Wat is leven? Over de relatie tussen leven en bewustzijn
Deel 2

Civis Mundi Digitaal #92

door Hans Komen

Inleiding

Deze 3-delige serie ‘Wat is leven?’ is een aanvulling op de serie over bewustzijn, eerder verschenen in CM 40 t/m 46.

In het eerste deel van deze serie Wat is leven? (zie CM 91) ben ik ingegaan op het boek What is Life van Schrödinger, en de relatie tussen de natuurkunde en de biologie. Hierin is specifiek naar voren gekomen dat niet levende systemen in een thermodynamisch evenwicht verkeren en levende systemen niet. In het volgende figuur wordt dat weergegeven.

Figuur 1.
“De drie lagen van de werkelijkheid. De bovenste laag is de zichtbare wereld, vol objecten zoals vallende appels, kanonskogels, stoomtrienen en vliegtuigen, waarvan de bewegingen beschreven worden door de newtoniaanse mechanica. Daaronder ligt de thermodynamische laag van biljardbalachtige deeltjes waarvan de beweging nagenoeg willekeurig is. Deze laag is verantwoordelijk voor de ‘orde uit wanorde’ -wetten die het gedrag bepalen van objecten zoals stoommachines. De laag daaronder is die van de elementaire deeltjes, die onderworpen zijn aan ordelijke kwantumwetten. De zichtbare aspecten van de meeste objecten die wij om ons heen zien lijken geworteld te zijn in de newtoniaanse of de thermodynamische laag, maar levende organismen, zoals bomen, dieren en mensen, hebben wortels die helemaal doordringen tot in de harde kwantumbodem van de werkelijkheid.” (3, p.302)

Op basis van het eerste deel van deze serie kunnen we concluderen dat materie niet spontaan tot ordening en celdeling komt, maar dat dit alleen kan plaatsvinden als de moleculen een verbinding maken met bepaalde informatie. De vraag is dan of deze informatie spontaan binnen de moleculen zelf ontstaat of dat deze van buitenaf wordt toegevoegd. Indien dit laatste het geval is, komt de vraag naar voren waar deze informatie dan vandaan komt.
In dit deel bespreek ik wat twee biologen en een chemicus hierover zeggen. Tevens ga ik nader in op de kwantumeffecten binnen het microniveau van levensprocessen. Het is nodig inzicht te hebben in deze processen om een relatie te kunnen leggen met het bewustzijn en de functie van het bewustzijn op het ontstaan van leven..

1. De biologen Jim Al-Khalili en Johnjoe McFadden

 
Jim Al-Khalili (1962), Johnjoe McFadden (1956)

Jim Al-Khalili is een Britse natuurkundige en professor in de theoretische natuurkunde aan de universiteit van Surrey in Guildford, UK. Hij is geboren in Bagdad, Irak. Hij vestigde zich permanent in Engeland in 1979. Hij studeerde natuurkunde aan de universiteit van Surrey. Hij bleef op Surrey om te promoveren tot Doctor in de filosofie betreffende de nucleaire reactietheorie (1).
Johnjoe McFadden is een Ierse wetenschapper. Hij is professor in de moleculaire genetica aan de universiteit van Surrey, Engeland. Hij is geboren in Donegal, Ierland maar opgegroeid in Engeland. Hij werkte aan genetische en infectie ziekten op de St. Mary’s Hospital Medical School in Londen en de St. George’s Hospital Medical School in Londen. Daarna als professor aan de universiteit of Surrey in Guildford, UK (2).
Deze biologen (hierna aangeduid als AKh&McF) hebben langdurig onderzoek gedaan naar wat leven is. Het leven dat hier op aarde een bijzonder en raadselachtig gegeven is. Zij stellen dat nog niemand weet op welke wijze het leven is ontstaan. Ze vragen zich af hoe genen zichzelf zo nauwkeurig kunnen kopiëren. Zij hopen de antwoorden hierop te vinden op het grensgebied van de moleculaire biologie en kwantummechanica.
Ze stellen zich de vraag hoe de atomen en moleculen, die ook in gesteente worden aangetroffen, dagelijks kunnen worden omgezet in levend materiaal. Voor hen is het meest fundamentele raadsel van het leven het gedrag van materie als levend wezen dat zich zo anders gedraagt dan gesteente. Daarbij komt de vraag naar voren: wat brengt de cel tot leven?
Ze zeggen hierover ondermeer: “De materie van levende wezens bleek steeds meer te bestaan uit nagenoeg dezelfde chemische stoffen waaruit levenloze zaken bestonden. Het vermogen van levende wezens om nauwkeurig de instructies door te geven om een kopie van zichzelf te maken was eeuwenlang een volslagen raadsel.
Mensen hebben nog nooit iets levends gemaakt van louter levenloze materialen.
Hebben wij een of andere vitale vonk over het hoofd gezien die het levende bezielt en bij het niet-levende ontbreekt? “ (3, p. 44-45)
Zij stellen dat uit recent onderzoek blijkt dat minstens één van de ontbrekende puzzelstukjes te vinden is in de wereld van de kwantummechanica, waar objecten op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn, spookachtige betrekkingen kunnen onderhouden en door schijnbaar ondoordringbare barrières heen kunnen gaan. Het leven lijkt met het ene been in de klassieke wereld van de dagelijkse dingen te staan en met het andere in de kwantum wereld (3, p. 35).
In 1943 werd het DNA in de cel ontdekt. Het DNA werd als een gewone chemische stof beschouwd. Elke DNA-streng heeft een moleculaire ketting, de dubbelle helix genoemd, die bestaat uit atomen van fosfor, zuurstof en een suiker. De DNA-streng is een code, een opeenvolging van informatie die de cruciale instructie van de erfelijkheid verschaft. Met de identificatie van de DNA-streng werd ook het probleem opgelost, hoe genetische informatie gekopieerd wordt. De dubbele helix heeft de informatie voor de nieuwe cel. Het geeft die informatie ook door bij de celdeling. Maar het DNA is niet in staat zelfstandig tot celdeling aan te zetten. Ze is passief.
AKh&McF stellen dat het leven door de ontdekking van de dubbele helix niet volledig binnen het domein van de klassieke wetenschap terecht is gekomen. Kwantumprocessen blijken een cruciale factor die het leven beheerst (3, p. 46).
“Elke levende cel synthetiseert in je lichaam voortdurend duizenden verschillende biochemische stoffen binnen een reactievat dat slechts een paar miljoenste van een microliter vloeistof bevat. Hoe kunnen al deze verschillende reacties tegelijk plaatsvinden? Hoe wordt al deze moleculaire bedrijvigheid georganiseerd binnen een microscopisch kleine cel? Deze vragen zijn het brandpunt van de nieuwe wetenschap ‘systeembiologie’, maar eerlijk gezegd blijven de antwoorden raadselachtig. Niemand heeft ooit een omstandigheid ontdekt waarin de richting dode cel naar levende cel de overhand heeft. Een levende cel kan wel dood gaan, maar niet andersom.” (3, p. 48)
Ze vragen zich af waarom we nog steeds niet het kunstje beheersen dat microben elke tel moeiteloos doen. Missen we een ingrediënt? Dat is ook de vraag waarover Schrödinger, meer dan zeventig jaar geleden peinsde. En zijn zeer verrassende antwoord hierop is nog steeds heel belangrijk, namelijk dat een levende cel tot de kwantumwereld behoort (3, p. 50).

2. Het kwantum


Max Planck (1858-1947)

De Duitse natuurkundige Max Planck bereikte in 1890 een belangrijke doorbraak in de natuurkunde met het concept van het kwantum. De gangbare opvatting was destijds dat warmtestraling zich, evenals andere vormen van energie, als een golf door de ruimte voortplant. Maar de golftheorie kon niet verklaren hoe warmte objecten energie uitstralen. Planck kwam met het idee dat de materie in de wanden van deze warme lichamen op verschillende frequenties trilde. Dit zou betekenen dat de warmte-energie alleen werd uitgestraald in kleine, aparte brokjes die niet verder gesplitst konden worden. Planck noemde deze brokjes kwantums. Deze theorie veronderstelt dat energie niet uit de materie stroomt, zoals water uit een kraan, maar dat die eruitkomt als een verzameling afzonderlijke ondeelbare pakketjes. Einstein werkte dit idee verder uit en suggereerde dat alle elektromagnetische straling, ook licht, eerder gekwantiseerd dan continu is en bestaat uit afzonderlijke deeltjes, die wij nu fotonen noemen.
Wat zijn fotonen? Fotonen zijn elementaire deeltjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Ze hebben geen rustmassa en bewegen zich met de lichtsnelheid voort. Licht en alle andere elektromagnetische straling bestaat uit fotonen. Afhankelijk van de gebruikte meetopstelling heeft straling, in feite een vorm van energie, de eigenschappen van golven of van een stroom fotonen. Dit heeft te maken met de dualiteit van golven en deeltjes (5).
Voordat ik verder ga is het nodig dat ik eerst iets zeg over één van de fundamentele kenmerken van de kwantummechanica. In de kwantummechanica zijn frequentie en energie op een bepaalde manier nauw met elkaar verbonden. Die relatie is vastgelegd in de vergelijking van Max Planck, namelijk E=hv.
E = energie, v = frequentie, h = de constante van Planck.
Aan deze vergelijking kun je zien dat de energie evenredig is met de frequentie. Neemt de energie toe, dan neemt ook de frequentie toe. Snelle trillingen zijn energieker dan langzame trillingen (3, p. 50). Einstein heeft de relatie gelegd tussen energie en snelheid. Planck heeft dat gedaan tussen energie en frequentie. Hoe krachtiger de energie is, hoe hoger de snelheid en  frequentie worden.
AKh&McF merken op dat er heel wat aanwijzingen waren dat licht zich als een diffuse en continue golf gedraagt. De vraag die ontstond was: “Hoe kan licht dan tegelijk uit deeltjes en uit golven bestaan? Zo betoogde Heisenberg niet alleen dat wij niet precies konden zeggen waar een elektron zich bevond als we het niet maten, maar ook dat het elektron zelf geen vaste locatie had omdat het op een diffuse onkenbare manier verspreid was.” (3, p. 54)
We zouden dus een experiment zodanig kunnen opzetten dat we de precieze positie van een elektron op een bepaald moment kunnen bepalen, en een ander experiment om de snelheid van datzelfde elektron te meten. Heisenberg heeft wiskundig echter aangetoond dat het onmogelijk is om één enkel experiment zo uit te kunnen voeren dat we tegelijk kunnen meten waar een elektron zich bevindt en hoe snel het beweegt. In 1927 werd deze bevinding samengevat in het beroemde onzekerheidsprincipe van Heisenberg (3, p. 54).

3. Schrödinger: orde uit wanorde


Erwin Schrödinger (1887-1961)

“In 1926 schreef Schrödingereen artikel waarin hij een heel ander beeld van het atoom schetste. Daarin kwam hij met een wiskundige vergelijking die nu bekend staat als de vergelijking van Schrödinger, die niet beschrijft hoe een deeltje beweegt, maar hoe een golf zich ontwikkelt [3, p. 53]. Vandaag de dag zien we de beschrijvingen van Heisenberg en Schrödinger als verschillende manieren om de wiskunde van de kwantummechanica te interpreteren en worden ze allebei elk op hun eigen manier als correct beschouwd [3, p. 55]. Maar in tegenstelling tot een klassiek object dat altijd een bepaalde positie in de ruimte inneemt, zou een elektron op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn tot het moment dat het wordt gemeten. De kwantumgolffunctie is over de gehele ruimte verspreid.”(3, p. 56)
Zoals eerder is besproken in deel 1 van dit artikel (CM) publiceerde Schrödinger in 1944 zijn boek met de vraag ‘What is life?‘. Daarin geeft hij de grote lijnen aan van een nieuw inzicht in de biologie. Uit dat inzicht ontstond het vakgebied van de kwantumbiologie.
AKh&McF schrijven hierover: “Het probleem dat Schrödinger intrigeerde was het mysterieuze proces van de erfelijkheid. Schrödinger vroeg zich af welke wetten ervoor zorgden dat de erfelijkheid zo nauwkeurig was. Met andere woorden, hoe konden identieke kopieën van genen vrijwel onveranderd van de ene generatie aan de volgende worden doorgegeven. Schrödinger wist dat de nauwkeurige en beproefde wetten van de klassieke natuurkunde en scheikunde feitelijk statistische wetten waren. Dat betekent dat ze alleen gemiddeld genomen waar zijn [3, p. 60]. En dat ze  alleen betrouwbaar zijn omdat het gaat om de wisselwerking tussen enorme aantallen deeltjes. Niet het gedrag van individuele moleculen, maar het gemiddelde gedrag van vele moleculen is voorspelbaar. Schrödinger wees erop dat statistische wetten voor systemen, die uit slechts een klein aantal deeltjes bestaan, niet meer nauwkeurig kunnen worden beschreven [3, p. 61]. Hij betoogde dat alle wetten van de klassieke natuur- en scheikunde gebaseerd zijn op het principe van het middelen van grote aantallen of met andere woorden orde uit wanorde. Schrödinger ging verder dan alleen maar op te merken dat de statistische wetten van de klassieke natuurkunde op microscopische niveau onbetrouwbaar waren. Hij kwantificeerde de afname van de nauwkeurigheid en berekende de grootte van de afwijkingen van die wetten.” (3, p. 62)
Alle statistische wetten van de klassiek natuurkunde kennen deze beperkingen en gelden voor objecten die bestaan uit zeer grote aantallen deeltjes, maar ze kunnen niet het gedrag beschrijven van objecten die bestaan uit kleine aantallen deeltjes. Alles wat onderworpen is aan de klassieke wetten voor betrouwbaarheid en regelmaat moet dus uit veel deeltjes bestaan. AKh&McF vragen zich af hoe het zit met het leven. Kan het ordelijk gedrag van leven, zoals de wetten van de erfelijkheid, verklaard worden door middel van de statistische wetten?
“Toen Schrödinger over deze vraag nadacht, besloot hij dat het principe van orde uit wanorde, dat ten grondslag lag aan de thermodynamica, niet het leven kon  beheersen. Want zoals hij het zag waren in elke geval sommige van de kleinste biologische machines domweg te klein om onderworpen te zijn aan de klassieke wetten.” (3, p. 63)
In de tijd dat Schrödinger What is Life schreef, stelde hij de vraag of genen groot genoeg zijn om hun reproductieve nauwkeurigheid te ontlenen aan de statistische orde uit wanorde wetten. “Hij schatte de grootte van één enkel gen als heel klein. De mate van onnauwkeurigheid zou bij de erfelijkheid ca 0,1 % moeten zijn. Maar het was bekend dat genen nauwkeurig konden worden overgedragen met een foutmarge van minder dan 1 op de miljard. Deze buitengewone grote nauwkeurigheid overtuigde Schrödinger ervan dat de wetten van de erfelijkheid niet gebaseerd konden zijn op de klassieke wetten van orde uit wanorde. In plaats daarvan stelde hij dat genen eerder leken op individuele atomen, in de zin dat ze onderworpen waren aan de niet klassieke, maar wonderlijke ordelijke wetten van de kwantummechanica. Schrödinger stelde dat de erfelijkheid gebaseerd was op het nieuwe principe van orde uit orde.” (3, p. 63)
Volgens Schrödinger “lijkt het levende organisme een macroscopisch systeem te zijn, waarvan het gedrag voor een deel in de buurt komt van dat ----- waarnaar alle systemen neigen wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert en de moleculaire wanorde wordt opgeheven.” (3, p. 64)
AKh&McF vermelden dat destijds het merendeel van de sceptici vond dat de door Schrödinger beschreven kwantumtoestanden zich onmogelijk konden handhaven in de warme, vochtige en hectische moleculaire omgeving.
“Schrödinger beweerde dat het leven er op de een of andere manier in slaagt om regels te volgen die normaliter alleen gelden bij temperaturen die 273 graden kouder zijn dan enig levend wezen. Hij betoogde dat het leven verschilt van objecten, omdat relatief kleine aantallen bijzonder ordelijke deeltjes voor een heel organisme veel kunnen uitmaken. Schrödinger noemde dat orde uit orde. Hij betoogde dat dit is wat het leven zo bijzonder maakt.” (3, p. 65)
AKh&McF stellen dat de complexiteitstheorie de neiging van bepaalde vormen bestudeert om van chaotische beweging een orde te genereren door middel van zelforganisatie. Zo bewegen de moleculen in vloeistoffen zich volkomen chaotisch. Er is een hoge entropie. In een badkuip met water bewegen de watermoleculen zich voortdurend chaotisch door elkaar heen. Als we dat op microniveau bekijken zien we dat alle watermoleculen alle kanten uitschieten. Het is net een bak met balletjes. Als het ene balletje beweegt, schiet hij tegen het andere balletje, dat dan weer de andere kant opschiet. De miljarden watermoleculen schieten alle kanten op waardoor het één grote chaos is. Daar zit geen enkele ordening in. Maar als we de badkuip leeg laten lopen, stroomt het water spontaan, maar ordelijk de afvoer in. Op microniveau is de chaos in het water groot. Op macroniveau gaat het water als een collectiviteit dezelfde kant op. De entropie is dan laag. Deze macroscopische orde is ook te zien in de convectiepatronen in een pan met water dat verhit wordt en bij orkanen en tornado’s.
“Het opmerkelijke aan al deze systemen is dat de macroscopische orde die wij zien, niet te vinden is op moleculaire niveau. Op moleculair niveau is er alleen maar chaos, maar wel chaos met een geringe geneigdheid, die op een macroscopisch niveau orde kan opleveren. Orde uit chaos, zoals dit principe soms wordt genoemd. Orde uit chaos lijkt qua concept erg op Schrödingers orde uit wanorde. Maar zoals we hebben ontdekt, werkt het leven anders. Hoewel er in levende cellen heel wat ordeloze moleculaire beweging is, is de werkelijke activiteit van het leven een strak gechoreografeerde beweging van elementaire deeltjes in enzymen, fotosynthetische systemen, DNA en wat al niet meer. Op een microscopisch niveau heeft het leven een ingebouwde orde. Orde uit chaos kan daarom niet de enige verklaring zijn voor de fundamentele eigenschappen waardoor het leven wordt gekenmerkt.” (3, p. 311)

4. Kwantumtunneling


Friedrich Hund (1896-1997)

AKh&McF richten zich ook op de kwantumtunneling ter verklaring van de bijzondere eigenschappen van het leven, waaronder reproductie, zelfbewegend en ordenend vermogen. Dit is een proces waardoor energiedeeltjes, zoals elektronen, net zo gemakkelijk door ondoordringbare barrières heen kunnen gaan zoals geluid door muren gaat. Het werd in 1926 voor het eerst ontdekt door de Duitse natuurkundige Friedrich Hund. Bij kwantumtunneling kunnen deeltjes van de ene kant van een barrière naar de andere kant gaan op een manier die normaal gesproken onmogelijk zou moeten zijn.
AKh&McF verstaan onder een barrière een fysiek onoverkomelijk stuk ruimte.
“Dit stuk ruimte zou kunnen bestaan uit een dunne laag isolerend materiaal dat twee zijden van elektrische geleiders of zelfs lege ruimte van elkaar scheidt. Het kan ook een soort energieberg zijn. Neem het voorbeeld van een bal die tegen een lage heuvel op wordt geschopt. Volgens de klassieke newtoniaanse mechanica kan een bal alleen over de barrière heen komen als hij voldoende energie heeft om over de energieberg heen getild te worden. Maar als bijv. die bal een elektron zou zijn en de berg een afstotende  energie barrière is, zou er toch een kleine kans zijn dat het elektron als een golf door de barrière heen zou stromen. Niet er over heen, maar er doorheen. Dat is het kwantumtunneleffect,” (3, p. 98)

Figuur 2. Illustratie van de golffunctie voor een deeltje dat van links een potentiaalbarrière nadert. Omdat de golffunctie binnen de barrière niet nul wordt zolang de potentiaal niet naar oneindig nadert, is er een kleine kans dat een inkomend deeltje niet reflecteert, maar door de barrière heen gaat (4)

Een voorbeeld: elektronen die om een atoomkern heen draaien blijven normaal gesproken binnen de ruimte waarin deze draait. Om te ontsnappen aan de trekkracht van de atoomkern moeten ze door een energie barrière, een ruimte, heen gaan. Dat kan gebeuren omdat elektronen een golffunctie hebben. Door de energiebarrière heengaan gebeurt zoals in bovenstaande tekening is weergegeven. Dit proces zien we bijvoorbeeld bij uranium waar voortdurend elektronen uit de atomen wegschieten.
AKh&McF schrijven dat dit een belangrijk aspect van de kwantummechanica is.
“Hoe lichter het deeltje is, des te gemakkelijker kan het tunnelen. Het tunneleffect bleek het meest bij elektronen voor te komen, aangezien dat heel lichte elementaire deeltjes zijn. Een cruciaal aspect van het kwantumtunneleffect is dat het afhankelijk is van de verspreide, golfachtige aard van de deeltjes. Maar als een lichaam, dat uit vele kwantumdeeltjes bestaat, probeert te tunnelen, moet het de golfaspecten van al die deeltjes zien te synchroniseren, zodat de toppen en dalen van de golven samenvallen. In dat geval zeggen we dat het systeem coherent of gewoon zuiver is. Wil een deeltje op dit niveau tunnelen, dan moet het golfachtig blijven om door de barrière heen te kunnen sijpelen. Daarom komt het kwantumtunneleffect niet voor bij grote objecten. Naar kwantummaatstaven zijn levende cellen ook grote objecten.
Maar zoals we hebben ontdekt gaat het er in een enzym anders aan toe: daar voeren de deeltjes een gechoreografeerde dans uit en niet een chaotische rave.” (3, p. 99)
Elektronen zijn heel licht en hun gedrag is erg golfachtig. Het is onjuist om te denken dat elektronen minuscule deeltjes, bolletjes, zijn die zich verplaatsen en rondstuiteren. Elektronen in een atoom zijn een diffuse, golfachtige wolk van elektronigheid rond een piepkleine kern, een waarschijnlijkheidswolk. Daarom kunnen in biologische systemen elektronengolven door energiebarrières heengaan. AKh&McF stellen de vraag: “Maar hoe zit het met de grotere deeltjes, zoals protonen en zelfs atomen? Van het kwantumtunneleffect is bekend dat het buitengewoon gevoelig is voor de massa van het tunnelende deeltje. Maar recente opmerkelijke experimenten wijze uit dat zelfs de relatief zware deeltjes een kwantumtunneleffect kunnen vertonen bij levende enzymatische reacties.” (3, p. 101)
Een enzym is een eiwit dat als katalysator fungeert bij een bepaalde chemische reactie in of buiten een levende cel.

Met betrekking tot de meeste chemische reacties die zich voltrekken bij het soort temperaturen waarbij het leven afspeelt, werd voorheen gedacht dat protonen zich voornamelijk verplaatsen door van het ene atoom naar het andere over te springen als gevolg van warmte. In 1989 kwam echter het bewijs dat protonen ook tunnelen bij enzymatische reacties (3, p. 102). Men heeft overtuigend bewijsmateriaal verzameld dat het tunnelen van protonen algemeen voorkomt bij veel enzymatische reacties bij temperaturen waarin het leven zich afspeelt. Op welke wijze enzymen een kwantumcoherentie in stand houden om het tunneleffect mogelijk te maken blijft een zeer omstreden onderwerp (3, p. 205).
Als de schrijvers het hebben over coherente effecten dan bedoelen ze dat iets zich op een kwantumachtige manier gedraagt, dat wil zeggen golfachtig gedrag vertoont en meer dan één ding tegelijk kan doen. Met decoherentie bedoelen ze dan dat de coherentie verloren gaat en de golffunctie vervalt waardoor het een deeltje wordt (3. P. 127)

5. Kwantumverstrengeling

“Een fundamentele eigenschap van de kwantumwereld wordt aangeduid met de term non-lokaliteit of verstrengeling. Daarmee wordt verwezen naar het idee dat iets wat ‘hier’ gebeurt, ‘daar’ een onmiddellijk effect kan hebben, ongeacht hoe ver ‘daar’ van ‘hier’ is verwijderd.” (3. P. 194)
De term verstrengeling als beschrijving van dit verschijnsel komt van Schrödinger. Bij verstrengeling zijn twee of meer natuurkundige objecten, zoals elektronen, zodanig verbonden dat het ene object niet meer volledig beschreven kan worden zonder het andere specifiek te noemen, ook al zijn de beide objecten ruimtelijk gescheiden. Deze eigenschap betekent dat de kwantumwereld zich niet houdt aan Einsteins maximumsnelheid (de lichtsnelheid). Een deeltje op de ene plek kan onmiddellijk, zonder tijd, invloed uitoefenen op een deeltje op een andere plek, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn.
“Als deeltjesparen gemaakt worden door het verval van andere deeltjes, natuurlijk of door een opgewekte botsing, dan mogen de deeltjesparen ‘verstrengeld’ genoemd worden, in zoverre dat zulke paren noodzakelijkerwijs gekoppelde en tegenovergestelde eigenschappen zullen hebben, zoals de spin of de lading.
In 2006 waren er nog verschillende visies op wat er feitelijk plaatsvindt in het proces van kwantumverstrengeling (6)”.
AKh&McF stellen in 2015 dat kwantumverstrengeling in vele experimenten is bewezen en nu een van de meest fundamentele ideeën is binnen de kwantummechanica. Zij zeggen hierover: “Om te begrijpen welke rol kwantumverstrengeling in de biologie speelt moeten we twee ideeën combineren. Het eerste is de directe connectie tussen twee deeltjes op verschillende plekken in de ruimte: verstrengeling. Het tweede is het vermogen van een enkel kwantumdeeltje om in een superpositie van twee of meer verschillende toestanden tegelijk te verkeren; bijvoorbeeld een elektron dat twee kanten tegelijk op kan spinnen (ronddraaien om de eigen as). Deze twee ideeën  combineren we door twee verstrengelde elektronen in een atoom te nemen, waarvan elk in een superpositie van zijn twee spintoestanden verkeert. Laten we de twee verstrengelde elektronen nu scheiden, zodat ze zich niet meer in hetzelfde atoom bevinden. Vervolgens besluiten we om de spintoestand van één elektron te meten. Door de meting zetten we de spin van het elektron vast in één richting. Onmiddellijk wordt de spin van de andere elektron ook vastgezet. In principe maakt het niet uit hoe ver het tweede elektron van de eerste is verwijderd, het zou zich ook aan de andere kant van het universum kunnen bevinden. Door meting van slechts één lid van een verstrengeld paar vervalt de superpositie van het andere onmiddellijk, ongeacht hun onderlinge afstand.”(3, p. 196) 
Met ‘onmiddellijk’ wordt hierboven bedoeld dat die onderlinge beïnvloeding een proces is dat zich buiten ons tijdsbegrip afspeelt. Bij kwantumtunneling processen speelt kwantumverstrengeling ook een belangrijke rol.

Conclusie

In het eerste en tweede deel van deze serie wordt duidelijk dat het leven hier op aarde een bijzonder en raadselachtig gegeven is. Niemand weet op welke wijze het leven is ontstaan. De grote vraag is hoe genen zichzelf zo nauwkeurig kunnen kopiëren. Mogelijk is het antwoord te vinden op het grensgebied van de moleculaire biologie en kwantummechanica. Om enig inzicht te krijgen in de complexe wereld van de kwantummechanica is het nodig enkele grondbeginselen van deze theorie te bespreken.
Het kwantum.
Max Planck ontdekte dat energie uit brokjes bestaat die hij kwantums noemde. Deze theorie veronderstelt dat energie niet uit de materie stroomt, zoals water uit een kraan, maar dat die eruitkomt als een verzameling afzonderlijke ondeelbare pakketjes. Einstein werkte dit idee verder uit en stelde dat alle elektromagnetische straling, ook licht, eerder gekwantiseerd dan continu is en bestaat uit afzonderlijke deeltjes, die wij nu fotonen noemen.
Kwantumtunneling.
Dit is een proces waardoor energiedeeltjes, zoals elektronen, net zo gemakkelijk door ondoordringbare barrières heen kunnen gaan zoals geluid door muren gaat. Bij kwantumtunneling kunnen deeltjes van de ene kant van een barrière naar de andere kant gaan op een manier die normaal gesproken onmogelijk zou moeten zijn.
Kwantumverstrengeling.
Bij verstrengeling zijn twee of meer natuurkundige objecten, zoals elektronen, zodanig verbonden dat het ene object niet meer volledig beschreven kan worden zonder het andere specifiek te noemen, ook al zijn de beide objecten ruimtelijk gescheiden. Deze eigenschap betekent dat de kwantumwereld zich niet houdt aan Einsteins maximumsnelheid (de lichtsnelheid). Een deeltje op de ene plek kan onmiddellijk, zonder tijd, invloed uitoefenen op een deeltje op een andere plek, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn.
Door inzicht te hebben in bovenstaande kwantumbegrippen wordt het mogelijk iets te verstaan van de mogelijkheden die nodig zijn om leven mogelijk te maken. Als een cel zich dupliceert speelt zich dat af op kwantumniveau. In het derde en laatste deel van deze serie ga ik in op de suggestie dat de kwantummechanica mogelijkerwijs een rol speelt bij het ontstaan van leven. Leven ontstaat pas als een cel zich kan kopiëren. In de wereld van vandaag is er een hele levende cel voor nodig om dit voor elkaar te krijgen. Maar het is totaal niet duidelijk hoe dit volbracht is, voordat er zich cellen ontwikkelden. De belangrijkste vraag voor mij hierbij is, in hoeverre bewustzijn een rol in het ontstaan van leven heeft gespeeld. Tevens geef ik een verduidelijking van wat bewustzijn voor energie kan zijn, gezien vanuit de kwantumtheorie.

Noten

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Johnjoe_McFadden  21-7-2019
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Jim_Al-Khalili  18-9-2019
3. Al-Khalili, J., Johnjoe McFadden, Hoe leven ontstaat, Op het snijvlak van biologie
    en kwantumleer, Atlas Contact, Amsterdam, 2015
4. https://nl.wikipedia.org/wiki/tunneleffect  9-9-2019
5. https://nl.wikipedia.org/wiki/foton  9-9-1919
6. https://nl.wikipedia.org/wiki/kwantumverstrengeling  24-10-2019
    laatste referentie uit 2008