universum expanderat, men för mellan fem och sex miljarder år sedan började expansionen gå snabbare. Vid ungefär samma tidpunkt uppstod livet. Kan de två sakerna höra ihop? Enligt en ny teori skapar livet så stor oordning att det påverkar universum.

Ända sedan stora smällen har universum expanderat, men för mellan fem och sex miljarder år sedan började expansionen gå snabbare. Vid ungefär samma tidpunkt uppstod livet. Kan de två sakerna höra ihop? Enligt en ny teori skapar livet så stor oordning att det påverkar universum.

Claus Lunau

Enligt fysikerna ökar alltid graden av oordning med tiden. Därför kan de förutsäga att universum till slut kommer att övergå i en kall, livlös gas.

När det gäller livet på jorden har dock utvecklingen varit den motsatta. Evolutionen har skapat alltmer välordnade livsformer – från enkla biologiska molekyler till komplexa djur och oss människor.

Hur kan livet bryta mot en lag som gäller för allt i universum?

Enligt termodynamikens andra huvudsats ökar graden av oordning, entropin, i alla fysiska system med tidens gång. Sedan universum uppstod för 13,8 miljarder år sedan har det blivit alltmer oordnat.

Universums två gaser
© Claus Lunau

1. Reaktionsmöjligheter skapar oordning

Graden av oordning ökar med antalet reaktionsmöjligheter. Två gaser i separata rum utgör ett välordnat system, men om dörren mellan rummen öppnas kan gaserna reagera med varandra och anta fler tillstånd – entropin ökar.

Låg entropi, illustration
© Claus Lunau

2. Det unga universum var välordnat

Efter stora smällen var universum ett glödhett plasma med likartad temperatur och densitet. Liksom i exemplet med de två gaserna i var sitt rum hade materien bara ett fåtal reaktionsmöjligheter, vilket gjorde entropin låg.

Ökad entropi
© Claus Lunau

3. Grundämnena ställde till det

Under de första 200 miljoner åren utgjordes materien i universum huvudsakligen av väte, men när de första stjärnorna tändes inleddes de processer som skapade alla grundämnen som existerar i dag. Därmed ökade antalet tillstånd – och entropin blev högre.

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.

Termodynamikens huvudsatser

0. Termodynamisk jämvikt
Naturen strävar alltid mot termisk jämvikt. Om man öppnar en dörr mellan två rum med varm och kall luft kommer temperaturskillnaden med tiden att jämnas ut.

1. Energins beständighet
Energi kan aldrig nyskapas eller förintas, bara omvandlas. När du är ute och springer använder du till exempel energi från maten du äter.

2. Entropi och värmeöverföring
Graden av oordning, entropin, i alla fysiska eller kemiska system som inte påverkas av någonting kommer att vara antingen konstant eller öka.

3. Absoluta nollpunkten
Total ordning existerar bara vid absoluta nollpunkten, minus 273,15 grader, där atomerna har lägsta möjliga energi och i princip står still.

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.

Supernova, explosioner

I början var materien i universum likartad och entropin låg. Stjärnorna gav dock upphov till ett myller av nya tillstånd, vilket fick entropin att öka.

© Shutterstock

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.

1 med 124 nollor efter – så många möjliga tillstånd har den mörka energin. Livets entropi är dock betydligt större än så.

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.

Svarta hål och den mystiska mörka energin har hittills räknats som de största bidragsgivarna till universums oordning, men enligt en ny teori ger livet på jorden upphov till överlägset störst entropi.

Entropi, svart hål
© EHT Collaboration

1. Svarta hål ställer till med oreda

Svarta hål packar ihop största möjliga oordning i minsta möjliga volym. Enbart Vintergatans supertunga svarta hål har högre entropi än hela det unga universum. Sammanlagt har de svarta hålen en entropi på 10104 möjliga tillstånd.

Galaxflykt
© Shutterstock

2. Den mörka energin leder till ökat kaos

Enligt kosmologin är universum fullt av en repellerande mörk energi, som motverkar gravitationens sammandragning och får universums expansion att accelerera. Den mörka energin ger upphov till en enorm entropi på 10124 möjliga tillstånd.

Molekyler
© Shutterstock

3. Livet spränger alla ramar

När kol, väte och livets övriga byggstenar samlas i komplexa biomolekyler kan det ske otaliga reaktioner som inte är möjliga i oorganisk kemi. Enligt en ny teori ger livet upphov till en entropi på 10238 möjliga tillstånd.

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.

Evolution, illustration

Biologin innehåller ett extremt stort antal tänkbara molekyler. Evolutionen har emellertid bara valt ut de bäst lämpade av dem och på så vis skapat välordnade organismer.

© Claus Lunau

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.