Emergentie

Nu een onderzoek aan ribosomen de invloedrijke RNA-wereld hypothese een zware slag heeft toegebracht, komt er weer meer  belangstelling voor alternatieve theorieën. Zoals de autokatalytische verzameling  biogenese, een variant van de oersoeptheorie, die stelt dat alles begon met stofwisseling.

Oersoep
Ook nu nog is de vraag hoe het leven is ontstaan en waar – op aarde of daarbuiten –  onbeantwoord. Eén van de indringendste vragen is het ‘blinde horlogemaker’-dilemma: hoe kan een complex systeem als een levende cel compleet uit het niets ontstaan? Weliswaar is RNA in staat zichzelf onder zeer gunstige omstandigheden te kopiëren, de grondslag voor de RNA wereld hypothese, maar deze omstandigheden – een hoge concentratie zuivere RNA-nucleotiden (RNA-bouwstenen)- komen voorzover we weten alleen in laboratoria voor.  Er moet dus een basissysteem zijn geweest dat de juiste ingrediënten bijeenbracht en bijeenhield, stellen de aanhangers van de verschillende oersoep hypotheses.  Dat systeem bestaat uit een verzameling moleculen die zichzelf in stand houdt en uitbreidt. Een onder theoretici geliefde variant gaat bijvoorbeeld uit van een zwavel-ijzer systeem zoals dat zich in onderzeese zwavelwaterstofrijke bronnen vormt. Dit eenvoudige chemische proces kan de aandrijfbron zijn geweest waaromheen zich een complexe biochemie ging ontwikkelen.

Op het eerste gezicht lijkt een levende soep moeilijk voorstelbaar, maar in feite is dit precies wat er in een cel gebeurt, al zijn de moleculen in een cel hooggespecialiseerd. Zou het leven begonnen zijn als een soep met RNA-nucleotiden, aminozuren en ketens van aminozuren: eiwitten, die zich door chemische evolutie ontwikkelde tot een levensvatbare cel?

Autokatalytische verzameling
Volgens één theorie kunnen groepen moleculen autokatalytische verzamelingen (Engels: autocatalytic sets) vormen. Een simpel voorbeeld is de autokatalytische Belousov-Zhabotinsky reactie, waarbij je meerdere chemische golven door het mengsel ziet gaan tot de chemische energie uitgeput is. Zie onderstaande video.

Het Belousov-Zhabotinsky systeem bestaat uit maar enkele chemicaliën dus is erg eenvoudig. Er zijn ook andere en ingewikkelder systemen bekend. Voorwaarde bij al deze systemen is dat deze chemisch ver uit evenwicht zijn.

Wiskundige verrassingen
Autokatalytische verzamelingen blijken ook wiskundig zeer interessant. Stuart Kauffman van de Amerikaanse Universiteit van Vermont in Burlington en enkele collega’s nemen een kijkje in de algemene wiskundige eigenschappen van autokatalytische verzamelingen. Hierbij kwamen ze tot een verbazingwekkende conclusie, met opmerkelijke gevolgen voor ons begrip van complexiteit, evolutie en emergentie. Om te beginnen tonen ze wiskundig aan dat een autokatalytische verzameling samengesteld kan zijn uit verschillende autokatalytische deelverzamelingen van verschillende types. Sommige van deze kunnen overlappen. Zo is een ecosysteem, bijvoorbeeld een mangrovebos, een autokatalytische verzameling die is samengesteld uit ontelbare organismen (ook weer autokatalytische verzamelingen van cellen, die ook weer uit autokatalystische celonderdelen bestaan… enfin). Je kan zeggen dat een mangrovebos zich verspreidt naar plekken waar de garnalenkwekers even wegblijven. Dit wisten we al uit de praktijk, maar nu is dat voor het eerst ook wiskundig aangetoond. Wat het domein meteen tot werkelijk onvoorstelbare reikwijdte oprekt.

Spontaan ontstaan van ingewikkelde structuren
De auteurs gaan door met te laten zien hoe evolutie kan werken op een enkele autokatalytische verzamelingen, wardoor er nieuwe autokatalytische verzamelingen ontstaan die onderling afhankelijk van elkaar zijn. Dit proces creëert een omgeving waarin nieuwe autokatalytische verzamelingen tot ontwikkeling kunnen komen. Zoals de organellen in een cel, bijvoorbeeld.  Oftewel: een ingewikkelde organisatievorm ontstaat uit een eenvoudige organisatievorm. Emergentie in optima forma. Let wel, in een eenvoudig wiskundig systeem.

‘Complex leven wiskundig onvermijdelijk’
Interessant hier is dat het hier gaat om een abstract-wiskundige analyse. Hierin is aangetoond dat letterlijk elk denkbaar systeem dat de wiskundige structuur van een autokatalytische verzameling heeft, zich tot complex systeem al ontwikkelen. Onafhankelijk van de onderliggende aard.  Met andere woorden: dit proces kan zich in principe voordoen in een chemische soep, in een computer, in een verzameling mensen, in (immers non-lineaire) zwaartekrachtsvelden of in de elektromagnetische wervels rond een pulsar. Als er maar sprake is van een autokatalytische verzameling, dus elementen die samen een stabiel, zichzelf in standhoudend systeem vormen. En inderdaad, chemici hebben chemische autokatalytische verzamelingen ontdekt die zich precies zo gedragen. Die elementen kunnen zelf ook weer complex zijn, zoals (door Kaufmann c.s. genoemd) bacteriën.

Economie als zich evoluerende autokatalytische verzameling
Ook onze economie is in feite een autokatalytische verzameling waarin grondstoffen wordnen getransformeerd ot eindproducten, die weer nieuwe mogelijkheden en nieuwe recombinaties opleveren. Wat een opmerkelijk inzicht oplevert. Kan één en hetzelfde idee, de wiskundige formulering van emergentie, sterk uiteenlopende systemen als cellen, economieën en wellicht zelfs kosmische evolutie verklaren? Kaufmann en zijn medeauteurs zeggen met een milde vorm van understatement, dat ze denken dat deze ideeën het waard zijn verder onderzocht en uitgewerkt te worden. Dit betekent dat het domein waarin we naar leven kunnen zoeken, enorm wordt uitgebreid. Werkelijk alle systemen waarin zich voldoende complexe autokatalytische verzamelingen kunnen vormen, vormen een denkbare bakermat voor levensvormen.

Lees ook
Evolutionaire vooruitgang: illusie of feit?
‘Voorganger van DNA en RNA ontdekt’
Oercel veel complexer dan gedacht
Denkende DNA-soep nu een feit

Bron
Stuart Kaufmann et al., The Structure of Autocatalytic Sets: Evolvability, Enablement, and Emergence, ArXiv preprint, 2012