En italiensk astrofysiker og en kollega som er hjerneforsker, har i et par år nå kikket nærmere på noe også flere andre er blitt slått av.

Fra hvert sitt faglige ståsted har de to forskerne sammen funnet flere likheter mellom hjernen og universet. Resultatene oppsummerer de i en ny forskningsartikkel i tidsskriftet Frontiers of Physics.

For å slå det fast med en gang: Det handler ikke om at universet egentlig er en gigantisk hjerne.

Men det kan finnes andre forklaringer.

Uhyre komplekse systemer

Både hjernen vår og universet er uhyre komplekse systemer.

Antakelig er dette de to mest komplekse systemene vi over hodet kjenner til.

Forskere er nylig blitt i stand til å anslå hvor mange nerveceller (nevroner) vi har i hjernen. I den viktige lillehjernen skal det være rundt 69 milliarder av dem.

I universet er det minst 100 milliarder galakser.

Det forskerne Franco Vazza (astrofysiker ved Universitetet i Bologna) og Alberto Feletti (hjerneforsker ved Universitetet i Verona) antyder, er at fysikk kan få så helt ulike strukturer som hjernen vår og universet til å organisere seg på måter som ligner hverandre.

Hvilken rolle spiller vann og mørk materie?

Vazza og Feletti peker i sin nye studie på flere felles trekk ved hjernen og universet.

Det handler nemlig ikke bare om at de ligner på hverandre i måten de er organisert med knutepunkter – synapser i hjernen / klynger av galakser i universet – og tråder som går mellom disse.

Astrofysikere antar nå at bare en mindre del av all masse og energi i universet er synlig for oss. Mesteparten av universet består antakelig av usynlig mørk masse eller mørk energi.

I hjernen vår er det tilsvarende: Bare rundt 30 prosent av hjernemassen er nyttige nerveceller. Mesteparten av hjernen vår er tilsynelatende unyttig vann.

De to forskerne spør seg nå om vesken i hjernen og den mørke materien i universet kanskje spiller viktigere roller enn vi tror. Kanskje er det på grunn av henholdsvis vannet og den mørke materien at nervecellene i hjernen og galaksene i universet har organisert seg så likt – i lange tråder som møtes i knutepunkter, det noen også kaller noder.

Målte svingninger

Da en av de italienske forskerne beregnet svingninger i nevronnettverket og i det kosmiske nettverket, fant han også noe forskerne nå peker på som slående likheter.

Svingningene i hjernen er på en skala fra mikrometer opp til 0,1 millimeter, mens de kosmiske svingningene går fra 5 millioner til 500 millioner lysår. Altså snakker vi om ganske store forskjeller i avstand.

Likevel skiller svingningene i nevronnettverket og i universet seg klart fra svingningene i en del andre stoffer og materialer vi vet at også organiserer seg i henhold til fysiske lover, som vann og bladene på et tre.

Fysiske lover

Vazza og Feletti sammenlignet også det gjennomsnittlige antallet forbindelser som hver klynge eller knutepunkt i hjernen og i universet har ut til resten av nettverket. De fant at i hjernen er det i gjennomsnitt mellom 4,6 og 5,4 slike forbindelser, mens det i universet er i gjennomsnitt mellom 3,8 og 4,1 forbindelser ut til resten av systemet.

– Nok en gang viste strukturelle parametere oss en uventet likhet, sier Alberto Feletti.

De to forskerne forsøker altså ikke å overbevise om at universet i virkeligheten er en gigantisk hjerne. Det de mener mye peker i retning av, er at både hjernen vår og universet følger de samme fysiske og matematiske lovene. Dette kan igjen ha sammenheng med at begge er så kompliserte systemer.

– Antakelig handler det om at forbindelsene i de to nettverkene utvikler seg i henhold til de samme fysiske prinsippene, sier Feletti. Samtidig som han minner om at vi snakker om to systemer med veldig mange opplagte forskjeller.

Det handler om fraktaler

At universet er skapt i tråd med fysikkens lover blir vi stadig mer klar over.

I hjernen vår tenker vi selvfølgelig på biologiske prosesser det aller viktigste. Evolusjonen har gitt oss en hjerne som er best mulig tilpasset miljøet rundt oss.

Men hjernen vår er også satt sammen av atomer og molekyler. Akkurat det samme er universet.

Begge steder kan disse – uavhengig av om avstandene det handler om er mikrometer eller lysår – gå sammen i svært detaljrike geometriske former.

Disse formene kalles fraktaler.

Blader på trær, skyer på himmelen og rennende vann i elver danner også slike geometriske former. Snøkrystaller er kanskje de mest typiske fraktalene. Til og med måten byer vokser utover kan få fraktale trekk.

Det samme kan spredningen av viruset under en pandemi.

Selv-organsiering

Kristoffer Rypdal er professor i matematikk og statistikk ved UiT – Norges arktiske universitet. Han er som de italienske forskerne opptatt av hvordan det oppstår selv-organisering i komplekse systemer.

– Både fysiske systemer som universet og biologiske systemer som hjernen driver selv-organisering. Men for å få til denne selv-organiseringen, kreves det at disse systemene er i kontakt med noe annet, påpeker Rypdal.

Han nevner sollyset som et godt eksempel på noe slikt annet som bidrar til selv-organisering. Sollyset skaper gjennom fotosyntesen liv på jordoverflaten og en enorm orden i noe som kunne ha vært bare uorden.

Vazza og Feletti trekker inn vannet i hjernen og den mørke energien i Universet – begge deler tilsynelatende uten betydning – som det som kanskje skaper orden de to stedene. Kanskje er vann og mørk materie det som får mønstrene i hjernens milliarder av nerveceller og universets milliarder av galakser til å se ut som de gjør – og ligne på hverandre.

Mye i naturen er fraktale former

– Dette høres ut som en spekulativ ide. Men det stemmer jo at biologiske objekter som vokser og utvikler seg, bare kan gjøre det i relasjon til noe annet. Det må være noe annet der for at det skal dannes former i kaos, sier Rypdal.

UiT-professoren peker samtidig på at veldig mye i naturen danner fraktale former. Trærne er eksperter på dette. Ikke bare er bladene til løvtrærne fraktale, det samme er greinene som vokser utover fra stammen.

– Treet ønsker å få mest mulig sollys til å treffe bladene sine. Den optimale formen er derfor et nettverk av stadig mindre greiner som vokser ut fra større greiner. Samtidig ønsker treet å ha et minst mulig volum. Derfor er bladene på treet helt flate.

Forskerne Vazza og Feletti har ikke oppdaget noe helt nytt. Flere har sett dette før dem.

Men de er modige nok til å spekulere og antyde at de to kanskje aller mest komplekse systemene vi kjenner til – hjernen vår og universet – kan ha flere likheter enn bare formen.

Kilder og referanser:

F. Vazza og A. Feletti: «The Quantitative Comparison Between the Neuronal Network and the Cosmic Web», Frontiers in Physics, 16. Novembner 2020. Artikkelen.

les også

Verdens største hjernesamling: På 37 år ble 9479 hjerner skåret løs fra kraniet til psykiatriske pasienter i Danmark