Er eksistens av liv i konflikt med fysikkens lover?

1 G.T. Einevoll: Liv og bevissthet [Tiende kapittel fra boka Naturens kode har fysikken avslørt naturens hemmeligheter? av Gaute T. Einevoll og Eirik Newth (red.). Utgitt på Gyldendal Akademisk, 2005.] Gratulasjoner er på sin plass, både til deg og meg. Vel, egentlig bør vel gratulasjonene rettes til de millioner milliarder milliarder atomer som har alliert seg og for tiden utgjør kroppene våre. Ikke bare henger kroppene våre sammen. Et intimt samarbeid mellom atomene sørger for at vi kan ta opp energi fra omgivelsene (mat) og bruke denne energien til arbeid og rekreasjon. Også gravemaskiner kan ta opp energi (bensin) og bruke denne energien til å utføre arbeid (grave hull), men vår samling atomer kan i tillegg tenke, føle og lese i en bok. Vi kan uten blygsel hevde at mennesket er den mest kompliserte og fantastiske samling atomer vi hittil har støtt på i universet. Studerer vi oss selv litt nærmere, ser vi at vi er delt opp i mer enn en million milliarder ulike avdelinger, kalt celler. Disse cellene, som typisk er en hundredels millimeter store, har etablert en imponerende arbeidsdeling hvor arbeidsoppgaver som opptak og transport av mat og oksygen, utskillelse av avfallstoffer eller tenkning utføres av spesialiserte celler. Hvor kommer våre fantastiske egenskaper fra? Alt vi ser rundt oss på Jorden er bygd opp av naturens legoklosser, atomene, som finnes i omtrent 100 forskjellige typer kalt grunnstoffer. I menneskekroppen ser vi at fire grunnstoffer dominerer: hydrogen, oksygen, karbon og nitrogen. Antallsmessig utgjør disse til sammen mer enn 99% av alle atomene i kroppen. I tillegg trenger vi en del andre grunnstoffer i mindre mengder, blant annet svovel, fosfor, kalsium og jern. Kikker vi oss rundt ser vi at disse grunnstoffene på ingen måte er sjeldne eller reservert levende vesener, de er atomær hyllevare som finnes overalt. Det er altså ikke noe bemerkelsesverdig med atomene som livet er basert på, ergo må det bemerkelsesverdige ligge i hvordan de er sammenkoblet. Selv om karbon kun utgjør cirka 10% av atomene i menneskekroppen, sier man ofte at livet er karbonbasert. Grunnen er at karbon er et grunnstoff som svært lett lager molekyler, dvs former kjemiske forbindelser med andre atomer. Uten karbon ville ikke store organiske molekyler som DNA (bæreren av arvestoffet) eller proteiner (arbeidshesten i kroppen) kunne lages, og liv slik vi kjenner det kunne ikke eksistere. I science fiction filmer støter vi noen ganger på silisiumbasert liv. En kunne kanskje tro at dette skyldes at våre datamaskiner, som kanskje er det nærmeste vi for tiden kommer en annen intelligens her på Jorden, er laget av silisium. Men grunnen er bare at silisium som karbon letter danner kjemiske forbindelser med andre atomer. Likevel er vel sannsynligheten stor for at hvis vi skulle støte på liv et annet sted i universet, vil det være karbonbasert som hos oss. Er eksistens av liv i konflikt med fysikkens lover? Helt frem til slutten av 1800-tallet trodde mange forskere at livet ikke kunne beskrives kun med de samme fysiske lover som beskriver døde ting. Nyere innsikt har gjort at denne doktrinen, kalt vitalisme, ikke støttes av dagens forskere. Termodynamikkens lover, som ble etablert på 1800-tallet, er de av fysikkens naturlover som kan synes vanskelig å forene med eksistensen av liv. Termodynamikkens 1. lov sier at energi ikke kan forsvinne, den kan kun skifte form. Hvis du slipper en stein i gresset, vil energien steinen får fra jordens tyngdekraft (potensiell energi) øke farten (bevegelsesenergien) inntil den treffer gresset. Der vil steinen falle til ro, og tilsynelatende er energien blitt borte. Men bare tilsynelatende. Energien er ikke forsvunnet. Den har kun blitt omformet til for oss mer usynlige former, for eksempel har gresset blitt ørlite granne varmere (termisk energi). Tilsvarende bevares totalenergien hele tiden i alle prosesser i levende

2 organismer: Energien i maten vi spiser benyttes til å få utført de nødvendige prosesser for å holde cellene i gang, men mye energi sendes ut i form av varme eller avfallstoffer. Får vi i oss mer mat enn kroppen trenger, kan (som vi dessverre vet) energi lagres kjemisk som fett for forhåpentlig senere bruk. Termodynamikkens 2. lov sier grovt sett at i isolerte systemer, det vil si systemer som ikke utveksler energi eller atomer med omverdenen, øker mengde uorden med tiden. Begrepet uorden høres litt ullent ut, men i fysikken har uorden (som energi) en presis matematisk definisjon. Loven tilsier for eksempel at røyk fra en sigarett i et askebeger vil fylle hele rommet med tiden, og en vil aldri oppleve at røyken samler seg rundt askebegeret igjen. Den tilsier også at en kaffekopp som glemmes på kjøkkenbordet etter hvert vil bli kald og holde samme temperatur som rommet rundt. Selv om det ikke strider mot energiens bevarelse, vil en aldri oppleve at en kald kaffekopp spontant blir kokende varm igjen. Så hvordan kan kompliserte molekyler, celler og mennesker oppstå av seg selv. I disse prosessene reduseres jo uordenen, og det må da stride mot termodynamikkens 2. lov? Faktisk ikke. Selv om sammenkoblingen av karbon og andre atomer til celler og mennesker reduserer uordenen til disse atomene, så øker uordenen i omgivelsene enda mer når levende organismer lages og vokser. Det store uordensregnskapet for Jorden sett under ett er vist i figur 1. Jorden mottar energi fra sola i form av synlig lys og annen elektromagnetisk stråling med relativt høy svingefrekvens. Denne innkommende strålingen er av såkalt høy kvalitet og har lite uorden sammenlignet med varmestrålingen med lavere svingefrekvens som Jorden sender ut etter å ha nyttiggjort seg sollyset. Energiregnskapet går opp, og den totale uordenen øker som den skal. Men i kjølvannet av denne strømmen fra høykvalitets- til lavkvalitetsenergi er det at livet kan oppstå og blomstre. Figur 1: Energistrøm fra sola muliggjør liv på jorda. Livets byggesteiner og oppskrift Mennesker består av et enormt antall celler i et komplisert arbeidsfellesskap. Men langt de fleste levende organismer er enkeltceller som må sørge for overlevelse og reproduksjon på egen hånd. Bakteriene er de minste og tilsynelatende enkleste levende organismene vi vet om. På samme måte som fysikerne på begynnelsen av 1900-tallet fokuserte på det minste og

enkleste atomet, hydrogen, da kvantemekanikken ble utviklet, har biologer fokusert på bakterier og da spesielt en art kalt E. coli. Denne bakterien er bare en tusendel av en millimeter stor, men inneholder alt som trengs for å leve. Cellemembranen som avgrenser bakterien fra omverdenen består av et tynt dobbeltlag (mindre enn en hundretusendels millimeter tykt) av såkalte lipidmolekyler. Innenfor finnes i tillegg til vann (70% av vekten) og andre mindre molekyler (4% av vekten) også en rekke store spesialdesignede molekyler (26% av vekten), blant annet DNA, RNA, proteiner og lange sukkermolekyler. DNA-molekylet med sin karakteristiske dobbeltspiralstruktur kan vel utropes til verden mest kjente molekyl og er nærmest blitt en logo for biologi, omtrent som det bustete hodet til Einstein er blitt en logo for fysikk. DNA-molekylets berømmelse skyldes at det er bærer av arvestoffet til mennesker og alle andre levende organismer vi kjenner til. Strukturmessig ser molekylet ut som en lang vindeltrapp hvor det sitter en nukleotidbase på hver side av hvert trappetrinn. Det er kun fire forskjellige slik baser som naturen benytter seg av: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T). De fysiske egenskapene til disse basene sørger imidlertid for en spesiell partnerskapslov: På et stigetrinn er alltid en A koblet til en T, mens en C må være koblet til en G. Informasjonen om hvordan du og jeg blir seende ut ligger lagret i rekkefølgen av disse baseparene langs vindeltrappen. På grunn av partnerskapsloven er informasjonen lagret dobbelt: Hvis man vet sekvensen av basepar på innersiden av trappetrinnene, vet man automatisk sekvensen av basepar på yttersiden også. Dette er viktig fordi en det gir en grei måte å kopiere informasjonen på. Hvis en deler DNA-molekylet på langs, og fyller på med nye baser (i følge partnerskapsloven), fås to kopier av det samme molekylet. Dette benytter vi oss av på fosterstadiet der mange celledelinger er nødvendig for at vi skal kunne vokse. Den samme teknikken benyttes i dag i laboratoriet for å oppkopiere ørsmå mengder av DNA funnet, for eksempel, på åsted for forbrytelser slik at nok DNA til identifikasjon av gjerningsmenn blir tilgjengelig for analyse. Hos E. coli består arvestoffet av DNA-molekyler med til sammen rundt 5 millioner basepar. Dette tilsvarer en lang sammenhengende kodetekst med 5 millioner bokstaver hvor det kun er fire bokstaver i alfabetet (A,C,T,G). Men hvordan skal denne livets kodebok leses? Dette har vi ikke noe fullgodt svar på, men første fase av dekodingen kjenner vi til: Informasjonen i DNA oversettes til et annet lignende molekyl, RNA, som har byttet ut thymin (T) med uracil (U), omtrent som fra norsk til nynorsk. I neste steg benyttes informasjonen lagret i RNA til å skreddersy proteiner, en svært viktig gruppe av kjedede molekyler. Proteiner består av lange kjeder av en annen type byggesteinsmolekyler, aminosyrene. I naturen benyttes tjue forskjellige aminosyrer til å lage proteiner. Sekvensen av de fire forskjellige nukleotidbasene i RNA bestemmer sekvensen av aminosyrer i proteinet. Hvis vi holder oss til språkanalogien, kan en si at informasjonen er oversatt fra et språk med fire bokstaver i alfabetet til et annet språk med tjue bokstaver i alfabetet. De ulike aminosyrene har svært ulike fysiske egenskaper, og proteiner med ulike sekvenser av disse blir også veldig forskjellige. Noen oppsøker cellemembranen og samler inn oksygen og mat som bakterien trenger, mens andre skiller ut avfallsstoffer. Noen proteiner, kalt enzymer, regulerer og stimulerer nødvendige prosesser i bakterien, for eksempel oversettelse av DNA til RNA. (I dagliglivet støter vi forresten på slike enzymer under klesvasken. Med vaskemidler tilsatt enzymer trenger en ikke kokvarmt vann og masse gnukking for å få klær rene.) For å kunne bevege seg roterer E. coli en tynn og stiv korketrekkerlignende stav på utsiden av cellemembranen, og denne molekylære varianten av en påhengsmotor krever igjen spesialdesignede proteiner. Cellene hos planter, dyr og mennesker er litt mer raffinerte enn hos bakteriene. Vi har en egen avdeling for oppbevaring av DNA-molekyler, cellekjernen, som er adskilt fra resten 3

4 av cella med en membran. Vi har dessuten andre adskilte avdelinger, som for eksempel mitokondrier hvor oksygen og mat omformes til ATP-molekyler, en slags felles myntenhet for energilagring og bruk i celler. Men selv om cellene i mennesker er mer kompliserte og til og med greier å samarbeide med hverandre, er de grunnleggende prosessene de samme. Nobelprisvinneren Jacques Monod oppsummerte dette med kommentaren What s true for E. coli is true for an elephant. Alt liv vi har støtt på er kodet i DNA, og kan for å bruke en dataanalogi sies å ha samme operativsystem. Men oppskriften på et menneske inneholder mer enn 3 milliarder basepar, flere hundre ganger fler enn for, for eksempel, E. coli. Livets opprinnelse Bakterier og andre enkle encellede organismer oppstod veldig tidlig i jordens historie. Jorden ble formet for 4.6 milliarder år siden, men allerede for 3.8-3.9 milliarder år siden kan de første enkle encellede organismer ha vært på plass. Men så gikk det mellom en og to milliarder år før de mer raffinerte cellene som blant annet mennesket består av, dukket opp. Flercellede dyr og planter synes ikke å ha dukket opp før for mindre enn en milliard år siden, og er derfor en relativt nylig oppfinnelse. Mennesket selv dukket opp for anslagsvis en million år siden og er definitivt en nykommer. Darwins evolusjonsteori som beskriver hvordan liv utvikler seg og arter oppstår, er nesten 150 år gammel, men først ved oppdagelsen av DNA-molekylet i 1953 fant man det molekylære grunnlaget for to av de viktigste elementene i teorien: Reproduksjon og mutasjon. Ikke bare sørger DNA-molekylet for å lagre organismens oppskrift slik at neste generasjon kan lages, tilfeldige endringer eller mutasjoner i rekkefølgen av basepar kan gi neste generasjon litt ulike egenskaper og kanskje derved styrke arten i dens kamp for overlevelse. Evolusjonsteorien er i dag det viktigste forståelsesrammeverk i biologien, men selve spørsmålet om livets (og derved biologiens!) opprinnelse ligger utenfor tradisjonell biologi. Den naturvitenskapelige forklaring på livets opprinnelse må gi et svar på følgende spørsmål: Hvilken serie av reaksjoner mellom atomer og molekyler førte til at den første levende organismen basert på DNA oppstod? En slik teori må ta utgangspunkt i de molekyler som fantes på Jorden i dets barndom for 4 milliarder år siden. Den må videre forklare hvordan sekvensen av reaksjoner kunne komme i mål i løpet av noen hundre millioner år for å samsvare med de eldste fossile bevisene for liv. Astrofysikeren Fred Hoyle, som er mest kjent for sin skepsis til Big Bang teorien for universets opprinnelse, sammenlignet sannsynligheten for at liv oppstod spontant fra atomer og enkle molekyler med sannsynligheten for at en tornado som treffer en søppelplass spontant vil lage en jumbojet. Men fremveksten av liv skjedde nok ikke i et enkelt steg, snarere i en sekvens av mange, mange steg. I 1952 gjorde doktorstudenten Stanley Miller et berømt eksperiment ved Universitet i Chiacago. Han fylte en beholder med antatte ingredienser fra jordens tidlige atmosfære (vann, hydrogen, ammoniakk, metan) og utsatte beholderen for elektriske utladninger for å simulere lyn. Etter noen få dager fant Miller en rekke mindre molekyler involvert i liv, blant annet seks av de tjue aminosyrer som proteiner er bygd opp av. I lignende eksperimenter utført senere med andre ingredienser og ultrafiolett lys istedenfor elektriske utladninger, har en funnet alle de tjue aminosyrene våre proteiner er basert på. Men aminosyrer er relativt enkle molekyler, og det er fortsatt langt igjen til DNA, RNA og proteiner som utgjør operativsystemet i dagens levende organismer. En annen utfordring for en teori om livets opprinnelse er som følger: DNA inneholder instruksjoner for koding av RNA som igjen spesifiserer konstruksjonen av alle proteiner. Men konstruksjon av RNA fra DNA skjer ikke av seg selv. For å få den kjemiske prosessen til å gå trengs bestemte enzymer, hjelpeproteinene nevnt over. Men enzymene kan ikke bygges uten

5 instruksjoner fra DNA, og instruksjonene i DNA kan ikke leses uten enzymene! Dette ligner på det klassiske høna-og-egget paradokset. En forklaring av dette paradokset ble foreslått blant annet av biokjemikeren Leslie Orgel på 1960-tallet. RNA er bærer av informasjonen i arvestoffet. Hvis molekylet også kunne virke enzymatisk, så kunne det alene utføre jobben som i dag gjøres i felleskap av DNA og proteiner I tilfelle kunne det første liv være basert på RNA alene. Deretter kunne DNA, som er et mer stabilt molekyl og bedre egnet til lagring, utvikles fra RNA, og RNA begynne å lage proteiner med bedre enzymatiske egenskaper. Dette scenarioet, som betegnes RNA-verden, fikk eksperimentell støtte på 1980-tallet da det ble vist at RNA kan virke enzymatisk, og i dag har opp i mot 100 RNA-enzymer blitt funnet. Fortsatt er det imidlertid uklart hvordan livet oppstod. I tillegg til RNA-verden scenariet finnes alternative hypoteser som sier at proteiner eller andre kjedemolekyler oppstod først. Noen argumenterer også for at livet, eller i alle fall avgjørende byggesteiner for liv, kom til jorden fra verdensrommet. Denne forklaringen forklarer jo ikke gåten om hvordan livet oppstod, den flytter bare problemet bort fra Jorden. Men føringene både på tidsforbruk og miljøomgivelser for livets begynnelse blir jo mindre strenge enn hvis en forutsetter at livet startet her hos oss. Uavhengig av spørsmålet om livets opprinnelse, er spørsmålet om det finnes liv utenfor Jorden et av de mest fascinerende i dagens vitenskap. Kanskje finnes enkle former for liv på planetene i vårt eget solsystem, for eksempel, Mars? I tilfelle, er det DNA-basert som hos oss? Enda mer spennende er spørsmålet om det finnes intelligent liv i andre solsystemer. I flere tiår allerede har vi lyttet i mer eller mindre tilfeldige retninger ut i Universet etter radiosignaler fra mulige teknologisk avanserte sivilisasjoner, så langt uten resultat. De nærmeste årene vil vi imidlertid gjøre et mer målrettet søk i vårt eget nabolag. Både USA og Europa planlegger vil sende ut en flotilje av satellitter designet for å undersøke planeter i solsystemer opp til 75 lysår unna (nærmeste nabostjerne er fire lysår unna). Satellittene vil kunne analysere eventuelle atmosfærer på planeter rundt disse stjernene. Hvis en, for eksempel, skulle finne oksygen i atmosfæren på en av disse planetene, vil dette være en sterk indikasjon på liv. Den som lever, får se. Fysikk i cella I 1828 studerte botanikeren Robert Brown små pollenkorn i vann og så at de er i konstant bevegelse, en slags stakkato discodans. Med en størrelse på cirka en tusendels millimeter er pollenkornene små for oss, men store nok til at Brown kunne studere dem i mikroskopet sitt. Brown antok naturlig nok at han observerte en eller annen livsprosess, og gikk i gang med grundigere undersøkelser. Selv i isolerte beholdere uten tilgang på mat forsatte pollenkornene ufortrødent med sine Brownske bevegelser over lang tid, noe som var vanskelig å forene med at bevegelsene hadde noe med liv og gjøre. Også livløse partikler som sot og til og med små oppmalte biter av egyptiske sfinkser (!) viste seg å ha samme type bevegelser i vann med en bestemt temperatur når partiklene var av samme størrelse. Etter hvert fant man ut at de brownske bevegelsene økte med temperaturen, og det ble foreslått at de måtte skyldes kollisjoner mellom pollenkornene og utallige usynlige vannmolekyler. I 1905 presenterte Albert Einstein (i en av sine fire fantastiske artikler fra dette året) en teori som ettertrykkelig koblet tilfeldige molekylære bevegelser med de observerte brownske bevegelsene og et fenomen kalt diffusjon: Hvis du putter en blekkdråpe i et glass med vann og venter lenge nok, vil du se at blekkdråpen først blir uskarp i kanten og deretter spres mer og mer utover. Denne prosessen mot mer og mer uorden er en direkte konsekvens av den akkumulerte effekten av brownske bevegelser i blekkmolekylene. Som en ekstra bonus gav også hans teori en

oppskrift på hvordan antallet molekylet i, for eksempel, et glass vann kunne beregnes (svaret er forøvrig noen millioner milliarder milliarder). Brownske bevegelser er en manifestasjon av at livet i den mikroskopiske verden langt fra er fredelig og rolig. Ved vanlig romtemperatur (eller kroppstemperatur) farer molekyler hodeløst omkring med hastigheter på flere hundre meter i sekundet og kolliderer med hverandre mange milliarder ganger per sekund. En skulle tro at slike voldelige omgivelser tenderer til å ødelegge for livsprosessene i en celle, men slik er det ikke. Ved lave temperaturer stopper i stedet livsprosessene opp. Erwin Schrödinger, en av grunnleggerne av kvantemekanikken i 1920-årene, var en av flere fysikere som på 30- og 40-tallet funderte på hvordan arvestoffet i celler i det hele tatt kunne overleve de sterke molekylære skranglebevegelsene. Løsningen ble funnet nettopp i den nyutviklede kvantemekanikken som forklarte hvordan sterke kjemiske bindinger kunne formes mellom atomer slik at molekylene kunne motstå den kontinuerlige julingen. Men for at et langt kjedemolekyl skulle kunne være bærer av arvestoffet, resonerte Schrödinger i sin kjente bok What is life? fra 1944, kunne det ikke være et kjedelig, repeterende mønster av byggesteiner. Et ikke-repeterende mønster er nødvendig for å overføre informasjon, akkurat som denne boka ville vært lite informativ hvis bokstavene måtte være ordnet i et repeterende mønster a.la. ABCABCABCA.. Resten er historie, som man sier: DNA-molekylet med de foreskrevne egenskaper ble oppdaget i 1953. Selv om de molekylære skranglebevegelsene kan være en trussel mot, for eksempel, DNA-molekylet, er de avgjørende for transport av nødvendige kjemiske substanser i cella. Det intrikate nettverket av påkrevde kjemiske reaksjoner i en celle er avhengig av at reaksjonspartnerne faktisk dumper borti hverandre. Dessuten trenger celler å få tilført oksygen og mat, og må bli kvitt avfallstoffer. På grunn av tilfeldige kollisjoner med andre molekyler beveger oksygen seg i vann med en typisk hastighet på en tusendels millimeter per millisekund, og denne begrensede skranglehastigheten gir en øvre grense for hvor store bakterier i vann kan være. Siden slike skranglebevegelser bokstavelig talt er en lite målrettet prosess og hastigheten begrenset, har større celler også organisert sitt eget jernbanenettlignende transportsystem bestående av lange stive molekyler. På disse transporterer spesialiserte proteiner nødvendige stoffer rundt omkring i cella. I motsetning til skranglebevegelser hvor energien fås gratis av omgivelsene, må imidlertid denne målrettede transporten betales for i form av ATP. Den elektromagnetiske kraften gir opphav til alle celleprosesser. Denne er godt forstått og beskrevet av de såkalte Maxwells ligninger, og i prinsipp har fysikere derfor den nødvendige matematiske oppskriften for å regne ut hvordan cellas byggesteiner samvirker slik at cella kan leve. Ett av flere spørsmål som fysikere jobber aktivt med ut fra denne filosofien, er det såkalte proteinfoldingsproblemet: Mange proteiner gjør kun nytte for seg hvis det krøller seg opp på en helt bestemt måte. Funksjonen til proteinet avhenger ofte kritisk av at aminosyrer som er langt fra hverandre målt langs kjeden kommer nær hverandre i oppkrøllet tilstand. Og dette greier de i løpet av noen sekunder eller minutter. Hvordan? Foldingsprosessen styres av elektromagnetiske krefter mellom aminosyrer og vannmolekyler og de utallige tilfeldige kollisjonene mellom vannmolekyler og proteinet. Temperaturen, som bestemmer skranglehastigheten til vannmolekylene, er en kritisk faktor. Når, for eksempel, eggehviten ved steking av egg blir hvit og stivner, skyldes det at eggehviteproteinet krøller seg ut fra en gjennomsiktig foldet tilstand til en hvit utstrakt tilstand. Siden både den elektromagnetiske kraften og dynamikken i systemet (hovedsakelig Newtons lover) i utgangspunktet er godt forstått, skulle en tro at det var greit å regne ut foldingsprosessen, i alle fall på en datamaskin. Imidlertid er det er så mange aminosyrer og vannmolekyler å holde rede på i beregningen, at det i praksis er umulig med dagens datamaskiner. Fortsatt er man langt unna å kunne beregne hvilken foldet struktur et protein, 6

7 dvs. en bestemt sekvens av aminosyrer, vil ende opp i, eller å kunne spesifisere hvilken aminosyresekvens som behøves for å ende opp i en bestemt, ønsket foldet struktur. Når vi får til dette, har vi kommet oss et lite stykke videre i å forstå livets bok. Hvordan tenker vi? Hjernen er vår mest imponerende kroppsdel. Hvordan kan en samling atomer tenke og til og med være bevisst sin egen eksistens? Siden menneskets hjerne er det mest kompliserte system vi vet om i naturen, er det kanskje overraskende at det er nettopp her vi finner en av de største suksesshistoriene innen matematisk modellering av biologiske systemer, nemlig en modell for informasjonsbehandlingen i en nervecelle. I vår hjerne finnes flerfoldige milliarder nerveceller. Hver av disse cellene har typisk koblinger til et tusentalls andre slike celler. Nervecellene er ganske like på tvers av dyreriket. Det som skiller menneskets hjerne fra, for eksempel, en musehjerne, er hovedsakelig at vi har så mange flere av dem. Som transistoren i datamaskiner, kan nervecellen sies å være den fundamentale beregningsenheten i hjernen. Figur 2: Skjematisk illustrasjon av nervecelle I figur 2 vises en skisse av en nervecelle hvor de sentrale bestanddelene er inntegnet: Aksonet er en utvekst som transporter signaler til andre nerveceller i form av elektriske spenningspulser, kalt aksjonspotensialer, med en typisk hastighet nedover aksonet på 10-100 meter i sekundet. Aksonene, som kan bli opptil en meter lange hos mennesker, står for langtransporten av signaler, for eksempel til tåa di når du har lyst til å vifte med den. På synapser resulterer ankomst av et aksjonspotensial i at bestemte signalmolekyler slippes løs i den smale kløften som skiller to nerveceller. Disse molekylene skrangler så over til mottagercellen hvor de resulterer i et elektrisk signal i mottagercellens dendritter. I dendrittene spres disse elektriske signalene til cellekroppen. I cellekroppen summeres alle de ankomne elektriske signalene fra hele treet av dendritter. Hvis den elektriske spenningen kommer over et bestemt terskelnivå, fyres det av et aksjonspotensial som starter hele prosessen på nytt.

Hodgkin og Huxley utviklet i 1952 en matematisk teori for signaltransporten langs aksonet. De valgte å studere det såkalte kjempeaksonet hos en bestemt type blekksprut, fordi dette aksonet er så tykt (cirka en millimeter) at det lett lar seg manipulere og eksperimentere med. Den matematiske beskrivelsen de utviklet var basert på cellemembranens elektriske egenskaper, og den ferdige modellen lignet litt på modeller som beskriver elektriske kretser i datamaskiner, mobiltelefoner og annen elektronikk. Modellen viste seg å kunne gi en tilnærmet fullstendig beskrivelse av de elektriske egenskapene til kjempeaksonet. For eksempel forutsa deres modell riktig verdi for hastigheten til aksjonspotensialet nedover blekksprutaksonet (ca 20 meter i sekundet). En slik god kvantitativ overensstemmelse mellom modell og eksperiment er sjelden i biologien. Senere har det vist seg at aksjonspotensialene hos mennesket og andre dyr er basert på de samme prosesser som hos blekksprutens kjempeakson. Evolusjonen sørger åpenbart for gjenbruk av gode ideer. Vi har i dag ikke bare en solid matematisk beskrivelse for signalflyten i aksonet, men også for hele nervecellen. Men en enkelt nervecelle er ikke spesielt smart. Det er i samspillet mellom milliarder av nerveceller våre mentale egenskaper oppstår. Når mange ting skjer samtidig, er matematisk modellering et uunnværlig verktøy for forskere. Per i dag er forståelsen av nervecellenettverk begrenset, men en solid matematisk modell for enkeltnerveceller gir oss et godt utgangspunkt. Forskningen på feltet er svært aktiv, så om noen år vil vi kanskje kunne bruke vår nyervervede kunnskap til å programmere roboter til å kunne forelske seg? Spørsmålet om livets opprinnelse, hvordan DNA-koder for utseende og egenskaper til en levende organisme, eller hvordan maur samarbeider i en maurtue er uavklarte og spennende. Trolig vil imidlertid svarene på disse spørsmålene kunne finnes på lignende måte som for vanskelige fysikkspørsmål for "døde" systemer, dvs. ved å ta utgangspunkt i kjente naturlover. Men spørsmålet om hva vår personlige oppfatning av bevissthet er og hvordan den oppstår, er det vanskeligere å se kan forklares ut fra vanlig naturvitenskap. Hvis vi blir litt filosofiske, kan vi jo egentlig ikke en gang være helt sikre på at andre mennesker enn oss selv er bevisste. Den naturvitenskapelige forskning på bevissthet er i sin spede begynnelse, og hos aper har man allerede funnet nerveceller som responderer på hva apen tenker på og ikke hvilke stimulus den blir presentert. Dette er muligens et skritt i riktig retning. Men for den som føler at fysikken og naturvitenskapen blir litt for materialistisk påståelig, kan det kanskje være en trøst at det finnes fenomener som vi per i dag ikke en gang ser konturene på en forklaring av. 8