Een artikel op maandag in het prestigieuze tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences beschrijft een tot nu toe “ontbrekende natuurwet”. Dat is geen alledaags gebeuren, aangezien natuurwetten die krachten, beweging, zwaartekracht, elektromagnetisme en energie beslaan vaak al honderden jaren geleden werden beschreven door klinkende namen als Newton of Ampère.

De nieuwe wet die vandaag aan de wereld wordt voorgesteld beschrijft hoe evolutie – door Charles Darwin in 1859 beschreven voor levende organismen- niet beperkt is tot het leven op aarde, maar ook plaatsvindt in andere systemen, van planeten en sterren tot atomen en mineralen.

Meer complexiteit

In essentie stelt de nieuwe wet dat complexe natuurlijke systemen evolueren naar een toestand van grotere diversiteit en meer complexiteit.

Het werk is het resultaat van een samenwerking tussen negen vooraanstaande wetenschappers en wetenschapsfilosofen van het Carnegie Institution for Science, het California Institute of Technology (Caltech), Cornell University en de University of Colorado.

Hun nieuwe wet presenteert een moderne toevoeging en erkent evolutie als een gemeenschappelijk kenmerk van alle complexe systemen in de natuurlijke wereld. Ook atomen, moleculen of cellen zijn onderhevig aan natuurlijke processen en kunnen zich herschikken en hierdoor nieuwe configuraties vormen.

Verbetering van functie = evolutie

Ongeacht of het systeem levend of niet-levend is, wanneer een nieuwe configuratie goed blijkt te werken en de functie verbetert, vindt er evolutie plaats.

De “Law of Increasing Functional Information” stelt immers dat het systeem zal evolueren “als veel verschillende configuraties uiteindelijk selectie ondergaan voor één of meer functies”, zeggen de auteurs in de publicatie.

“Een belangrijk onderdeel van deze voorgestelde natuurwet stoelt op het idee dat er selectie op basis van functie plaatsvindt”, zegt astrobioloog Michael Wong van Carnegie, de hoofdauteur van het onderzoek.

In het geval van de biologie stelde Darwin deze ’toegenomen functie’ gelijk aan ‘overleven’: het vermogen om lang genoeg te leven – en het meest ‘aangepast’ te zijn – om vruchtbare nakomelingen te produceren.  Lees verder onder de afbeelding>

Nieuwe configuraties in niet-levende systemen

De nieuwe studie breidt dat perspectief uit door op te merken dat er ten minste drie soorten functies voorkomen in de natuur: stabiliteit – stabiele ordeningen van atomen of moleculen worden geselecteerd om te blijven bestaan; dynamiek in systemen waar een voortdurende toevoer van energie het voortbestaan garandeert; en een derde functie die de wetenschappers het “meest interessant” noemen: nieuwheid.

Dit laatste is de neiging van evoluerende systemen om nieuwe configuraties te verkennen die soms kunnen leiden tot verrassend nieuwe gedragingen of eigenschappen.

Onze evolutionaire geschiedenis zit vol zulke nieuwigheden. Fotosynthese ontstond bijvoorbeeld toen afzonderlijke cellen leerden om lichtenergie te benutten, en soorten ontwikkelden zich tot een volgend stadium door nuttige nieuwe gedragingen zoals zwemmen, lopen, vliegen en denken.

Hetzelfde soort evolutie vindt echter ook plaats in niet-levende systemen zoals het mineralenrijk, stellen de onderzoekers.

De vroegste mineralen waren bijzonder stabiele ordeningen van atomen die de basis hebben gevormd voor de volgende generaties mineralen. Deze hebben uiteindelijk een bijdrage geleverd aan het ontstaan van het leven: “de evolutie van het leven en die van mineralen zijn met elkaar verweven, omdat het leven mineralen gebruikt voor schelpen, tanden en botten”, aldus de auteurs.

Het aantal mineralen op aarde bij het ontstaan van ons zonnestelsel, wordt geschat op een twintigtal. Nu is dat ‘geëvolueerd’ tot bijna zesduizend mineralen dankzij steeds complexere fysische, chemische en uiteindelijk biologische processen gedurende 4,5 miljard jaar.

Bouwstenen

Volgens het artikel hebben ten tijde van de oerknal slechts twee belangrijke elementen de eerste sterren gevormd: waterstof en helium. Met deze elementen maakten sterren ongeveer twintig zwaardere chemische elementen waarop de volgende generatie sterren voortbouwde en vervolgens weer nieuwe elementen konden ontstaan.

“Charles Darwin heeft zeer welbespraakt gesteld hoe planten en dieren evolueren door natuurlijke selectie waarbij veel variaties en eigenschappen van individuen verschillende configuraties aangaan”, zegt coauteur Robert Hazen van Carnegie.

“Wij beweren dat Darwins theorie slechts een bijzondere en belangrijke casus is binnen een veel groter natuurlijk fenomeen. De notie dat selectie van functie de evolutie aanstuurt, is net zo goed van toepassing op sterren, atomen, mineralen en andere conceptueel gelijkaardige situaties waarin configuraties onderhevig zijn aan selectieve druk.”

“In dit nieuwe artikel bekijken we evolutie in de breedste zin van het woord”, zegt Wong.

“Het universum genereert voortdurend nieuwe combinaties van atomen, moleculen en cellen. De combinaties die stabiel blijken en nog meer nieuwigheid kunnen voortbrengen, zullen blijven evolueren. Het leven is het meest opvallende voorbeeld van evolutie. Maar evolutie is wel overal.”

De vandaag gepubliceerde Law of Increasing Functional Information is een aanvulling op de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat entropie (een mate van wanorde) van een geïsoleerd systeem in de loop van de tijd toeneemt en dat warmte altijd van warme naar koude gebieden stroomt.