Quantumleven in het Heelal

Is er leven buiten de Aarde? Een astronoom die daar niet passend op reageert, wordt in de media nauwelijks serieus genomen. Terecht: de vraag en het onderwerp hebben een eeuwenoude geschiedenis, dus vakmensen hebben ruim de tijd gehad om er aan te werken. Giordano Bruno betaalde met zijn leven voor zijn publicaties (1584-85). Vervolgens Johannes Kepler in zijn boek Somnium (manuscript 1608, postume uitgave 1634). Maar beiden publiceerden slechts speculaties. De eerste die de vraag besprak vanuit de toen bekende astronomische feiten was Christiaan Huygens in zijn schitterende Cosmotheoros (1698).

Mijn droomproject is: uitrekenen wat de kans is dat spontaan leven ontstaat, op Aarde of elders. Ik bedoel een computerversie van het beroemde experiment van Stanley Miller (1953, in het laboratorium van Harold Urey). In een afgesloten systeem werd de waterkringloop op Aarde nagebootst. Daaraan werd waterstof, ammoniak en methaan toegevoegd. Een vonkbrug zorgde voor ‘bliksem’ in de ‘atmosfeer’. Binnen enkele weken waren talrijke biomoleculen gevormd. Een paar procent van de koolstof zat in aminozuren, zoals die voorkomen in levende cellen. Het experiment bevatte geen fosfor, dus DNA kon niet ontstaan. Bovendien moest Miller maar raden naar de samenstelling van de atmosfeer en de oceanen van de oer-Aarde.

Dat ga ik eens overdoen, maar dan theoretisch, uitgaande van wat de meest waarschijnlijke omstandigheden zijn op aarde-achtige planeten, voor zover nu bekend. Ik ga berekenen hoe moleculen kunnen ontstaan die complex genoeg zijn om de basis van leven te vormen. Op Aarde gebeurde dat 3,7 miljard jaar geleden. Dat was vrij snel nadat onze planeet voldoende was afgekoeld om stabiele oceanen te hebben, dus ik mag hopen dat sommige moleculen in de oersoep op exoplaneten al snel een vorm van spontane vermeerdering vertonen.

Wiskunde zal hier nauwelijks helpen. Hedendaagse computers ook niet. Ik stel mij voor dat er, binnen een jaar of twintig, een volwassen quantumcomputer is om de nodige berekeningen en simulaties te doen. Immers, een chemische reactie is een quantumverschijnsel, dus een quantumcomputer is een passend instrument voor mijn doel.

Benodigdheden zijn: eenvoudige moleculen, energiebronnen, katalysatoren, planeten, en heel veel tijd. Sterrenkundig onderzoek heeft al laten zien welke moleculen we kunnen verwachten. Energie komt in de vorm van vulkanische warmte, voornamelijk hete bronnen in de oceanen (Millers atmosfeer en bliksem waren knap bedacht, maar worden thans onwaarschijnlijk gevonden). Katalysatoren zijn lastiger, maar mineralen bij die bronnen kunnen helpen. Het gaat daarbij niet om katalyserende moleculen, zoals in de gewone scheikunde, maar om de tussenkomst van oppervlakken waar moleculen zich tijdelijk aan kunnen hechten om aldaar een reactie aan te gaan. Astrochemisch onderzoek heeft bewezen dat zo complexe moleculen ontstaan op interstellaire stofkorreltjes. Honderden miljoenen jaren kloktijd zijn niet nodig, juist vanwege de verwachte snelheid van de quantumcomputer.

Op een gegeven moment komt er een overgang van grote moleculen naar echte macromoleculen, en daarna replicatie. Misschien dat zelfs een quantumcomputer die laatste stap niet aankan, dus laat ik eerst maar eens zien te komen tot systemen van – laten we zeggen – twintigduizend atomen. Dat komt overeen met een stuk of 500 traptreden van de aardse DNA-spiraal. Ik hoop te kunnen bepalen: of eerst RNA ontstaat en daarna DNA; of DNA universeel is; en wat de rol van eiwitten is. Het zal zeker ook nodig zijn het ontstaan van membranen te simuleren, want op dit moment lijkt het waarschijnlijk dat vermenigvuldiging alleen in celachtige belletjes kan voorkomen.

Zelfs als het me niet meteen lukt mijn doel te bereiken, kan mijn onderzoek toch al nuttig zijn. Niet alleen in het theoretische onderzoek, maar ook praktisch. Met dezelfde software kan ik berekenen hoe virussen zich gedragen. Daardoor is het mogelijk om antibiotica tegen virusziekten te ontwerpen, en middelen tegen bacteriën te verbeteren. Zulke toepassingen zijn niet zonder gevaar: als ik kan berekenen hoe je een gegeven virus aanpakt, is de stap naar eugenetica of biowapens helaas kleiner en makkelijker dan thans.

Met mijn droomproject zou ik talloze reactiepaden kunnen verkennen. Dus ook echte kansberekeningen doen, in plaats van alleen maar met de handen wapperen: ‘Het is op Aarde mogelijk dus waarom niet op exoplaneten’. Het lijkt me geweldig leuk om theoretisch te berekenen wat de kans op leven is, voordat astronomen leven elders hebben waargenomen (want dat zal er toch ooit wel van komen). Mijn project is in principe goed uitvoerbaar, mits die quantumcomputer levert wat ik ervan verwacht. Alleen heeft voor zover ik weet niemand ooit geopperd dat de theorie het experiment wel eens voor zou kunnen zijn. Ik wel, want het is de taak van theoretici om voorop te lopen.