Abstract

Een chemische fabriek werkt met hitte, hoge druk en sterke zuren. Een levende cel doet vergelijkbaar werk bij 37 °C, in water en bij gewone luchtdruk. Hoe krijgt zij dat voor elkaar? Wij zetten de werktuigen van de cel op een rij, gaan een laag dieper tot in de kwantumwereld en eindigen bij de vraag die de chemie niet beantwoordt: wie beleeft dit alles?

1. Ruwe en subtiele chemie

In een kraakinstallatie van de petrochemie worden koolwaterstoffen bij ongeveer 800 °C in kleinere moleculen gesplitst. De industrie werkt zo omdat zij weinig andere middelen heeft: wie een binding wil breken, voert energie toe tot ze breekt. Daarbij ontstaan bijproducten die achteraf weer met veel moeite gescheiden moeten worden.

De cel kiest een andere weg, want elke reactie heeft daar haar eigen werktuig: een enzym dat één bepaalde binding aanpakt en de rest met rust laat. Wij noemen dat subtiele chemie, omdat zij niet met kracht werkt maar met nauwkeurigheid.

De cel betaalt ook energie, in de vorm van ATP, maar zij hoeft niets te verhitten of samen te persen.

Voorbeeld: hoe groot het verschil is, laat één enzym zien met een lange naam, orotidine-5'-fosfaatdecarboxylase. Het zet de laatste stap in de aanmaak van de bouwstenen U, C en T van het RNA en het DNA. Zonder dat enzym duurt het in water bij kamertemperatuur 78 miljoen jaar voor de helft van de moleculen omgezet is, terwijl het met het enzym in 0,017 seconde gebeurt. Dat is een versnelling met een factor 10¹⁷, honderd miljoen miljard [1]. Geen fabriek ter wereld komt daar ook maar in de buurt!

2. De werktuigen van de cel

De cel werkt vooral met zwakke krachten, die snel gelegd en weer losgemaakt kunnen worden. Wij zetten de belangrijkste op een rij.

1. Waterstofbruggen houden de twee strengen van het DNA bijeen en geven eiwitten hun vorm, terwijl ze zwak genoeg blijven om bij het kopiëren open te gaan.
2. Elektrische aantrekking tussen positief en negatief geladen groepen leidt een molecule naar de juiste plaats in het enzym. Voorbeeld: de ionkanalen in onze zenuwcellen kiezen er hun ionen mee uit.
3. Van der Waalskrachten werken alleen bij aanraking, over enkele tienden van een nanometer, zodat alleen hecht wat precies past.
4. De afkeer van water van vettige moleculen zorgt ervoor dat celvliezen zich vanzelf als dubbele laag vormen.
5. Vormaanpassing. Het oude beeld van sleutel en slot werd in 1958 door Daniel Koshland verfijnd: het enzym sluit zich om zijn substraat, zoals een hand zich om een stuk gereedschap sluit [2].
6. Schakelaars. Een fosfaatgroep op een eiwit zet het aan of uit. Voorbeeld: een methylgroep op het DNA bepaalt of een gen gelezen wordt, zonder dat er een letter van de code verandert.

Op zich is geen van die krachten bijzonder. Wat ons verwondert, is dat ze samen een systeem vormen dat zichzelf regelt.

Voorbeeld: hoe nauwkeurig dat systeem is, blijkt bij het kopiëren van het DNA. Het kopieerenzym vergist zich ongeveer één keer op 100.000 letters, maar een ingebouwde proefleesfunctie vangt 99 van de 100 fouten op. Na de kopie gaat er dan nog een herstelploeg over. Het resultaat is ongeveer één fout op tien miljard letters [3].

3. De kwantumwereld in de cel

De cel gebruikt nog fijner gereedschap dan deze krachten. Op de schaal van atomen gelden de wetten van de kwantummechanica, en sommige eiwitten maken daar aantoonbaar gebruik van. De tabel zet de voorbeelden die men het vaakst tegenkomt naast elkaar, van sterk naar zwak.

Tunneling in enzymen. Bij veel reacties moet een waterstofatoom van het ene molecule naar het andere, en volgens de klassieke chemie moet het daarvoor over een energiedrempel. Een waterstofkern kan echter ook dóór die drempel gaan: dat heet tunneling. Men heeft het aangetoond door gewone waterstof te vervangen door zwaar waterstof, dat veel moeilijker tunnelt, waarna de reactiesnelheid veel sterker verandert dan de klassieke chemie toelaat. Het enzym houdt de twee partners op precies de afstand waarop het tunnelen lukt [4].

Het kompas van de roodborst. Trekvogels vinden hun weg met het magnetisch veld van de aarde. In het oog van de roodborst zit een eiwit, cryptochroom 4, waarin invallend licht een elektron doet overspringen, zodat er twee ongepaarde elektronen ontstaan waarvan de onderlinge stand gevoelig is voor een magnetisch veld. In 2021 is dat in het laboratorium gemeten op het eiwit zelf [5]. Al in 2014 bleek dat zwakke radiostoring het kompas van roodborsten stillegt, terwijl zij in een afgeschermde hut weer de juiste richting kozen [6]. Dat past precies bij dit mechanisme. Of het in het levende oog zo verloopt, is nog niet rechtstreeks gezien.

Tunneling in het DNA. Berekeningen wijzen erop dat een proton soms over een waterstofbrug naar de andere base springt, wat bij het kopiëren een fout kan geven [7]. Hier gaat het om een berekening en nog niet om een meting.

Fotosynthese. Dit voorbeeld halen wij bewust niet aan als argument, al staat het in veel boeken. In 2007 werd gemeld dat het lichtvangend eiwit van groene zwavelbacteriën zijn energie als een golf laat zoeken naar de beste weg [8]. Die meting gebeurde bij −196 °C, en later bleek dat de lange signalen van trillingen in het molecule kwamen, terwijl het eigenlijke golfgedrag bij gewone temperatuur na ongeveer 60 femtoseconden verdwenen is: veel te snel om een rol te spelen [9]. Een argument dat niet standhoudt, hoort niet op deze site.

4. Gereedschap van de Ingenieur

Wij zien in dit alles geen kracht die de natuurwetten doorbreekt. Het is eerder omgekeerd: de kwantummechanica is een natuurwet zoals de andere, en wat ons treft is dat het eiwit gebouwd is om haar te hanteren.

Een ingenieur zou dat meteen herkennen, want het geheugen van je smartphone werkt met dezelfde tunneling: elektronen gaan dóór een isolerende laag om een bit op te slaan. Hij noemt dat geen wonder, maar hij weet wel hoeveel ontwerp er nodig was om een natuurwet zo nauwkeurig in te zetten. Wij zijn van mening dat dit ook in de cel de juiste lezing is: de wet is het gereedschap, het eiwit is het werktuig dat ervoor ontworpen is.

5. Bewustzijn

Er blijft één vraag over die de chemie niet beantwoordt: wie beleeft dit alles?

Federico Faggin ontwierp in 1971 de Intel 4004, de eerste commerciële microprocessor. Hij ontving daarvoor de National Medal of Technology and Innovation van 2009, de hoogste Amerikaanse onderscheiding voor technologie, en in 2014 de Fermiprijs van de Italiaanse Natuurkundige Vereniging. Weinig mensen weten beter wat er in een chip gebeurt, en juist hij stelt dat een computer nooit bewustzijn zal hebben [10]. Een computer verwerkt symbolen; hij rekent, maar hij beleeft niets.

Dat getuigenis heeft gewicht, omdat het komt van iemand die de machine van binnenuit kent. Hubert Luns, die ons op het werk van Faggin wees, vat het zo samen: de digitale wereld is een uitdrukking van het bewustzijn van de mens, maar zij bezit het zelf niet.

Faggin gaat daarna verder dan wij hem kunnen volgen. Hij ziet het bewustzijn als een kwantumverschijnsel, maar daarvoor bestaat geen meting. Kwantumtoestanden in de hersenen vervallen volgens de berekening van Max Tegmark in minder dan een biljoenste van een seconde, terwijl een zenuwimpuls duizendsten van een seconde duurt [11]. Voorstanders van een kwantumbewustzijn betwisten die berekening, maar een meting die hun gelijk geeft, is er tot nu toe niet.

Ook in zijn godsbeeld volgen wij hem niet. Faggin spreekt van de Ene, die tegelijk de schepper en de schepping is, en noemt ons delen-geheel van die Ene [12]. Ook volgens hem ontstond de eerste cel niet door toeval; daarin geven wij hem gelijk, maar hij schrijft haar toe aan de scheppingskracht van zulke bewuste eenheden. In de Schrift is God de Schepper, onderscheiden van wat Hij maakte, en ontvangt de mens zijn leven uit zijn hand:

toen formeerde de Here God de mens van stof uit de aardbodem en blies de levensadem in zijn neus; alzo werd de mens tot een levend wezen. (Ge 2:7, NBG)

Dit vers spreekt niet over het bewustzijn als zodanig, wel over de bron van het leven van de mens. Dat leven komt niet uit het stof op en is ook geen deel van God dat in de mens woont; het wordt hem gegeven.

Slotgedachte

De cel werkt bij lichaamstemperatuur met een precisie die onze fabrieken niet halen, gebruikt zwakke krachten als schakelaars en zet zelfs de kwantummechanica in als gereedschap. Dat alles verloopt volgens natuurwetten, en juist daarin zien wij het werk van de Ontwerper die die wetten gaf.

Wie dat begrijpt, staat nog altijd voor het grootste raadsel: dat er iemand is die het begrijpt. David had geen microscoop, maar hij kwam drieduizend jaar geleden al tot dezelfde verwondering:

Ik loof U, omdat ik gans wonderbaar ben toebereid, wonderbaar zijn uw werken; mijn ziel weet dat zeer wel. (Ps 139:14, NBG)

Herkent u dat?

Feit en gevolgtrekking

• Feit: de snelheid en nauwkeurigheid van enzymen, de foutfractie bij het kopiëren van het DNA, de tunneling in enzymen en de magnetische gevoeligheid van cryptochroom 4.
• Gevolgtrekking: dat de cel ontworpen is om natuurwetten, tot en met de kwantummechanica, als gereedschap te hanteren.
• Wat open blijft: of het kompas in het levende oog werkelijk zo verloopt, en wat de tunneling in het DNA in de praktijk betekent.

Referenties

[1] A. Radzicka & R. Wolfenden, A proficient enzyme, Science 267 (1995), blz. 90-93. Samengevat: https://bionumbers.hms.harvard.edu/bionumber.aspx?id=107206

[2] D.E. Koshland, Application of a theory of enzyme specificity to protein synthesis, PNAS 44 (1958), blz. 98-104. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC335371

[3] T.A. Kunkel, DNA replication fidelity, Journal of Biological Chemistry 279 (2004), blz. 16895-16898. Samengevat: https://bionumbers.hms.harvard.edu/bionumber.aspx?id=112655

[4] J.P. Klinman & A. Kohen, Hydrogen tunneling links protein dynamics to enzyme catalysis, Annual Review of Biochemistry 82 (2013), blz. 471-496. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4066974

[5] J. Xu e.a., Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird, Nature 594 (2021), blz. 535-540. https://ora.ox.ac.uk/objects/uuid:c1bedca7-c96d-414a-94a2-c9a14aab18fa

[6] S. Engels e.a., Anthropogenic electromagnetic noise disrupts magnetic compass orientation in a migratory bird, Nature 509 (2014), blz. 353-356. https://doi.org/10.1038/nature13290

[7] L. Slocombe, M. Sacchi & J. Al-Khalili, An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA, Communications Physics 5 (2022), art. 109. https://doaj.org/article/5847c4bf8296465c99f8bc2434678987

[8] G.S. Engel e.a., Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems, Nature 446 (2007), blz. 782-786. https://doi.org/10.1038/nature05678

[9] J. Cao e.a., Quantum biology revisited, Science Advances 6 (2020), eaaz4888; en H.-G. Duan e.a., Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer, PNAS 114 (2017), blz. 8493-8498. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5559008

[10] F. Faggin, Irreducible: Consciousness, Life, Computers, and Human Nature, Essentia Books, 2024. https://www.collectiveinkbooks.com/essentia-books/our-books/irreducible-consciousness-life-computers-human-nature . Zie ook G.M. D'Ariano & F. Faggin, Hard problem and free will: an information-theoretical approach (2020), https://arxiv.org/abs/2012.06580

[11] M. Tegmark, Importance of quantum decoherence in brain processes, Physical Review E 61 (2000), blz. 4194-4206. https://arxiv.org/abs/quant-ph/9907009 . De tegenwerping: S. Hagan, S.R. Hameroff & J.A. Tuszyński, Quantum computation in brain microtubules: decoherence and biological feasibility, Physical Review E 65 (2002), 061901.

[12] F. Faggin, Irriducibile. La coscienza, la vita, i computer e la nostra natura, Mondadori, Milaan 2022, blz. 170-171 (de oorspronkelijke Italiaanse uitgave van [10]). Besproken door C. Calì in Rivista Internazionale di Filosofia e Psicologia 14 (2023), blz. 142-145. https://www.rifp.it/ojs/index.php/rifp/article/download/rifp.2023.0011/1285

Bijbeltekst. De citaten komen uit de NBG1951, hier afgekort als NBG.

Met dank aan Hubert Luns, die ons op het werk van Faggin wees.