Het geheim van het leven heet chaos
Precies op de grens tussen chaos en orde worden de mooiste dingen geboren. Een artikel over het bijna onbegrijpelijke…
Na weken van onafgebroken schransen breekt voor iedere rups de dag aan waarop hij genoeg heeft gegeten. De plant is kaal, zijn buik is vol.
In de tussentijd is hij zo gegroeid, dat hij een aantal keren moest vervellen, zodat hij ongehinderd verder kon bunkeren. Tot zover is het allemaal nog wel te volgen. Maar dan gebeurt er iets ontzagwekkend raars: zijn hormonen vertellen hem dat het tijd is om voor de allerlaatste keer te vervellen.
De rups zoekt een veilige plek, spint een draad waarmee hij zichzelf stevig verankert aan een takje, en dan barst voor de laatste keer zijn strak gespannen rupsenhuid open. Maar in plaats van een nieuw sponzig velletje komt er dit keer een stevig bruin harnas tevoorschijn: de beschermende buitenkant waarbinnen hij van een rups zal veranderen in een vlinder.
In deze cocon wordt de rups eerst vrijwel volledig, tot op de laatste molecuul afgebroken door dezelfde sappen die eerst zijn eten verteerden. Als je in dit stadium de cocon opensnijdt, dan zit er alleen maar bruin sap in: chaos!
Je zou denken dat dit rupsensoepje hartstikke dood is, maar een paar – tot nogtoe ongebruikte – cellen blijven intact. Dat zijn de imaginaalschijven: een soort stamcellen waaruit in de cocon vleugels beginnen te groeien. En poten, een lange roltong, voelsprieten en voortplantingsorganen. Dit verbazingwekkende proces van afbraak en wederopbouw noemen biologen histogenese.
Na een aantal dagen komt er uit de cocon een volmaakte vlinder gekropen, die alleen nog maar zijn vleugels op hoeft te pompen. Maar is die vlinder na het soepstadium nog steeds hetzelfde wezen als de rups? Jazeker, hij heeft zelfs nog steeds herinneringen aan zijn rupsentijd!
Chaos als nieuwe wetenschap
Wetenschappers van de universiteit van Washington hebben dit bewezen door rupsen van de tabakspijlstaart Manduca sexta te confronteren met negatieve ervaringen, gekoppeld aan een bepaald luchtje. Als de volwassen vlinders na het verpoppen dit luchtje roken, reageerden ze onmiddellijk: wegwezen!
Uit chaos komen de mooiste dingen voort, zoals een vlinder die precies weet wat hij wel en niet prettig vindt. Maar wat is chaos nou eigenlijk precies? Volgens Hesiodos ‘een bewegende, vormeloze massa waaruit de kosmos en de goden zijn geboren.’
Daarmee sloeg de Griekse dichter achthonderd jaar voor Christus de spijker op zijn kop, want moderne wetenschappers raken er de laatste decennia steeds stelliger van overtuigd dat in chaos het geheim van het leven is te vinden, en alle wonderen van de natuur.
Sinds de jaren zestig van de vorige eeuw houden universiteiten in alle uithoeken van de wereld zich intensief bezig met een nieuwe tak van wetenschap: de chaostheorie.
Daarmee worden chaotische patronen in de natuur bestudeerd, zoals wolken, stromingen in de oceanen, takken van bomen, het stromen van ons bloed, epidemieën, luchtturbulentie en alles wat de geavanceerde ruimte telescopen tot nogtoe hebben onthuld.
Over het nogal theoretische vlindereffect
Chaostheorie bestudeert systemen die zich volledig volgens wiskundige vergelijkingen gedragen, maar op een gegeven moment tòch onvoorspelbaar gedrag gaan vertonen. Daarom zijn lange termijn voorspellingen niet mogelijk, maar korte termijn voorspellingen juist wel.
Dit fenomeen werd voor het eerst vastgesteld in 1961, toen de Amerikaanse weerkundige Edward Norton Lorenz met behulp van een van de eerste computers ontdekte waarom hij het weer hooguit zeven dagen van tevoren kon voorspellen, maar niet 10 of 14 dagen van tevoren.
Dat kwam door piepkleine verschillen in de beginwaarden van zijn ingewikkelde berekeningen.
Dit verschijnsel noemde hij het vlindereffect: het minieme zuchtje lucht dat wordt verplaatst door de vleugelslag van een vlinder in het Amazonegebied, kan tot een zodanige kettingreactie in luchtstromingen leiden, dat die ene vleugelslag maanden later een wervelstorm in Texas kan veroorzaken. Theoretisch dan.
Lorenz werd met deze observatie de grondlegger van de chaostheorie, die in eerste instantie niet bepaald positief werd ontvangen door andere wetenschappers.
De chaostheorie zette namelijk alles op zijn kop! Om te beginnen de handige natuurwetten van Isaac Newton, de ontdekker van de zwaartekracht. Volgens Newton waren alle natuurverschijnselen te voorspellen door middel van wiskundige berekeningen, maar de chaostheorie haalde daar een dikke streep doorheen.
In systemen waarvan we alle onderdelen kennen, kan tòch zomaar iets onverwachts gebeuren!
Moleculen organiseren zichzelf spontaan
Pas nu beginnen wetenschappers te begrijpen dat chaostheorie weleens het antwoord kan geven op een vraag die we onszelf al sinds het begin der tijden stellen: hoe is het leven precies ontstaan?
Volgens theoretisch bioloog Stuart Kauffman bij organische moleculen, die in groten getale op een chaotische manier door het heelal zweven.
Wanneer deze moleculen samen een kritische massa van complexiteit hebben bereikt, van ingewikkelde combinaties zeg maar, organiseren ze zichzelf spontaan tot levende cellen.
Volgens Kauffman is het leven op aarde dus geen kwestie van puur toeval, maar bijna onvermijdelijk. Niet alleen hier, maar overàl in het universum waar de omstandigheden gunstig genoeg zijn is hoogstwaarschijnlijk leven!
Kauffmans computersimulaties aan het Santa Fe Instituut in New Mexico (het wetenschappelijk epicentrum voor onderzoek naar complexiteit) leiden steeds weer tot dezelfde ongelooflijk spannende conclusie: gooi een fikse hoeveelheid verschillende organische moleculen bij elkaar, en uiteindelijk ontstaan vanzelf zeer complexe, zichzelf vermenigvuldigende systemen.
Daaruit komen vanzelf nog complexere netwerken van verbindingen voort, die stabiel genoeg zijn om nòg weer grotere, zichzelf vermenigvuldigende systemen te vormen.
De computerexperimenten van Kauffman zijn in de praktijk bevestigd door onderzoekers van het Scripps Institute, die een eiwit hebben ontdekt dat inderdaad zichzelf kan vermenigvuldigen.
De beste mutaties mogen verder
Chaos leidt dus tot spontane zelforganisatie van moleculen, waardoor complexe, levende systemen kunnen ontstaan. Dat werpt een heel nieuw licht op de evolutietheorie van Darwin! Darwin verklaarde hoe complexe levensvormen door natuurlijke selectie zijn ontstaan uit simpele levensvormen, en chaos laat zien hoe die simpele levensvormen zijn ontstaan.
De vuistregel van Darwins evolutietheorie is dat elk organisme zich moet vermenigvuldigen. Met een paar willekeurige mutaties zo nu en dan. De reactie op die mutaties komt van de omgeving, die een voorkeur heeft voor de best aangepaste mutaties.
Kan een scholekster met een iets langere snavel zijn kostje beter bij elkaar scharrelen dan scholeksters met een kortere snavel? Dan worden er op den duur steeds meer scholeksters met een iets langere snavel geboren…
De wisselwerking tussen chaos en omgeving leidt zo tot steeds meer complexiteit, geproduceerd zonder enig bouwplan of denkwerk vooraf.
Natuurlijk evenwicht bestaat helemaal niet
Chaos heeft ons ook geleerd dat aantallen dieren enorm kunnen schommelen, ook zònder dat Homo sapiens daar schuldig aan is. We dachten altijd dat de natuur streeft naar evenwicht, maar sinds kort weten we dat ‘natuurlijk evenwicht’ helemaal niet bestaat. Het aantal soorten binnen een ecosysteem kan erg onvoorspelbaar veranderen.
Elk ecosysteem of voedselweb bestaat altijd uit meerdere roofdieren en meerdere prooisoorten, die met z’n allen op elkaar inwerken op uiterst complexe manieren, vrijwel onmogelijk te overzien.
Dat bleek onder meer uit een wetenschappelijk experiment waarin een aquarium met 100 liter zeewater vol plankton acht jaar lang nauwlettend werd bestudeerd.
Alle omstandigheden waren al die jaren elke dag precies hetzelfde geweest: temperatuur en verlichting werden constant gehouden, en water en voedingsstoffen die verdwenen door het nemen van monsters werden weer netjes aangevuld.
Toch wilde het ecosysteem in de bak maar niet tot rust komen. De onrust werd veroorzaakt door de planktonsoorten zèlf, die hevig met elkaar concurreerden. Soms won de ene soort van de andere, maar dan kwam een derde soort zich er ineens mee bemoeien, afhankelijk van het beschikbare voedsel op dat moment.
Vreemd genoeg blijkt deze voortdurende chaos tot hoge biodiversiteit te leiden.
Dus niks evenwicht: in de natuur is het chaos troef, waarbij de impact van onderlinge wisselwerkingen tussen soorten vaak wordt onderschat.
Precies genoeg mieren in elke kolonie
Het wordt steeds duidelijker dat systemen met veel wisselwerking goed zijn in het verwerken van informatie en aanpassing aan veranderingen. Of rampen.
Een goed voorbeeld daarvan zijn mierenkolonies, die altijd bestaan uit duizenden chaotische individuutjes. Met behulp van feromonen (geurtaal) en trommelen met hun antennes wisselen ze voortdurend informatie uit met elkaar.
Deze onderlinge communicatie zorgt ervoor dat de kolonie als geheel bijna een ‘denkend wezen’ is, dat complex dynamisch gedrag vertoont. Vooral op chaotische momenten van grote verandering.
Het is voor de kolonie van wezenlijk belang dat er precies genoeg mieren zijn, want alleen dàn kunnen ze optimaal functioneren en efficient informatie uitwisselen. Bij te weinig inwoners kan er niet optimaal worden gecommuniceerd en bij overbevolking wordt de chaos te groot.
Maar ook dat ’precies juiste aantal mieren’ fluctueert voortdurend: sommige mieren werken in de voorraad- of kraamkamers van het mierennest, terwijl anderen buiten voedsel zoeken of vijanden verjagen.
De rekenformule van chaos: algoritmes
Wanneer middenin de chaos het proces van zelforganisatie op gang komt, dan gebeurt dat volgens bepaalde rekenregels, die we algoritmes noemen.
Onze wereld wordt in een razendsnel tempo steeds meer bepaald door deze geheimzinnige algoritmes, die op een onbegrijpelijke, zelforganiserende manier vanuit een simpele begintoestand langzaam maar steeds sneller naar een zeer complex doel leiden.
Deze eigenschap maakt van algoritmes een co-evolutionaire kracht: ze kunnen scheppen!
De beroemde filosoof Daniel Dennet zegt dat evolutie in feite een algoritmisch proces is: een programma waarin een paar rekenregels met veel geduld en over zeer lange tijd worden uitgevoerd, met als resultaat dat uit praktisch niets enorme complexiteit ontstaat.
Deze kennis gebruiken we nu voor computers, die algoritmes inzetten om beslissingen te nemen. Hierdoor worden onze computers steeds meer zelforganiserend, waardoor ze zichzelf kunnen programmeren op manieren die zó ingewikkeld zijn, dat een menselijk brein het allang niet meer kan bedenken.
Verder worden algoritmes ook gebruikt bij de handel in aandelen, door zogenaamde algotraders. Die schuiven de hele dag actief met aandelen om elk procentje winst op het juiste moment te kunnen pakken, en dat legt ze over het algemeen geen windeieren. Bijna 70% van de Amerikaanse aandelenmarkt wordt beheerd door algotraders.
Ideale vormen worden eindeloos herhaald in fractalen
Een ander belangrijk verschijnsel dat onlosmakelijk is verbonden met chaos is zelfgelijkenis: patronen die zichzelf eindeloos herhalen op steeds kleinere schaal.
Soms leidt zelforganisatie in de chaos tot ideale vormen, die daarna eindeloos worden herhaald op allerlei niveaus. Wiskundige Benoit Mandelbrot noemde deze herhalende patronen fractalen.
Volgens Mandelbrot zijn fractalen de spiegel van het heersend ordenend principe in de natuur. Dit verklaart bijvoorbeeld waarom microfotografie vaak exact dezelfde patronen vertoont als macrofotografie: de vertakkingen van de aderen in ons lichaam zien er precies hetzelfde uit als een vertakkende rivier.
‘Pak eens een dichte denneappel op en tel de spiralen van de samengepakte schubben’, adviseert Stuart Kauffman. ‘Je vindt dan 8 spiralen die naar links draaien en 13 spiralen die naar rechts draaien. Of 13 linksdraaiend en 21 rechtsdraaiend. Of andere nummerparen. Wat opvalt, is dat die nummerparen altijd opeenvolgende getallen zijn in de beroemde Fibonaccireeks: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21… Elk getal in die reeks is de som van de twee voorgaande getallen.’
Biologen proberen al heel lang te begrijpen waarom je deze rekensom overal in de natuur terugziet: in dennenappels, in zonnebloemen, en in vele, vele andere planten. De Fibonaccireeks blijkt een beproefde zelforganisatievorm van de natuur.
Evolutie bouwt voort op zichzelf
Als je het voorgaande niet helemaal kunt bevatten, dan hoef je je echt niet te schamen. Zelforganisatie vanuit chaos is en blijft een onbegrijpelijk wonder, waar de allerbeste wetenschappers nog altijd volop hun hersens over breken.
Je hoeft alleen maar naar een reuzenzwerm spreeuwen te kijken om te zien dat dit wonder eigenlijk niet te snappen is: elke spreeuw doet zijn eigen ding, maar de zwerm als geheel functioneert als een intelligent wezen, dat jagende slechtvalken en andere obstakels behendig uit de weg gaat. We weten dat de zwerm een bepaald patroon volgt, maar we kunnen de exacte vormen niet voorspellen.
Zo bouwt de evolutie –en ook onze politiek, democratie en economie- voort op zichzelf, in geheimzinnige chaotische patronen met onvoorspelbaarheid als basisingrediënt. Laten we er maar blij mee zijn, want chaos maakt op de lange termijn alles beter.
Bij dit artikel heb ik gebruik gemaakt van de boeken Darwins Dangerous Idea door Daniel Dennet, Surfing the Edge of Chaos door Richard Pascale, At Home in The Universe door Stuart Kauffman, Chaos: The Making of a New Science door James Gleick, Wikipedia, de BBC 4-documentaire The Secret Life Of Chaos en de onderzoeksresultaten van professor Octavio Miramontes van de universiteit van Mexico en Elisa Benincà e.a. van de Universiteit van Amsterdam.
Image by Gerd Altmann from Pixabay | https://pixabay.com/illustrations/butterfly-waves-flapping-its-wings-4847628/