Lessen van een VLINDER

Iedere herfst vliegen miljoenen monarchvlinders van het zuidoosten van Canada naar het noordwesten van Mexico om er te overwinteren. In de vroege lente van het jaar daarop maken ze de omgekeerde beweging. Hoe vindt zo'n kleine vlinder de weg, vroegen wetenschappers zich lang af. Onthoudt hij dat of vliegt hij op de zon?

Nog voor ze dat mysterie hadden opgelost, ontdekten wetenschappers iets anders: de vlinders keren helemaal niet terug. Ze planten zich onderweg voort en sterven in Mexico. De monarchen die uiteindelijk de zomer in Canada zullen doorbrengen, zijn hun kleinkinderen. En dat maakte het enigma er natuurlijk alleen maar groter op, want hoe vinden die jonkies hun weg naar een plaats waar ze nog nooit geweest zijn?

Volgens Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden, de één fysicus en de ander moleculair geneticus en samen de auteurs van het boek Hoe leven ontstaat, maken ze daarvoor gebruik van de kwantummechanica. Menigeen zal bij deze stelling de wenkbrauwen fronsen, want die kwantummechanica zegt toch iets over het gedrag van de kleinste bouwstenen van ons heelal, terwijl monarchvlinders op een heel ander niveau actief zijn. Zij bestaan uit cellen die samen een dier vormen.

Het één is 'droge' wetenschap en het ander 'natte'. Maar schijn bedriegt, zoals we steeds beter gaan inzien. Als biologie niets anders is dan toegepaste scheikunde, en scheikunde niets anders dan toegepaste fysica, waarom zou het bestaan van de kwantumbiologie dan hoeven te verbazen?

Vreemd gedrag

De klassieke manier om aan te tonen dat de kwantumwereld anders is dan de wereld om ons heen is het tweespletenexperiment. Je neemt een scherm met daarin twee smalle spleten. Wanneer je er een lamp voor plaatst, zullen de lichtgolven die door de twee spleten vallen interfereren met elkaar en krijg je een golfpatroon te zien op de wand erachter.

Wanneer je de lamp vervangt door een revolver en in het wilde weg richting spleten schiet, zul je op de wand twee lijnen te zien krijgen. Kogels gedragen zich immers als deeltjes en vliegen in rechte lijn door de spleten. Vervang ten slotte de revolver door een atoomkanon en je krijgt op de wand een golfpatroon met lijnen erdoorheen.

Atomen gedragen zich dus niet als golven en ook niet als deeltjes, maar wel als beide tegelijk. Ze kunnen allerlei vreemd kwantumgedrag vertonen, zoals op twee plaatsen tegelijk zijn, tezelfdertijd twee kanten op spinnen, door ondoordringbare barrières tunnelen of spookachtig verstrengeld zijn met een partner aan de andere kant van het heelal en toch op hetzelfde moment van gedaante veranderen. Kwantummechanica lijkt magie, maar dat is het alleen omdat wij in een wereld leven waar het kwantumniveau van geen tel is.

Of niet? Want zoals Al-Khalili en McFadden tonen speelt die kwantumfysica een grote rol bij de fotosynthese. De zon zendt lichtenergie uit. Het chlorofyl van de planten vangt dit op, zet het om in excitonen, en die brengen de energie vervolgens naar de plaats in de plant waar ze nodig is. Het opzienbarende is dat daarbij geen energie verloren gaat.

Men heeft heel lang gedacht dat het pad van de excitonen willekeurig was en de energieoverdracht dus alle kanten op ging. Dat die energie dan op de juiste plaats terechtkwam, was een zaak van toeval. Alleen was dat in tegenspraak met de vaststelling dat bij die overdracht geen energie verloren gaat. De volle 100 procent komt aan op de plaats waar nodig. Als het transport echt in het wilde weg zou verlopen, zou dat hoogstens 70 procent mogen zijn.

Recent onderzoek heeft een antwoord gevonden op het mysterie: het exciton volgt op kwantumcoherente wijze alle mogelijke routes door het chlorofyldoolhof tegelijk en kan zo alle energie zonder verlies op de juiste plaats brengen. Je kunt het vergelijken met in de file staan op weg naar het werk en je afvragen of er geen alternatieve route is. Je weet niet welke weg de kortste is. Ideaal zou natuurlijk zijn dat je alle mogelijke trajecten tegelijkertijd zou kunnen volgen. Dat is wat bij fotosynthese gebeurt.

Fascinerend

Hoe leven ontstaat gaat natuurlijk niet alleen over fotosynthese. Het geeft ook een mogelijke verklaring voor de uiterst snelle werking van ons bewustzijn, probeert de mysteries van de genetica te ontrafelen en verklaart hoe enzymen werken, de katalysatoren die in ons lichaam biochemische reacties soms wel tot een triljoen keer sneller doen verlopen.

Finaal gaat het boek zelfs op zoek naar de oorsprong van het leven en toont het in welke richting we moeten zoeken willen we ooit zelf leven creëren. Het is geen makkelijk boek, maar het geeft wel een beeld van de recentste stand van de biologische wetenschap, en die blijkt veel fascinerender dan je zou denken.

En o ja, vraagt u zich misschien af, hoe zit dat nu met die monarchvlinder? Die blijkt chryprochroom op zijn voelsprieten te hebben, waardoor hij zich kan oriënteren ten opzichte van het magnetische veld van de aarde. De hoeveelheid energie die daarmee gepaard gaat, is zo gering, dat alleen de kwantumbiologie er een verklaring voor kan geven.

Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden, Hoe leven ontstaat, Atlas Contact, 359 p., 29,99 euro. Vertaling Robert Vernooy.