Wonderen van de kwantumbiologie

De biologie als wetenschap beleeft momenteel hoogtijdagen. Vooral op twee terreinen. Het eerste is de evolutietheorie. Wij beleven op dit moment een evolutionair fenomeen dat slechts eens in de tientallen miljoenen jaren optreedt – de laatste keer 65 miljoen jaar geleden. Een echte massa-extinctie. De combinatie van global warming, steeds agressievere landbouwgiffen tegen insecten en planten, massaal kunstmestgebruik, de extreem hoge productiviteit van genetisch gemanipuleerde land- en bosbouwgewassen in monocultuur, overbevissing van de oceanen, de uitbreiding van megacity’s voor een menselijke populatie die richting de tien miljard koerst, de mondiale verbreiding via menselijke verkeersmiddelen van planten en dieren naar gebieden zonder natuurlijke vijanden met als gevolg leeggevreten landschappen, meren en kusten – en nog zo wat factoren –, dit alles drijft de snelheid waarmee soorten uitsterven op tot zo’n hoogte dat binnen een eeuw de allerzwaarste massa-extinctie uit de geschiedenis, die aan het eind van het Perm 245 miljoen jaar geleden, overtroffen lijkt te gaan worden. Negentig procent van de soorten in zee, 60 procent van die op land stierven toen uit. De ecosfeer rond de aarde had twintig miljoen jaar nodig om van de klap te herstellen en een nieuwe volwaardige soortenmix, een bloeiende ecosfeer te creëren. Er wordt wereldwijd toponderzoek aan deze zesde massa-extinctie gedaan, het indrukwekkendst verzameld in de duizenden pagina’s tellende rapporten van het Intergovernmental Panel on Climate Change.

Het tweede terrein waarop de biologie als wetenschap bloeit is opengelegd door het onderzoek naar gene-sequencing , waarvan het Human Genome Project het symbool was. De computertechnologie die daarvoor ontwikkeld werd maakte het mogelijk het genetisch materiaal van alle soorten op aarde uit te schrijven en te vergelijken. Dat leidde tot een geheel nieuw beeld van de evolutionaire soortsafstamming, maar ook tot het inzicht dat DNA op zich nog niet veel voorstelt. De genetische code betekent alleen iets als er een instantie is die hem als informatie af kan lezen. De dubbele DNA-helix is ook maar een dode molecuul, ze geeft geen bevelen en kan ook niet selfish zijn, zoals Richard Dawkins meende. Het RNA , een lichtere vorm van DNA , controleert het gebruik van de genetische informatie, leest deze af en combineert haar. Het RNA bepaalt welke genen worden aangeswitcht en welke juist uit, dus welke eigenschappen tot ontplooiing komen en welke onderdrukt blijven. Het RNA kan zelfs informatie van ver uiteenliggende genen combineren en zo eiwitten maken waarvoor het DNA strikt gesproken niet zelf codeert. De RNA-wereld vormt met het DNA een genetisch netwerk, dat zichzelf gaande houdt zolang het in een levende cel zit. Het genetische netwerk wordt aangestuurd door celinterne mechanismen en informatiestromen uit het omringende milieu. De snelle ontwikkeling van de nanotechnologie, de om de twee jaar verdubbelende rekensnelheid van computers en de nieuwe, extreem diep doordringende microscopen maken het onderzoek mogelijk naar dit soort processen op moleculair niveau.

Nu meldt zich de kwantumbiologie als nieuw veld voor opwindend onderzoek. De geloofwaardigheid ervan is hoog omdat de kwantumbiologie een verklaring kan bieden voor de tegen alle bekende natuurwetten indruisende effectiviteit van de fotosynthese – het meest fundamentele en essentiële proces in de levende natuur. Planten kunnen met hun bladgroenkorrels energie uit het zonlicht gebruiken om actief koolstof aan zuurstof te binden en zo suikers te maken, gestructureerde moleculen, de bouwstenen van alle andere stoffen in levende planten en dieren. Bladgroenkorrels zijn autonome organellen, piepkleine autotrofe oerbacteriën – die hun eigen voedsel maken. Ze dateren van heel vroeg in de evolutie, zijn meer dan drie miljard oud. Zo’n 2,5 miljard jaar geleden zijn ze in symbiose gaan leven met grotere, heterotrofe bacteriën – die hun voedsel van buiten zichzelf betrekken. Samen vormden ze toen de cyanobacteriën, de blauwwieren, de eerste planten, die in twee miljard jaar tijd zulke enorme hoeveelheden biomassa en vrije zuurstof als afvalproduct produceerden dat ze er de aardse, instabiele atmosfeer mee vormden waarin de evolutie van meercellige wezens mogelijk werd, met ons aan het eind van de ontwikkeling. Groene planten staan nog steeds aan het begin van elke voedselketen. Zij vormen met hun stengels, stammen, bladeren en bloemen de structuur van elk ecosysteem, elke niche, waarin heel het dierenrijk leeft inclusief vlinders, olifanten en vissen. Planten zijn de plek waar leven ontstaat.

Hoe werkt dit nu precies? Ik volg de beschrijving van Jim Al-Khalili en JohnJoe McFadden in Hoe leven ontstaat. Op het snijvlak van biologie en kwantumleer, uitstekend vertaald door Robert Vernooy. Bladgroenkorrels of chloroplasten blijken geniaal ontworpen energiecentrales. Aan hun flexibele binnenwand steekt een woud van zwaaiende moleculen het cellichaam in, die alle eindigen in een soort antenneplaatje, de chromofoor. Dat is een tweedimensionale structuur die bestaat uit vijfhoekige aaneenschakelingen van voornamelijk koolstofatomen en stikstofatomen, die een centraal magnesiumatoom insluiten, met een lange staart van koolstof-, zuurstof- en waterstofatomen. Het buitenste elektron van het magnesiumatoom is slechts losjes verbonden met de rest van het atoom en kan de koolstofkooi eromheen in worden gestoten als het een foton zonne-energie opneemt. Daardoor ontstaat er een gat in wat nu een positief geladen magnesiumatoom is. Het gat is positief geladen, het uitgestoten elektron negatief en het zou in het gat terugvallen en z’n energiekwantum afgeven als warmte, wanneer het zijn lading niet razendsnel zou overdragen op een nabijgelegen moleculaire productie-eenheid genaamd reactiecentrum. Daarin wordt de lading van het zogeheten exciton gebruikt om de moleculaire batterij op te laden die de kringloop laat draaien waarin uit koolzuurgas en water glucose en zuurstof wordt gemaakt. De afstand tussen het magnesiumatoom en het reactiecentrum is echter zo lang en de omringende toevalsbeweging zo groot, dat het uiterst instabiele exciton nooit op tijd bij het reactiecentrum zou komen tenzij het de allerkortste, enige levensvatbare route zou volgen. En die volgt het ook, altijd. Fotosynthese is een energieopslagsysteem met een efficiëntie van 100 procent, waarbij in een gemiddeld mechanisch of elektronisch systeem 40 procent al acceptabel wordt gevonden.

Hoe het werkt

Hoe weet dat exciton nu welke route het moet kiezen? Hier komt de kwantumbiologie met een antwoord. De kwantummechanica stelt zich een elektron niet voor als bolletje dat als een planeet rond een atoomkern zwiert, maar als een waarschijnlijkheidsveld. Het is een negatieve lading die overal tegelijk aanwezig is in een specifieke baan rond de positief geladen atoomkern. Pas als je dit golfachtige wolk-ietsje meet, dat wil zeggen als je zijn positie bepaalt, gedraagt het zich opeens als deeltje. Wanneer nu bij de inslag van een lichtfoton die buitenste elektron wordt losgestoten uit het magnesiumatoom in de chromofoor, vliegt daar een wolkje weg. Het reactiecentrum is een heel kleine positie op een gigantische, in de levende cel zwalkende molecuulconstructie. Het exciton weet die te vinden door meerdere beschikbare routes tegelijk te volgen, zoals water in een stroomversnelling tussen stenen door. Zodra de ladingstroom tegen het reactiecentrum botst wordt het daar herkend en gemeten. Het krijgt een positie en concretiseert zich ter plekke als elektrondeeltje. De energie balt zich dus samen tot materie en verschijnt in de wereld boven het kwantumniveau, die van de corpusculaire natuurkunde en de organische chemie. Het overal tegelijk kunnen zijn van een deeltje heet kwantumzweving , het voort blijven bestaan van het uiterst instabiele exciton kwantumcoherentie en de reis van centraal magnesiumatoom naar perifeer reactiecentrum quantum walk.

Kan niet. Gebeurt toch

Scheikunde bestudeert het gedrag van atomen en moleculen. Het is een combinatie van ervaringswetenschap en ingenieurskunde. Het constateert wat welke reacties veroorzaakt en oogst de resultaten. De natuurkunde biedt vervolgens een verklaring voor wat de scheikunde alleen beschrijft en gebruikt. Moleculen worden gevormd als atomen elektronen uitwisselen, kwantums lading delen. De scheikunde bestudeert alleen het gedrag van de buitenste elektronenschillen, de natuurkunde ook dat van de onderliggende lagen en de krachten in de atoomkern. De kwantummechanica nu biedt een verklaring voor de kennis die de atoomtheorie alleen beschrijft en gebruikt, bijvoorbeeld om atoombommen of kerncentrales te maken. Die verklaring is vanuit de klassieke natuurkunde bezien bijna altijd idioot. Kan niet. Gebeurt toch. Licht is zowel een golf als een deeltje. Een elektron en ook de veel grotere proton uit de atoomkern zijn dat eveneens. Deze deeltjes kunnen op meerdere plaatsen tegelijk zijn. Ze kunnen zich als twee verschillende golven tegelijk voordoen en interferentie bij zichzelf veroorzaken. Ze kunnen door ondoordringbare wanden heen zonder deze fysiek te passeren. Kwantums draaien bovendien rond hun as in een zogenaamde spin, die boven- of onderlangs kan gaan, maar meestal beide tegelijk doet. Om een rondje te maken dienen ze geen 360 graden te draaien, maar twee keer zo veel. Twee van elkaar gescheiden kwantumdeeltjes, lichtjaren van elkaar verwijderd, volgen elkaars gedrag in real time en communiceren onderling dus sneller dan met de door Einstein voorgeschreven maximumsnelheid van het licht. En zo meer. Al deze verschijnselen zijn nooit door iemand met eigen ogen geobserveerd, want ze vinden ver onder of voorbij het waarnemingsvermogen van mens en machine plaats. Ze zijn alleen te vatten in wiskundige formules en virtuele modellen. Maar eenmaal beschreven blijken ze herhaalbaar. Dus is het wetenschap: het constateren van orde en organisatie in de natuur.

Ik heb Hoe leven ontstaat tot mijn eigen verwondering geboeid van begin tot einde uitgelezen. Omdat kwantummechanische processen principieel onbegrijpelijk zijn blijft de verklaring die ze bieden voor zulke uiteenlopende fenomenen als de versnelling van chemische reacties door enzymen, de migratie van vogels op het aardmagnetisch veld, het ruiken van subtiele geuren, de snelle spierfunctie, de werking van ons zenuwstelsel en de ervaring van bewustzijn toch wat abstract. Ik zag die kwantums wel zweven en in decoherentie vervallen, maar begon ook steeds meer te aarzelen of ik het begrip energie eigenlijk wel snapte. Tegelijk bemerkte ik een beetje blasé te worden. Bij het hoofdstuk over bewustzijn betrapte ik mijzelf op de gedachte: ach ja, is natuurlijk ook een kwantummechanisch proces, want er moeten protonen bij worden rondgepompt in de membranen van de zenuwcellen van onze hersenen. Waar kleinste deeltjes, daar kwantummechanische effecten, ook al waren die tot voor kort alleen bekend uit kolossale natuurkundige labs als het CERN in Zwitserland. De schrijvers van Hoe leven ontstaat, een Britse presentator en een dito professor, gaan gelukkig doortastend om met hun verhelderende metaforen, zodat er nog heel wat kennis overkomt bij de niet-wiskundig geschoolde of geïnteresseerde lezer. Je moet op de middelbare school wel je exacte vakken hebben gehaald, maar dan is de uitleg van de doldwaze wereld van de kwantummechanica helder en vrij verbluffend. Het enige wat knaagt na lezing is een zeker onbehagen. Machtig interessant allemaal, alleen, wat maakt het uit? Wat helpt dit soort kennis in het grotere kader van de zesde massa- extinctie, het probleem dat nu al bepalend aan het worden is voor het leven in de eenentwintigste eeuw en daarna?