Ifølge fysikerne stiger graden av uorden uunngåelig med tiden. Derfor kan de også forutsi slutten på universet: Til slutt vil alt være rotet sammen til en kald og livløs gass.
Når det gjelder livet på jorden, har utviklingen imidlertid gått stikk motsatt vei: Evolusjonen har skapt mer og mer velordnede livsformer – fra enkle biologiske molekyler til komplekse dyr og mennesker.
Men hvordan kan livet bryte en lov som gjelder for alt i universet?
Rotet i universet vokser
1 Reaksjonsmuligheter skaper uorden
Graden av uorden stiger med antallet reaksjonsmuligheter. To gasser i hver sin beholder er et velordnet system, men åpnes døren mellom beholderne, kan gassene reagere med hverandre og anta flere tilstander – entropien vokser.
2 Det unge universet var velordnet
Etter big bang var universet glovarmt plasma med en ensartet temperatur og tetthet. Som i eksempelet med de to gassene som var ordnet i hver sin beholder, hadde stoffet bare noen få reaksjonsmuligheter, og entropien var derfor lav.
3 Grunnstoffene laget rot
De første to hundre millioner årene var materien i universet først og fremst hydrogen. Men da de første stjernene ble antent, begynte de prosessene som skapte alle de nåværende grunnstoffene og dermed langt flere tilstander for materien – entropien vokste.
Graden av uorden i et fysisk system beregnes ut fra antallet mulige tilstander systemet kan være i. Jo flere mulige tilstander, jo større er uordenen – også kalt entropien.
Så langt har ikke fysikerne tatt livet med i betraktning når de beregner universets samlede entropi, fordi antallet partikler i livet på jorden er så ubetydelig.
Men nå har fire forskere regnet på antallet mulige tilstander i biologien, og tallet er overraskende høyt.
Faktisk er det så stort at livets opphav kan ha spilt en avgjørende rolle for hele universets utvikling.
Dampmaskiner skapte kaos
Begrepet entropi stammer fra den klassiske varmelæren, termodynamikken.
Teorien ble utviklet på 1800-tallet med det tvers gjennom praktiske formålet å forbedre ytelsen til den tidens dampmaskiner. Etter hvert ble fysikerne klar over at termodynamikkens lover er universelle og gjelder overalt og til alle tider.
Problemet med livets velordnethet har å gjøre med termodynamikkens andre lov. Den slår fast at graden av uorden, entropien, i ethvert fysisk system som overlates til seg selv, enten vil være konstant eller stige.
Det skal rett og slett være umulig at et system blir mer velordnet, slik jorden har blitt gjennom fire milliarder år med evolusjon.
Med den stigende graden av orden i komplekse levende organismer har livets entropi blitt lavere og lavere. Men forskergruppen som står bak den nye teorien, mener at livets entropi bør betraktes på en helt ny måte.
Gruppen består av fire fysikere og biologer ved det såkalte Perimeter-instituttet for teoretisk fysikk i Ontario i Canada og institutt for systembiologi i Seattle i USA.
Forskerne begynte sitt teoretiske arbeid med å rapportere graden av entropi gjennom universets 13,8 milliarder år lange historie.
De første 380 000 årene etter big bang var universet en ildkule av glovarmt plasma, altså atskilte protoner og elektroner, som utvidet seg voldsomt. Både tettheten og temperaturen var veldig ensartet overalt.
I begynnelsen var universet veldig ensartet, og entropien var lav. Men stjernene skapte et mylder av nye tilstander, og dermed steg entropien.
Entropien i det nyfødte universet var derfor bare bestemt av det totale antallet atompartikler og de begrensede måtene partiklene kunne påvirke hverandre på.
Helt siden den gang har tyngdekraften trukket sammen materien i gasståker, stjerner, galakser og galaksehoper. Utviklingen har skapt myriader av nye tilstander som materien kan anta under helt ulike nivåer av trykk og temperaturer, noe som har økt universets entropi.
Livet passerer mørk energi
Den største bidragsyteren til entropien i universet er ifølge kosmologien den såkalte mørke energien – en hypotetisk frastøtende kraft som gjennom 5–6 milliarder år har motvirket tyngdekraftens sammentrekning og fått universets utvidelse til å skyte fart.
Den mørke energien utløser en enorm entropi på 10124 mulige tilstander. Men ifølge forskergruppen slår livet på vår lille planet alt annet i universet når det gjelder kombinasjonsmuligheter.
1 med 124 nuller – så mange mulige tilstander inneholder den mørke energien. Men livets entropi er mye større.
Levende organismer består først og fremst av seks grunnstoffer – karbon, hydrogen, nitrogen, oksygen, fosfor og svovel. Grunnstoffene samler seg i store biologiske molekyler som DNA, som bærer informasjon, og proteiner, som er arbeidshestene i alle livets biokjemiske prosesser.
Forskernes poeng er at biomolekylene kan anta langt flere tilstander og utføre langt flere prosesser enn de seks grunnstoffene er i stand til i den uorganiske kjemien. Forskerne har beregnet antallet mulige tilstander til 10238.
Livet skaper det største kaoset i universet
1 Svarte hull skaper rot
Svarte hull pakker inn størst mulig uorden i minst mulig volum. Bare det supertunge svarte hullet i Melkeveien inneholder mer entropi enn hele det unge universet. I alt har de svarte hullene en entropi på 10104 mulige tilstander.
2 Den mørke energien øker kaos
Ifølge kosmologien er universet fullt av en frastøtende mørk energi som motvirker tyngdekraftens sammentrekning og får universets utvidelse til å akselerere. Den mørke energien utløser en enorm entropi på 10124 mulige tilstander.
3 Livet sprenger alle rammer
Når karbon, hydrogen og livets andre byggesteiner samles seg i komplekse biomolekyler, kan de utføre utallige reaksjoner som ikke er mulige i uorganisk kjemi. Ifølge en ny teori utløser livet en entropi på 10238 mulige tilstander.
Med alle de kombinasjonsmulighetene øker livet på jorden universets entropi ut over alle grenser.
Ny fysisk lov styrer biologien
Ingenting i den klassiske termodynamikken begrenser antallet mulige biologiske tilstander, men i praksis har evolusjonen bare brukt en brøkdel av alle de proteinene og biokjemiske reaksjonene som livet har potensial til å frambringe.
På den bakgrunnen foreslår de fire forskerne en ny biologisk og termodynamisk lov som de kaller teorien om de nærliggende mulighetene.
Den går ut på at evolusjonen via mutasjoner og kjønnet formering bare velger ut de biomylekylene som er best egnet til å bygge alle de spesialiserte cellene og organene som jordens ekstremt komplekse og velordnede organismer består av.
Biologien inneholder et ekstremt antall mulige molekyler. Men evolusjonen har bare valgt ut de best egnede av dem og dermed skapt velordnede organismer.
Teorien eliminerer motsetningen mellom livets utvikling og termodynamikkens universelle lov om stadig økende uorden, entropi.
På den ene side inneholder levende organismer riktignok en enorm entropi i form av alle de potensielt mulige biomolekylene og det astronomiske antallet tilstander som biomolekylene kan frambringe ved å reagere med hverandre.
Men på den annen side utnytter evolusjonen bare en uendelig liten del av mulighetene.
Dermed oppfyller livet fysikkens krav om stadig økende uorden i form av et stigende antall teoretiske kombinasjonsmuligheter, men er samtidig ekstremt velordnet.
Livet utvidet universet
Den nye loven om biologisk termodynamikk innebærer at livet sprenger alle kjente rammer for den samlede entropien i universet. På den bakgrunnen har forskerne framsatt en hypotese som de selv kaller «hårreisende spekulativ».
Astronomer kan observere at universets utvidelse skjøt fart for 5–6 milliarder år siden. Ifølge kosmologien skyldes det at den mørke energien som utvider universet, på det tidspunktet vant over tyngdekraften, som prøver å trekke det sammen.
Forskergruppen tenker seg at det var livets opprinnelse som på en eller annen måte satte fart på den mørke energien.
Bakgrunnen for ideen er det tidsmessige sammentreffet. På jorden oppsto livet for nesten fire milliarder år siden, men hvis livet er utbredt i galaksene, er det sannsynlig at det oppsto tidligere på andre planeter.
Stjernedannelsen og dermed planetdannelsen i universet kulminerte for ti milliarder år siden, slik at livet kan ha oppstått mange nok steder og altså tidsnok til å sette fart på den mørke energien for nettopp 5–6 milliarder år siden.
De fire forskerne legger ikke skjul på at de ikke har noen beviser for hypotesen sin. Men hvis de treffer blink, har de endret fundamentalt på forholdet mellom biologi og astronomi og skapt århundrets nye vitenskap – biokosmologien.