chaostheorie en evolutie

CHAOS THEORIE & EVOLUTIE
http://tsjok45.multiply.com/photos/album/1155/Chaos_complexity_self_organisat
ion_evolution_
Antichaos en evolutie
drs. L.E. Pihlajamaa- Glimmerveen
http://glimmerveen.nl/loes/Antichaos.html
In de biologische evolutie kan wel eens meer dan alleen natuurlijke
selectie een rol hebben gespeeld. Computermodellen laten zien dat
complexe systemen de neiging tot zelf-organisatie kunnen vertonen.
Dit werpt een heel nieuw licht op de evolutietheorie.
Ontwikkelingen op het gebied van de wiskunde nodigen uit tot een andere manier
van denken over het ontstaan van orde in de evolutie.
Levende wezens zijn per definitie in hoge mate geordende systemen: hun
inwendige structuur wordt gehandhaafd en verdubbeld door middel van een uiterst
precieze choreografie van chemische reacties en gedragingen. Sinds Darwin wordt
de natuurlijke selectie meestal gezien als de enige bron van die orde.
Maar Darwin kon niet vermoeden dat er zoiets als zelf-organisatie bestaat. Dit
verschijnsel is pas kort geleden ontdekt en blijkt een ‘aangeboren’ eigenschap te
zijn van sommige complexe systemen. Het zou kunnen zijn dat de biologische
orde voor een deel voortkomt uit deze spontane orde, waarop de selectie dan heeft
ingewerkt.
Selectie gaf de vorm, maar was niet de uitvinder van de samenhang in
de ontogenie, de biologische ontwikkeling. Het vermogen om te veranderen en
zich aan te passen is zelf misschien wel het resultaat van de evolutie.
De onderzoeken op dit gebied zijn nog in een vroeg stadium, maar wat op grond
van mathematische modellen voorspeld kan worden over biologische systemen
met zelf-organisatie, blijkt overeen te komen met de werkelijke eigenschappen
van organismen.
De laatste decennia is er veel gebeurd in het onderzoek van complexe systemen,
zowel in de natuur- als in de sociale wetenschappen. Dit is een nieuw veld van
onderzoek; veel vragen zijn nog niet beantwoord maar sommige aspecten worden
duidelijk - de term ‘chaos’ is al doorgedrongen in allerlei populaire teksten.
Bekend is dat systemen die aanvankelijk ordelijk zijn, na verloop van tijd geheel
chaotisch en daarmee onvoorspelbaar kunnen worden. Omstandigheden die in het
begin gelijk zijn, kunnen leiden tot heel uiteenlopende uitkomsten. In de
meteorologie spreekt men van het ‘vlinder-effect’: het idee dat het gefladder van
een vlinder in Rio de Janeiro het weer in Chicago kan veranderen.
Chaos is slechts een deel van het gedrag van complexe systemen. Er is ook een
‘contra-intuïtief’ verschijnsel dat je anti-chaos zou kunnen noemen: ordeloze
systemen kunnen spontaan ‘uitkristalliseren’ in een zeer geordend systeem. Dit
zou wel eens een grote rol gespeeld kunnen hebben in de biologische
ontwikkeling en evolutie.
De ontdekking van antichaos in de biologie gebeurde al dertig jaar geleden met de
mathematische studie van de differentiatie van een bevruchte eicel in een groot
aantal celtypen. Sindsdien is er heel wat gebeurd.
De biologie is vol met complexe systemen:
de duizenden genen die elkaars werking reguleren binnen de cel,
het netwerk van cellen en moleculen die zorgen voor de immuunreactie van het
lichaam,
de miljarden neuronen in hun netwerken die het gedrag en de leerprocessen
verzorgen,
de netwerken van relaties binnen ecosystemen die vol zitten met co-evoluerende
soorten.
Vooral het voorbeeld van het zelfregulerende netwerk van een genoom is goed
bruikbaar om te laten zien hoe anti-chaos de ontwikkeling kan beheersen.
Het genoom van een hoger organisme zoals de mens, codeert voor ongeveer
35 000 verschillende eiwitten. De cellen in een organisme, of het nu levercellen,
zenuwcellen of huidcellen zijn, verschillen doordat verschillende genen actief
zijn in elk type, terwijl de cellen wel dezelfde genen bezitten. Het verschil zit in
de genetische activiteit, niet in de genen zelf.
Een genoom werkt als een complexe parallelprocessing computer, of een netwerk
waarin genen elkaars activiteit regelen, direct of via hun producten. Het
gecoördineerde gedrag van dit systeem veroorzaakt de celdifferentiatie. Het
onderzoek richt zich op het begrijpen van de logica en de structuur van dit
systeem.
Wiskundige modellen kunnen ons helpen inzicht te krijgen in de kenmerken van
zulke ingewikkelde systemen. Ieder complex systeem heeft zogenaamde lokale
kenmerken; deze beschrijven de manier waarop individuele elementen met elkaar
verbonden zijn en hoe ze elkaar beïnvloeden. De elementen van het genoom zijn
de genen. Elk gen wordt door een klein aantal andere genen beïnvloed, en deze
interacties volgen bepaalde regels.
Voor elke set van lokale kenmerken kan men een groter geheel (een klasse)
construeren van alle andere systemen die ermee overeenkomen. Een nieuw type
statistische bewerking kan de gemiddelde kenmerken van alle systemen in zo'n
klasse identificeren. De individuele systemen kunnen heel verschillend zijn, maar
het statistisch typische gedrag en structuur vormen de beste hypothese om de
eigenschappen van elk systeem te voorspellen.
Boole-functies
Men begint met het idealiseren van het gedrag van elk element - elk gen in ons
geval - als een eenvoudige binaire ("aan" of "uit") variabele. Om het gedrag van
duizenden elementen die aan elkaar gekoppeld zijn te bestuderen gebruiken we
een zogenaamd Boole-netwerk (genoemd naar George Boole, een Engelse
wiskundige).
In een Boole-netwerk wordt elke variabele gereguleerd door andere variabelen die
als input dienen. Het dynamisch gedrag van elke variabele hangt af van een
logische regel (een Boole-functie),. Deze geeft aan, volgens welke regels de
variabele aan of uit gaat. Bijvoorbeeld de "OR" -functie: hij gaat aan als één van
de inputs actief is, of de "AND" -functie; hij gaat aan als alle inputs aangaan. Als
je weet hoeveel inputs er zijn kun je berekenen hoeveel combinaties er mogelijk
zijn.
Bij elke combinatie hoort een netwerk-toestand (STATE). Door de vastgelegde
manier van beïnvloeden staat vast welke STATE volgt op de vorige. Er is dus een
vaste volgorde van STATES. Die noemt men de trajectory van het netwerk.
Omdat het aantal elementen beperkt is zal er een reeks STATES op elkaar volgen
volgens een vast patroon dat zich na verloop van tijd gaat herhalen, je krijgt dus
een cyclus - zo'n cyclus noemt men een attractor - het systeem komt dus van zelf
in zo'n attractor terecht; er kan een enkele attractor zijn of meerdere. Bij een
verstoring zal heel vaak toch weer dezelfde cyclus terugkeren, maar het kan ook
dat na verloop van tijd een nieuwe cyclus ontstaat. Sommige netwerken kunnen
heel gevoelig zijn voor verstoringen en andere veel minder. Een structurele
verandering is bijvoorbeeld het omschakelen van een OR- naar een AND-functie
Dit kan het hele systeem veranderen.
Als men een systeem heeft waar ieder element elk ander element beïnvloedt, zijn
2 tot de 200ste macht STATES mogelijk (dit is ongeveer een 10 met 60 nullen
erachter); iedere verandering zou ook elke volgende toestand veranderen. Dit is
dus chaos. Het verrassende is dat het aantal mogelijke cycli slechts 74 bedraagt.
Zolang het aantal elementen, dat een element regelt, groter is dan 3 houd je dit
soort chaotische systemen, maar als het er slechts twee zijn ontstaat er ineens
orde. Een netwerk van 100 000 elementen, maar elk met twee inputs kan 2 tot de
macht 100 000 STATES aannemen (een 10 met 30 000 nullen), toch zou er
spontaan orde ontstaan: het systeem zou in een van de 370 mogelijke cycli
blijven.
Een dergelijk netwerk dat eenmaal in zo'n ordelijke cyclus terecht is gekomen, is
vrij ongevoelig voor verstoringen. Er is dus een soort homeostaseontstaan en
homeostase is nu juist een typerend kenmerk van al wat leeft.
Waarom krijg je deze blijvende orde in zo'n netwerk? Dit blijkt vooral te komen
door ‘bevroren’ netwerken binnen het netwerk die onderling verbonden ‘muren’
vormen, waar elementen aan blijven staan.
Zo kan men netwerken ontwerpen die heel star zijn en die heel chaotisch zijn en
alles ertussen in - men trekt wel de vergelijking met stoffen die vast, vloeibaar en
gasvormig kunnen zijn.
In een complex netwerk zouden ook gedeelten ‘vast’ en gedeelten ‘vloeibaar’
kunnen zijn. Netwerken die gevoelig zijn voor mutaties zouden een rol spelen in
de evolutie. Hier zouden relatief gemakkelijk cascades van mutaties zijn
opgetreden waardoor snelle aanpassingen mogelijk zijn. Een netwerk dat eenmaal
in de ‘vaste’ toestand is, verandert niet zo gauw meer. In computersimulaties met
dergelijke netwerken bleken deze te evolueren naar een grens tussen orde en
chaos, precies de toestand die natuurlijke selectie mogelijk maakt.
Als we het genoom op deze manier bekijken zien we het volgende: genen worden
meestal direct beïnvloed door een klein aantal andere genen, misschien hoogstens
tien. Het Boole-diagram is dus vrij eenvoudig, met weinig inputs. Genen worden
meestal vooral beheerst door één gen dat alleen aan of uit kan zetten (OR-functie)
een dergelijk systeem is stabiel (veel ‘frozen elements’), mutaties geven
bescheiden veranderingen in het systeem.
Dit systeem kan misschien ook iets verduidelijken over de verschillende celtypen
met hun verschillende systeem van genenexpressie. Een genoom dat bestaat uit
30 000 genen kan 10 tot de 10 000ste verschillende patronen van gen-expressie
vertonen in theorie. Een stabiel celtype laat een bepaald deel van de genen tot
expressie komen. Dit zou wel eens zo'n stabiele cyclus (een attractor) kunnen
zijn. Een cel met 30 000 genen kan tussen de 250 en 300 verschillende cycli
hebben. Een eukaryote cel heeft 1 tot 10 minuten nodig om in actie te komen, dus
zo'n cel zou 250 tot 2500 minuten nodig hebben om alle cycli na te gaan. Dit komt
wel overeen met werkelijke tijden die nodig zijn voor verschillende processen in
de ontwikkeling. De lengte van een celcyclus is ongeveer evenredig met de wortel
uit de hoeveelheid DNA - dat klopt ook ongeveer met de werkelijkheid.
Op grond hiervan valt te voorspellen hoeveel verschillende celtypen er in een
organisme mogelijk zijn: dit zou de wortel uit het aantal genen moeten zijn (het
aantal attractors is de wortel uit het aantal elementen). Als we aannemen dat het
aantal genen evenredig is met de hoeveelheid DNA kun je het aantal celtypen
voorspellen. Mensen hebben ongeveer 30 000 genen (3 miljard basen) en zouden
tussen 250 en 300 typen kunnen hebben. Men heeft er 254 geteld, dus dat zit wel
in de juiste orde van grootte.
Als men dit bij de verschillende fyla bekijkt: bacteriën hebben één of twee
celtypen, sponzen 12 tot 15 en ringwormen 60. Omdat niet alle DNA codeert voor
eiwitten liggen de waarden lager dan de berekende, maar aardig in de buurt. Het
diagram is gebaseerd op het idee dat het aantal genen direct evenredig is met de
hoeveelheid DNA. We weten inmiddels dat dit niet juist is. Wat tot voor kort
‘junk-DNA’ werd genoemd blijkt nu ook een functie te hebben. Maar zolang niet
duidelijk is wat dat zogenaamde niet-coderende DNA precies doet, is het niet
mogelijk om hierover conclusies te trekken. Het feit dat er een duidelijke relatie is
tussen de hoeveelheid DNA en het aantal celtypen lijkt zelfs een extra aanwijzing
dat het zogenaamde niet-coderendeDNA wel degelijk een functie heeft.
Het aantal soorten cellen in organismen lijkt wiskundig verband te houden
met het aantal genen in een organisme. In dit diagram wordt aangenomen
dat het aantal genen in verband staat met de hoeveelheid DNA in een cel. Ïf
the gene regulatory systems are K=2 networks, then the number of attractors
in a system is the square root of the number of genes. The actual number of
cell types in various organisms appears to rise accordingly as the amount
of DNA increases.
Bron: Scientific American, augustus 1991.
Als een celtype werkelijk een attractor is, is het ook een stabiel systeem. Tijdens
de differentiatie wordt de cel via een aantal stappen (a.h.w. vertakkingen) geleid
naar de stabiele toestand. Dit is precies wat we ook kennen van de meercelligen:
een cel die eenmaal gedifferentieerd is kan niet meer terug. In elk organisme is er
een stabiele kern die in alle attractors gelijk is, d.w.z. dat in alle cellen een aantal
dezelfde genen tot expressie komt. Dit klopt ook met de werkelijkheid.
Dit model voorspelt ook dat mutatie van een enkel gen als regel weinig effect
heeft. Cascades van schade (of verandering) door een mutatie heeft geen invloed
op het grootste deel van de genen. Waar zo'n cascade optreedt in een ‘vloeibaar’
deel van het netwerk heeft deze ook de voorspelde omvang (bij Drosophila
veroorzaakt het vervellingshormoon ecdyson de activiteit van 150 genen, de
wiskundige voorspelling luidt 160!).
(N.B. Het feit dat er bij kanker steeds een vaste ‘cascade’ van mutaties optreedt,
klopt ook met dit model. - L.P.).
Netwerken op de grens tussen orde en chaos geven dus een goed model voor
processen tijdens de ontogenie in de meercelligen die de laatste 600 miljoen jaar
bezig zijn met hun evolutie. De parallellen steunen de hypothese dat er
regulerende systemen aan het werk zijn die inderdaad als zulke netwerken
functioneren, met gedeelten die stabiel zijn en gedeelten die op de grens tussen
orde en chaos zitten en waar de selectie op in kan werken. Als dit allemaal ook bij
verder onderzoek blijkt te kloppen, kan men verwachten dat het mogelijk wordt
een samenvattende theorie op te stellen die een verklaring geeft voor zowel de
organisatie van het genoom als voor het gedrag daarvan en het vermogen te
evolueren.
(gebaseerd op Kauffmann in Scientific Amercan, augustus 1991)
Loes E. Pihlajamaa-Glimmerveen
Geraadpleegde literatuur
Arnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over de plaats van
de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)
Karl Sigmund GAMES OF LIFE Explorations in ecology evolution and
behaviour (Penguin books 1995)
en diverse artikelen uit Scientific American.
De rol van toeval
Hoe het leven(de) zich handhaaft
I n een tijd waarin het ‘Humaan Genoom’ het geheim van het
leven lijkt te bevatten, is het goed om erbij stil te staan dat de genen
weliswaar een belangrijk onderdeel van elk levend organisme vormen,
maar niet het wezen van het leven zijn. DNA is een molecule, leeft dus
als zodanig niet. Het leven moet gezien worden als een systeem, of als
een proces, in elk geval niet als iets statisch. Op het moment dat in een
cel of een levend wezen de processen stil staan, is het leven voorbij.
Het is erg moeilijk om een definitie van leven te geven, maar het is niet
moeilijk aan te geven of iets leeft. Stofwisseling, groei, voortplanting en
reactievermogen zijn de kenmerken die we bij alle levende wezens
aantreffen, en niet bij levenloze zaken – of tenminste nooit allemaal.
Zelfregulering
Eén van de meest fundamentele eigenschappen van levende wezens - in het
lijstje van levenskenmerken zelden genoemd - is de homeostase, het handhaven
van de eigen structuren en activiteiten, ondanks allerlei veranderingen rondom.
Een levend wezen is een zelfregulerend (ook wel genoemd: autopoietisch,
‘zichzelf makend’) systeem. Aan het nageslacht wordt niet alleen het DNA
doorgegeven, maar ook het systeem, de organisatie, van de cel.
Elke eencellige is in staat om zijn eigen structuur te handhaven binnen
veranderlijke uitwendige omstandigheden - ondanks het feit dat het een
piepklein systeempje is.
Ook binnen meercelligen bezitten alle cellen dit type systemen; alleen zijn ze
gespecialiseerd in bepaalde functies. Het geheel heeft dan een sterke mate van
homeostase. Het bekendst en zichtbaarst is de temperatuurregeling van ons
lichaam, maar dat is slechts één van de vele systemen.
Dat een lichaam zich normaal handhaaft, gezond is, d.w.z. zijn homeostase
handhaaft, zijn processen regelt, ondanks allerlei invloeden, vinden we zo
normaal dat we er pas over gaan nadenken als ergens iets mis gaat met de
homeostase; als de regeling niet meer klopt. Door onderzoek naar ziekten is
men dan ook veel te weten gekomen over die regelingen. Zo heeft AIDS het
onderzoek naar immuunprocessen een enorme stimulans gegeven en heeft het
kankeronderzoek veel informatie opgeleverd over groei en ontwikkeling –
kanker is immers uit de hand gelopen groei.
Onvoorspelbaarheid
Uniek voor levende systemen - in tegenstelling tot natuurkundige processen
- is een zekere mate van onvoorspelbaarheid, individualiteit.
Fysische wetmatigheden gaan altijd op - althans dat was tot voor kort zo. In de
moderne ‘micro’-fysica blijkt dat niet echt zo te zijn. De wetten der fysica gaan
in normale omstandigheden altijd op, omdat men werkt met grote aantallen
moleculen en gemiddeld klopt hun reactie met wat de wetenschap voorspelt. Als
men echter gaat werken met ‘losse’ deeltjes, blijkt het toeval ook hier een grote
rol te spelen, waardoor onvoorspelbaarheid optreedt.
Deze ontdekking is voor fysici een verwarrende ervaring die hele nieuwe
werelden opende. Voor biologen is het eigenlijk heel gewoon.
Als men bepaalde stoffen in een reageerbuis laat reageren, gebeurt dat volgens
het boekje. Er zijn zo veel moleculen aanwezig, die in het medium tegen elkaar
botsen en met elkaar reageren, dat de voorspelde reactie gegarandeerd optreedt.
Binnen de cel zijn van elk molecuultype vaak maar een paar exemplaren
aanwezig. Als regel zal de juiste reactie optreden, maar de kans, dat dit niet
gebeurt, is ook relatief groot. Het toeval speelt een veel grotere rol door de
uiterst kleine schaal waarop de processen plaats vinden. Men spreekt dan van
stochastische processen.
De rol van het toeval in levensprocessen is vermoedelijk groter dan men denkt
of zou willen denken...
In de moderne biologie gaan we ervan uit dat alle functies van cellen berusten
op geordende chemische processen binnen die cellen, die in elkaar grijpen als
onderdelen van nauwkeurig geregelde systemen, die de hele cel omvatten. Bij
meercelligen zijn die activiteiten ook nog eens ondergeschikt aan het organisme
in zijn geheel. Dit betekent dat de cel voortdurend sturende invloeden van
buiten ondergaat en zelf gedragsbepalende signalen naar andere cellen doet
uitgaan. Dit systeem wordt geregeld vanuit het DNA.
We bezitten naar schatting 35 000 genen, daarvan zouden er enkele duizenden
‘regelgenen' zijn, waarvan een bepaalde combinatie nodig is om een gen ‘aan’
te zetten.
Overigens is heel veel op dit gebied nog volslagen onbekend. We weten
bijvoorbeeld niet hoe gedrag erfelijk bepaald kan zijn – en in hoeverre dat het
geval is.
De rol van het toeval
Samenhang van membraansystemen in een cel
We hebben al gezien dat chemische reacties bij zeer kleine aantallen
moleculen niet zo wetmatig verlopen als in de reageerbuis. De cel heeft wel een
systeem ‘bedacht’ om de moleculen niet te veel door de cel te laten ‘zwerven’; de
hele cel is door middel van membranen in compartimenten verdeeld,
waarbinnen de processen plaatsvinden (denk aan mitochondriën en
bladgroenkorrels enz.). Bovendien zitten veel moleculen vast op die
membranen, in een soort lopende-band-systeem
.
Maar desondanks spelen toevalsfactoren een redelijk grote rol. Hallet en
Halling, twee Britse auteurs kwamen in 1989 tot de conclusie dat cellen tot op
zekere hoogte aan kanseffecten zijn overgeleverd. Een zekere mate van
onvoorspelbaarheid van individueel celgedrag is het onvermijdelijk gevolg van
het feit dat de processen op uiterst kleine schaal plaatsvinden enerzijds, en het
grote aantal verschillende chemische reacties die in een cel optreden anderzijds.
Dit heeft verstrekkende consequenties: we mogen ervan uitgaan dat biologische
mechanismen geheel en al berusten op exacte fysische en chemische
wetmatigheden en als zodanig in principe in chemische en fysische termen
beschreven kunnen worden, maar tegelijk zijn ze ook onderworpen aan
statistische wetten, wat betekent, dat bij de zeer kleine schaal waarop ze plaats
vinden, het toeval een grote rol speelt.
Ziekte en gezondheid
Dit inzicht is belangrijk voor het beter begrijpen van allerlei aspecten van het
leven, met name zaken als ziekte en gezondheid.
In het algemeen zullen de processen op de normale manier verlopen, omdat het
toeval geen rol meer speelt als het gaat om miljoenen gelijksoortige cellen. Als
het in een enkele cel anders gaat, heeft het als regel geen effect op het
organisme als geheel. Er zijn echter enkele situaties waarin een toevallige fout
in een enkele cel grote gevolgen heeft. Dit soort situatie heeft men met name
aan het begin van het leven als het organisme nog slechts uit één of enkele
cellen bestaat, waaruit het hele organisme zich zal ontwikkelen. Als er dan door
toevalseffecten iets mis gaat, zal meestal de hele ontwikkeling vroeg of laat
stoppen omdat vitale functies niet in orde zijn, maar soms zal er een misvormd
kind ter wereld komen. De meest kwetsbare dagen zijn die voorafgaand aan de
innesteling. Men schat dat zo'n 60% van de bevruchte eicellen al voor de
innesteling te gronde gaat, voor een deel door zulke toevallige fouten.
Ook in het volgroeide organisme kunnen deze stochastische elementen ten
grondslag liggen aan onberekenbaar celgedrag. Met name bij het ontstaan van
kanker kan het stochastisch ontstaan van de afwijkingen in de cel van cruciale
betekenis zijn voor de mate van kwaadaardigheid.
Men moet dan ook tot de conclusie komen dat kanker niet altijd een oorzaak
van buitenaf hoeft te hebben. We weten dat straling, roken en blootstelling aan
allerlei stoffen kanker kunnen veroorzaken, maar het kan ook vanzelf ontstaan.
Het stochastische karakter van biologische processen betekent dat het verloop
van die processen nooit volledig voorspelbaar is.
Met andere woorden:
Het ontstaan van ziekten en afwijkingen is inherent aan het leven zelf.
Leven en lijden
De mens heeft zich altijd bezig gehouden met de vraag van de betekenis van het
lijden. Elke godsdienst en elke filosofie probeert de zin van het menselijk lijden
te verklaren.
Arnold van der Hooff (emeritus-hoogleraar microbiologie) in ‘De schok der
Biologie’:
'Naar mijn overtuiging heeft geen enkele filosofie en geen enkele godsdienst het
probleem van het aan het menselijk bestaan inherente lijden in een zodanige
context kunnen plaatsen dat een redelijk mens met enig werkelijkheidsbesef er
vrede mee kan hebben.'
John Stuart Mill schreef over zijn vader:
"Hij vond het onmogelijk te geloven dat een wereld zo vol van lijden het werk
kon zijn van een Schepper, die oneindige macht combineerde met volmaakte
goedheid en rechtvaardigheid. Zijn gezond verstand versmaadde alle
spitsvondigheden waarmee de mensen probeerden zichzelf zand in de ogen te
strooien en daardoor blind te zijn voor deze niet te miskennen
tegenstrijdigheid."
Het menselijk lijden, dat aan ons bestaan inherent lijkt, wordt meestal aan
allerlei factoren toegeschreven. We denken aan natuurrampen en epidemieën.
In het christendom wordt de nadruk gelegd op de ingeboren zondigheid van de
mens. Maar als het ooit mogelijk zou zijn ons te beschermen tegen
natuurrampen en de mens zo op te voeden dat hij de anderen geen kwaad doet,
zelfs dan zou het lijden niet zijn uit te bannen. Het lijden is een wezenlijk
onderdeel van het leven.
De indrukwekkende grootsheid van het leven heeft zijn keerzijde. Het leven is
per definitie kwetsbaar. Niet altijd is er een oorzaak aan te wijzen als er iets
misgaat. In onze tijd heeft men de neiging om overal de werking van de genen
achter te zoeken, maar afwijkingen als aangeboren hartgebreken, open
gehemelte, waterhoofd en syndroom van Down kunnen ook door volkomen
toevallige minieme foutjes tijdens de vroege ontwikkeling ontstaan. Het zou
zinnig zijn als dit meer nadrukkelijk werd gepubliceerd, want ouders hebben
vaak de neiging zich schuldig te voelen over ‘fouten’ bij hun kind, of anders
zijn er wel omstanders die proberen de ouders de schuld te geven.
Dit speelt een rol in de embryonale ontwikkeling: niet alleen afwijkingen, maar
ook individuele verschillen zijn aan stochastische processen toe te schrijven:
niet alleen is ieders DNA uniek, ook de ligging van de verbindingen in de
hersenen bijvoorbeeld zijn uniek en voor een groot deel door toeval bepaald.
Wat is leven?
Nog nooit heeft iemand een bevredigend antwoord kunnen geven op de vraag
wat leven is. We kunnen het levende beschrijven en hebben als regel geen
enkele moeite om iets levends als zodanig te herkennen.
"Geen contrast is zo enorm als het contrast tussen wat leeft en wat niet leeft,"
zei Joseph Wood Kruch - en dat zal (vrijwel) iedereen met hem eens zijn. Tot
niet zo lang geleden - en voor veel mensen is het nog steeds zo - was het verschil
eenvoudig: levende wezens (zeker mensen, vaak ook dieren) hebben een ziel en
levenloze dingen niet. Of dieren en planten ook een ziel hebben, daarover
verschilt men van mening. Bij het sterven verliet de ziel het lichaam en deze
verbleef voortaan ergens buiten het waarnemingsgebied van de nabestaanden
en keerde daarna volgens een deel van de mensheid vroeg of laat terug in een
nieuw lichaam.
Maar door de ontwikkeling van de natuurwetenschappen is dit voor veel
mensen toch niet meer geloofwaardig; met de ontdekking dat levende stof
onderhevig is aan alle fysische en chemische wetten en dat organische
verbindingen ook in het laboratorium gemaakt kunnen worden. Tot begin
19e eeuw meende men dat dit alleen kon door de ‘vis vitalis’ (= levenskracht).
Langzamerhand werd de tegengestelde idee populair:
"Het menselijk lichaam is een uurwerk, een groot uurwerk, met vindingrijkheid
en vaardigheid in elkaar gezet", aldus De Lamettrie in de 18eeeuw. Ook iemand
als Descartes dacht er zo over.
Veel mensen denken toch nog steeds dat er een soort levenskracht bestaat die
voor het onderscheid verantwoordelijk is (vitalisme).
De niet-vitalistische kijk komt erop neer dat in de materie als zodanig iets
aanwezig is dat de mogelijkheid tot leven geeft. Met name sedert de
ontwikkeling van de kwantumtheorie heeft men ingezien dat de materie minder
simpel in elkaar zit en niet uitsluitend mathematisch te voorspellen is. Een
onstoffelijk beginsel dat nodig is voor leven zou dan ook al in de dode materie te
vinden zijn en de tegenstelling levend/niet levend zou niet zo groot zijn.
Emergentie
Een derde denkrichting, die ook veel met homeostase te doen heeft en bij veel
moderne onderzoekers en denkers in zwang is, gaat ervan uit dat er geen
afzonderlijke levenskracht bestaat, maar dat de specifieke structuur en
organisatie van levende cellen en organismen ervoor zorgen dat het geheel meer
is dan de som der delen. Dit is in veel gevallen duidelijk het geval. Dit is een min
of meer ‘holistische’ opvatting volgens welke het leven een ‘emergentie’ zou
zijn, een niet voorspelbare eigenschap die ontstaat als gevolg van de ordening
van structuren.
Net zo goed als een volk meer is dan een verzameling individuen, is een
verzameling cellen in een bepaalde structuur meer dan een optelsom van cellen:
een organisme, dat tot veel meer in staat is.
Volgens Arthur Peacock:
"De allerbelangrijkste van de eigenschappen van de materie is dat ze, als ze op
bepaalde manieren gestructureerd zijn, al die karakteristieken heeft, die we
‘leven’ noemen. Dit geldt ook voor menselijk leven."
De mogelijkheid van leven zou dus volgens Peacock en anderen al vanaf het
begin van het universum in de materie zijn ‘ingebouwd’.
Holisme
Voor dit soort visie wordt de term ‘holisme’ gebruikt. Het is misschien goed
dit begrip hier duidelijk te onderscheiden van die term zoals die tegenwoordig
buiten de wetenschappelijke wereld nogal eens gebezigd wordt (met name door
de ‘New Age’-aanhangers).
Om een organisme in al zijn functies te kunnen onderzoeken, moet men
onderdelen, cellen, organen, weefsel enz. onderzoeken. Iedere onderzoeker weet
dat losse cellen niet gelijk zijn aan cellen in het levende geheel, maar we
kunnen het levende geheel niet als zodanig onderzoeken.
‘Holistisch’ kan men een levend systeem nooit echt onderzoeken. Met moet dus
om praktische redenen wel ‘reductionistisch’ te werk gaan en proberen zo het
geheel te begrijpen.
Vanuit kringen buiten de wetenschap wordt vaak neergekeken op
wetenschappers, omdat ze reductionistisch te werk zouden gaan; het holistische
wereldbeeld zou alleenzaligmakend zijn.
Die "kitsch van het holisme" (Michel Korzec) ziet dan zaken als biologische
kennis in combinatie met kosmologie, oosterse en westerse mystiek, ecologie,
cultuurhistorie en zelfs kwantumfysica als één (warrig) geheel. Alternatieve
geneeskundigen gebruiken ook graag de term holisme, omdat ze de ‘hele mens’
benaderen.
Door dit verwarrende taalgebruik kan men de term holisme in de biologie beter
niet meer gebruiken, hoewel het idee van de eenheid van lichaam en geest, de
eenheid van het organisme wel degelijk van belang is.
"De essentie van het leven is een subtiel samenspel van erfelijke informatie,
biochemische reacties en structuren ter plaatse" aldus prof. dr. R. van Driel
(biochemicus Universiteit van Amsterdam).
De levende cel
Het leven op aarde bestond gedurende drie miljard jaar alleen uit
eencelligen. Daarna zijn er ook meercelligen, ontstaan, maar nog steeds bestaat
het gros van de levenden op aarde uit microscopisch kleine wezentjes waarvan
we door onze afmetingen niet zo erg goed op de hoogte zijn. Over de manier
waarop eencelligen en cellen zich handhaven beginnen we nu toch wel het
nodige te ontdekken.
Tot in de jaren zestig leerden we op school dat een cel bestond uit een "klompje
protoplasma met een kern". Het woord protoplasma is inmiddels afgeschaft en
we weten nu dat het ‘cytoplasma’, de levende inhoud van een cel, uitermate
gestructureerd is. Het bestaat uit vele duidelijk gescheiden compartimenten
waarin de processen zich afspelen. Die compartimenten zijn gescheiden door
membranen en die membranen zijn heel wat meer dan eenvoudige vliesjes: veel
processen spelen zich juist op en in die membranen af; de werkzame elementen
liggen vaak in die membranen ingebed, zodat er zich complete lopende-bandsystemen op kunnen afspelen. Verder bevatten de membranen allerlei pompjes
die bepaalde moleculen van de ene naar de andere afdeling van de cel brengen
of de cel in of uit pompen. Daarnaast bevat een cel een ‘skelet’ bestaande uit
buisjes (microtubuli) en staafjes of draadjes (microfilamenten), dat allerlei
zaken op zijn plaats houdt, of juist verplaatst en eventueel voor bewegingen van
de cel als geheel zorgt.
Een statisch beeld van de celinhoud klopt al evenmin: diverse compartimenten
fuseren of vallen uiteen, worden door de cel vervoerd, nieuw opgebouwd of
afgebroken. Dynamiek en (schijnbare) chaos beheersen het leven binnen de cel.
Met moderne technieken zoals fluorescentiemicroscopen en merkstoffen kan
men verplaatsingen van individuele moleculen in de cel volgen en
driedimensionale beeldjes maken van de structuren.
Waardoor wordt een gen op een zeker moment aan- of uitgeschakeld? Dit is een
van de fundamentele vragen, die bijvoorbeeld ook hoort bij het probleem van
soortverschillen: het erfelijk materiaal van mens en muis verschilt maar heel
weinig. De toch vrij grote verschillen lijken vooral verklaard te moeten worden
door het verschil in het tijdstip waarop diverse genen worden aan- en
uitgeschakeld tijden de embryonale ontwikkeling.
Stukken DNA die niet functioneel zijn, zijn sterk samengepakt en ingepakt, en
daardoor niet bereikbaar, kunnen dus niet afgelezen worden. Bepaalde genen
(regelgenen) lijken de rol van schakelaar te spelen. Deze zijn bij alle
onderzochte dieren vrijwel identiek, maar waarom en hoe ze aan- en uitgaan, is
nog niet bekend.
De cel is een democratisch systeem en geen ‘DNAdictatuur’
Zowel biologen als leken hebben tegenwoordig de neiging om alles wat er in
cellen plaats vindt, toe te schrijven aan het DNA. Bij allerlei processen wordt de
regeling aan een enkele factor (een gen of een eiwit) toegeschreven. In
werkelijkheid is het veel ingewikkelder en moeten we de cel zien als een
"complexe omgeving van in elkaar grijpende processen".
Deze omschrijving komt van prof. Westerhoff (microbioloog en mathematische
biochemicus te Amsterdam). Hij is de grondlegger van de "Hiërarchische
Controle Theorie", waarin de cel wordt beschreven als een soort democratische
samenleving, waarin de verschillende eiwitten ‘macht’ hebben, d.w.z. dat ze de
celactiviteiten mee sturen.
Samenwerkende gisten
B IJ ONDERZOEK AAN GISTCELLEN, die glucose omzetten in alcohol,
ontdekten Westerhoff en zijn medewerkers dat de snelheid van het proces
oscilleert en dat de frequentie daarvan niet afhankelijk is van een enkele factor,
maar van een aantal factoren, die elk hun ‘inspraak’ hebben. Men dacht tot
voor kort dat de snelheid van een proces altijd afhing van het traagst werkende
enzym, de beperkende factor. Het blijkt dus ingewikkelder te zijn.
Gistcellen
Onderzoek naar de activiteit van gisten bracht aan het licht dat deze niet
constant is maar te fluctueert. Het vreemde was dat alle gistcellen gelijktijdig
bleken te oscilleren. Ze communiceerden blijkbaar, wat men bij eencelligen niet
zo direct zou verwachten. Door razendsnel monstertjes uit de kweekvloeistof te
nemen, brachten onderzoekers aan het licht dat de concentratie aceetaldehyde
in de vloeistof tussen de cellen ook oscilleert. Deze stof wordt blijkbaar
uitgescheiden en waargenomen. Op de een of andere manier kunnen de cellen
hun activiteit dan synchroniseren.
Volgens Westerhoff is het mogelijk dat dit gezamenlijk ritmische vergisten ook
een nuttige functie heeft: in de natuur zitten de gisten samen met bacteriën en
schimmels op overrijpe vruchten, waaruit geleidelijk glucose naar buiten sijpelt.
Op het moment dat de gistcellen gezamenlijk topactiviteit vertonen, vangen ze
alle glucose van dat moment weg. Daarna ligt hun activiteit even (20 tot 30
seconden) stil, terwijl het alcoholgehalte stijgt ("terwijl de gistcellen dronken
worden"). De concurrenten hebben dan geen voedsel en leggen hun processen
stil, tot het moment dat er weer meer glucose vrijkomt, maar dan zijn de gisten
juist weer aan hun volgende activiteits-top toe en slurpen snel alle glucose op.
De andere soorten worden hierdoor steeds op het verkeerde been gezet (net als
ze weer kunnen opstarten, is de glucose alweer op) en komen om
In biochemisch onderzoek is het kijken naar dergelijke ecologische aspecten
van gebeurtenissen binnen de cel niet erg gebruikelijk. Dat een cel meer is dan
een optelsom van afzonderlijke biochemische processen, is nog een opvatting
(ook holistisch in zekere zin), waarop mensen als Westerhoff door anderen
worden aangevallen.
De gedachte, dat een levend geheel meer is dan de delen, wekt bij sommige
onderzoekers argwaan, omdat men er New-age-denkbeelden achter zoekt.
Westerhoff bestrijdt dit en noemt het concept nu juist anti-metafysisch: door te
zoeken naar de samenhangen, kan men juist aantonen dat er niets
geheimzinnigs in het systeem hoeft te zitten.
Met moderne technieken kan men de weg van individuele moleculen in de cel
volgen en de ruimtelijke verdeling binnen de cel onderzoeken. Hiermee wordt
het mogelijk een indruk te krijgen van de samenhang van de verschillende
processen.
Loes E. Pihlajamaa-Glimmerveen
Zie ook het artikel Antichaos en evolutie
Geraadpleegde literatuur
Arnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over de plaats
van de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)
Karl Sigmund GAMES OF LIFE Explorations in ecology evolution and
behaviour (Penguin books 1995)
en diverse artikelen uit Scientific American.
CHAOS EN FRACTALS IN DE
MENSELIJKE FYSIOLOGIE
Niet alleen in de evolutie, ook in het functioneren van organismen speelt
chaos een vermoedelijk grote rol. Chaos hier dus niet in de zin van ‘volledige
wanorde’, maar in de betekenis van onvoorspelbaar binnen bepaalde grenzen.
In de recente discussie over het al dan niet vernietigen van menselijke embryo's
spreekt men soms over pre-embryo's ( het 2- tot 8-cellige stadium) alsof daarin de
hele mens al kant en klaar zit, met andere woorden er wordt uitgegaan van de
gedachte, dat alles in het DNA vastgelegd is. Je zou nooit een heel mens kunnen
construeren als elke cel en elke verbinding (zenuw of bloedvat) volledig
voorgeprogrammeerd was. In werkelijkheid speelt het toeval een grote rol. Zelfs
kan men stellen dat chaos in het functioneren van ons lichaam betekent dat het
goed gaat, als er strakke regelmaat heerst, betekent dit onraad...
De conventionele opvatting is dat het lichaam een machine is, opgebouwd volgens
een ordelijk principe en werkend in keurige ritmes. Als er onregelmatigheden zijn,
is dat afwijkend, een teken van ziekte of ouderdom. Geïnspireerd door nietbiologische disciplines is men beter gaan kijken en tot de ontdekking gekomen dat
strakke regelmaat juist een teken van veroudering of ziekte is.
Onregelmatig en onvoorspelbaar gedrag is een belangrijk kenmerk van
gezondheid. Ook in de bouw van biologische systemen blijkt een min of meer
onregelmatige fractal-achtige bouw op veel plaatsen terug te vinden - juist deze
onregelmatigheid geeft flexibiliteit en aanpassingsvermogen.
De begrippen chaos en fractals horen thuis in de leer van de nonlineaire
dynamica: het onderzoek naar systemen, die op bepaalde onderling onafhankelijke
factoren reageren. Deze theorie geeft inzicht in het verschijnsel epidemieën, in de
kinetica van bepaalde chemische reacties, veranderingen in het weer enz. Onder
bepaalde omstandigheden gaan systemen, die slechts door weinig factoren worden
bepaald, zich chaotisch gedragen, met andere woorden: worden onvoorspelbaar.
Het woord chaos in dit verband betekent niet het volledig ontbreken van enige
orde, zoals in het dagelijks spraakgebruik. We bedoelen hiermee een zekere mate
van ‘randomness’, variatie, onvoorspelbaarheid, en deze kan vaak gekoppeld
worden aan fractale systemen.
Boven en onder: "Fractals" in de darmen: op elke vergroting plooien.
Fractale systemen zijn vaak het resultaat van chaotische non-lineaire dynamiek.
Steeds wanneer een chaotisch proces een vorm geschapen heeft ( bijvoorbeeld een
zeekust, de atmosfeer, een geologische plooiing in de aardkorst) vinden we
fractals (kustlijnen, wolkenformaties, geologische formaties).
Toch zijn de ideeën over fractals eerst ontwikkeld als geometrische vormen, m.n.
ontstaan bij het ‘spelen’ met computerfiguren: steeds dezelfde vorm verkleind en
vermeerderd etc). Geïdealiseerde fractals vertonen bij steeds grotere
vergroting steeds hetzelfde patroon, sommige neuronen hebben dit ook:
vertakkingen van vertakkingen van vertakkingen. In de darmwand ziet men iets
dergelijks: de plooien herhalen zich in de plooitjes op de darmcellen. Ook als men
de hartslag over verschillende tijdspannen in grafiek zet, ziet men dezelfde figuur
terug, de kleine en de grote variaties volgen het zelfde patroon.
Het lichaam zit vol fractals, het best onderzocht zijn die van de longen. Al in 1962
analyseerden onderzoekers de bouw van de longen en de diameters van de
vertakkingen van de bronchiën, en deze bleken precies volgens het principe van
de fractals gebouwd te zijn.
De hartslag heeft een fractal-achtig ritme, de krans(slag)aders hebben een fractalstructuur evenals de vezels van de hartkleppen, de vezelstructuur van de
hartspiervezels en de bedrading van het Hiss-Purkinje systeem (het ‘zenuwstelsel
van het hart’ dat de impulsen geleidt).
Een stukje long - een typisch fractal-beeld
Al deze fractal-systemen hebben verschillende functies: oppervlaktevergroting bij
de darmwand, de longen en de bloedvaten, verdeling van stoffen bij bronchiën en
galgangen, informatieverspreiding bij de neuronen. Fractal-systemen zijn juist
door hun sterke onregelmatigheid en ‘redundancy’ weinig kwetsbaar. Zelfs na
vrij grote beschadigingen aan de bundels van Hiss en Purkinje kan het hart
redelijk normaal blijven kloppen.
Fractal-structuren in het lichaam ontstaan door de trage dynamiek van de
ontwikkeling ervan (zowel embryonaal als evolutionair gezien). In deze processen
heerst ‘deterministische chaos’. Het lijkt ook heel functioneel, dat bijvoorbeeld
bloedvaten, zenuwen, longvertakkingen - op deze manier gebouwd volgens een
repeterend systeem - gebaseerd zijn op de werking van genen, die alleen een soort
basisprincipe aangeven, waarna het geheel zich steeds herhaalt.
Toen men de chaos-theorie voor het eerst ging toepassen op fysiologische
systemen, verwachtte men vooral chaotische processen aan te treffen bij ziekte of
veroudering; dat lijkt logisch. Als men bijvoorbeeld het hartritme bij een persoon
in rust meet, lijkt het zeer regelmatig, maar als men de hartslagen nauwkeuriger
analyseert, blijkt er geen sprake van regelmaat. Bij jonge volwassenen met een
hartfrequentie van 60 slagen per minuut kan deze variëren met een verschil van
20 binnen enkele seconden, en over een etmaal variëren van 40 tot 180 slagen per
minuut!
Fractals in de bloedvaten.
Men heeft deze variabiliteit eerst verklaard vanuit de homeostase: elke variatie is
de reactie op een andere variatie, en dient om te zorgen, dat de verschillende
waarden constant blijven. Het zou dan ook waarschijnlijk zijn dat bij ziekte of
veroudering het vermogen om de homeostase te behouden vermindert en dus meer
fluctuatie optreedt.
Als men de fluctuaties in frequentie over een aantal uren nauwkeuriger bekijkt,
ziet men een onregelmatige vorm, die zichtbaar blijft als de tijdschaal kleiner
wordt. Er is niets te zien van een vaste regelmaat; het ziet eruit als een chaotisch
systeem.
Als men diverse ritmen analyseert vanuit de chaos-theorie blijkt het gezonde hart
een echt chaotisch systeem, maar het zieke hart vertoont vaak een toenemende
mate van regelmaat.
De (chaotische) hartslag is het gevolg van de activiteit van het zenuwstelsel: de
sinusknoop ontvangt signalen vanuit het autonome zenuwstelsel: de sympathicus
en de parasympathicus, de eerste versnellend en de ander vertragend. Het gevolg
is een voortdurend ‘touwtrekken’’ aan de sinusknoop, en het gevolg daarvan is het
voortdurend fluctueren van de frequentie. Bij een getransplanteerd hart zijn deze
zenuwbanen doorgesneden en is de hartslag dan ook veel regelmatiger.
Ook in het zenuwstelsel is chaos een normaal verschijnsel, de systemen die
verantwoordelijk zijn voor de hormoonafgifte vertonen bijvoorbeeld chaotische
activiteitscurven.
Een chaotische dynamiek in hartslag, zenuwstelsel en andere systemen geeft
duidelijk functionele voordelen: zulke systemen worden door allerlei factoren
beïnvloed en kunnen daar direct op reageren, zijn flexibel en kunnen zich
aanpassen aan onvoorspelbare veranderingen. Bij ziekte treedt vaak verlies aan
variatie op.
De biologische klok is ook nooit perfect regelmatig: als we altijd precies op een
vaste tijd moesten slapen en wakker worden, zouden we niet in staat zijn om
wakker te blijven bij een ziek kind...
Ook het zenuwstelsel vertoont bij ziektes als bijvoorbeeld Parkinson, epilepsie en
depressie, veel regelmatiger curven dan bij gezonde mensen. Het gehalte aan witte
bloedcellen varieert bij gezonde mensen onregelmatig, bij leukemie zeer
regelmatig.
De fysiologie is misschien wel een van de mooiste gebieden om fractals en chaos
te onderzoeken.
Loes E. Pihlajamaa-Glimmerveen
Zie ook het artikel De rol van het toeval
en het artikel Antichaos en evolutie
Geraadpleegde literatuur
Arnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over de plaats van
de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)
Karl Sigmund GAMES OF LIFE Explorations in ecology evolution and
behaviour (Penguin books 1995)
en diverse artikelen uit Scientific American
Orde en wanorde
http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2864/Betacanon/article/detail/509470/2010/08/03/Ch
aos.dhtml
Chaos
Martin van Hecke
De natuur om ons heen laat zo'n enorme rijkdom zien, dat het moeilijk voorstelbaar is dat
dit alles uit een aantal simpele regels volgt. Toch beschrijft een kleine hoeveelheid
natuurwetten het gedrag van de natuur. Je zou misschien denken dat je met deze wetten
dan ook simpelweg de natuurverschijnselen kunt verklaren en voorspellen. Maar het
precies beschrijven van het rollen van een dobbelsteen, de beweging van een zwerm
vogels, het ontstaan van een regenbui of de formatie van files is problematisch, hoewel
deze verschijnselen wel degelijk uit de natuurwetten volgen.
Deze problemen zijn te vergelijken met schaken. De regels zijn eenvoudig te leren - de
loper mag schuin, de toren mag rechtdoor. Maar daarmee ben je nog geen goede
schaker. De regels van het spel en het spel zelf zijn twee verschillende dingen. Hoe je
goed moet schaken volgt niet een-twee-drie uit de regels. Wetenschappers, en in het
bijzonder natuurwetenschappers, zien zich voor hetzelfde soort probleem gesteld. De
simpele natuurwetten zijn daarbij de regels, terwijl het rijke gedrag van de natuur het spel
is. Natuurlijk kunnen we simpele systemen, zoals een enkele stuiterbal, prima
beschrijven. Maar als er duizend stuiterballen op een trillende plaat rondspringen en
rondbotsen, wordt het systeem complex: de beweging van alle ballen is niet meer
simpelweg de som van duizend enkele ballen.
Zelfs als het lukt modellen in de computer door te rekenen, dan nog zijn zij vaak intrinsiek
onvoorspelbaar: ze zijn chaotisch. Als je het weer bijvoorbeeld wilt voorspellen, moet je
behalve een weermodel (de regels) ook de toestand van het weer nu weten - de
beginvoorwaarden. Hoe nauwkeurig je ook meet, je maakt altijd een meetfout. Voor
chaotische systemen groeit deze fout nu zo snel dat de voorspelling al vlug waardeloos
wordt. Dit werd in 1963 door de wis- en weerkundige Edward Lorenz ontdekt (zie ook
B챔tacanon aflevering 15, over klimaat en weer). De slechte voorspelbaarheid van het
weer ligt dus niet aan de meteorologen, maar aan het chaotische karakter van het weer.
Dit is de reden dat de onzekerheid in de weersvoorspelling na een paar dagen sterk
begint op te lopen, zoals tegenwoordig duidelijk in de KNMI-grafiekjes voor de
temperatuur te zien is.
Aan het eind van de 19de eeuw had de wiskundige Poincare deze gevoeligheid voor de
beginvoorwaarden al voorspeld voor de beweging van hemellichamen. Hij liet zien dat er
configuraties van planeten denkbaar zijn waarbij de beweging chaotisch en
onvoorspelbaar is. Als de fout in de voorspelling elke dag verdubbelt, en als we in de
begin positie van planeet X een fout van 1 mm maken, dan is na twee weken de fout
slechts 16 meter, maar na twee maanden is ze al 1000.000.000.000 km. De voorspelling
wordt dus totaal onbruikbaar. Lang voordat de fout zo groot is geworden, beïnvloeden
afwijkingen in de baan van planeet X weer andere planeten: chaos.
Onlangs is chaos waargenomen in ons eigen zonnestelsel in de onregelmatige
bewegingen van de manen Pandora en Prometheus die rond Saturnus bewegen.
Een laatste voorbeeld van chaos is het gooien met een dobbelsteen: als we dit twee keer
doen, met een heel klein verschil in werpsnelheid, dan wordt dat verschil bij elke
stuitering van de dobbelsteen enorm opgeblazen, en is de uitkomst na enkele keren
stuiteren volkomen onvoorspelbaar geworden.
Toch organiseert zich in alle chaos vaak weer nieuw gedrag: ontelbaar veel trillende
atomen geven de sensatie van temperatuur, miljarden zenuwcellen leiden tot een
werkend geheugen. Dit ontstaan van spontane orde wordt emergentie genoemd. De
komst van de computer heeft ons meer inzicht in emergentie gegeven. Zo is het met
computers mogelijk het ontstaan van files, zwermen van vogels en insecten te simuleren.
De individuele automobilisten, vogels en vissen zijn er absoluut niet op uit om zich zo te
organiseren - het ontbreekt vogels en insecten simpelweg aan de hersencapaciteit, er is
geen leider of vooropgezet plan. Maar als de individuen zich aan simpele regels houden,
vertonen zij samen wel het bekende gedrag. Als we bijvoorbeeld in een computer
stoppen dat automobilisten niet precies allemaal even hard rijden en tegelijkertijd
botsingen met hun voorligger proberen te vermijden, dan voorspelt het model correct dat
er bij druk verkeer verstoppingen en files ontstaan. Vergelijkbaar: als we programmeren
dat vogels ongeveer dezelfde richting als hun buren vliegen, dan rolt er direct een
verbazingwekkend realistische zwerm vogels uit. Complex gedrag kan dus ontstaan uit
de interacties van actoren (automobilisten, vogels) die zelf simpele regels volgen.
In deze voorbeelden zijn de regels een benadering, geen fundamentele natuurwet. Maar
er zijn ook legio voorbeelden waarbij het collectieve gedrag de optelsom is van actoren
die wel aan precieze natuurwetten voldoen. In het bijzonder stapelingen van balletjes,
rijstkorrels en dergelijke laten allerlei emergent gedrag zien, dat op dit moment sterk in de
belangstelling van natuurkundigen staat.
Hoe laad je een schip zodat er zoveel mogelijk sinaasappels, kanonskogels of andere
bolvormige objecten in passen? Het antwoord is door de bollen netjes op te stapelen, in
regelmatige laagjes
zoals sinaasappels bij de groenteboer. Je kan dan eenvoudig uitrekenen dat je 74% van
de ruimte vult. Maar in de praktijk kan je natuurlijk niet alle sinaasappels netjes stapelen,
maar stort ze eenvoudigweg in de buik van het schip, en de bollen vormen dan een
wanorderlijke stapeling. Wat je dan ook doet, het zal je niet lukken om meer dan 64% van
de ruimte te vullen.
Hoe dit getal uit de simpele regels voor stapels balletjes komt weten we niet. Een
verrassing treed op als je in plaats van sinaasappels, niet-ronde objecten gaat stapelen.
In 2004 ontdekte onderzoekers op Princeton dat M&M's dichter dan 64% gestapeld
konden worden, en inmiddels begrijpen we dat als we bolletjes een beetje afplatten
(schijfjes) of juist toespitsen (cigaartjes), ze dichtere wanordelijke stapelingen maken:
perfecte bolletjes stapelen het slechtsts van allemaal.
De organisatie van de krachten tussen de deeltjes in zo'n stapeling is een ander
voorbeeld van emergent gedrag. In plaats van dat alle krachten zich gelijk verdelen,
wordt het meeste gewicht door een kleine hoeveelheid ballen gedragen. Daarbij
organiseren de sterkste krachten zich in ingewikkelde patronen, die krachtnetwerken
genoemd worden. Voor het bouwen van een dijk
is het belangrijk deze patronen te kennen omdat die netwerken ook in zandhopen
optreden. De precieze vorm van de netwerken is echter weer zeer moeilijk te voorspellen.
Het inzicht dat complex gedrag uit simpele regels kan voortkomen, geeft de hoop dat we
zoiets complex als filevorming op een simpele manier kunnen modelleren, en dus ook
kunnen voorspellen wat de beste manier is om files tegen te gaan. Aan de andere kant
realiseren we ons ook dat veel systemen, of het nu dobbelstenen, het weer, de beurs, of
de economie is, chaotisch gedrag vertonen en onvoorspelbaar zijn. Filemaatregelen
zouden dus wel eens heel anders kunnen uitpakken dan je zou verwachten. Het
bestuderen van complexe systemen raakt daarmee aan de aard van wat we kunnen
weten en brengt grenzen aan de voorspelbaarheid in kaart.
Een steeds weerkerend creationistisch argument voor
de " schepping" door een ID is volgens hen =
(De volgende kernachtige uitdrukking ; is de blauwe tekst en de opinie van een Jehova
getuige ( en alhoewel ze beweren geen creationisten te zijn , zijn ze het wel degelijk
; Trouwens ook Id-ers , Mormonen en zelfs Seventh Day Adventisten/baptisten beweren
ook al geen creationisten (meer ) te zijn ...; ze vertonen er echter wel alle kenmerken
van : voor mijn part zijn het gewoon pseudo-wetenschappers : ik ben niet van plan te
diskussieren over naamgevingen die ze zichzelf opplakken ...
ref ; --->http://www.freethinker.nl/forum/viewtopic.php?t=435&postdays=0&postorder=asc&start=
30 )
"Entropie, of andersom: het bestaan van orde vereist het bestaan van
een organiserende intelligentie"
(dat word hier summier inleidend en nader gepreciseerd en bediscussieerd op datzelfde
reeds vermelde forum )
----> wanneer er sprake is van orde vind ik het logischer om te geloven in
iemand die orde brengt dan in een spontaan proces
( Reddish) Waarom?
Omdat spontane processen tot wanorde leiden. Uitzonderingen
daargelaten.
( Tsjok ) Je kan de " uitzonderingen " niet daar laten , want je doet een universele
uitspraak ... een uitzondering is al voldoende om de uitspraak van universeel tot
heuristiek te degraderen ...
( Reddish ) Het neerzetten van dingen als een absolute waarheid ( of universele finale
uitspraken ) is zowieso een gevaarlijke gewoonte
1.- ( creato ) Onder entropie versta ik het neigen tot wanorde.
( Reddish )Ah, de
algemeen gangbare populair-wetenschappelijke
interpretatie van het concept. Prima. Zolang we dit dan maar niet verwarren
met het thermodynamische entropie-begrip.
zie ook
Entropie :
ENTROPIE
2.- de uitspraak "het
bestaan van orde vereist het bestaan van een
organiserende intelligentie" is pertinent onjuist; denk bv. aan
kristallisatie-processen.
" ... Je kan het universum niet vergelijken met een kristalrooster"
( Reddish )
Nee, ik wil het universum niet vergelijken met een kristalrooster. Ik wil aantonen dat jouw
uitspraak "het bestaan van orde vereist het bestaan van een organiserende intelligentie"
onjuist is.
Wet & Wanorde / Chaos in de Fysica
http://remote.science.uva.nl/~bais/chaos/chaosiii.html
Alexander Bais
Instituut voor Theoretische Fysica
Universiteit van Amsterdam
Verschenen in Orde en Chaos in de stadsontwikkeling, Uitgeverij 010, Rotterdam (1994)






Wegen van wetenschap
Keerpunten in de Mechanica
Van chaotisch individueel naar ordelijk collectief gedrag
De ultieme confrontatie met onvoorspelbaarheid
Van Chaos naar Kosmos: het dynamisch heelal
Conclusies
Wegen van wetenschap
Inleiding
De grieken introduceerden de term Chaos voor de vorm - en structuurloze toestand
waaruit de Kosmos (d.w.z. ordelijke toestand) geschapen werd. Tegenwoordig duiden we
er een willekeurige toestand van verwarring en onregelmatigheid mee aan: turbulente
vloeistof, politieke anarchie, een tienerkamer, economische instabiliteit, of bedrijvigheid
op een oosterse markt. Op alle fronten worden wij met chaos en onvoorspelbaarheid
geconfronteerd en lijken we aan het toeval te zijn overgeleverd. De gevoelens van
onzekerheid en machteloosheid die dit met zich mee brengt, kunnen aanleiding zijn voor
allerhande primaire reacties. Ordnung muss sein! De behoefte om in te grijpen doet zich
gelden: we poetsen en ruimen op, in de opvoeding stellen we paal en perk. We
kanaliseren, leggen zelfs zee챘n droog, we plannen en bureaucratiseren vol overgave.
We eisen discipline, regelgeving en wetshandhaving. Zo zijn we verwikkeld in een
grootmoedige poging om de natuurlijke neiging tot willekeur en wanorde het hoofd te
bieden.
In dit kader behelst het verschijnsel wetenschap een relatief subtiele reactie: controle
over onze leefsituatie is daar niet het eerste oogmerk, eerder het ontrafelen van een
onderliggende structuur en van mechanismen die op een dieper niveau werkzaam zijn.
Geen macht maar begrip, is de slogan. Kan wanorde inderdaad belangeloos worden
onderworpen aan de menselijke geest? Kunnen Chaotische verschijnselen worden
beroofd van hun primaire wezenskenmerk, door met creatief vernuft orde aan het licht te
brengen waar niemand dat vermoedt. Wetenschap heeft laten zien dat het met geduld,
systematiek en volharding inderdaad mogelijk is om geheimen aan de natuur te
ontfutselen. In dit licht kunnen we de geschiedenis beschouwen als trage striptease van
moeder natuur.
De systematische ontmythologisering het wereldbeeld heeft geleid tot een technologische
respons op de menselijke levensvoorwaarden. Technologie is nauw verweven met
wetenschap maar niet hetzelfde. Technologie is in eerste instantie gericht op het
beheersen van de directe leefomgeving opdat we minder afhankelijk zijn van de willekeur
van natuurlijke processen. Het gevaar van deze respons is dat negatieve mogelijkheden
de overhand kunnen krijgen: vervreemding, onderdrukking, vernietigingswapens,
vervuiling en andere "man made disasters" drijven onze cultuur naar de rand van de
afgrond. De wereld gaat nog niet ten onder maar er wordt aan gewerkt!
We laten in dit artikel zien dat natuurkundigen voortdurend geconfronteerd zijn met
onvoorspelbaarheid en chaos. We illustreren dit aan de hand van belangrijke keerpunten
in ons denken over dynamische systemen. Chaos kan niet ge챘limineerd worden, maar
heeft een goed gedefini챘erde plaats in de modelmatige beschrijving van de ons
omringende natuur. Het blijkt dat toeval een essentieel gegeven is, eigen aan
werkelijkheid op het meest fundamentele niveau.
Na enige algemene opmerkingen over modelmatig denken beschrijven we het
determinisme zoals dat belichaamd werd door de klassieke fysica. Recentelijk is bij de
studie van eenvoudige niet-lineaire systemen duidelijk geworden , dat
onvoorspelbaarheid ook binnen het kader van de klassieke mechanica een essenti챘le
rol speelt.
Gassen en vloeistoffen kunnen we beschouwen als een collectief van een reusachtig
aantal willekeurig bewegende deeltjes. Voor de beschrijving van deze media zijn
statistische methoden onontbeerlijk. Deze vertalen het gebrek aan kennis over de
toestand van elk der individuele deeltjes in een effectieve theorie voor een beperkt aantal
collectieve variabelen. Het gaat dan om begrippen als temperatuur en druk die voor de
afzonderlijk deeltje geen betekenis hebben. Het aspect van wanorde komt expliciet tot
uitdrukking in een collectieve variabele die entropie genoemd wordt. Het blijkt dat
individueel wangedrag voorbeeldig collectief gedrag geenszins uitsluit.
Uiteindelijk doet zich de vraag voor of een deterministische kijk op de wereld in principe
houdbaar is. De quantummechanica laat zien dat dit niet het geval is en dat toeval een
onontkoombaar aspect van de werkelijkheid is, ook als we ons beperken tot de meest
elementaire processen. Dit komt zeer expliciet tot uitdrukking in de onzekerheidsrelaties
van Heisenberg.
Tenslotte keren we terug tot de vraag naar het ontstaan van orde uit chaos in de
kosmologische context. We vatten het proces van atomaire en moleculaire evolutie
samen in het kader van moderne theorie챘n over de ontwikkeling van het heelal.
Onvolledigheid en oppervlakkigheid in deze presentatie onvermijdelijk. Ik heb gepoogd
om in grote lijnen aan te geven hoe de natuurwetenschap heeft leren omgaan met
aspecten van onzekerheid. Onzekerheden sluiten een exacte dynamische beschrijvingen
geenszins uit zolang de keuze van geschikte variabelen zorgvuldig gemaakt wordt.
Macht en onmacht van het modelmatig denken
Na챦viteit is een belangrijk wapen van de natuurwetenschapper. Hij/zij veegt een aantal
verschijnselen op een hoop en poogt de ontstane toestand te duiden als de manifestatie
een onderliggende systematiek. Het kan gaan om een deeltje in een krachtveld, een
molecuul, een gas, een druppelende kraan, een levende cel, een dode kikker, een stad,
een samenleving, een epidemie, de economie, het klimaat, het heelal, enz.
Wat karakteriseert het systeem? We willen bijvoorbeeld weten of het systeem gesloten is
- d.w.z. is het onafhankelijk van externe factoren en autonoom - of open zodat het
veronderstellingen omtrent relevante omgevingsfactoren vereist. Is het systeem in
evenwicht en statisch, of is het dynamisch en hangt het op een niet triviale manier van de
tijd af? Welke grootheden leggen de toestand vast, en zijn die grootheden meetbaar?
Aan welke wiskundige relaties voldoen zij?
Over het vinden van de relevante variabelen moet niet te licht gedacht worden: het
vereist een collectieve begripsvorming die gemakkelijk tot een tijdrovende ideologische
stammenoorlog kan leiden. Het bereiken van een concensus over fundamentele
begrippen siert een vakgebied, maar is moelijker naarmate het te onderzoeken systeem
complexer is.
Hoe dan ook, met de keuze van karakteristieke grootheden is een optimale vraagstelling
mogelijk en kunnen we onderzoeken welke verbanden er zijn. Eerst kwalitatief,
vervolgens - indien mogelijk -quantitatief in de vorm van wiskundige vergelijkingen.
Juist bij complexe systemen leidt het onderzoek in eerste instantie vaak tot niet meer dan
het aantonen van statistisch significante correlaties. Men vergelijkt steeksproefgewijs
populaties met verschillende gewoonten of omstandigheden, mannen versus vrouwen,
dorpelingen versus stedelingen, rokers versus niet-rokers, tomateneters versus niettomateneters en onderzoekt het voorkomen van al dan niet wenselijke eigenschappen
zoals bierconsumptie, moederbinding of meest waarschijnlijke doodsoorzaak. De maat
voor significantie is het aantal standaardafwijkingen in een relevante verdeling. Er is een
ongelimiteerde jacht op signalen gaande die zich ternauwernood boven de ruis van het
maatschappelijk gebeuren verheffen. Onderzoek dat hoog scoort in kringen waar
maatschappelijke relevantie het toonaangevend criterium is en dat soms tot zeer
verrassende conclusies leidt, vooral wanneer niet de allerhoogste methodologische eisen
zijn gesteld bij het samenstellen van de ``aselecte'' steekproeven en het elimineren van
cruciale nevenfactoren die de uitkomst van het onderzoek kunnen beinvloeden.
Wetenschap slaagt er soms in om quantitatieve relaties tussen de variabelen te leggen
en deze in een mathematisch model uit te drukken. Bij een systeem in evenwicht kunnen
we spreken van toestandsvergelijkingen, bij een dynamisch systeem gaat het
om evolutievergelijkingen die de ontwikkeling van de relevante variabelen in de tijd
bepalen. Deze vergelijkingen zullen in het algemeen parameters bevatten die
bijvoorbeeld bepaalde omgevingsfactoren in rekening brengen (controleparameters). In
een simpel model zullen deze parameters constant zijn (of bijvoorbeeld heel langzaam
vari챘ren vergeleken met de tijdschaal waarop het beschouwde systeem verandert). Als
dat niet zo is, bevat het uiteindelijke, gesloten systeem natuurlijk ook de
evolutievergelijkingen voor de omgevingsfactoren. Kortom, een ideaal model bevat een
gekoppeld stelsel van tijdafhankelijke grootheden met "constante" parameters.
Evolutie - of bewegingsvergelijkingen hebben een voorspellende waarde: gegeven de
toestand ten tijde t is het mogelijk de toestand op een later tijdstip te bepalen. Het is
daarom een verregaande en wellicht naieve veronderstelling dat er zo'n stelsel van
evolutie vergelijkingen bestaat. Is het niet een vooroordeel dat volledig determinisme
impliceert, en daarmee onvoorspelbaarheid, toeval en chaos bijvoorbaat uitsluit?
Het antwoord op deze vraag is ontkennend: ook in een gebied als de natuurkunde dat
zich richt op relatief eenvoudige systemen, die vooral betrekking hebben op de dode
materie, wordt men steeds weer op essenti챘le wijze geconfronteerd met toeval,
onvoorpelbaarheid en chaos. Dit gebeurt in situaties waar men om praktische dan wel
principi챘le redenen, slechts over een beperkte kennis van het systeem beschikt. In zulke
gevallen krijgt de beschrijving van het systeem een statistisch karakter waarin men
slechts uitspraken doet over de waarschijnlijkheid dat een bepaalde toestand zich op een
later tijdstip voordoet. Met andere woorden, men werkt met exacte evolutie
vergelijkingen, niet voor de dynamische variabelen zelf, maar voor de waarschijnlijkheid
dat deze variabelen bepaalde waarden aannemen. Kansrekening en statistiek maken het
mogelijk dat een exacte, quantitatieve beschrijving vreedzaam co챘xisteert met
onzekerheid en toeval.
In eerste instantie is het doel van een model bescheiden, het moet de waarnemingen zo
efficiënt mogelijk beschrijven, en vertoont een ideale balans tussen eenvoud en
effectiviteit. Er zijn legio voorbeelden waar het gedrag van een op het eerste gezicht
ingewikkeld systeem succesvol wordt beschreven in een model met weinig variabelen.
Idealiter hebben modellen bovendien een verklarende en voorspellende betekenis.
Onlangs was er een mooi voorbeeld waarbij de atronomen de inslag van een een aantal
stukken van een komeet op de planeet Jupiter met grote nauwkeurigheid voorspelden.
Natuurlijk is het zo dat modellen zelf ook evolueren. Nieuwe meetmethoden of
aanvullende waarnemingen vereisen een preciesere beschrijving of genereren nieuwe
vragen. Onverwachte relaties tussen grootheden waar het model geen verklaring voor
heeft of die er strijdig mee zijn, vragen om aanpassing en verfijning van het model. Het
model kan in deze fase lelijk en ingewikkeld worden, een afspiegeling van de complexiteit
van de werkelijkheid of wellicht een bewijs van wetenschappelijk onvermogen. Op zo'n
moment ontstaat de behoefte aan een nieuw uitgangspunt, een nieuw onderliggend
concept dat orde op zaken stelt. Soms staat er een wetenschappelijke doorbraak voor de
deur, waarbij een dichtgegroeid model wordt vervangen door een eenvoudig model op
een onderliggend niveau
Keerpunten in de Mechanica
De geschiedenis van de natuurwetenschappen kent talloze momenten waarop men
overspoeld werd door een golf van onverklaarbare waarnemingen en waarop succesvolle
theorie챘n uit hun voegen barstten.
Willekeur en wanorde pleegden met de regelmaat van de klok een aanslag op het fragile
bouwwerk van alom gerespecteerde abstracte relaties. Gelukkig maar. Een intellectuele
crisis kan de voorwaarden scheppen voor een radicale vernieuwing in ons denken.
Klassieke mechanica: vlaggeschip van het deterministisme
Newton verving een vergaarbak van wetenswaardigheden en gelegenheidswetten
betreffende de aardse en hemelse mechanica in een klap door drie wetten, die ons door
hun verpletterende eenvoud en universaliteit tot op de dag van
vandaag dienen te verbazen. In zijn Philosophiae naturalis principia mathematica (1687)
toont hij zich niet alleen een een groot astronoom en fysicus maar ook een geniaal
wiskundige die de grondslag legde voor de differentiaalrekening.
Differentiaalvergelijkingen geven de wiskundige beschrijving van een dynamisch
systeem. Newton's fameuze vergelijking F = ma die de beweging (de versnelling a) van
een deeltje met massa m dat onderhevig is aan een kracht F vastlegt,
is daarvan een perfect voorbeeld. De dynamische variabelen zijn de snelheid en positie
van het deeltje als functie van de tijd (waarbij de versnelling de verandering in de
snelheid per tijdseenheid is) en deze variabelen worden door de
vergelijking - bij gegeven kracht - volledig bepaald in termen van de snelheid en positie
op een begintijdstip. De wetten zijn universeel in de zin dat zij even goed opgaan voor de
beweging van planeten om de zon (die het bijvoorbeeld
mogelijk maakten een eclips met grote nauwkeurigheid te voorspellen) als voor stenen
die van de toren van Pisa worden geworpen. Ze zijn ook universeel omdat ze absoluut
zijn: wetsovertredingen komen niet voor!
Een afwijking van het voorgeschreven gedrag - hoe klein ook - heeft een
wetenschappelijke revolutie tot gevolg. Iemand die de natuur op heterdaad weet te
betrappen bij het overtreden van een fundamentele natuurwet wordt gestraft met een
Nobelprijs! Met betrekking tot de wetten van Newton heeft deze situatie zich inderdaad
voorgedaan en geleid tot de ontwikkkeling van de relativiteitstheorie enerzijds en de
quantummechanica anderzijds.
De bewegingsvergelijkingen van Newton betekenden ook een conceptuele verrijking: er
volgt voor een gesloten systeem waarop geen externe krachten werken uit, dat er andere
- minder voor de hand liggende - grootheden zijn
zoals energie, impuls en impulsmoment die constant blijven in de tijd. Deze "behouden"
grootheden of constanten van de beweging zijn van groot belang bij het oplossen van de
vergelijkingen. Het model genereert zijn eigen
fundamentele begrippen.
Met de wetten van Newton was de basis voor een volledig deterministische beschrijving
van de materi챘le werkelijkheid gelegd. Voor het mechanistisch wereldbeeld braken
hoogtij dagen aan. Laplace postuleerde zijn befaamde demon,
een bovenmenselijk wezen dat, gegeven de beginwaarden van de dynamische
variabelen van alle deeltjes, in staat zou zijn om de toekomstige toestand volledig te
deduceren.
Determinisme, niet als religieuze maar als wetenschappelijke waarheid!
Let wel, deze demon werd geacht bij machte te zijn om de kennis van de
beginvoorwaarden van alle moleculen in ons heelal te bevatten en vervolgens de
bewegingen daarvan te berekenen.
Ter illustratie: met de grootste computers slagen wij er in om de tijdevolutie van enkele
honderden deeltjes voor korte tijd te berekenen. Strikt wiskundig en principieel gesproken
is de klassieke mechanica het toonbeeld van een
volledig deterministische theorie, toch blijkt er bij nader inzien een levensgrote adder
onder het gras te zitten. En dat brengt ons bij de actualiteit van de klassieke mechanica.
Bij de recente ontwikkelingen op het gebied van de
niet-lineaire dynamica, die door sommigen als de derde wetenschappelijke revolutie van
deze eeuw wordt gekenschetst.
Niet-lineaire dynamica: Grenzen aan de voorspelbaarheid
Het is verrassend dat de wetten van Newton, die al eeuwen door elk leergierig kind
worden herkauwd teneinde de analytische geest te scherpen, die bij velen van ons
slechts de navrante herinnering oproepen aan diep nadenken over
katrollen, kogelbanen en blokken op een hellend vlak, dat juist deze wetten recentelijk
weer zoveel opwinding hebben veroorzaakt in de wetenschappelijke arena. Poincar챕
hief aan het begin van deze eeuw reeds de waarschuwende vinger,
toen hij wees op de verregaande complexiteit van het klassieke probleem van drie
deeltjes die een simpele kracht op elkaar uitoefenen. Wat hij bedoelt is weergegeven in
de figuur waarin te zien is dat de baan van een planeet in het
zwaartekrachtsveld van twee zonnen inderdaad zeer onregelmatig en complex is. De
draagwijdte van zijn beschouwingen werd pas duidelijk toen het mogelijk werd om met
krachtige computers langdurige en nauwkeurige simulaties
uit te voeren van allerhande niet-lineaire systemen. Hiermee werd - waar analytische
methoden niet voorhanden zijn - toch een nauwkeurig beeld verkregen van de globale
structuur van de oplossingen van betreffende niet-lineaire
vergelijkingen. Het blijkt dat het gedrag van de oplossingen van simpele, niet-lineaire
differentiaal vergelijkingen voor een geschikte keuze van parameters zeer chaotisch kan
zijn. Minstens zo belangrijk is dat dit chaotische gedrag,
wanneer we er op een andere manier naar kijken, nieuwe universele structuren aan het
licht brengt. Het is bij deze systemen zo, dat hoewel ze strikt genomen volledig
deterministisch zijn, ze in de praktische zin onvoorspelbaar zijn.
Stel dat men in een computersimulatie een bepaalde beginsituatie specificeert en dan de
machine het traject dat de dynamische variabelen in de tijd doorlopen laat uitreken. Het
kan nu zo zijn dat wanneer men dit computerexperiment
herhaald, het traject er heel anders uitziet! De subtiliteit zit hem in de beperkte
nauwkeurigheid waarmee we de beginvoorwaarden kunnen specificeren (bijv. maar op
tien decimalen nauwkeurig), gecombineerd met de eigenschap van
het systeem dat de tijdevolutie een extreme gevoeligheid heeft voor de
beginvoorwaarden. Dus wanneer we de evolutie van twee praktisch identieke begin
situaties vergelijken vinden we dat de corresponderende toestanden reeds
na zeer korte tijd totaal verschillend zijn. Er treden bifurcaties in de tijdevolutie op: als ik
een seconde later van huis was gegaan had ik nu op mijn werk gezeten en werd ik nu
niet in allerijl per ambulance naar een ziekenhuis vervoerd.
Aangezien in elke realistische fysische situatie de beginvoorwaarden door meting maar
met een beperkte nauwkeurigheid kunnen meten, wordt de voorspellende waarde (die
wiskundig gezien absoluut is) essentieel ondermijnd.
Het goede nieuws - de crisis als creatief moment - is dat dit de hier boven beschreven
deterministische chaos heeft geleid tot de studie van nieuwe meetkundige structuren Fractalen - ruimten met een dimensie die volgens
e gangbare wiskundige definities niet heeltallig is.
Vreemde aantrekkers in de faseruimte
Wanneer wij een grafische voorstelling van een bewegend deeltje geven, geven we de
positie als functie van de tijd weer. Een deeltje dat stil ligt is een horizontale lijn. Een
deeltje met een constante snelheid correspondeert met
een rechte lijn met een constante helling. We kunnen de beweging echter ook anders
weergeven n.l. door de snelheid tegen de positie uit te zetten voor de verschillende tijden,
dan krijgen we de baan die het deeltje in de zogenaamde
faseruimte beschrijft. We moeten ons realiseren dat voor een systeem van N deeltjes de
faseruimte veel-dimensionaal is. Door een punt in de faseruimte van een dynamisch
systeem loopt in het generieke geval één baan. we kunnen de
faseruimte dus opvullen met banen en krijgen zo een idee van de globale structuur van
de oplossingsruimte.
Kijken we bijvoorbeeld naar het systeem van een slinger die we loslaten dan zal deze, als
er geen wrijving zou zijn een strikt periodieke beweging uitvoeren, in de faseruimte
correspondeert de baan met een cirkel. Alle mogelijke banen
vormen concentrische cirkels rond het punt dat correspondeert met de oplossing waarbij
de slinger in rust is op het diepste punt. Wanneer we nu wrijving in rekening brengen zal
de knikker een gedempte oscillatie uitvoeren en na enige tijd
tot stilstand komen. In de faseruimte betekent dit dat alle banen naar binnen spiraliseren
en eindigen op een vast punt. Dit punt representeert een stabiele oplossing van het
systeem en wordt aangeduid met de naam attractor of aantrekker.
Stabiel omdat wanneer we de knikker een klein tikje geven deze er na verloop van tijd
weer in de rusttoestand terug keert.
We zien dat bij het bestuderen van dynamische systemen de attractoren in de faseruimte
van groot belang zijn omdat zij de uiteindelijke evolutie van het systeem karakteriseren.
Attractoren hoeven niet altijd vaste punten te zijn, het kunnen
ook stabiele periodieke of quasiperiodieke oplossingen zijn waarvoor de attractoren
cirkels of tori in de faseruimte zijn. Systemen die echt random of chaotisch zijn doorlopen
de hele faseruimte op een niet voorspelbare manier.
De ontwikkelingen die de laatste tien jaar zo in de belangstelling zijn komen te staan
hebben betrekking op systemen die gekarakteriseerd worden door een zogenaamde
"vreemde aantrekker". De baan is dan bevat in een deelgebied van de fase
ruimte, maar is daarbinnen chaotisch en niet periodiek. De geometrie van de vreemde
attractor is zodanig dat zij het deelgebied niet volledig vult, het is een fractaal. Een
geometrisch object met een fractionele dimensie. Men kan zich zoiets
voorstellen als een soort spons waarvan de vorm zich op alle lengteschalen herhaald. Als
we een foto van een klein deel van de spons maken en die vervolgens vergroten is deze
niet te onderscheiden van een foto op ware grootte.
Een schaalinvariante geometrie waarvan de structuur zichzelf op alle lengteschalen
herhaald. Vanuit de nietlineaire dynamica is wellicht het meest verbazingwekkende, niet
dat chaotisch en complex gedrag mogelijk is, maar dat uitermate
simpele systemen die door een eenvoudig stelsel keurige differentiaal vergelijkingen
beschreven worden zulk gedrag vertonen. Het heeft een nieuwe impuls gegeven aan de
studie van niet-lineaire differentiaalvergelijkingen, een gebied
waar de standaard methoden die zo succesvol waren bij de studie van lineaire
vergelijkingen volslagen ontoereikend zijn. Het blijkt dat vele realistische systemen die
chaotisch gedrag vertonen met behulp van vreemde aantrekkers
gemodelleerd kunnen worden. De jacht op vreemde attractoren en deterministische
chaos in fysische, biologische, ecologische, economische, klinische en klimatologische
systemen vult inmiddels menig tijdschrift. In de fysica heeft
het de hoop doen opleven dat de relatief eenvoudige hydrodynamische vergelijkingen
toereikend zijn om een beschrijving te geven van turbulentie in vloeistoffen, 챕챕n van de
belangrijkste nog openstaande problemen in de klassieke fysica.
Fractalen
Fractale structuren blijken nauw verbonden met de complexe vormen die in onze
natuurlijke omgeving alom aanwezig zijn. Een varenblad, kustlijn, sneeuwkristal of
vloeistofstroom. Ik verwijs naar het beroemde boek van Benoit Mandelbrot
getiteld "The fractal geometry of Nature" en naar het werk "The Beauty of Fractals" van
Peitgen en Richter, waarin de complexe structuren van eenvoudige dynamische
systemen op indrukwekkende wijze in beeld worden gebracht.
Hieronder volgt een verdere beschrijving van een beroemde fractaal die de Mandelbrot
set wordt genoemd. Het is een prachtige voorbeeld van hoe verregaande complexiteit
gegenereerd wordt door een zeer eenvoudig ``dynamisch systeem''.
Voor het bestuderen van fractalen is het niet nodig een continu dynamisch systeem te
analyseren, het is doeltreffender om een proces te beschouwen dat discrete tijdstappen
maakt. De tijdevolutie wordt dan beschreven door een
discrete afbeelding. Het een voudigste voorbeeld van een discrete afbeelding is typisch
een voorschrift dat gegeven een getal een nieuw getal produceert, wanneer men dit
voorschrift blijft herhalen verkrijgt men een discreet dynamisch proces.
Men kan zich ook voorstellen dat men in plaats van re챘le getallen (d.w.z. punten op een
lijn) complexe getallen neemt (d.w.z. punten in een vlak). We kunnen zo'n punt
vastleggen door de afstand tot de oorsprong r en de hoek die de lijn
door het punt en de oorsprong met de horizontale coordinaat as maakt. Deze hoek ligt
tussen 0 en 360 graden. We kunnen alle operaties zoals vermenigvuldigen en delen ook
definieren voor complexe getallen. Als en twee complexe
getallen voorstellen en hun produkt, dan is per definitie de straal gelijk aan het produkt
van en terwijl de hoek gelijk is aan de som van en (modulo 360 graden natuurlijk). Met
de eenvoudige regels voor het "vermenigvuldigen" en
"optellen" van punten in een vlak kan men een discreet proces beschrijven waarbij het
punt zich sprongsgewijs over het vlak beweegt. Mandelbrot bestudeerde het proces met
het voorschrift . waarbij c een constante complexe parameter
die het proces karakteriseerd. Wanneer we c=0 (d.w.z. de oorsprong) kiezen is het niet
moeilijk om te zien wat het proces doet. Punten met een straal groter dan 1 zullen zich
voor toenemende n van de oorsprong afbewegen naar het oneindige
omdat de straal bij ieder stap met zichzelf, d.w.z. een getal groter dan 1, vermenigvuldigt
wordt. De omgekeerde redenering is geldig voor punten met een straal kleiner dan één,
deze eindigen allemaal in de oorsprong.
De verzameling van punten met een straal precies gelijk aan 챕챕n speelt een bijzondere
rol, deze wordt op zichzelf afgebeeld, sommige punten beschrijven een periodieke baan
op de cirkel andere niet.
Een interessante vraag is nu wat er gebeurt met deze cirkel als we c niet langer gelijk
aan nul kiezen. Het blijkt dat deze verzameling een fractale curve wordt, een grillige,
zichzelf op alle schalen herhalende curve, waarvan de vorm weer
afhangt van de keuze van hoek en de straal van c. Voor kleine waarden van c is het nog
een gesloten curve maar als we c in een bepaalde richting laten toenemen wordt hij
steeds grilliger om bij een critische waarde in een aantal fractionele
objecten uiteen te vallen.
De set van critische c-waarden (dit is de rand van de befaamde Mandelbrot set) is zelf
ook weer een samenhangend fractaal object van ongekende complexiteit en schoonheid.
De illustratie laat een willekeurig detail van deze rand zien.
Dat in een simpele afbeelding als die van Mandelbrot zoveel structuur verborgen zit
suggereert dat de complexiteit die we in de natuur tegenkomen niet meer is dan
onvoorstelbaar mooi verpakte eenvoud.
Van chaotisch individueel naar ordelijk collectief gedrag
Gas en water
Tot nog toe hebben we gesproken over de vergelijkingen die voor de fundamentele
deeltjes en de daarop werkende krachten geldig zijn. In het alledaagse leven speelden
gassen, vloeistoffen en vaste stoffen een belangrijke rol en dit leidde vanzelfsprekend al
in een vroeg stadium tot het formuleren van theorie챘n die het gedrag van deze continue
media beschreven in termen van macroscopische variabelen zoals temperatuur, volume,
druk , dichtheid, stroomsnelheid enz. Voor systemen die in evenwicht verkeren zijn dat de
wetten van de thermodynamica. Voor niet-evenwichts situaties werden
hydrodynamische- en andere transportvergelijkingen ontwikkeld. Deze theorie챘n werden
aanvankelijk als onafhankelijke fundamentele wetten gepostuleerd.
Het besef dat continue media samengesteld zijn uit enorme aantallen miniscule deeltjes de moleculaire hypothese - won pas tegen het eind van de vorige eeuw veel terrein.
Deze hypothese impliceerde dat de macroscopische vergelijkingen van de
thermodynamica an de hydrodynamica afgeleid moesten kunnen worden uit de
microscopische vergelijkingen van Newton en Maxwell voor de individuele moleculen.
In eerste instantie is men geneigd om dit probleem af te doen als een praktisch,
rekentechinisch probleem. We kunnen immers de vergelijkingen voor alle individuele
deeltjes neerschrijven en deze dan met een gigantische computer oplossen. Het gaat in
werkelijkheid echter om onvoostelbare aantallen vergelijkingen ( een maat hiervoor is het getal van Avogadro) dit maakt een praktische uitvoering ondenkdaar. Afgezien
hiervan, gaat dit voorbij aan de eigenlijke vraagstelling. Het gaat er juist om dat onze
alledaagse gewaarwordingen nou eenmaal betrekking hebben op macroscopische
eigenschappen zoals temperatuur en druk enz. die voor een individueel deeltje niet
gedefinieerd zijn. Veel-deeltjes systemen kunnen bovendien collectief gedrag vertonen
dat heel moeilijk te herleiden is tot de eigenschappen van individuele deeltjes, men kan
hierbij denken aan het verschijnsel van fase overgangen zoals condenseren, smelten of
verdampen.
Statistische mechanica
Het uitgangspunt bij de beschrijving van collectieve verschijnselen moet zijn dat onze
kennis van de toestand waarin ieder afzonderlijk molecuul zich bevindt zeer beperkt is, dit
maakt dat het probleem zich leent voor een statistische beschrijving. We kennen aan de
mogelijke toestanden van de individuele moleculen een waarschijnlijkheid toe. Het is
deze kansverdeling die een centrale rol speelt in wat met recht de statistische mechanica
wordt genoemd. De statistische mechanica legt het verband tussen de microscopische
eigenschappen van de moleculen en hun wisselwerkingen, en de uiteindelijke
macroscopische variabelen en parameters en hun relaties. Zoals iedere
verzekeringsagent, enq챗teur of gokverslaafde weet, worden statistische uitspraken
buitengewoon effectief en betrouwbaar wanneer het om grote aantallen (onafhankelijke)
gebeurtenissen, of in dit geval deeltjes, gaat. De macroscopische variabelen zoals
temperatuur en druk corresponderen in dit beeld met de gemiddelden van
microscopische variabelen zoals energie en impuls. Toeval en chaos op het niveau van
de individuele deeltjes sluiten collectief determinisme geenszins uit. De kansverdeling
van eigenschappen over de individuele deeltjes heeft een objectieve betekenis die de
eigenschap van ieder deeltje op zich niet heeft, en deze verdeling blijkt te voldoen aan
rigoreuze vergelijkingen. Het blijkt dat een zinvolle en preciese beschrijving van
collectieve verschijnselen mogelijk is wanneer wij onze onwetendheid van het individu
maar op de juiste wijze quantificeren.
Entropie: een maat voor wanorde
Een belangrijk maar subtiel begrip uit de thermodynamica is de "entropie". Entropie is
een maat voor de wanorde van de toestand waarin het systeem zich bevindt. Hoe meer
chaos hoe groter de entropie. De tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat bij
een proces van een gesloten systeem de entropie toeneemt of gelijk blijft. Systemen
neigen kennelijk tot wanorde. Dit lijkt een diepzinnige uitspraak maar de reden is
simpelweg dat wanordelijke toestanden meer waarschijnlijk zijn, en dat het systeem van
een minder waarschijnlijke naar een meer waarschijnklijke toestand gaat. Iedereen is met
dit verschijnsel vertrouwd. Wanneer wij in een glazen pot de onderste helft vullen met
bruine bonen en de bovenste met witte bonen en vervolgens gaan schudden zullen de
bonen uiteindelijk volledig mengen: de geordende toestand gaat over in de meest
ongeordende met maximale entropie. De wet is statistisch van aard: we kunnen in
principe niet uitsluiten dat bij lang schudden de ontmengde toestand zich weer voordoet,
maar het is zeer, inderdaad zeer onwaarschijnlijk.
Het blijkt dat men om de de entropie te verminderen men warmte aan het systeem moet
onttrekken, bij een lagere temperatuur zal het aantal mogelijke toestanden waarin het
systeem zich kan bevinden afnemen. Wanneer we het systeem nu afkoelen tot het
absolute nulpunt (-273 C), bevindt het zich in een laagste energie toestand en zal in
principe de entropie dus verwaarloosbaar klein worden. Hebben we hiermee de
mogelijkheid om waarschijnlijkheid te reduceren tot zekerheid, om absolute orde op
zaken te stellen? Het antwoord op deze vraag luidt ontkennend omdat we dan te maken
krijgen met een fundamentelere onzekergheid die het gevolg is van de
quantummechanische eigenschappen van de natuur op microscopisch niveau. We
komen hier later op terug.
De richting van de tijd
Er is een ander aspect van de fysische werkelijkheid dat evident is, maar allerminst
vanzelfsprekend. Ik doel op het simpele feit dat de tijd een richting heeft. Iedereen wordt
ouder. Water komt uit de douche en gaat er niet in. Dynamische processen zijn vaak
onomkeerbaar en bepalen daarmee een richting in de tijd. Deze eigenschap is echter
macroscopisch van aard en hangt nauw samen met het begrip entropie. De
onderliggende microscopische vergelijkingen, zoals die van Newton en Maxwell, zijn
namelijk symmetrisch onder omkering van de tijdrichting. Ze beschrijven omkeerbare
processen. Als we de snelheden van alle deeltjes omkeren doorlopen we het dynamisch
proces in omgekeerde richting en dat omgekeerde proces is ook een oplossing van de
vergelijkingen. Maar bij het middelen over de mogelijke toestanden van de individuele
deeltjes verruilen we microscopische informatie voor macroscopische zoals temperatuur,
druk en entropie. Het is in dit middelingsproces dat de richting van de tijd een objectieve
macroscopische betekenis krijgt. Het zo챘ven beschreven mengproces van twee soorten
bonen defini챘erd een unieke tijdrichting. De statistische mechanica illustreert ook hier
dat het collectief eigenschappen heeft, die op het niveau van het individu niet te duiden
zijn.
De fysica voltooid?
Aan het eind van de 19de eeuw leek het of de natuurkunde afstevende op zijn definitieve
voltooiing, alle waargenomen verschijnselen bevestigden de toen bekende fundamentele
wetten. Het resterende probleem leek slechts nog het verder oplossen van de
corresponderende wiskundige vergelijkingen te zijn. Het menselijk vernuft had
gezegevierd over de chaos van de ons omringende materi챘le werkelijkheid. Men had de
regels waarmee in principe de toekomst eenduidig kon worden vastgelegd in handen. Het
enige wat ons nog vermocht te verbazen was de willekeur van de begintoestand.
Het heeft niet zo mogen zijn. In de eerste decennia van deze eeuw barstte de hel weer
los en leek chaos weer toe te slaan. Dit was aanleiding tot twee radicale keerpunten in
ons denken over de natuur: de relativiteitstheorie en de quantummechanica. De reden
dat deze revoluties zo lang op zich hebben laten wachten is dat beiden betrekking
hebben op verschijnselen die buiten het gebied van onze directe zintuiglijke ervaring
liggen. Voornoemde theorie챘n geven een belangwekkende verklaring en bestaansgrond
voor de door ons waargenomen werkelijkheid. Maar ook in de wetenschap is er geen
laatste woord en blijven we gevangen in de onvoltooid verleden tijd.
De ultieme confrontatie met onvoorspelbaarheid
Quantumrealiteit
De meest ingrijpende omwenteling in ons begrip bracht de quantummechanica te weeg .
Het bleek dat de wetten van van de klassieke Newtonse mechanica voor processen op
een microscopische schaal hun geldigheid verloren. Een drastische conceptuele revisie
van ons denken over de fundamentele beschrijving van fysische processen was het
gevolg: de de quantummechanica. Daarbij gaat het niet om een specifiek model maar om
een zeer algemeen principe dat op alle fysische systemen van toepassing is. Een
belangrijk kenmerk van de quantummechanica is de quantisatie of discretisatie van de
toestanden waarin systemen zich kunnen bevinden. Het is verhelderend om dit aspect te
illustreren aan een model voor een eenvoudig atoom. Dit atoom is een systeem van twee
tegengestelde ladingen die elkaar aantrekken en dus om elkaar heen draaien. Volgens
de klassieke natuurkunde zal dit eenvoudige systeem continu energie verliezen
(d.m.v.electromagnetische straling) totdat de ladingen op elkaar vallen. M.a.w. het
simpele model voor een atoom , waarbij electronen met negatieve lading om een positief
geladen kern draaien, is klassiek gezien instabiel en is alszodanig onhoudbaar. In dit
geval was het model van twee tegengestelde ladingen wel juist en bleek de tegenspraak
een gevolg van het feit dat de wetten van de klassieke fysica niet geldig waren! In de
quantum mechanica ligt dat anders, het systeem kan zich alleen in bepaalde discrete
toestanden bevinden en het electron kan zich alleen in bepaalde banen rond de kern
bewegen. Zo is er altijd een stabiele laagste energietoestand of grondtoestand. Wanneer
het atoom overgaat van de ene discrete toestand naar een andere met lagere energie
zendt het licht uit met een frequentie die correspondeert met het energie verschil tussen
de beide toestanden. Omgekeerd is het zo dat als we hoogfrequent licht op een atoom
schijnen de electronen dit absorberen om vervolgens in hogere toestanden te gaan
zitten. De energieniveaus zijn dus de primaire reden van het feit dat materialen een
specifiek discreet spectrum van kleuren uitzenden. Voldoende hoogfrequent licht zal de
electronen vrij maken van de kern en het atoom ioniseren. Het belangrijkste van de
quantummmechanica is dat zij de verklaring geeft voor de stabiliteit en structuur van de
atomen. De verklaring voor het periodieke systeem van de elementen. Deze stabiliteit
betekent het bestaan van elementaire bouwstenen waarmee de natuur structuren kan
opbouwen van een steeds grotere complexiteit. Atomaire en moleculaire stabiliteit is een
absolute voorwaarde voor het bestaan van elke vorm van evolutie.
Onzekerheidsrelaties
De ultieme confrontatie met toeval en onvoorspelbaarheid vond plaats in het kader van
de quantummechanica. De toestand waarin een deeltje zich bevindt wordt hier niet langer
gegeven in termen van de positie en snelheid van dat deeltje, maar in termen van een
"golffunctie", dat is een complexe functie van de positie en de tijd. De evolutie vergelijking
voor de golffunctie is de bekende Schr철dinger vergelijking en deze neemt in de
quantummechanica de plaats van de Newtonvergelijkingen in. Kennis van de golffunctie
op een bepaald tijdstip legt de uitkomst van een meting van de dynamische variabelen
van het deeltje - zeg de positie en de snelheid - niet uniek vast. De golfffunctie wordt ook
wel waarschijnlijkheidsamplitude genoemd wanneer we de absolute waarde van de
golffunctie kwadrateren krijgen we de waarschijnlijkheid dat het deeltje zich ten tijde t in
de positie x bevindt. Het verbazingwekkende is dat wij op een fundamenteel niveau aan
een deeltje niet tegelijkertijd een preciese positie x en snelheid v (of impuls p=mv)
kunnen toekennen! Als we de onzekerheden in deze grootheden en noemen voldoen
deze aan de onzekerheids relaties van Heisenberg die stellen dat hun produkt minimaal
gelijk is aan de constante van Planck . Deze constante van Planck is in feite erg klein en
daarom te verwaarlozen bij macroscopische beschouwingen, en zoals we uit ervaring
maar al te goed weten is een klassieke beschrijving in dat geval adekwaat. Wij kunnen de
positie en snelheid van een voetbal op een gegeven tijdstip beiden met grote precisie
bepalen.
Een gevolg van de quantumbeschrijving is dat deeltjes zich ook als golven kunnen
manifesteren, en eigenschappen vertonen zoals buiging en interferentie die we typisch
met golfverschijnselen associ챘ren. Het is deze onderliggende deeltjes-golf dualiteit, die
aanvankelijk vele vragen opwierp naar de werkelijkheidsgehalte en de volledigheid van
de quantummechanische beschrijving. Juist het probabilistische karakter van de
beschrijving in termen van de golffunctie - die zelf niet objectief meetbaar is suggereerde dat er wellicht nog andere fundamentele dynamische variabelen zogenaamde verborgen variabelen - het systeem karakteriseren en waarover wij niets
weten. Gebrek aan gedetailleerde kennis zou de oorzaak van een statistisch gedrag
kunnen zijn, net zoals dat in de statistische mechanica het geval was. De situatie is hier
echter fundamenteel anders. Men heeft kunnen aantonen dat een theorie met locale
verborgen variabelen onverenigbaar is met de waargenomen quantummechanische
eigenschappen van de natuur. De quantumwerkelijkheid bevat een essentiele
onbepaaldheid, waardoor onze naieve intuitie ten aanzien van fundamentele dynamische
variabelen en processen ernstig te kort schiet. De essenti챘le verschillen tussen quantum
en klassieke fysica zijn op onontkoombare wijze bevestigd in een zondvloed van
experimenten die op bijna alle aspecten van de natuurkunde betrekking hebben.
Quantummechanica is een doctrine die fundamenteel indeterministisch is, maar die paradoxaal genoeg - wel de grote vari챘teit aan stabiele vormen en structuur verklaart.
Van Chaos naar Kosmos: het dynamisch heelal
Relativiteit
Voor het ontstaan van de quantummechanica was er nog een belangrijke doorbraak die
de klassieke natuurkunde van Newton op zijn grondvesten deed schudden. Dat was de
ontwikkeling van de relativiteitstheorie , een theorie waarmee de naam van Einstein
onverbrekelijk verbonden is.
In eerste instantie ging het om de speciale relativiteitstheorie, hierin werd gepostuleerd
dat (i) fysische wetten voor waarnemers die eenparig ( met constante snelheid)
tenopzichte van elkaar bewegen dezelfde vorm hebben en (ii) dat de lichtsnelheid in
vacuum voor al zulke waarnemers dezelfde universele eindige waarde heeft. Deze
laatste uitspraak staat haaks op onze alledaagse ervaring met het optellen van
snelheden. Immers, wanneer iemand vanuit een rijdende trein een voorwerp naar mij toe
gooit komt dat aan met een snelheid die de som is van de snelheid van de worp en de
snelheid van de trein. Deze redenering gaat echter niet op voor licht, als voornoemd
persoon een lamp aansteekt is het vreemde dat het licht voor de reiziger en voor mij
dezelfde snelheid heeft! Waar de quantummechanica afrekent met onze naieve
verwachtingen als we systemen op kleine afstandsschalen beschouwen, doet de
relativiteitstheorie dat wanneer deeltjes snelheden hebben die vergelijkbaar zijn met die
van het licht. De nieuwe bewegingsvergelijkingen breken in feite met het begrip van een
absolute ruimte en tijd. We moeten uitgaan van een vierdimensionale ruimtetijd waarbij
het onderscheid tussen dat we maken tussen wat we ruimte en tijd noemen afhangt van
de bewegingstoestand van de waarnemer.
De later geformuleerde algemene relativiteitstheorie gaat nog een stap verder, daarin
wordt de ruimtetijd zelf een dynamische variabele. De ruimte en tijd vormen niet langer
een objectief kader waarbinnen zich fysische processen afspelen, maar nemen zelf actief
deel aan die processen en worden door de wisselwerking met de aanwezige materie en
straling voortdurend vervormd. De fysische manifestatie van die kromming in de ruimtetijd
is niets anders dan de zwaartekracht. De algemene relativiteitstheorie geeft een
geometrische interpretatie van gravitatie. Niet alleen geeft deze theorie de beschrijving
van tal van subtiele gravitationele effecten welke experimenteel nauwkeurig gemeten zijn,
maar ook geeft zij de dynamische beschrijving van zulke spectaculaire zaken als zwarte
gaten en de kosmos als geheel. De Einsteinvergelijkingen zijn in feite de
evolutievergelijkingen voor de ruimtetijd en vormen aldus de conceptuele basis voor de
studie van het heelal als een dynamisch systeem. Op de vraag naar het ontstaan en de
ontwikkelingsgang van de kosmos kan op een zinvolle en quantitatieve wijze worden
ingegaan. Zo leerden waarnemingen in de twintiger jaren dat ons heelal uitdijend is. Door
deze en andere waarnemingen in het kader van de Einsteinvergelijkingen te interpreteren
kwam men uiteindelijk tot het moderne oerknal model voor de evolutie van heelal, waarin
een oerfase van atomaire en moleculaire evolutie een belangrijk onderdeel vormt.
Het vroege heelal
Het belangrijkste gevolg van de quantumtheorie is dat zij de verklaring geeft voor de
fundamentele architectuur van materie en daardoor ook voor de onvoorstelbare diversiteit
van zijn verschijningsvormen. Wanneer we dit combineren met de kosmolgische
vergelijkingen van de relativiteitstheorie ontstaat een model voor de evolutie van het zeer
vroege heelal waarbij orde ontstaat uit chaos. In dit hete oerknal model begon het heelal
zo'n 15 miljard jaar geleden in een toestand van extreem hoge dichtheid en extreem
hoge temperatuur. Dit heelal dijde snel uit waardoor dichtheid en temperatuur continu
afnamen. Bij het koelen van het heelal nam de gemiddelde energie per deeltje steeds
verder af waardoor de elementaire deeltjes stabiele verbindingen konden gaan vormen
volgens de quantummechanische principes. Materie kon zich in toenemende mate
organiseren. In den beginne was er een toestand van totaal gestripte, ge챦oniseerde
materie, een oersoep van de meest elementaire deeltjes typen zoals kwarks en
electronen. Na voldoende expansie d.w.z. afkoeling groepeerden drietallen kwarks zich in
zogenaamde protonen en neutronen die op hun beurt weer de bouwstenen van stabiele
waterstof en helium kernen vormden. Vervolgens combineerden deze kernen zich met de
aanwezige electronen tot stabiele, electrisch neutrale atomen, en werd het heelal
doorzichtig (dus in den beginne was er dus geen licht, dat kwam pas na ongeveer
300.000 jaar).
Toen alle materie in een electrisch neutrale vorm aanwezig was werd op lang afstand de
zwaartekracht overheersend: de neutrale materie ging samentrekken in dichte gaswolken
waaruit uiteindelijk sterrenstelsels, sterren en planeten ontstonden. In het binnenste van
sterren waren de condities zodanig (grote dichtheid en hoge temperatuur) dat door
ingewikkelde ketens van kernfusieprocessen steeds ingewikkeldere zware kernen
ontstonden (zoals zuurstof, koolstof en ijzer). In deze kern-evolutie. werd het bekende
periodieke systeem van de stabiele elementen stap voor stap gerealiseerd. Sterren
komen aan hun eind met een gigantische explosie (een supernova), waarbij de gevormde
materie de ruimte in wordt geslingerd, waarna een nieuwe formatie poging kan
aanvangen. Ons lichaam is dus opgebouwd uit atomen die ooit in het binnenste van een
ster voor ons gebrouwen zijn! Bij verdere afkoeling vormden de atomen moleculen. weer
later organiseerden de moleculen en atomen zich afhankelijk van de omstandigheden in
vaste vorm als perfect geordende kristallen of meer amorfe stollings gesteenten. En zo
konden de aardse omstandigheden zich uiteindelijk hier, maar vermoedelijk ook elders in
het heelal voordoen. Het proces van moleculaire evolutie dat vooraf ging aan het onstaan
van leven, kwam op gang.
De biologische evolutie
Op onze planeet bleken door een subtiel samenspel van factoren, de aanwezigheid van
water, een atmosfeer bij een geschikte temperatuur, de omstandigheden zo te zijn dat
zeer ingewikkeldere organische moleculen zich konden vormen en stabiliseren.In zeer
korte tijd ontstonden structuren van een duizelingwekkende complexiteit, aminozuren en
eiwitten; de bouwstenen van het leven dat 3.5 miljard jaar geleden ontstond (een miljard
jaar na het ontstaan van de aarde). Zijn er metasfysische krachten aan het werk bij de
totstandkoming van levende organismen, en het behoeden daarvan tegen het verval dat
de entropiewet lijkt voor te schrijven. Ik zou denken van niet. Bij het ontstaan van
complexe organismen wordt zonder twijfel een enorme orde geschapen als gevolg van
de quantummechanische principes, de tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt
alleen dat de totale entropie van organisme plus omgeving zal toenemen. De afname van
de entropie binnen het organisme wordt ruimschoots gecompenseerd door de toename in
de omgeving, dit in de vorm van warmte die door het organisme geproduceerd en
afgestaan wordt.
Het is opmerkelijk dat de wetenschap in zijn onderzoek naar de fundamentele structuur
van de materie in feite de weg van de kosmische ontstaansgeschiedenis in de
omgekeerde richting aflegt: van de levende natuur terug naar de kwarks waar de oersoep
van gemaakt was.
Het moleculaire denken heeft via de genetica zijn intrede gedaan in de biologie. Met de
ontdekking van de structuur van het DNA werd de sleutel gevonden tot het
reproducerende vermogen van de levende cel. En daarmee tot het mechanisme van de
evolutie. Enerzijds maakt de grote stabiliteit van het genetisch materiaal bij de normale
vermenigvuldiging binnen het organisme (celdeling) de cel tot een universele bouwsteen
voor steeds hogere organismen. Anderzijds treedt er voortdurend variatie op in het
erfelijk materiaal, hetzij door mutatie, hetzij door het radicale recombinatiemechanisme
van de voortplanting. Variatie garandeert een flexibele respons op een veranderende
omgeving. Varianten die goed passen in de omgeving hebben betere overlevinskansen
en worden geselecteerd en geprolongeerd wegens succes. De homo erectus is slechts 2
miljoen jaar oud. Het is verbazingwekkend dat de selectieve terugkoppeling van het
evolutie mechanisme zo efficient is.
Toekomstscenarios
De evolutie is nu in een fase beland dat de biologische evolutie overschaduwd wordt door
wat we een culturele en sociale evolutie noemen. De veranderingsprocessen in de mens
lijken enorm versneld te zijn door hun vermogen om te leren en kennis over te dragen.
Het is de evolutie van het bewustzijn die overheerst en die meer en meer bepaalt hoe
onze toekomst eruit zal zien. We hebben duidelijk invloed op onze eigen culturele en
morele evolutie. Vragen hoe onze geestelijke vermogens precies fysisch
geimplementeerd zijn en welke factor zij vormen in onze genetische gesteldheid zijn van
groot belang. Onderzoek naar het functioneren van geheugen en bewustzijn staan
centraal in de wetenschap. Met de verbijsterende vooruitgang op het gebied van
genetische kennis en manipulatie is de vraag zeker gerechtvaardigd of wij op een goed
moment niet ook zelf het heft in handen zullen nemen bij de verdere biologische evolutie
van de mens.
Hoe dan ook, de fysische condities die leven mogelijk maken op aarde, kunnen niet tot in
de eeuwigheid voortduren . De dag dat de zon al zijn nucleaire brandstof verstookt heeft
zal immers de laatste zijn. Wellicht behoort een massale emigratie naar een ander
zonnestelsel tegen die tijd tot de mogelijkheden.
Tenslotte kunnen we ook vragen naar het ultieme lot van het heelal als geheel. Hierover
geeft de relativiteitstheorie tot op zekere hoogte uitsluitsel. Wanneer er veel materie in
het heelal is noemen we het heelal gesloten, d.w.z. dat het op een goede dag weer zal
gaan inkrimpen en opwarmen. We gaan dan de omgekeerde weg: alles zal verbranden
en gedoemd zijn in een finale Big Crunch. Wanneer er te weinig materie is om het heelal
te sluiten zal het verder uitdijen, en is het mogelijk dat alle materie uiteindelijk zal
vervallen in de lichtstdenkbare vorm van materie en lading. Tenslotte is er de
interessante mogelijkheid dat er een critische hoeveelheid materie is die er voor zorgt dat
ons heelal uiteindelijk precies op de grens tussen uitdijing en inkrimping balanceert.
Schattingen van de totale massa in de vorm van zichtbare materie (sterren e.d.)
suggereert dat er te weinig materie is om het heelal te sluiten. Daar staat tegenover dat
er evidentie is dat niet alle materie ``zichtbaar'' is, de massa in ons heelal bestaat wellicht
voor het merendeel uit zogenaamde ``donkere materie'' die wel gevoelig is voor de
zwaartekracht maar niet voor de electromagnetische wisselwerking.
Er zijn al met al dus sterke aanwijzingen dat de Kosmos terug zal keren tot Chaos. Zonde
eigenlijk.
Conclusies
We zijn ingegaan op de lange geschiedenis van het begrip chaos in de fysica. Wanorde
en onzekerheid kunnen tot op zekere hoogte onschadelijk gemaakt worden en hebben
het formuleren van preciese vergelijkingen nooit echt in de weg gestaan. Het daarbij
ontstane begrippenkader heeft ook buiten de fysica zijn nut bewezen, maar heeft ook zijn
begrenzingen. De vraag of er aspecten van de werkelijkheid zijn, die zich niet lenen voor
een wetenschappelijke analyse blijft gerechtvaardigd. We mogen ons echter ook
verbazen over hoe ver de grenzen van ons begrip in de loop van luttele eeuwen zijn
verlegd, en dat schept natuurlijk nieuwe verwachtingen.
Kristallisaties
NAALDJES VAN KRISTALLEN
(Dirk Draulans)
Als water bevriest, vormt het prachtige kristallen: sneeuw en ijs. 쨉
Polymeren en legeringen van metalen doen hetzelfde: als ze afgekoeld
worden kristalliseren ze uit in vaak schitterende structuren.
Lang niet alles is bekend over de manier waarop de natuur deze kristallen
organiseert, maar er wordt wel veel onderzoek naar verricht.
Natuurkundigen presenteren in het vakblad Nature Materials nu de
resultaten van simulatieoefeningen in verband met de vorming van
kristallen. Daaruit blijkt onder meer dat hoe meer onzuiverheden er in een
vloeistof zitten, hoe ingewikkelder het kristalpatroon is dat bij afkoeling
ontstaat.
Zelfs de incorporatie van die ongewenste deeltjes in de structuur volgt
ijzeren wetmatigheden. Kristalvorming begint met piepkleine naaldjes die
allemaal in dezelfde richting wijzen. Maar als zo'n kristalnaaldje op een
onzuiverheid botst, moet het daar iets mee doen. En omdat de weg vooruit
soms geblokkeerd is, moet het naaldje een andere richting kiezen, wat
dan een vertakking oplevert. Die vervolgens evolueert volgens dezelfde
wetten als het origineel voor de vervuiler in het spel kwam.
Ook het afkoelen van de vloeistof tot een eind beneden zijn normale
vriespunt levert extra vertakkingen op, zelfs in afwezigheid van
onzuiverheden. Dat komt omdat de snelheid waarmee kristallen zich in
een bepaalde richting draaien, in zulke omstandigheden lager is dan
normaal. Waardoor er meer afwijkingen ontstaan.
Sneeuwvlokken onder de microscoop
Sneeuwvlok onder een microscoop. Foto: akirathedon.com
door Peter Zantingh
Wetenschap
Dat geen sneeuwvlok hetzelfde is, is inmiddels een weetje dat elke winter wel door
iemand aangehaald wordt. Toch is het erg bijzonder dat veelbesproken onderwerp eens
van heel erg dichtbij te bekijken.
Foto’s van akirathedon.com.
Sneeuwkristallen betrapt
-erbe
http://www.kennislink.nl/publicaties/sneeuwkristallen-betrapt
SAMENVATTING Wat wit uit de winterhemel dwarrelt, is vaak het onderwerp van intensief speurwerk geweest.
Hoe worden sneeuwkristallen gevormd en hoe komt het dat ze zo vaak verschillen? Om dergelijke vragen op te
lossen, was het eerst nodig een methode te vinden om ze te vangen.
Carl Koppeschaar
Kennislink (ism Carl Koppeschaar)
09 januari 2003
Wat wit uit de winterhemel dwarrelt, is vaak het onderwerp van intensief speurwerk
geweest. Hoe worden sneeuwkristallen gevormd en hoe komt het dat ze zo vaak
verschillen? Om dergelijke vragen op te lossen, was het eerst nodig een methode
te vinden om ze te vangen.
Als hij ze voor het eerst ziet vallen, springt Charles Knight een gat in de lucht. Wat
aanvankelijk heel aarzelend begint als het neerdwarrelen van een fijn, wit poeder, groeit
al snel uit tot een echte, gierende sneeuwstorm. De winter is in de Rocky Mountains al
een maand geleden begonnen. Maar tot nog toe was er geen sneeuwvlok gevallen.
Knight aarzelt dan ook geen moment. Hij rent naar zijn laboratorium, grijpt onderweg naar
een dikke jas en bereikt hijgend het vreemde gebouw met een gat in het dak.
“Dat gat zit er niet voor niets, maar dat zul je straks wel zien,” merkt Knight buiten adem
op. In de tussentijd zet hij een bivakmuts op en is druk in de weer ondiepe, glazen
schaaltjes te vullen met hexaan. Dat is een vloeistof die zich niet met water mengt en die
bovendien bij zeer lage temperatuur bevriest. Pas dan valt het op hoe koud het in het
laboratorium eigenlijk is. Het is niets anders dan een reusachtige koelcel, waarin de
temperatuur constant op -15oC wordt gehouden! Als Knight de schaaltjes voorzichtig
onder het gat in het dak plaatst, wacht hij vol spanning tot er een sneeuwvlok in valt.
Daarna labelt hij de schaaltjes met datum en tijdstip, en vervangt ze stuk voor stuk. “Zo
bewaar is sneeuwvlokken dagenlang,” legt hij – nog steeds minutieus naar de schaaltjes
turend – uit. “Op een later tijdstip haal ik ze voorzichtig uit elkaar. Kristal voor kristal, en
die fotografeer ik onder een microscoop. Nog vóórdat zo’n sneeuwkristal smelt, is zijn
structuur dan voor altijd vastgelegd.”
Charles Knight is meteoroloog, verbonden aan het National Center for
Atmospheric Research in Boulder, Colorado.
Al jarenlang probeert hij een verband te zoeken tussen de vorm van een sneeuwkristal,
het type weer en het tijdstip van de val uit de wolk. Dat hij daarbij maar stukje bij beetje,
winter voor winter, verder komt, deert hem niet.
“Uit de structuur van een sneeuwkristal is al voor een groot deel af te leiden onder
welke condities de sneeuw is ontstaan,” zegt Knight.
“Ook kunnen we ons een tamelijk goede voorstelling maken van de manier waarop
het basistype sneeuwwolk zich ontwikkelt. Voor het ontstaan van sneeuw zijn in
ieder geval vrieskernen nodig: kernen, waar zich sneeuwkristallen omheen
vormen. Dat zijn meestal kleideeltjes of stofjes. Maar het kunnen ook minuscule
zoutkristallen uit een woelige branding zijn. Of roet en teer, en zwaveldioxide uit
industriële vervuiling of afkomstig van een bosbrand. Zelfs bacteriën kunnen – zo
ontdekte Steven Lindow van de Universiteit van Wisconsin eind vorige eeuw –
sneeuwbuien veroorzaken. Zo vullen we langzaam maar zeker de hiaten van onze
kennis in.”
Sneeuwbuien, ontstaan door het toedoen van bacteri챘n?
E챕n van de praktische toepassingen van het onderzoek van sneeuwkundigen als
Lindow en Knight is het maken van kunstmatige sneeuw met behulp van bacteri챘n. Op
skipistes gebeurde dat normaal met samengeperste lucht en sterk onderkoelde
waterdruppels. Het nadeel daarvan is dat het mengsel eerst tot -10oC moet worden
gekoeld voordat de sneeuw zich uitkristalliseert. Maar sinds is ontdekt dat de bacterie
Pseudomonas syringae in zijn buitenste membraan een eiwit aanmaakt dat de
kristalvorming van ijs bevordert, worden tegenwoordig ook gevriesdroogde bacteri챘n
aan de sneeuwkanonnen toegevoegd.
De temperatuur waarbij de kunstmatig opgewekte sneeuw kan worden gemaakt, is
daardoor toegenomen tot -3oC.
De bacteri챘n worden onder de handelsnaam Snomax op de markt gebracht. Een
gemiddeld wintersportgebied heeft 100 tot 500 kg bacteri챘n nodig heeft om in 챕챕n
seizoen 400 miljoen liter water om te zetten in kunstmatige sneeuw.
Zijn er ook gevaren verbonden aan het gebruik van bacteri챘le sneeuw?
Bacteriologen zeggen van niet. Pseudomonas syringae komt zo veelvuldig voor dat
gemiddeld 40 organismen van worden aangetroffen in elke kubieke meter lucht op de
wereld. Een enkel tomatenblad huisvest soms wel 10 miljard van deze bacteri챘n. Een
studie verricht in opdracht van de Canadese regering wees uit dat als alle Canadese ski
resorts gebruik zouden maken van Snomax, het aantal levende bacteri챘n dat zou
vrijkomen niet meer zou zijn dan het gewone aantal op 100 blaadjes van een
tomatenveld. Het product wordt daarom nu overal ter wereld toegepast.
Maar nu terug naar de sneeuwkristallen zelf. Want daarvan bestaan zeer veel vormen,
waarvan een groot aantal inmiddels fotografisch is vastgelegd.
Het leeuwendeel daarvan is zespuntig of zeshoekig, zoals al in de winter van 1610
door de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler werd opgemerkt.
Floculi sexanguli villosis radiis noemde hij ze: zeshoekige vlokjes, met van haartjes
voorziene stralen. Kepler liep in die tijd door de straten van Praag en werd gekweld door
de gedachte nog geen passend nieuwjaarsgeschenk voor de keizer, zijn opdrachtgever,
te hebben gevonden. Het sneeuwde, en de sneeuwvlokken vielen op Keplers jas. Die
zag nu een ideale mogelijkheid zijn verplichting tegenover de keizer na te komen door het
aanbieden van een verhandeling over de zeshoekige sneeuwvlok.
Keplers idee was dat de regelmatige, zeshoekige vorm van sneeuwkristallen misschien
iets te maken kon hebben met andere regelmatige zeshoeken die in de natuur
voorkomen. Dat was nog niet eens zo slecht bedacht, want tegenwoordig is bekend dat
inderdaad veel kristallen zeshoekige vormen kennen, waaraan de hexagonale
(zeshoekige) bolstapeling ten grondslag ligt. Leg in een vlak immers zeven bollen zo
dicht mogelijk, en symmetrisch tegen elkaar. Dan is er één bol in het midden, en zijn er
zes omheen. Sneeuw heeft echter weinig met bolstapeling te maken. Watermoleculen
(H2O) zijn geen bollen. Het zijn eerder driehoekige lichaampjes. Bovendien bestaat er
ook sneeuw in de vorm van rechthoekige prisma’s. Al vallen die door hun eenvoudige
vorm veel minder op dan het prachtige, zespuntige kristal.
“Zijt gij doordrongen tot de schatkamers van de sneeuw, en hebt gij de
schatkamers van de hagel gezien?” vraagt de Bijbel zich af in Job 38:22.
Wilson A. Bentley die daadwerkelijk de
In 1885 was het de Amerikaan
schatkamers van sneeuw en ijs binnentrad.
Hij koppelde zijn camera via een rekbare balg aan een microscoop met een kleine
vergrotingsfactor (sneeuwkristallen zijn 챕챕n tot tien millimeter in doorsnede), en die
hele opstelling bracht hij buiten op een beschutte plek. Op een stuk zwart karton ving hij
wat vlokken op. Die bracht hij zo snel mogelijk in veiligheid, buiten het bereik van de
wind. Met een vergrootglas bekeek hij of er interessante kristallen tussen zaten. Als dat
het geval was, peuterde hij met een splinter een exemplaar los, en bracht dat over op
een stuk microscopeerglas. Dit werd voor de cameraopstelling geplaatst, met de
wolkenlucht als achtergrond. De cameralens werd ongeveer twintig seconden opengezet
(in die tijd was de filmgevoeligheid nog minimaal). Zo ontstonden 챕챕n voor 챕챕n de
fotografische indrukken. Na 45 winters van onafgebroken fotograferen publiceerde
Bentley in 1931 zijn klassiek geworden Snow Crystals. In dat boek staan bijna 2500
verschillende sneeuwkristallen.
Wilson A. Bentley bij zijn camera-opstelling voor
het fotograferen van sneeuwkristallen.
Bentley was verre van een theoreticus. Maar aan de hand van zijn werk konden
sneeuwkristallen eindelijk in soorten en groepen worden gerubriceerd.
Zo blijken bij wolkentemperaturen van 0oC tot -3oC bijna uitsluitend dunne,
zeshoekige plaatjes te ontstaan. Bij -3oC tot -5 oC dwarrelen fijne naaldjes op het
aardoppervlak neer. Bij -8oC tot -12oC zien we weer zeshoekige plaatjes.
Alleen de sneeuw die geboren wordt bij -12oC tot -16oC is veel uitbundiger van
vorm.
Zoiets speelt zich meestal af in het voorste front van een sneeuwbui, en dan vallen de
prachtigste, langs zes punten vertakte sterren naar beneden.
Bij nog lagere temperaturen wordt de relatieve luchtvochtigheid te laag en is er
nog maar weinig waterdamp voorhanden om de kristallen te versieren.
Van -16oC tot -25oC zien we daarom weer zeshoekige plaatjes, en van -25oC tot 50oC eenvoudige, holle prisma’s.
Op Antarctica, waar de temperatuur aan het oppervlak vaak beneden –50oC daalt,
zweven in de winter voortdurend ijskolommetjes en – naaldjes door de lucht.
Zuidpoolonderzoekers noemen dit gewoonlijk ‘diamantstof’ vanwege de glinstering en
vanwege het striemende karakter van de kristalletjes als plotseling de wind opsteekt.
Indeling van de belangrijkste typen sneeuw en hun meteorologisch symbool.
klik op afbeelding voor vergroting
Het sterk vertakte kristal hierboven maakte een geleidelijke val
en kon daardoor uitgroeien tot een prachtige boomstructuur of
dendriet.
Een dun, zeshoekig sneeuwplaatje, onstaan bij een wolkentemperatuur van 0oC tot –3oC.
Elk sneeuwkristal verraadt zijn herkomst door zijn typische structuur.Dit puntige kristal viel door een zeer koude wolk
met een sterke thermiek. De vorm veranderde
telkens van afgeplat tot naaldachtig.
Elke sneeuwvlok bestaat uit tientallen kristallen. Een sneeuwvlok van 4 cm in
doorsnede bevat er zo’n tienduizend. En dan hebben we het nog niet eens over de
reuzenvlokken die soms in Siberië vallen.
Die hebben doorsneden van zo’n 12 cm!
Het wereldrecord staat op naam een vlok die in 1971 in het Siberische Bratsk viel.
De vlok had een afmeting van 20 bij 30 centimeter en was dus ongeveer zo groot
als een stuk briefpapier van A4-formaat. Vermoedelijk kwam hij die vlok met een
plof op de grond.
Kan iedereen sneeuwkristallen uit vlokken halen en die bestuderen?
Sneeuwkristallen zijn heel gevoelig voor warmte en smelten bij de geringste aanraking of
verkeerde richting van de adem.
Vincent J. Schaefer van het Atmospheric Sciences Research Center in Albany, New
York, had daar al in 1941 iets op gevonden. Hij gebruikte een 챕챕n- tot tweeprocents
oplossing van polyvinylformal in 1,2 dichloorethyleen en kreeg zo een vloeibare, maar
snel uithardende plastic.
Sneeuwkristallen die op een microscopeerglaasje met het mengsel werden gelegd en
nog met een klein druppeltje ervan werden bedekt, gaven zo een perfecte afdruk.
“Gesandwiched tussen de dunne laagjes plastic smolten de kristallen en verdampten
toen totaal,” schreef Schaefer. “Zo bleef er een permanente afdruk van hun structuur
bewaard. Vanaf dat moment waren de kristallen voor altijd van mij.” Tegenwoordig wordt
door sneeuwfotografen ook wel haarlak op aërosolbasis gebruikt, die (afgekoeld op
buitentemperatuur) op het glas van een diaraampje wordt gespoten. Als daarop een
sneeuwkristal wordt gelegd en vervolgens met nog een laagje haarlak wordt bespoten,
krijgen zij eenzelfde resultaat.
Rest nog steeds de vraag
waarom sneeuwkristallen voor het merendeel zeshoekig zijn.
Daarover zijn de meningen verdeeld. Sommigen wijten het aan de zesvoudige structuur
die ontstaat onder invloed van de zuurstofatomen in de watermoleculen. Anderen wijzen
erop dat er ook driehoekige kristallen bestaan en dat het sneeuwkristal als gevolg van de
drie-atomige opbouw van het watermolecuul in het diepst van zijn wezen drietallig is. In
dat geval zouden de zeshoeken en zespunters opgebouwd zijn uit tw챕챕 vrieskernen die
in een vroeg stadium aan elkaar zijn verkleefd en gezamenlijk verder zijn uitgegroeid.
Elke winter weer dwarrelen ze als Siamese tweelingen naar beneden.
Eric Erbe en W.P. Wergin van het Amerikaanse Henry A. WallaceBeltsville Agricultural Research Center-East, Plant
Sciences Institute, fotografeerden sneeuwkristallen met een elektronenmicroscoop. Zij legden sneeuwkristallen in hun
meest fantastische vormen vast.
Foto van een sneeuwkristal (dendriet) gemaakt met een elektronenmicroscoop (vergroting 450×). Rechtsboven in de
afbeelding is een lichtmicroscoopopname van eenzelfde soort kristal te zien.
Courtesy: Eric F. Erbe / www.anri.barc.usda.gov/emusnow/
Foto van een sneeuwkristal (zeshoekig plaatje) gemaakt met een elektronenmicroscoop.
Courtesy: Eric F. Erbe /
www.anri.barc.usda.gov/emusnow/
Sneeuwkristallen:
Snow Crystals
Fascination of Snow Crystals
Electron Microscope Unit Show
Observations of Snow Cover from the Ground and Space
Snow Flakes
Snow Science
The Science of Snow
Photo’s of Snow Crystals
Kunstmatige maken van sneeuwkristallen:
Making snow crystals in the class room
Charged-Up Ice Crystals
Bewaren van sneeuwkristallen:
Preserving Snow Crystals
Sneeuwval:
Sneeuwkenners aan de bal - waarom sneeuw soms wel, soms niet plakt (Kennislink
artikel)
Het vallen van sneeuw
Het weer nader verklaard: sneeuw
Sneeuwkristallen op Mars:
Structure of Carbon Dioxide Crystals (Martian Frost)
From Earth to Mars: Carbon Dioxide Crystals help Interplanetary Studies
CO2 Crystals on Mars //
http://www.atoptics.co.uk/halo/owco2xt.htm
Sneeuwvlokken en kunstenaars
http://whyevolutionistrue.wordpress.com/2009/12/29/christmas-science-corrective-stopdesigner-snowflakes/
Sneeuwvlokken bomvol schadelijke bacterieën
29 februari 2008
De bacterie die vriesschade op planten veroorzaakt, speelt een belangrijke rol bij de
vorming van druppels en sneeuwkristallen in wolken. Een onderzoek naar verse sneeuw
doet vermoeden dat 'bio-neerslag' veel gewoner is dan werd aangenomen.
Bij de vorming van sneeuw spelen bacteri챘n een belangrijke rol
Dat schrijven microbiologen aan de Louisiana State University in Baton Rouge in het
wetenschappelijke tijdschrift Science.
De groep onderzoekers onder leiding van Brent Christner is erin geslaagd de bacterie te
ontdekken in sneeuwmonsters die genomen zijn op diverse locaties in Noord-Amerika,
Europa en Antarctica.
Temperatuur
Van twintig verschillende, gefilterde sneeuwmonsters is onderzocht bij welke temperatuur
de deeltjes die in het filter achterbleven, zuiver water konden laten bevriezen. Die
temperatuur zegt iets over de neerslag: sneeuw die levende organismen bevat kan water
bij een hogere temperatuur laten bevriezen dan sneeuw die minerale stoffen bevat.
Het resultaat van de analyse is dat in sommige monsters 85 procent van de deeltjes
waarschijnlijk biologisch van oorsprong is. Zelfs op Antarctica werden bacteri챘n in de
sneeuw aangetroffen, al waren het er minder dan in bijvoorbeeld Frankrijk.
Droogte of plantenziektes?
De bacterieën zijn in staat om ijskristallen te vormen bij temperaturen dichtbij het
vriespunt. Dat micro-organismen in wolken werken als kiem, werd al langer vermoed. Het
is echter nooit gelukt om ze in een wolk zichbaar te maken.
Vervelend is dat een meerderheid van die bacterieën blijkt te behoren tot de soort
Pseudomonas syringae, die ziektes veroorzaakt in verschillende gewassen. De vraag
dringt zich nu wat het verstandigste is: de bacterie bestrijden en droogte riskeren, of hem
koesteren en plantenziektes riskeren?
ZELFORGANISATIE
Scheikundigen verdringen zich rond het raadsel
van het leven
Katalyse/Henk Klomp
Illustraties/Engel Vrieling
Foto's/Bart van Overbeeke
Overgenomen uit Cursor TU/e d.d. 7 december 2001
http://www.fractal.org/Fractal-Research-and-Products/Levenselixer.htm
Stop mineralen in een reageerbuis en wacht ... Het duurt misschien wel even -om
precies te zijn al snel miljarden jaren- maar waarschijnlijk ontstaat dan iets dat je
leven kunt noemen. Ooit vormden zich immers slimme clusters van moleculen uit
'dode' materie die zichzelf leerden vermenigvuldigen: de cel. Zelforganisatie en
zelfreplicatie van moleculen in de reageerbuis zijn dan ook al een tijdje de heilige
graal voor scheikundigen.
"Onze huidige
chemische industrie",
zegt prof.dr. Rutger
van Santen, rector
magnificus van de
TU/e en initiator van
de toponderzoekschool
Katalyse, "is primitief
als je ziet wat de
allersimpelste cel
kan. De industrie
maakt al snel tien
keer zoveel afval als
het product waar het
om te doen is, de cel
nauwelijks. Sommige
katalysatoren in de
cel werken een
miljoen keer
preciezer dan de
allerbeste
kunstmatige. En in de
fabriek moet vaak bij
hoge temperatuur,
druk en zuurgraad
worden gewerkt,
terwijl de cel al werkt
bij
kamertemperatuur,
normale druk en in
neutraal water."
Daarom moeten de
Nederlandse
scheikundigen
volgens Van Santen
vaker meekijken over de schouders van de moleculair biologen. Sterker nog, de
toponderzoekschool Katalyse, goed voor 43 miljoen en een samenwerkingsverband
tussen zes universiteiten naast de TU/e, moet terug naar de natuur. Recent kozen de
scheikundigen eensgezind voor meer biologisch ge챦nspireerde chemie. In de school
werken zowel organische scheikundigen, ontwerpers van homogene katalysatoren
(katalysatoren die gewoon tussen de deeltjes in de gassen en vloeistoffen zitten) als
bedenkers van heterogene katalysatoren (katalysatoren in een poeder of op een
oppervlakte waaraan deeltjes adsorberen) samen.
"Onze droom is een kunstmatige cel", zegt Van Santen. "Belangrijk daarvoor is een 'mal'
die zichzelf kan vermenigvuldigen. De mal bepaalt de structuur van kristallen met hele
kleine pori챘n."
Bij die kristallen denkt Van Santen vooral aan de poreuze poeders van kiezel (silica) die
soms metaaldeeltjes bevatten, de zogeheten zeolieten. Zeolieten -Grieks voor kokende
steen- ontlenen hun naam aan het verschijnsel dat ze gaan stomen als je ze opwarmt.
Het water dat erin zit, verdampt dan. Zeolieten zijn een soort moleculaire zeven. Ze
kunnen alcohol in benzine omzetten, water ontharden, zuurstof en stikstof uit lucht
vangen en het octaangetal van benzine opvoeren. "Ze zijn keihard en tegen hitte, hoge
druk en zuurgraad bestand", zegt Van Santen. "Daarom zijn ze bruikbaar in fabrieken,
maar zitten ze ook in waspoeder. Met goede zeolieten kan de 'stofwisseling' van de
maatschappij steeds meer gaan lijken op die van een cel: zuinig en minder vervuilend."
Voorsprong
Ondertussen hebben scheikundigen en biologen in Eindhoven en Groningen al een
voorsprong genomen op de nieuwe wending van de scheikundigen. Ze laten zich
inspireren door de natuur bij het maken van mallen. Hard materiaal dat 'zeeft' en vanuit
het piepkleine groeit op een mal, maakt de natuur namelijk in overvloed. Botten en
schelpen zijn hier voorbeelden van. "Vooral natuurlijk silica is zeer bruikbaar voor de
industrie", vertelt dr. Engel Vrieling van de Rijksuniversiteit Groningen. "Dat lijkt veel op
nieuwe zeolieten van het zogeheten MCM-type. Het natuurlijke silica is superieur aan wat
de mens kan maken: de pori챘n, groeven en kanalen zijn veel regelmatiger. Bovendien
maakt de natuur 'zeven' met pori챘n uiteenlopend van enkele nanometers tot
micrometers. De industrie komt met een ingewikkeld geheim recept niet verder dan 챕챕n
type met pori챘n tussen 챕챕n en acht nanometer."
Silica (chemische formule SiO2) is het hoofdbestanddeel van kwarts, zand, zandsteen,
klei en graniet. Ook verf, rubber, glas, tandpasta en wasmiddel zit vol met silica. Goede
silica-zeven kunnen tot veel betere katalysatoren in de chemische industrie leiden. Bij
Antarctica ligt een honderd meter dikke laag silica op de bodem, een hoeveelheid
waarvan de chemische industrie alleen zou durven dromen. Erg bruikbaar is dit echter
voor de industrie niet door de tand des tijds: andere mineralen hebben zich er mee
vermengd en een deel loste weer in het zeewater op.
De natuurlijke fabriekjes van silica zijn zogeheten diatomee챘n, eencelligen die in meren,
rivieren, zee챘n en oceanen onder de zon groeien (het 'gras van de zee'). Ze vormen een
vreemde 'eend' in de evolutie-bijt. Kozen bijna alle andere organismes voor kalk als
'skeletstof', de diatomee챘n schermen zich van hun omgeving af in een doosje van silica.
De algjes maken het silica uit in water opgeloste monomeren die door de cel worden
opgenomen.
"We willen de mallen van de algjes vinden en kunstmatig namaken", zegt dr.ir. Theo
Beelen van de Technische Universiteit Eindhoven. "Je zou natuurlijk ook gewoon
massa's diatomee챘n kunnen kweken en daaruit het silicapoeder kunnen zuiveren.
Echter, doe je het zo, dan kost het al snel tienduizend gulden per gram; de industrie heeft
kilogrammen nodig voor een paar gulden."
Bouwstenen
Met röntgenstraling uit de synchroton in Grenoble ontdekten de onderzoekers al hoe een
aantal cruciale stoffen uit de algencel werkt. Deze stoffen werden gedestilleerd uit de
celwand. "Je moet je bij de 'mal' geen plaat voorstellen met gaatjes en bobbels, waar
silica geordend op gaat zitten", vertelt TU/e-onderzoeker Qianyao Sun. "Dat is ook wel
logisch, want de verantwoordelijke organische stoffen zijn al snel honderd keer zo klein
als de bouwstenen van het silica. De diatomee챘n gebruiken een soort micellen,
conglomeraten van macromoleculen, waarop het silica mineraliseert. Ten dele lossen
deze in water op, ten dele zijn ze vast. We ontdekten twee delen in het micel waar zulke
scheiding van fase optreedt."
Beelen bootste het proces ondertussen in het laboratorium na. Dat heeft al het een en
ander opgeleverd. "De geheime recepten uit de industrie lijken toch een beetje op 'bij
volle maan drie rondjes om de kerk maken en vervolgens bidden'", vindt Beelen. "We
bootsen die fase-scheiding na met het goedkope plastic PEG -het centrale bestanddeel
van bind-weefsel- gemengd met een waterafstotende stof. Stoppen we dit bij opgelost
silica, dan ontstaan een soort geldruppels met daarin het harde silica. Zo krijgen we al
een vari챘teit aan silicapoeders die verschillen in poriestructuur. Stel je de concentraties
iets anders in, dan krijg je hele andere structuren."
"Zo maakten we bijvoorbeeld holle kogels van silica waar precies een geneesmiddel in
past", gaat Sun verder. "Allemaal even groot en in 챕챕n processtap. De kogels kun je op
een bepaalde plek in het lichaam laten openspringen, zodat je bijwerkingen voorkomt en
het geneesmiddel effectiever maakt."
Ongrijpbaar
Toch blijft de exacte 'blauwdruk' van silicazeven nog ongrijpbaar. "Een cel kan immers
geen potje polymeer bestellen", zegt Beelen. In die biologische blauwdruk ligt het geheim
voor de exacte aanmaak van silicastructuren besloten. De reden bijvoorbeeld waarom
alle tienduizend verschillende soorten diatomee챘n tienduizend verschillende silicazeven
maken.
Prof. Dani챘l Morse in de Verenigde Staten lijkt wel wat op het spoor te zijn. Zijn groep
ontdekte recent eiwitten in de stekels van een andere silicamaker, een spons. Deze
eiwitten bevatten waarschijnlijk ook ergens tussen hun honderdduizenden aminozuren de
blauwdruk voor de silicastructuur. Ook is er een plek op het eiwit die ervoor blijkt te
zorgen dat silica inderdaad gaat polymeriseren. Morse ontdekte tevens waar op de
eiwitten de actieve delen zitten: sommige net iets gemodificeerde varianten brengen de
mineralisatie niet meer tot een goed eind.
De Eindhovenaren en Groningers willen die kostbare eiwitten -챕챕n gram kost al snel
vijfduizend gulden- van Morse gebruiken bij hun metingen in Grenoble. "Wellicht
verzorgen die actieve plekken precies de fasescheiding die we hebben gezien. Als dit
klopt, weten we welke structuren we moeten nabootsen. Dit najaar gaan we bij Morse op
bezoek."
Hebben de scheikundigen dadelijk de goede mal te pakken, dan kunnen ze betere
zeolieten maken. "In de bestaande zeolieten gaan de omzettingen namelijk traag en
onder hoge druk", zegt Beelen. "Alle pori챘n zijn heel erg nauw, in de orde van
nanometers. Het duurt daarom erg lang voordat een stof door de zeef heen is: hij moet
steeds van het ene vrije plekje naar het andere springen. Dat lukt alleen als de stoffen als
het ware door de zeef heen geperst worden. In silica met grotere pori챘n kun je stukjes
zeoliet z처 inbouwen dat elk stofje snel in de miniporie van het zeoliet zit en er ook weer
snel uit is."
Maar zelfs met de goede mal kunnen scheikundigen nog lang niet wat de natuur kan. In
de natuur vermenigvuldigen cellen zich namelijk en schroeven zo de productie van silica
op tot gigatonnen per jaar. Wil iedereen straks betere zeolieten in zijn waspoeder dan
moet de chemische industrie dat ook kunnen.
Iets dergelijks zou wel lukken bij een 'mal' die zich in de reageerbuis vermenigvuldigt.
Maar wie kloont als eerste een macromolecuul?
Genen kunnen biotechnologen al lang klonen. Met behulp van de zogeheten PCRtechniek stellen rechercheurs uit een haar, bloedspoor of stukje bot de identiteit van een
slachtoffer of van een dader vast. In het forensisch laboratorium vermenigvuldigen
onderzoekers hiervoor genen miljoenen keren. Een bacterie-enzym doet het plakwerk.
Elke ronde van vermenigvuldiging van strengen komt neer op het verhitten en afkoelen
van de reageerbuis. Doe je dit goed, dan groeit het aantal kopie챘n exponentieel per
ronde, van 2 naar 4, van 4 naar 16, van 16 naar 256, enzovoort.
"Ik heb wel een voorstel voor PCR met moleculen", zegt TU/e-hoogleraar prof.dr. Bert
Meijer. "Maar dat is nog niet meer dan een project dat nog moet gebeuren. De
onderzoeker die het gaat doen, moet zich namelijk nog aanmelden." "Als ik niet per se na
mijn promotie naar het buitenland had gewild", zo vertelt oud-Eindhovenaar dr.ir. Luc
Brunsveld vanuit Duitsland, "dan had ik dat wel willen doen. Het is namelijk een ijzersterk
idee."
Vorig jaar maakten Brunsveld en dr.ir. Ky Hirschberg een kunstmatig deeltje dat in vorm
sterk op een DNA-streng lijkt. "In water richt dat namaak-DNA zich als een helix op,
linksomdraaiend of rechtsomdraaiend. We haalden toen Nature."
E챕n DNA-streng bestaat uit een keten van bouwstenen, zogeheten monomeren. Deze
zitten met chemische bindingen aan elkaar. In de celkern hechten twee DNA-strengen
zich aan elkaar die precies op elkaar passen. Deze strengen vormen samen een
wenteltrap. Deze strengen zitten niet met chemische bindingen, maar met
waterstofbruggen aan elkaar. Het spelen met waterstofbruggen is 챕챕n van de
belangrijkste trucs van de cel. De chemie met waterstofbruggen is namelijk omkeerbaar:
alles wat zo vastklikt, kan ook weer worden losgeklikt. Kortom: ideaal voor een molecuul
als DNA dat steeds moet worden afgelezen.
Wisselgeld
Het namaak-DNA lijkt eerder op een rol wisselgeld dan op een wenteltrap. Elk monomeer
bestaat namelijk uit twee door het midden gesneden dubbeltjes, die met een touwtje aan
elkaar vastzitten. De halve dubbeltjes zijn vast te klikken met waterstofbruggen, waarna
ze een 'heel dubbeltje' vormen. Dat vastklikken gebeurt als je de monomeren in
chloroform stopt. Stop je ze hierna in water dan gaan alle dubbeltjes recht boven elkaar
hangen, zoals een rol wisselgeld. Het aantal dubbeltjes boven elkaar is te regelen door
goede concentraties oplossingen te kiezen. "De kunst is nu", vertelt Brunsveld, "de 'vaste'
touwtjes als het ware los te knippen en ze te vervangen door twee touwtjes die op
commando razendsnel aan elkaar gaan kleven. Dat moet gebeuren als de dubbeltjes in
water recht boven elkaar hangen."
Dit vastlijmen, in vaktermen polymeriseren, kan met een chemische staart met een snel
reagerend elektrisch deeltje (een radicaal). Lukt dit, dan vormen ze de touwtjes tussen de
dubbeltjes. Zo zorgt de polymerisatie ervoor dat er twee moleculen ontstaan, die net als
twee DNA-strengen aan elkaar vastzitten met waterstofbruggen.
"Daarna kun je net als bij het klonen van DNA het molecuul verhitten en koelen", zegt
Brunsveld. "Bij verhitting springen de waterstofbruggen los en gaan de strengen uit
elkaar. Daarnaast gaan losse halve dubbeltjes uit de vloeistof op de vrije plaatsen zitten.
Vervolgens koel je weer af en start opnieuw de polymerisatie. Zo heb je van twee
moleculen vier identieke moleculen gemaakt."
Polymeernatuurkundigen in Eindhoven hebben deze zomer doorgerekend dat het op
deze manier klonen van moleculen volgens de regels van de warmteleer zou moeten
kunnen. "We hopen natuurlijk dat het zal werken, maar tot nu toe is het alleen maar een
'proof of principle'", zegt Meijer.
Het zal er de komende jaren dus om gaan spannen bij de toponderzoekschool Katalyse.
Voeg een werkende mal van de anorganici voor silicazeven bij de kloontechniek van de
organici en je krijgt iets dat begint te lijken op de 'algenfabrieken' voor silica. Het is
kortom een stap op weg naar de kunstmatige cel. "In ieder geval", zo voorspelt
Brunsveld, "zou PEG -'bind-weefselmateriaal via onze techniek te klonen moeten zijn."
Dat PEG is hetzelfde materiaal dat de anorganici nu gebruiken om de mal van de algen
mee na te bootsen
Het "vouwen" van eiweiten
--->Peptide folding in non-aqueous environments
spontane zelforganisatie van .... peptide etc ...
https://dspace.ub.rug.nl/retrieve/30339/samenvat.pdf
HELIX in polymeren
De onderzoeksresultaten van ir. Ky
Hirschberg,
AIO bij de vakgroep Macromoleculaire en Organische Chemie,
Hirschberg ontwikkelde een molecuul met een helix-structuur zoals die van DNA.
Het is de eerste keer dat dit gesynthetiseerde molecuul ook in water zijn structuur
behoudt.
Het onderzoek begon in 1997 en werd geleid door prof.dr. Bert Meijer.
De molecuul die Hirschberg creÎerde door middel van synthese heeft een structuur
die lijkt op die van DNA.
--->DNA bestaat uit twee ketens van polymeren.
--->Polymeren zijn grote moleculen die zijn opgebouwd uit veel moleculaire eenheden
(monomeren) die zichzelf telkens herhalen in een macromoleculaire
structuur.
---> Doordat de zijgroepen aan de twee ketens aan elkaar hechten, zijn de
polymeerketens om elkaar heen gewonden.
Op deze manier ontstaat een wenteltrapachtige structuur die dubbele helix wordt
genoemd.
Hirschberg heeft voor het eerst een structuur gesynthetiseerd die zichzelf opvouwt
als een wenteltrap en deze vorm blijft ook behouden in water.
Bijzonder
Waterstofbruggen vormen de verbinding in de moleculen.
----> Door de hydrofobe interactie die plaatsvindt op het moment dat de moleculen in
het water komen, ontstaat een structuur die zich opvouwt in een helix.
Het systeem is bijzonder, omdat zowel de lengte van de trap als de draairichting
van de helix ingesteld kunnen worden.
Door synthese kunnen deskundigen de natuur nabootsen.
Daar houdt ook Hirschberg zich mee bezig.
Momenteel worden in het laboratorium moleculen ontwikkeld die dezelfde structuur
hebben als kraakbeen.
De onderzoeksresultaten vormen een soort basis voor onderzoekers die kijken hoe
er in de praktijk gebruik gemaakt kan worden van de synthetische systemen en bij
de ontwikkeling van "smart materials "
2000 Nature Publishing Group Nature 407, 167 - 170 (14 September 2000);
Helical self-assembled polymers from cooperative stacking of hydrogen-bonded
pairs
J. H. K. KY HIRSCHBERG, LUC BRUNSVELD, AISSA RAMZI, JEF A. J. M.
VEKEMANS, RINT P. SIJBESMA & E. W. MEIJER
Laboratory of Macromolecular and Organic Chemistry and Dutch Polymer Institute,
Eindhoven University of Technology, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven,
The Netherlands
Correspondence and requests for materials should be addressed to E.W.M. (e-mail:
[email protected]).
The double helix of DNA epitomizes this molecule's ability to self-assemble in
aqueous solutions into a complex chiral structure using hydrogen bonding
and hydrophobic interactions.
Non-covalently interacting molecules in organic solvents are used to design
systems that similarly form controlled architectures.
Peripheral chiral centres in assemblies and chiral side chains attached to a
polymer backbone have been shown to induce chirality at the supramolecular
level, and highly ordered structures stable in water are also known.
However, it remains difficult to rationally exploit non-covalent interactions for the
formation of chiral assemblies that are stable in water,
where solvent molecules can compete effectively for hydrogen bonds.
Here we describe a general strategy for the design of functionalized monomer
units and their association in either water or alkanes into non-covalently
linked polymeric structures with controlled helicity and chain length.
The monomers consist of bifunctionalized ureidotriazine units connected by a
spacer and carrying solubilizing chains at the periphery.
This design allows for dimerization through self-complementary quadruple
hydrogen bonding between the units and solvophobically induced stacking of the
dimers into columnar polymeric architectures, whose structure and helicity can be
adjusted by tuning the nature of the solubilizing side chains.
---> ( PNAS )
Full text
http://www.pnas.org/cgi/content/full/99/8/4977
pdf
http://www.pnas.org/cgi/reprint/99/8/4977
Complexiteit en Evolutie
Prof. Dr. Francis Heylighen
http://pespmc1.vub.ac.be/CLEA/CompEvCursus.html
Complexe Adaptieve Systemen
http://www.complexesystemen.nl/index.html
Chaotische systemen
Complexe Adaptieve Systemen
de big bang
de catastrofe theorie
cultuur
de economie
de evolutietheorie
Gaia
(kunstmatige) intelligentie
kunst
management
meteorologie
de quantummechanica
de thermodynamica
De theorie van Complexe Adaptieve Systemen en de Chaostheorie overlappen elkaar voor een
groot deel. Complexe adaptieve systemen (complexiteit) zijn niet-lineaire dynamische processen
in het grensgebied tussen orde en Chaos.
Vanuit complexiteit gezien is het vormen van sneeuwkristallen in de atmosfeer hetzelfde als het
opbloeien van een groot rijk zoals dat van de Inca's. Door het niet-lineaire gedrag van complexe
systemen kunnen zowel kleine als grote wijzigingen in het systeem kleine of grote gevolgen
hebben. Nog erger: dezelfde oorzaak kan steeds verschillende gevolgen hebben.
Voorwaarde is dat de theorie van Complexe Adaptieve Systemen de tweede hoofdwet van de
Thermodynamica niet mag schenden.
Over cybernetica, systeemtheorie , zelforganizatie,Complexiteit, evolutie
Complexiteit, en de richting van evolutie,
http://evodisku.multiply.com/journal/item/153
Over een groot misverstand
Arjan Kop
http://evodisku.multiply.com/journal/item/639
Cybernetica systeemtheorie zelforgzanisatie Complexiteit , evolutie
http://tsjok45.multiply.com/photos/album/1155/Chaos_complexity_self_organisatio
n_evolution_
Bij wijze van INLEIDING : Tjeerdo :(2004)
(wat volgt is )een enorme lap tekst. Waarin diverse elementen om voorrang
strijden. Catastrofe-theorieen die door theistische evolutionisten worden gemarkeerd
als de "onzichtbare helpende hand" die de evolutie een gewenst duwtje in de rug
geeft.
Het uitsterven van de dinosauriers om zoogdieren de ruimte te bieden.
Het massaalste uitsterven vond plaats aan het Perm, 250 miljoen jaar geleden. Het
luidde een nieuw tijdperk in : het Trias. : Waarin de eerste dinosauriers verschenen.
En deze periode werd wederom gevolgd door een meteoriet-inslag in combinatie met
veel vulkanische activiteit. Het evolutionaire basisconcept werd na elke catastrofe
opnieuw ingevuld. Convergentie-mechanismen die mijns inziens veelal de "fitste"
oplossing implementeren in een gegeven situatie.
Want biedt een vierkante vis tegenwicht aan de vraatzuchtige predatoren die de juiste
stroomlijn te pakken hebben. ?
Trial and error.
Ooit heb ik een discussie gevolgd tussen een theistische evolutionist en enkele
agnostische evolutionisten.
De hamvraag draaide om het begrip "ontwerp".
De theistische evolutionist begon zich gelijk te roeren. Een ontwerp betekent dat er
een ontwerper bezig is geweest.
De definitie "ontwerp" bleek al voldoende om de gemoederen naar een hoogtepunt te
drijven. Terwijl evolutie zich niet uitlaat over ontwerpen.
Het is simpel een spel van het best aangepast zijn aan een bepaalde situatie. En met
een beetje geluk kun je als blinde vis, ergens in een donkere grot, zonder aanwezigheid
van natuurlijke vijanden het heel lang uithouden.
En convergentie. Iemand gaf het voorbeeld. Wat rolt sneller van een berg; een ronde
steen of een vierkante.
De theistische evolutionist kon dit voorbeeld niet goed plaatsen. Het was voor hem het
verhaal van erosie etc.
Het ging niet op voor de Australische Landslak. Echter de essentie was wel heel
treffend. Bepaalde concepten bieden meer kans om te overleven dan andere.
En een oog wat evolueert uit enkele lichtgevoelige cellen geeft heel veel voordelen.
Een orgaan wat op het "verlanglijstje" staat van elk dier wat boven de grond leeft. En
een vis met een aerodynamische stroomlijn zal het in het midden van de oceaan langer
uithouden dan de rechthoekige vis. Dus langere levensduur, meer nakomelingen etc.
Positieve mutaties zullen in de ene omgeving meer profijt opleveren dan in de andere.
Maar, goed morgen dondert er een uit zijn koers geraakte meteoriet op aarde. En de
kakkerlakken zijn heer en meester.
En bestaat er gerede kans dat er over vijfhonderd miljoen jaar een kakkerlak met een
koffertje met geheime codes rondloopt. Die corresponderen met
massavernietigingswapens. Of lopen er dan weer hominiden rond met pak en stropdas?
Het evolutionair-systemische wereldbeeld
Volgende fundamentele filosofische vragen
Het eeuwige waarom?
- Waarom is het universum zoals het is?
- Waar komt alles vandaan?
- Waar komen wij vandaan?
- Wat is de zin van het leven?
Samengevat:
hoe en waarom ontstaan complexe, doelgerichte systemen?
en
Afgeleide vragen
- Waar gaan wij naartoe? (futurologie)
- Wat is? (ontologie)
- Wat is waar en wat is onwaar? (epistemologie, kennistheorie)
- Wat is goed en wat is kwaad? (ethiek, axiologie)
De antwoorden op al deze vragen tezamen bepalen een wereldbeeld, d.w.z.
een allesomvattend filosofisch system, een samenhangende visie op het geheel .
Een wereldbeeld geeft betekenis aan onze handelingen, en biedt ons een leidraad om de
wereld rondom ons te begrijpen.
( AGM Van Melsen ---> "Mentaal vast te houden en te "grijpen " )
Al deze vragen kunnen herleid worden tot vragen over het ontstaan
en de verdere evolutie van systemen: atomen, moleculen,
sterrenstelsels, cellen, planten, dieren, mensen, hersenen,
maatschappijen, beschavingen, enz.
Een aantal min of meer recent ontwikkelde wetenschappelijke inzichten laten ons
toe antwoorden op deze vragen te geven.
--->Deze antwoorden zijn soms zeer abstract en algemeen, soms meer gedetailleerd.
---->Ze kunnen in principe in wiskundige vorm geformuleerd worden, hoewel dat in de praktijk niet
altijd zinvol is.
Deze
wetenschappelijke fundering maakt ze tot meer dan alleen filosofische
bespiegelingen: ze leiden immers ook tot concrete waarnemingen (bvb. van levende wezens of maatschappelijke ontwikkelingen) en
toepassingen (bvb. computersystemen voor complexe probleemoplossing,
ontwerp
en management van organisaties).
Nieuw wereldbeeld ?
Sinds het midden van de 19e eeuw met de evolutietheorie, maar vooral sinds het midden van de
20e eeuw met de cybernetica, systeemtheorie en
zelforganizatie, zien we de eerste tekenen verschijnen van een nieuw wereldbeeld, dat
de tekortkomingen van Newtoniaans mechanistisch wereldbeeld opheft.
Tekortkomingen mechanistisch wereldbeeld ;
Hoewel meer diepgaand dan het religieuze wereldbeeld, biedt het Newtoniaanse nog steeds geen
volledige verklaring:
---> de fundamentele elementen (ruimte, tijd, deeltjes, krachten, wetten) worden immers a
priori gepostuleerd, zonder motivatie.
---->Dit wereldbeeld biedt geen ruimte voor doelgerichtheid, waarde, of zin: alles wordt
herleid tot doelloze mechanismen.
Er is ook geen ruimte voor creativiteit, nieuwe fenomenen, of verrassingen.
In de praktijk werkt deze mechanistische benadering alleen voor zeer simpele
verschijnselen: kanonskogels, biljartballen, planeetbanen, ...
Meer complexe
systemen (levende wezens, mensen,
maatschappijen) worden niet verklaard.
---> Zoals aangetoond door de quantummechanica, is het zelfs voor de
meest eenvoudige fenomenen, zoals atomen en deeltjes, tekort geschoten.
Deze zijn immers onderworpen aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt
dat bewegingen van microscopische deeltjes intrinsiek onvoorspelbaar zijn.
In conclusie is het Newtoniaans wereldbeeld totaal onbevredigend om leven, mens, of
maatschappij te verklaren, hoewel het ons helpt om bepaalde fysische deelaspecten (bvb. het
effect van zwaartekracht op ons lichaam) te begrijpen. )
Laat ons in het kort de innovaties van het evolutionair-systemische wereldbeeld (ESW) op
een rijtje zetten, om deze dan in meer detail te gaan analyseren en motiveren.-->http://pespmc1.vub.ac.be/Books/CursusHeylighen.pdf
• niet langer nood aan God als schepper van het heelal
Complexe organisatie ontstaat immers spontaan, door toevallige combinaties van
elementen, zonder te moeten beroep doen op een intelligente ontwerper of uurwerkmaker.
Wat telt, is selectie: welke combinaties zullen blijven bestaan en welke niet?
Dit is in het algemeen niet bij voorhand vastgelegd, maar afhankelijk van toevallige, onvoorspelbare
factoren.
De mens is daarom vrij om zijn eigen keuzen te maken: er is immers geen determinisme of
voorbeschiktheid.
Er is ook geen sturing, beloning of bestraffing van hogerhand (God). Deze keuzen moeten
echter leefbaar zijn, anders wordt ook de mensheid weggeselecteerd.
• gedetailleerde ontstaansgeschiedenis
Dankzij de evolutietheorie kunnen we het ontstaan van alle complexe fenomenen verklaren
door evolutie uit vroegere, i.h.a. meer eenvoudige, systemen.
Bvb.
bacterie-achtige cellen evolueerden uit chemische cycli,
complexe cellen uit bactereën,
meercellligen uit complexe cellen,
complexe dieren uit eenvoudige,
mensen uit dieren,
maatschappijen uit groepjes mensen.
De postmodernistische filosofen hebben het einde der grote verhalen aangekondigd, waarmee zij
bedoelen dat alle verklaringsmodellen, wetenschappelijk of
religieus, relatief zijn.
Volgens het ESW is er wel degelijk een verhaal of een
ontstaansgeschiedenis: het is alleen veel omvattender en ingewikkelder
dan de traditionele mythen.
• samenhang
Er zijn geen strikt gescheiden verschijnselen of categorieën,
zoals materie en geest,
of ruimte en tijd:
---> elk fenomeen interageert immers met andere fenomenen, en komt uit andere fenomenen
voort.
Deze interacties maken het geheel tot meer dan de som van de delen.
niet
(wat
wil zeggen dat het geheel kan bestaan zonder onderdelen ;
----> er bestaat geen bos zonder bomen ...
elk onderdeel is op zichzelf weer een "systeem "er bestaat geen boom die niet uit cellen is
samengsgteld ---> enzovoort )
Er bestaat ook geen evolutie van één kenmerk ( er is geen evolutie van de vleugel )... alle
evolutie vind plaats in onafgebroken kettingen van overlevende en zichzelf
duplicerende komplete phenotypes ....( er bestaat derhalve geen "halve vleugel
".... ) of werkende (en zich voortplantende of duplicerende ) systemen ...
Er is continuïteit tussen mens, dier, plant en mineraal.
• optimistische visie
De essentie is zelforganizatie, of spontane ontwikkeling van meer complexe en beter
aangepaste systemen.
Fouten, slechte ontwikkelingen blijven niet duren, want ze worden geëlimineerd door de natuurlijke
selectie.
De natuur is creatief en vindt vroeg of laat altijd een oplossing. Zelfs als men de dingen aan hun lot
overlaat, komt het vroeg of laat toch goed (hoewel het uiteraard beter is vroeg in te grijpen dan
laat).
Ook in de maatschappij is er een duidelijke trend naar vooruitgang. Er is echter geen ultiem doel of
eindpunt voor deze evolutie: alles kan steeds beter.
• voorkeursrichting
Hoewel evolutie onvoorspelbaar is, heeft ze een voorkeursrichting: toegenomen fitness(zie
verder).
Dit kan ons helpen onze toekomst te begrijpen en te sturen, en om keuzen te vermijden die niet
leefbaar zijn
Fitness is geen doel maar een impliciete waarde van alle leven en
materie. Dit geeft in zekere mate zin aan het leven.
We zullen nu de historische ontwikkeling van het evolutionair-systemische wereldbeeld kort
schetsen, door de kernideeën te introduceren van elk van de complementaire
ontwikkelingen die aan de basis liggen van het ESW:
- Evolutietheorie
- Zelforganizatie en Chaostheorie
- Systeemtheorie
- Cybernetica
- Complexe adaptieve systemen
zie verder ;
http://pespmc1.vub.ac.be/Books/CursusHeylighen.pdf
http://pcp.vub.ac.be/Default.html
De evolutionair Invalshoek
http://www.knaw.nl/publicaties/pdf/20041032.pdf
Darwins briljante inzicht dat de oogverblindende rijkdom aan natuurlijke verschijnselen het
product is van een miljarden jaren durend evolutieproces, is even drastisch als eenvoudig.
Het toevoegen van de dimensie tijd bracht een buitengewoon verhelderende en duidelijke
ordening en hiërarchie aan tussen de levende soorten.
Zijn niet-aflatende inspanningen richtten zich in de meest strikte zin op de wetenschappelijke
onderbouwing van dit grandioze idee.
Het evolutionaire denken is nu een van de centrale paradigmata van de moderne
natuurwetenschap en vindt niet -verrassend ,in toenemende mate toepassingen in heel
andere gebieden.
Het gaat om de idee dat heel simpele, lokale regels of algoritmes zoals het mechanisme van
variatie en natuurlijke selectie (die lokaal werkzaam zijn)
aanleiding geven tot complexe globale verschijnselen en situaties.
Evolutie is gebaseerd op de bevrijdende gedachte dat complexiteit en chaos niet zo
ondoorgrondelijk hoeven te zijn als je ze eenmaal leert zien als de ( voorlopige en huidige )
uitkomst van een proces dat geregeerd wordt door relatief eenvoudige regels.
Evolutionair denken biedt een succesvolle benadering van complexe vraagstukken dat tot inzicht
leidt, maar heeft als keerzijde een beperkt voorspellend vermogen.
De kans dat een evolutiebioloog, uitgaande van de gehele evolutieboom tot en met het verschijnsel
aap, tot een voorspelling van het verschijnsel mens of algemener het verschijnsel bewustzijn zou
zijn gekomen, lijkt me te verwaarlozen.
Een van de mooiste aspecten van het geheel van de moderne evolutiebiologie is natuurlijk dat de
macroscopisch waarneembare wereld, de flora,fauna en de wereld van de fossielen, waarop deze
theorie oorspronkelijk gebaseerd was, een microscopisch evenbeeld heeft in het dna – een
complementaire, zeer machtige toetssteen die het vak een totaal nieuwe dimensie heeft gegeven.
Het dna ontpopt zich meer en meer als de universele gebruiksaanwijzing van de levende natuur,
maar ook als het meest volledige en accurate geschiedenisboek.
De jacht op de oorsprong van het leven is een realistische onderneming geworden; dna als
grotendeels ongelezen bestseller.
De religieuze component in de biologie betreft de mate waarin de uitkomst van de evolutie al
dan niet door toevallige gebeurtenissen bepaald is.
Men denke bijvoorbeeld aan het uitsterven van de dinosauriërs zo’n zestig miljoen jaar geleden ten
gevolge van de inslag op aarde van een gigantische asteroïde en de enorme gevolgen die dat
heeft gehad voor de mogelijkheid van zoogdieren om door te evolueren.
Tegenover deze ‘toevalsinterpretatie’, waar Stephen Jay Gould een fervent voorstander van
was, staat de visie dat het uiteindelijke product van een evolutieproces veel minder spreiding
vertoont dan je op grond van toevalsfactoren zou verwachten.
Het gaat dan eigenlijk om de volgende vraag: als de aarde weer zou ontstaan met dezelfde
fysische omstandigheden, zou een mensachtig wezen – of beter, een vorm van bewustzijn – dan
wederom ontstaan?
Het beeld, dat er wel degelijk sprake is van een evolutionaire convergentie wordt gepropageerd
door Simon Conway Morris.
Convergentie in deze context betekent dat de ontwikkeling van bijvoorbeeld het oog
sowieso plaatsvindt omdat het een tamelijk unieke oplossing biedt voor een existentieel
probleem, een oplossing die een cruciaal voordeel betekent in de strijd om het bestaan.
Er is inderdaad evidentie dat zoiets gecompliceerds als het oog op verschillende, onafhankelijke
manieren in de evolutie is ontstaan.
Als men bereid is zulke bevindingen te extrapoleren naar het bewustzijn, zou je je kunnen
voorstellen dat ook de hogere menselijke vermogens de onvermijdelijke uitkomst zijn van de
evolutie.
Stel dat de wetenschap uiteindelijk tot de conclusie komt dat leven en bewustzijn zich onder
alle omstandigheden moeten ontwikkelen binnen het totaal van de chemische en
natuurkundige natuurwetten.
--->In dat geval kan men daaraan de interpretatie van een doel a-priori geven en dat als het
existentiebewijs van een almachtig Opperwezen propageren.
( Theistisch evolutionisme )
Anderzijds kan het ook zijn dat de uitkomst van mens en bewustzijn allesbehalve onvermijdelijk is
maar juist uiterst onwaarschijnlijk en toevallig.
----> In dat geval kan men wederom beweren dat het dan wel een heel bijzondere ingreep vereist
om dit prachtige resultaat te bewerkstelligen ( Intelligent Design ) en kan men dat dan weer
als godsbewijs aan de wereld verkondigen.
Hoe zit dit?
Het probleem met dit soort interpretaties is dat ze moeilijk weerlegbaar zijn omdat ze apriori niet wetenschappelijk – falsifieerbaar – zijn.
Ze zijn logisch niet uitgesloten maar uiterst voorbarig en vervuld van een ongewoon grote
component wishfulf- thinking,
Dit onderstreept het feit dat wetenschap alleen verder komt met falsifieerbare theorieën en niet
met uitspraken die op voorhand niet te weerleggen en daarom leeg zijn.
Het is paradoxaal genoeg het verschil tussen kwetsbare en onkwetsbare theorieën en hypotheses;
de onkwetsbare zijn vaak zo vaag dat ze niet te falsifiëren zijn en dus stilstandbetekenen.
De kwetsbare zijn falsifieerbaar, dus mogelijkerwijs fout, en dat is precies wat ze
betekenisvolmaakt; ze bevatten niet-triviale informatie.
Ik heb het altijd een twijfelachtig gebaar gevonden dat apologeten de specifieke, concrete
uitspraken uit de heilige boeken die wel falsifieerbaar zijn,
als weinig terzake doende terzijde schuift, en daarvoor in de plaats – mag ik zeggen –
toevlucht zoekt tot meer en meer symbolische interpretaties.
( --->theistische evolutionisten die nog aan de bijbel vasthouden )
Dit is een keuze die wetenschappelijk gezien eigenlijk de verkeerde is.
Het waarheidsgehalte van een symbolische interpretatie is uitermate ongrijpbaar.
Een banale analogie ter illustratie:
symbolisch gezien kan men de zwaartekrachtstheorie van Newton, die de aantrekkingskracht
beschrijft die de hemellichamen op elkaar uitoefenen, van toepassing verklaren op de
aantrekkingskracht die mensen op elkaar uitoefenen. De theorie beschrijft dan elliptische oftewel
gebonden toestanden, ongebonden hyperbolische toestanden en een interessant parabolisch
grensgeval.
Symbolisch gezien een prachtige theorie, maar feitelijk baarlijke onzin.
Anders gezegd, als de apologeet zich afkeert van de historische of tastbare realiteit, en zich meer
en meer terugtrekt in een bastion van louter onweerlegbare symbolen en mysteries, dan impliceert
dat een keuze waarin haar identiteit zich met die van de kunsten verbindt.
Met een overgave aan de subjectiviteit is op zichzelf niets mis, maar het betekent wel dat zij
daarmee afstand moet doen van haar aanspraak op de rol van moreel scheidsrechter op het
wereldtoneel.
Mijn vermoeden is dat op de lange termijn de theologische kennis als wetenschap gedoemd is
op te lossen in die ene grote wetenschap en dat religies anderzijds als kunst en bron van
inspiratie, troost en liefde kunnen voortbestaan.
De maatschappelijke functies van religieuze organisaties (waar we het hier niet over hebben)
zullen, zoals ook nu al vaak het geval is, opgenomen worden in een niet-confessioneel bouwwerk
van sociale structuren.
wetenschap en zingeving
In de wetenschap zijn a-priori geen moraal, liefdesboodschap of zingeving voorhanden,
desondanks zitten er elementen van hoop en een potentiële zingeving in.
De wereld is te kennen,heeft een structurele samenhang die ons aller verbeelding overtreft
en voldoet aan een set rigoureuze wetmatigheden.
Wat wij nu om ons heen zien is het resultaat van een evolutionair proces dat zo’n 13,6
miljard jaar in beslag genomen heeft.
Het gaat om een robuust en precies wereldbeeld dat herkenbaar is voor mensen van alle
rassen en culturele achtergronden.
We zijn als mens weliswaar het jongste lootje aan de boom, maar voelen een enorme opwinding
als we ons realiseren dat wij( misschien ) de eerste zijn die de ontrafeling van het ons omringende
mysterie met zoveel succes ter hand hebben genomen.
De toenemende kennis geeft hoop op een betere wereld.
De mens kan voortdurend verandering brengen in zijn situatie omdat hij steeds meer kennis tot zijn
beschikking heeft die essentieel is voor zijn vooruitgang c.q. overlevingskansen.
Uitzicht op een verbetering van de menselijke situatie biedt troost.
Wetenschap drijft op verwondering en integriteit,
.
Dat laat onverlet dat ook wetenschappers maar mensen zijn en daarom beperkingen hebben.
Wetenschappers zijn niet betere mensen, maar het proces waaraan zij actief deelnemen is
volstrekt uniek in de geschiedenis van de kosmos, het proces waarin de natuur zichzelf onthult en
haar eigen boeken leert lezen en begrijpen.
Deze almaar voortschrijdende ontmythologisering is een bevrijding uit de willekeur van een
geloof.
Het geeft de geschiedenis een richting en ons leven een positief alternatief.
Het leven op aarde als een gerichte zelfontdekking, de schepping die zich van zichzelf bewust
wordt, is iets dat de mensheid als geheel ten deel valt.
Dat riekt zowaar naar een soort zingeving, niet ver weg en later, maar hier en nu.
Dat unieke proces van kennisverwerving is misschien waar het werkelijk om gaat.
Het absolute waarheidaspect waar filosofen ons altijd mee lastigvallen is in dit beeld
eigenlijk amper aan de orde.
Het gaat om relatieve stappen waarover geen twijfel bestaat.
De Einsteintheorie is beter dan de newtonse mechanica of gravitatietheorie omdat ze
meeromvattend is en een groter deel van de werkelijkheid accurater beschrijft.
Dit is het mentale analogon van het proces van natuurlijke selectie.
Het is niet zo belangrijk of een theorie nu wel of niet het ultieme antwoord geeft, daar valt op dit
moment nu eenmaal geen uitspraak over te doen.
Een volgende doorbraak zal daar weer meer duidelijkheid over geven.
We moeten benadrukken dat wetenschap niet slechts de verzamelde kennis van dit moment is,
maar vooral ook een zinvolle manier van omgaan met de werkelijkheid die gepast is voor wie we
zijn en waar we nu staan.
Het feit dat de natuur in onze onmiddellijke nabijheid zo veel informatie bevat die wij nog niet als
zodanig hebben herkend en verwerkt tot een samenhangend geheel, vormt een enorme uitdaging.
Meer kennis betekent vooruitgang.
Integer en zorgvuldig onderzoek, en de kritische, rationele en empirische toetsing van onze
denkbeelden is wat ons te doen staat.
Wetenschap biedt uitzicht op een betere wereld omdat het op de lange termijn de belangrijkste
drijvende kracht is in de menselijke ontwikkeling.
Zij produceert kennis, kennis die a-priori onschuldig is, die niet te vernietigen is en die zich
vermeerdert als hij gedeeld wordt. Wetenschap houdt voortdurend de belofte van een dieper inzicht
in, en meer zit er kennelijk niet in op dit moment. Integer omgaan met kennis betekent ook dat we
ons moeten verstaan met onze onwetendheid.
Tot slot daarom de woorden van de beroemde fysicus
bbc-interview dat plaatsvondin 1981:
Richard Feynman uit zijn laatste
You see, one thing is, I can live with doubt and uncertainty and not knowing. I think
it’s much more interesting to live not knowing thanto have answers which might be
wrong.
I have approximate beliefs and different degrees of certainty about different things,
but I’m not absolutely sure of anything and there are many things
I don’t know anything about, such as whether it means anything to ask why we are
here. I don’t know the answer. I don’t feel frightened by not knowing things, by
being lost in a mysterious universe without any purpose, which is the way it really
is as far as I can tell, it doesn’t frighten me.
Evolutie - Filosofie en obscurantisme
Over het historisch karakter van de evolutie, de ontwikkeling van het leven in de tijd,
bestaat weinig verschil van mening. ( Tenzij natuurlijk bij de fundamentalistische YEC )
De meningsverschillen ontstaan pas bij het beoordelen van de werkelijke oorzaken ( of
zelfs welke mechanismen )- die aan het proces der evolutie ten grondslag liggen.
Pierre Teilhard de Chardin (1955) en AGM Van Melsen (1961) kunnen
zich op resp. theologische en wijsgerige gronden niet verenigen met de idee dat de
evolutie geleid door een toevalsproces (namelijk het optreden van mutaties) de
recente vormenrijkdom zou hebben voortgebracht.
Zij zien in de hi챘rarchie van levende vormen met haar toenemende innerlijkheid (Van
Melsen) of bewustzijn (Teilhard de Chardin), de indicatie van een finaal verlopende
ontwikkeling (finalistische theorie).
Anderzijds menen bijv. Huxley (1961) en Simpson (1953, 1964) op wetenschappelijke
gronden dat juist dit ongerichte toevalsspel van mutaties en hercombinatie van
genen op den duur wel de zeer hoge vorm van organisatie, die zo kenmerkend is
voor de levende wezens, heeft kunnen voortbrengen (materialistische theorie).
Men kan dus twee extreme standpunten onderkennen: enerzijds
het sci챘ntisme, een materialistische of mechanische evolutieleer waarin alles
verklaarbaar is
vanuit het geloof in de overwinning van de wetenschap op de wereld (causalistische
theorie);
anderzijds het vitalisme,
volgens welke opvatting de veranderingen die optreden in de ontwikkeling van het leven, en
waaraan latere organismen hun ontstaan danken, hun oorsprong vinden in het organisme zelf. De
diepere oorzaak van de evolutie ligt in het leven zelf besloten.
Ziet men bovendien een doel dat door de autogene factoren nagestreefd wordt, dan belandt men
bij de teleologische school van het finalisme.
Het nagestreefde doel is hier steeds de mens (telefinalisme).
Biologen drukken er echter steeds weer op dat evolutie niet doelgericht is , noch Intelligent
ontworpen
Theilhard de Charfdin ( Le phenomene Humain ) bedient zich daarbij van een afgrijselijke taal ;
een soort wolligheid , onnodige gekompliceerdheid en obscurantisme , doorspekt met
talloze neologismen ---->Het soort onleesbare brei en woordkramerij
die zowel dubieuze verdraaiingen als klinklare nonsens , doet uitschijnen als diepzinnige wijsheid
....
Conway Morris creato ?
"Evolutie is niet gebaseerd op toeval, maar heeft zich ontwikkeld via de besloten wetten der
natuur...
----> Dawkins / Gould :
Wetenschappers die beweren dat alles wordt bepaald door het toeval en, zou je de band
terugspoelen en opnieuw afspelen, er van alles mogelijk is,
zelfs een planeet zonder intelligent leven, zonder mensen. ...
http://www.stephenjaygould.org/library/conwaymorris_crucible.html
Opabinia, Habelia, Marrella, Leanchoilia, Sanctaris en Wiwaxia waren de diersoorten waarvan de
lezers van Stephen Jay Gould, Wonderful Life (Penguin 1991) nooit de fantastische afbeeldingen
zullen vergeten, zij het dan ook dat ze voor een zeker deel moeten berusten op de fantasie, althans
de interpretatie, van Marianne Collins.
Ze doken plotseling weer op bij een interview met Simon Conway Morris onder de titel De mens is
geen ongelukje in de W&O-bijlage van de NRC (30 maart 2002
---> http://scholieren.nrc.nl/weekkrant/2002/14/5.shtml).
Het interessante van dat interview was voor mij niet dat de vloer werd aangeveegd met de theorie
van Gould volgens welke het ontstaan van de menselijke
soort het gevolg was van een speling van het lot.
Als je de evolutie zou overdoen, aldus Gould, dan zou er niet opnieuw een menselijke
intelligentie worden voortgebracht.
Dat is een volslagen onzinnige opmerking, omdat er geen enkele manier is om zoiets te
critiseren of te testen.
Een onwetenschappelijke uitspraak dus en daar hebben we geen Stephen Jay Gould voor
nodig. En eigenlijk dus ook geen Simon Conway Morris om het tegen te spreken.
Nee, het interessante is gelegen in de voorspelling van Conway Morris dat de evolutie, als die
er een millieu voor heeft en 3.5 miljard jaar de tijd, onvermijdelijk zo'n intelligentie zal
produceren.
Dat is dus wel een testbare uitspraak.
Een toetsbare hypothese.
Nu moet ik zeggen, dat ik hem ook niet helemaal vertrouw.
Een uitspraak bijvoorbeeld als de volgende:
"Wat daaruit (die toevals-theorie van Gould JvB) volgt is - omdat wij een ongelukje van de
evolutie zijn - dat elk moreel systeem van ons moet zijn gebaseerd op een menselijk
construct."
Laten we maar zeggen: een menselijk construct moet zijn.
Kennelijk heeft Conway Morris daar moeite mee. Dat wil zeggen dat de moraal volgens hem
van elders stamt, ik denk van God. Het zal dus zelf ook wel een creationist zijn, al probeert
hij zich draaikonterig van zulk volk verre te houden.
In het laatste stuk van het interview gaat het over concentratiekampen, over moraliteit die niet
kan vastliggen in de genen, over eugenetica waar je bij terecht kunt komen, over
opvattingen die stinken.
Het blijft allemaal wat onduidelijk, maar ik vrees dat Conway Morris er ook een geheime agenda
op na houdt.
Wat is nou het belang van zo'n stukje in de wetenschappelijke bijlage van een krant? Niet
natuurlijk de verkondiging zelf van de convergentie-theorie, want die staat inhoudelijk net zo
zwak als de toevalstheorie van Gould.
Het zou pas wetenschappelijk interessant worden als er proeven waren gedaan die die theorie
ondersteunen.
Iets meer dus dan er bloot op wijzen dat bij voorbeeld het oog evolutionair meerdere malen
is uitgevonden.
Mijn gedachten gaan in een heel andere richting en ik wil niet nalaten de creationisten met gepaste
bescheidenheid een hint daarheen te geven.
Er is nu dus - zo constateer ik - een wetenschapper die zegt dat de evolutie convergeert. Dat
betekent natuurlijk - hoe vreemd Conway Morris onze wereld ook vindt, veel vreemder zegt
hij dan wij ons realiseren - dat wat op onze planeet gebeurt ook op andere, vergelijkbare
planeten zal gebeuren.
Vergelijkbare planeten moeten er in overvloed zijn.
Immers: de evolutie convergeert. De conclusie moet zijn dat het in het heelal wemelt van wezens
zoals wij.
Al die wezens hebben een moraal, want de moraal is niet zomaar een menselijk construct, ofwel ze
is wel menselijk van oorsprong en bestaat dan overal waar zoiets als de mensheid bestaat.
Immers: de evolutie convergeert.
Welnu, als we onder creationisten zijn, lijkt de aanname van een universele verlossing
van menselijke zielen, waar dan ook in het universum, noodzakelijk.
Overal moet dus de zoon Gods mens geworden zijn en overal moet een kerkelijk geloofsgezag
verkondigen dat die menselijke zoon naar zijn persoonlijkheid beoordeeld de goddelijke tweede
persoon is.
Dat is nog even wat anders dan beweren dat de theorie over priemgetallen universeel moet zijn.
Maar zou dat nou kunnen? Z
ou het in het universum ook kunnen wemelen van verschijnselen in de vorm van een menselijke
natuur die als persoon God zijn?
Zoals de kerk dat leert?
Daar had ik Conway Morris wel eens over willen horen. Dat lijkt mij eigenlijk de
interessantste kant van het interview, die vraag, die gedachte. Ook voor de paus trouwens,
denk ik.
Jan van Bakel, 1 april 2002.
http://strangedoctrines.typepad.com/strange_doctrines/2003/11/the_necessity_o.html
http://pharyngula.org/index/weblog/curse_you_simon_conway_morris/
http://pharyngula.org/index/weblog/comments/simon_conway_morris_and_lifes_solution_its_tea/
Vitalisten zien het leven als aangedreven door de "vis vitalis " ----> dat is de anima of de ziel van
de platonisten
Vooral dit vasthouden aan de ziel door onder ander Conway Morris ( zoals uit
onderstaande artikels blijkt ) doet vermoeden dat Morris wel degelijk vitalist en "theistisch
evolutionist " is ....
Over de ziel
http://www.corante.com/loom/archives/002580.html
http://www.carlzimmer.com/soul_reviews_bioscience.html
Overigens lijken de Theististische evolutionisten zich ook al langs om meer te scharen onder
de "big tent " van de ID-ers ....
Volgens mij is Conway Morris alleen maar een vertegenwoordiger van de
" europees- intelektuele -artistiekerige " variant van de ID. school
die niet zozeer een ID-er watchmaker pretendeerd als wel een teleologische plannenmaker (
in de grond dus juist hetzelfde ) en vooral zal moeten worden aangepakt vanuit de hoek der
cognitieve en hersenwetenschappen .... want in feite is hun hoofddogma ; het voortbestaan van
de persoonlijke menselijke ziel ....
---->Conway Morris lijkt me bovendien een "fine tuner " ID-er
en waarbij de godheid creert door de omgeving te verschaffen ...
-----> En uiteraard is "theologie" ( het laatste hoofdstuk van Conway morris
laatste boek noemt : " Towards a theology of evolution " ) alleen maar een theistischfilosofische vorm van apologetica .....
Het is gewoon pure nonsens in de beste obscurantistische stijl waarmee ook
de Chardin beroemd is geworden ....
Ronald Plasterk
Het echte wonder
http://www.madeinmuiden.nl/Plasterk.htm
Simon Conway Morris, keert zich tegen de stelling die onder anderen door de evolutiebioloog
Stephen J. Gould is uitgedragen: de mens is ontstaan door toeval. `Een schitterend ongeluk', zei
Gould. Als de band van de evolutie zou worden teruggedraaid, en opnieuw geｭstart, dan zou de
mens niet opnieuw ontstaan, dan zou het resultaat geheel anders zijn.
De redenering van Gould is deze: de mens en alle andere levensvormen zijn ontstaan door
evolutie. Evolutie is het samenspel van toevallige mutaties en natuurlijke selectie. Toeval
dus. Als heel lang geleden een toevallige mutatie niet was opgetreden, dan waren we een
groen slijm geweest in plaats van vlees en botten.
Nu is Conway Morris geen mysticus. Hij twijfelt niet aan het mechanisme van de evolutie, maar zet
in een fraai betoog vraagtekens bij de relatieve rol van de toevallige mutaties.
Ik zal u mijn eigen lezing van het verhaal geven.
Ogen met een netvlies en een ooglens zijn in de evolutie meer dan 챕챕n keer ontstaan. Wij
mensen hebben ze (wij zijn chordaten), maar ook de inktvissen hebben ze (mollusken). De
gemeenschappelijke voorouder van de mollusken en de chordaten had geen ogen. Dus
dezelfde briljante uitvinding van het oog is minstens twee keer gedaan!
Een ander voorbeeld: de sabeltandtijger en de buidelsabeltandtijger lijken sterk op elkaar.
Toch is hun laatste gemeenschappelijke voorouder een klein soort ratje. Kennelijk is die
katachtige liｭ chaamsvorm, met die malle sabelｭ tanden, meermalen ontstaan.
Hoe kan dat dan? Toch een Intelligent Ontwerp?
Nee, de verklaring moet je zoeken in het beperkte aantal mogelijkheden om een oplossing te
vinden. Kennelijk is het oog, het verwerken van beelden via een lichtgevoelige uit ｭ stulping
van de hersenen, een Goed Idee, van het soort waarvan er niet veel zijn. Kennelijk zijn er in
de levende natuur in de loop van de vele jaren zo ontzettend veel mutaties geweest, dat het
toevallig voorkomen van mutaties nauwelijks doorslaggevend is voor het eindresultaat,
maar dat de natuurlijke selectie dat is.
Ik zou daar zelf een tweede beｭ perkende factor aan toe willen voegen die Conway Morris niet
noemt, en die komt uit de ontwikkelingsbiologie.
Het DNA bepaalt niet hoe het eindproduct eruit ziet, het DNA bepaalt het assemｭblageproces
vanaf de bevruchte eicel tot het eindresultaat. Het DNA is geen blauwdruk, maar een
kookboek: het beschrijft een proces van bouwen en kneden. En dat proces legt beperkingen
op aan het eindproduct. Er zijn Goede Idee챘n die als eindproduct geslaagd zouden zijn,
maar die via de embryonale ontwikkeling niet te fabriceren zijn.
Evolutie is geschiedenis. En ook bij de geschiedenis kun je vragen stellen. lees bijvoorbeeld de
roman Making History van Stephen Fry.
Hierin stelt hij de vraag: wat zou er gebeurd zijn als Hitler niet geboren was? Zijn antwoord is dat
een andere man, Gruber, dan de Hitler-rol gespeeld zou hebben. Maar dat weet je nooit zeker,
want er zijn in de geschiedenis chaotische effecten, kleine effecten met grote gevolgen. En
misschien had Gruber Rusland niet aangevallen, en dan waren we nu een provincie van Duitsland.
De evolutie heeft buidelvleermuizen opgeleverd, maar geen buidelvarkens.
Niet alles
wat kan, gebeurt ook.
Dus ik denk dat Conway Morris zijn zaak overdrijft als hij zegt dat het ontstaan van de mens
onverｭ mijdelijk was.
Naast de onzekerheid in de biologie is er ook nog de onzekere kosmos: de dinosauriërs zijn 65
miljoen jaar geleden abrupt aan hun einde gekomen, nadat ze 200 miljoen jaar de
aarde gedomineerd hadden.
Als de meteoriet van Chicxulub de wereld 65 miljoen jaar geleden gemist had, dan hadden
onze geschubde vrienden het 100 miljoen jaar langer uit gehouden. Dan waren wij er niet
geweest. Dus toch een groot effect van toeval.
INTERVIEW publicatiedatum : 29-12-2004 /
Het "creationisme " van Conway Morriss
http://scienceblogs.com/pharyngula/2009/02/convergence_schmonvergence.php
http://whyevolutionistrue.wordpress.com/2009/02/14/simon-conway-morris-becomes-a-creationist/
Contingentie of Convergentie ?
Stephen J. Gould, acht de kans dat de geschiedenis enigszins hetzelfde zou hebben opgeleverd
minimaal:
Replay the tape a million times from a burgess beginning, and I doubt that anything like
Homo sapiens would ever evolve again. It is, indeed, a wonderful life. (Gould 1989, 289)
Gould verwijst hier naar de Burgess-schalie, een rotsformatie in Canada waar veel fossielen uit het
begin van het Cambrium, zo'n 530 miljoen jaar geleden,
zijn gevonden.
Volgens Gould waren er destijds veel meer vormen van leven, potenti챘le voorouders van phyla
zoals de gewervelden of de insecten, dan ooit later; hij telt 25 soorten fossielen die ieder tot een
eigen phylum hadden kunnen leiden; slechts 4 daarvan hebben thans nog representanten.
Het had, volgens Gould, zeer wel anders kunnen lopen in de ontwikkeling van meercellig
leven.
De mens, homo sapiens, is
`a tiny twig on an improbable branch of a contingent limb on a fortunate tree' (Gould 1989,
291).
Als aan het eind van het Krijt, zo'n 65 miljoen jaar geleden, de inslag van een meteoriet of komeet
geen einde had gemaakt aan de dinosauriërs, dan domineerden die misschien nu nog de
Aarde; bewustzijn zou dan niet ontstaan zijn.
Niet in astrologische zin maar in biologische zin kan je zeggen dat we ons bestaan danken
aan de stand van de sterren (Gould 1989, 318).
Contingentie ;
Gould vindt dat de toevalligheid, de kwetsbaarheid van ons bestaan het ook tot iets bijzonders
maakt.
Volgens Gould (284) is contingentie ook de basis voor vrijheid, want het bevestigt de rol van
kleine, plaatselijke invloeden op het gebeuren;
de uitkomst ligt niet vast in een onafwendbaar, alleen door wetten bepaald proces.
Convergentie ;
prof. Simon Conway Morris, hoogleraar Evolutionaire paleobiologie aan de Universiteit van
Cambridge.
Volgens prof. Conway Morris is de evolutie voorspelbaar.
Het leven regelt zelf zijn zaakjes, zodat de mens de noodzakelijke uitkomst is van de evolutie.
Volgens Stephen J. Gould en Richard Dawkins, is de evolutie bepaald door stom toeval.
(dit is een stroman argument ; dat zegt ( zeker ) Dawkins helemaal niet
de evolutie is zowel bepaald door wetten als door toevallige historische keuzes
uiit de toen aanwezige oplosmogelijkheden (zie onderaan IMHO )
De bioloog Simon Conway Morris trekt ten strijde tegen deze visie.
Speel de band nog eens af, zegt hij, en je ziet grofweg dezelfde patronen ontstaan.
Eigenschappen als intelligentie, het vermogen complexe samenlevingen te vormen en werktuigen
te vervaardigen, cultuur – ze liggen allemaal besloten in de
wetten van de natuur.
Er is veel minder contingentie in de evolutie dan veel mensen betogen.
Er is vaak sprake van convergentie: meerdere keren is bijv. in de evolutie het oog ge챘volueerd.
Het verhaal spitst zich toe op de ontwikkeling van de hersenen bij verschillende soorten en wat
voor functies het brein heeft.
---> intelligentie bij mensen en dolfijnen , primaten en zelfs zwerm-intelligentie bij bijenzwermen en trek-mieren
Ontwikkeling van leven, intelligentie en
technologie op een geschikte planeet. ?
Is het een vrijwel noodzakelijke consequentie van het evolutionaire gebeuren dat wezens zoals
wij ontstaan? (3)
Of moeten we ons bestaan zien als een gegeven van grote toevalligheid? ( IMHO )
Onderzoekers naar signalen van buitenaardse beschavingen. :
Naar hun mening zullen intelligentie en technologie vrijwel altijd ontstaan indien er een geschikte
voedingsbodem is.
Als er voldoende tijd is, dan ontwikkelt de boom des levens zich steeds verder; in de loop
der miljoenen jaren worden alle goede mogelijkheden van leven bij toeval aangeboord en
uitgebuit. (4)
Bij een dergelijke redenering lijkt verondersteld te worden dat het totale aantal
mogelijkheden vergelijkbaar is met het aantal dat in enkele miljarden jaren
geëxploreerd kan worden en dat het uitwerken van de ene mogelijkheid het verwerkelijken van
andere levensvormen niet uitsluit;
Daniel Dennett, benadrukt convergentie.
Convergentie betekent dat een praktische oplossing, naar ingenieursstandaarden beschouwd, op
verschillende plaatsen en tijden opnieuw tot stand komt.
Replay the tape a thousand times, and the Good Tricks will be found again and again, by
one lineage or another. (Dennett 1995, 308)
Zo is op Aarde vliegen als vorm van voortbewegen tenminste vier keer uitgevonden in twee
verschillende phyla.
En in het dierenrijk zijn zo'n veertig keer ogen ( onhafhankelijk ) uitgevonden; verschillend
van bouw, maar functioneel in hoge mate equivalent.(1)
Dan lijkt het redelijk te verwachten dat dergelijke zintuigen ook bij leven op andere planeten
ontstaan zouden zijn.
Dit argument pleit volgens Ernst Mayr echter niet voor maar juist tegen de waarschijnlijkheid van
intelligent leven elders.
Immers, intelligentie, in hogere vorm, is slechts in 챕챕n van de meer dan een miljard soorten tot
stand gekomen (Mayr 1988, 72).
En geavanceerde technologie is slechts in 챕챕n van de vele menselijke culturen ontstaan, dus ook
dat is niet vanzelfsprekend.
Het zoeken naar signalen van buitenaards leven acht Mayr dan ook verspilling,
`a deplorable waste of taxpayers' money, money that could be spent more usefully for other
purposes' (Mayr 1988, 73).
intelligentie ?
Zowel Gould als Dennett zien de ontwikkeling van intelligentie als
een bijprodukt;
het evolutionaire proces was niet gericht op de evolutie van
intelligentie.
Anders lijkt de fysicus Paul Davies daarover te denken.
Bewustzijn is, volgens hem, g챕챕n ongelofelijk toeval, net zo min als bijvoorbeeld materie; =
het is een karakteristiek effect van de meest fundamentele natuurwetten.
In a re-run, the details would be different.
You wouldn't have homo sapiens; you wouldn't even have Earth.
But somewhere in the cosmos conscious life would emerge.
I want to make it quite clear that I'm not saying that we Homo sapiens are written into the
laws of physics in a basic way, but I think the general trend
" the tendency from simple to complex to consciousness " is something that is part of the
natural outworkings of the laws of physics.
It was `already there', implicitly, in the basic laws of physics. (Davies 1995, 70)
Gould en Davies kennen beide waarde aan de mens toe, maar waar waarde in zou bestaan,
daarover blijken ze verschillend te denken.
Gould denkt in termen van `contingentie', of, platter gezegd, vervangingswaarde; als mensen met
al hun culturele en geestelijke vermogens weg zouden
vallen, dan zou er waarschijnlijk niet iets soortgelijks ontstaan, dus de vervangingswaarde is hoog.
Voor Davies is bewustzijn, het mentale, juist van waarde omdat het hoort bij het wezenlijke (in
plaats van het toevallige, accidentele).
Voor beide auteurs geldt echter dat het inzicht dat de mens is opgekomen in een lang evolutionair
proces niet de mens naar beneden haalt maar zou dienen
te leiden tot een opwaardering van ons beeld van materie en evolutie.
Leven, en ook menselijk leven, is een uitkomst van natuurlijke processen.
Zoiets kan ook elders ontstaan zijn.
Als ik tijdens een donkere, heldere nacht naar boven kijk, dan zie ik zoveel sterren dat ik intu챦tief
geneigd ben
te denken dat er wel enkele met bewoonde planeten bij zullen zijn.
Hoeveel trucs zijn ook daar uitgevonden?
De vragen zijn zo fascinerend dat enig onderzoek naar aanwijzingen voor buitenaards leven de
moeite waard is.
Maar resultaat moeten we niet verwachten.
( Drees ) Biologen
zoals Gould en Mayr hebben, denk ik, gelijk:
de ontwikkeling van een wezen als de mens is bijzonder. (2)
Het is daarom niet re챘el om te verwachten dat intelligent leven zal voorkomen bij een van de
sterren die we met het blote oog kunnen zien.
Als intelligent leven ver weg is, dan is detectie onwaarschijnlijk;
spreken van `communicatie' wordt onzinnig aangezien de tijd tussen vraag en antwoord generaties
en culturen overstijgt.
Wat zegt de discussie over intelligent leven elders over ons?
De mens staat in het kader van een biologische geschiedenis, maar de mogelijkheid van
bewustzijn, van reflectie op ons eigen gedrag en op nog niet
gerealiseerde mogelijkheden, van spelen met ideeën is ontwikkeld tot een hoogte die elders op
Aarde niet voorkomt.
Juist dat geeft ons ook een eigen verantwoordelijkheid; we zijn, soms, een beetje gevoelig voor
redenen, voor argumentatie. We kunnen gevolgen op langere
termijn enigszins voorzien.
Dankzij het vermogen tot reflectie zijn we niet uitgeleverd aan het evolutionaire gebeuren, maar
kunnen we de immorele hardheid van het evolutionaire
proces bestrijden (Huxley 1894, 83).
We zijn biologisch bepaald, maar juist dankzij onze biologische structuur ook vrij, verantwoordelijk
(Drees 1995, 213-221).
Referenties en links
zie verder --->
Vrijzinnig protestants
http://www.drees.nl/inaugurelerede.htm
Theistisch evolutionisme ( sjoerd Bonting )
http://www.xs4all.nl/~bonting/nl-publicatie003.htm
Noten
(1) Echter : Beide basistypes van ogen ( rhadometrische en cilliaire bouw-principes van de
photocellen ) zijn afkomstig van dezelfde voorouder ---->
(oogevolutie
) http://groups.msn.com/evodisku/glosop.msnw?action=get_message&mview=0&ID_Message=655
&LastModified=4675495908525631190
Ook blijken dierlijke "ogen " overal te worden aangestuurd in hun ontwikkeling door
dezelfde erfelijke informatie
---> alhoewel dus "onafhankelijk ontwikkeld" in verschillende phyla gaan " ogen " steeds terug op
dezelfde homeobox hox gen(en )
Er zijn genen ontdekt die de "ogen " vormen.
Fruitvliegjes waarbij dit gen werd weggehaald ontwikkelden dus geen ogen.
Toen in deze DNA streng later een gen werd ingebracht dat de ogen van muizen vormt
ontwikkelden deze zich tot normale facetogen van een fruitvliegje.
Het gen maakte dus een facetoog en geen muizenoog!
Er bestaat dus een gen dat de ogen vormt, maar hoe dit oog eruit komt te zien ( het type oog )
wordt blijkbaar door andere genen bepaald.
--->Eigenlijk zijn "alle" ogen (camera-ogen, ocelli , samengestelde ogen ) ontwikkeld uit
lichtgevoelige cellen
lichtgevoelige cellen komen ook bij planten en bij microbionten voor ...
Kommentaar ;
Deze " nieuwe ontdekkingen" onderstrepen het belang van de evo-devo biologie : iets wat door
bovenstaande discutanten ( nog niet of niet konden )in overweging nemen ...
In feite is deze gehele diskussie hopeloos voorbijgestreefd ...zoals op zovele gebieden van de
evolutieleer , word de huidige toon gezet door de
theorieeen over genen-evolutie , de evo -devo biologie en de ( aan belang winnende ) systeem
/chaos theorie ..
http://www.kennislink.nl/web/show?id=91405&showframe=content&vensterid=70344&prev=91402.
http://home.worldonline.nl/~sttdc/jrg11_nr2_p3744.htm
(2)
De mens is niets speciaals of uitzonderlijks : de mens is niet" bijzonder" in die zin : de mens
is wel bijzonder in de zin dat hij uniek
is ....
Het is wél zo dat de mens uniek is = omdat een uniek ( historisch ) ontwikkelingsspoor is
gevolgd en omdat de ( historische en evolutionaire
en genetische en selektieve )antecendenten van de mens uniek zijn : maar dat is zo voor elk
organisme of ding ....en zelfs voor elk individu ;
niets "bijzonders" eigenlijk
Het komt er tenslotte weer op neer dat men niet wil of kan aanvaarden dat de MENS " niet de
kroon " van de schepping is , maar slechts één onder de
velen die hier op deze planeet moeten "overleven" en uiteindelijk ook een veel grotere kans heeft
definitief uit te sterven ( zoals al die anderen )
dan te ontwikkelen tot een "blijvertje " ....
(3)Neen , maar ze zijn dus wel onstaan
(4)goede mogelijkheid = een ontwikkelingslijn( evolutionaire pathway of route binnen de
evolutieruimte ) die ( nog ) niet doodloopt ....
IMHO
Het feit dat men een weg kan kiezen uit een onnoememijk aantal ( maar wel eindig aantal
) mogelijkheden aanwezig in de oplosruimte betekent meteen dat
een keuze van een weg ( of dat nu door een vrije wilsdaad of door toeval gebeurt doet niets ter
zake )vele mogelijkheden afsluit( deze die niet worden
gekozen ) , en vele nieuwe opvolg-mogelijkheden opent ....
---> Er is sprake van zowel gedetermineerdheid als vrijheid
--->Er is zowel toeval als richting maar er is geen teleologische planning noch een "planner" ...
--->Er is zeker sprake van ontwerp maar er is geen intelligente ontwerper ( alleen een "blind
watchmaker " )
--->De onzichtbare hand is niet een god = alleen maar "een staal " van een voortdurend proces van
een ongelofelijk aantal interakties waarbij causale
ketens zich voortdurend vertakken , samenvallen en overlappen ....
Nov 6, '04
Het grote uitsterven = de P/T lijn
http://natuurinformatie.nl/ndb.mcp/natuurdatabase.nl/i000305.html
De grootste crisis die het leven op aarde ooit doorstond, was een ramp aan het
einde van het Perm (251 miljoen jaar geleden). Veel plant- en diersoorten stierven
toen uit en het verlies aan biodiversiteit was enorm.
Geschat wordt dat ongeveer 50 tot 70 procent van alle landsoorten en 70 tot 95
procent van de zeesoorten ophielden te bestaan. Dit massale uitsterven begon in
de laatste 20.000 jaar van het Perm.
In deze periode verdwijnen de mariene groepen, terwijl de Permische landplanten
nog enkele honderdduizenden jaren wegkwijnen. De omvang van deze crisis blijkt
vooral uit de herstelfase, of beter gezegd: uit het lange uitblijven ervan. Het duurde
ongeveer vier miljoen jaar voordat complexe ecosystemen, zoals bossen weer
geheel hersteld waren.
De meeste Permplanten en dieren hadden plaatsgemaakt voor Triassoorten. Deze
crisis was veel omvangrijker dan de Krijt-Tertiairramp en zowel het
uitstervingsproces als de herstelperiode duurden langer.
Denso챦sporites neijburgil, een spore van een
wolfsklauwachige, gevonden in een boring in de
Nederlandse ondergrond. De wolfsklauwachtigen waren
챕챕n van de weinige plantengroepen die konden floreren
in de periode die volgde op de Perm-Triascatastrofe 짤
TNO-NITG
De oorzaak van deze ramp is nog altijd niet met zekerheid te bepalen.
Waarschijnlijk speelde grootschalig vulkanisme in het huidige Siberi챘 een
sleutelrol. Dit had mogelijk grote gevolgen voor het milieu, zoals
klimaatverandering, zure regen en verduistering. Dit zou zon vernietigende
uitwerking op de ecosystemen hebben gehad, dat deze vrijwel allemaal ten onder
gingen.
Studies naar de oorzaken en gevolgen van deze catastrofe kunnen nuttig blijken bij
het voorspellen van de huidige menselijke invloed op het milieu.
(Uit NRC Handelsblad)http://scholieren.nrc.nl/vakken/artikelen/0110_uitsterven2.shtml
vulkaaneruptie in Siberie
Een
die een oppervlakte van meer dan 260.000
vierkante kilometer met lava bedekte, heeft mogelijk de klimaatsveranderingen veroorzaakt die leidden
tot het uitsterven van bijna al het leven op aarde 250 miljoen jaar geleden.
Dat is de uitkomst van een Amerikaans onderzoek, waarin monsters van het Siberische lavagesteente precies
werden gedateerd. De resultaten van dit onderzoek, uitgevoerd door medewerkers van de universiteit van
Rochester en het Institute of Human Origins in Berkeley, worden vandaag gepubliceerd in het Amerikaanse
wetenschappelijke tijdschrift Science.
De massale uitsterving 250 miljoen jaar geleden, waarbij tussen de 75 en de 95 procent van alle diersoorten op
aarde verdween, markeerde het einde van het Perm. Het was de zwaarste van een lange reeks uitstervingen
gedurende de afgelopen 600 miljoen jaar, zwaarder bijvoorbeeld dan die van 65 miljoen jaar geleden waarbij
onder meer de dinosauriers uitstierven.
De extreem grote vulkaanuitbarsting, die in fasen plaatshad over een periode van misschien wel 200.000 jaar,
zorgde voor lavagolven die op sommige plaatsen wel 800 meter dik waren. Het totale volume uitgespuwd lava
bedroeg naar schatting 1,5 miljoen kubieke kilometer, voldoende om de hele aarde met een laag van 3 meter
dik te bedekken.
Hoewel een direct causaal verband tussen de eruptie en het einde van het Perm niet is aangetoond, klopt de
radioactieve (argon-)datering van het Siberische lava bijzonder goed met die van het einde van het Perm. De
ouderdom van de diverse verzamelde en doorgemeten gesteenten lag tussen de 248,3 en 247,5 miljoen jaar,
ruim binnen het onzekerheidsinterval van de datering van de Perm-uitsterving.
Door de ramp werden vooral de zeedieren gedecimeerd, maar ook de reptielen op het land. Hoewel het
precieze mechanisme van de uitsterving onzeker is, lijkt het plausibel dat de uitstoot van miljoenen tonnen as,
stof en gas in de atmosfeer als gevolg van de vulkaanuitbarsting ervoor verantwoordelijk was. Door de lange
verblijfstijd in de atmosfeer kunnen de roet en het stof een temperatuursverlaging en een klimaatsverandering
hebben veroorzaakt volgens het nucleaire-winter scenario. Er zijn geen aanwijzingen voor een asterode-inslag
zoals die welke, naar men aanneemt, verantwoordelijk was voor het verdwijnen van de dinosauriers 65 miljoen
jaar geleden.
478 Aanwijzingen voor grote inslag op grens
Perm/Trias
Er zijn aanwijzingen gevonden dat de grens tussen Perm en Trias (die ook de
grens vormt tussen het Paleozo챦cum en het Mesozo챦cum, 251 miljoen jaar
geleden) net als de grens tussen Krijt en Paleoceen (die ook de grens vormt tussen
Mesozo챦cum en Tertiair, 64 miljoen jaar geleden) veroorzaakt werd door de inslag
van een grote meteoriet. Op de grens tussen Perm en Trias stierven nog meer
soorten uit dan op de K/T-grens: ongeveer 80% van de soorten op het land en
ongeveer 90% van de soorten in zee verdwenen bij deze massa-uitsterving van de
aardbodem
Door hoge druk opgesmolten plagioklaaskristal van ruim 3 km diep.
De aanwijzingen voor een grote inslag op de P/T-grens zijn in veel opzichten
vergelijkbaar met de inmiddels overbekende aanwijzingen voor zo’n inslag op de
K/T-grens. In het laatste geval werd, in 1994, dankzij satellietbeelden een enorme
(inslag)krater ontdekt op (of liever: onder) het Mexicaanse schiereiland Yucatán;
die krater was inmiddels door kilometers dikke pakketten jongere sedimenten
bedekt.
Nu is een soortgelijke krater, ook onder kilometersdikke sedimentpakketten,
ontdekt in de zee ten noordwesten van Australi챘.
Ter plaatse bestaat een verhoogde zeebodem, die bekend staat als de ‘Bedout
Hoogte’, en waarvan al eerder werd geopperd dat die met een inslag te maken kon
hebben. Zwaartekrachtmetingen hebben nu aangetoond dat het mogelijk gaat om
een inslagkrater met een doorsnede van zo’n 200 km
http://www.alphalink.com.au/~dannj/craters.htm
De vage kratervorm is echter niet de belangrijkste aanwijzing. In een boorkern die
al jaren geleden ter plaatse door een oliemaatschappij werd opgehaald troffen
onderzoekers een type kwarts aan dat alleen bij uitzonderlijk hoge druk (zoals die
kan bestaan bij een grote inslag) kan ontstaan. Hoewel er ook twijfel aan die
interpretatie bestaat (sommige deskundigen menen dat deze vorm van kwarts ook
bij extreme vulkanische processen kan ontstaan), is het echter een sterke
aanwijzing. Maar er is meer: op het vasteland van Australi챘 en op Antarctica (dat
ten tijde van de gebeurtenis direct aan Australi챘 grensde), is in lagen van dezelfde
ouderdom ook dit type kwarts aangetroffen, dat daar terecht moet zijn gekomen
toen bij de inslag grote hoeveelheden materiaal hoog in de atmosfeer werden
geworpen.
Voorlopige schattingen geven aan dat de meteoriet (als het een meteoriet was ...)
ongeveer net zo groot moet zijn geweest als de meteoriet die de aarde op de K/Tgrens trof: een diameter van ca. 10 km. Het moet echter wel een ander type
hemellichaam zijn geweest. De K/T-grens wordt immers bijna overal ter wereld
gekenmerkt door een laagje met een sterk verhoogde concentratie aan het metaal
iridium, dat in sommige meteorieten veel rijker voorhanden is dan op aarde het
geval is. Een dergelijk iridiumlaagje is van de P/T-grens echter niet bekend. Wel
zijn er merkwaardige koolstofmoleculen van bekend (fullerenen, bekend als de
voetbalvormige ‘bucky ball’), waarvan eveneens bekend is dat die in sommige
hemellichamen relatief veel voorkomen (terwijl ze op aarde zeldzaam zijn).
Over de oorzaak van de massa-uitsterving op de K/T-grens wordt nog volop
gediscussieerd. Sommige onderzoekers denken aan een direct gevolg van de
inslag (zie het voorgaande artikel van Geonieuws), maar anderen wijzen op de
mogelijk rampzalige gevolgen van de enorme uitvloeiingen van lava in India,
waardoor honderdduizenden vierkante kilometers met dikke basaltpakketten
werden bedekt. Merkwaardig genoeg bestaat er op de P/T-grens een vergelijkbaar
verschijnsel: in Siberië vond toen eenzelfde, gigantische uitvloeiing van basalt
plaats. Wellicht hebben grote inslagen zo’n invloed op de aarde dat daardoor zulke
uitbarstingen van spleetvulkanisme (waarbij honderdduizenden kubieke kilometers
basalt uitvloeien) kunnen ontstaan
Referenties
Becker, L., Poreda, R.J., Basu, A.R., Pope, K.O., Harrison, T.M., Nicholson, C. &
Iasky, R., 2004. Bedout: a possible end-Permian impact crater offshore
ofNorthwestern Australia. Science 304, p. 1469-1476
Kerr, R.A., 2004. Evidence of huge, deadly impact found off Australian
coast? Science 304, p. 941
ngv-geonieuws
Krijt-Tertiairgrens : K/T lijn
De overgang van het Krijt naar het Tertiair, 65 miljoen jaar geleden, is zonder twijfel
de meest dramatische en bediscussieerde tijdsgrens in de geologische
geschiedenis. Meer dan de helft van alle geslachten en 15 procent van
alle families in het dierenrijk stierven toen uit, waaronder de dinosauri챘rs en de
ammonieten. Een snelle opkomst van de zoogdieren volgde aan het begin van het
Tertiair.
Op een groot aantal plaatsen zijn in land- en zeesedimenten uit de
overgangsperiode van Krijt naar Tertiair (KT-grens) verhoogde concentraties
aangetroffen van het element iridium. Dit element uit de platinagroep kan bij
grootschalige vulkaanuitbarstingen vrijkomen, maar is verder op aarde zeer
zeldzaam. Inderdaad was er ten tijde van de KT-grens veel vulkanische activiteit,
bijvoorbeeld op het Deccan Plateau in India. Maar iridium komt ook in relatief hoge
concentraties voor in meteorieten, in het bijzonder ijzermeteorieten. Bovendien
bevatten sedimenten uit die tijd ook de zeldzame mineralen coesiet en stishoviet.
Beide mineralen kunnen alleen onder extreem hoge druk ontstaan. Daarnaast
vertonen sommige mineralen verschijnselen van schokmetamorfose, lamellen van
enkele micrometers breed gevuld met glas. Deze moeten zijn ontstaan als gevolg
van krachtige, kortstondige schokgolven. In combinatie met het abrupte massale
uitsterven in het dierenrijk, heeft dit geleid tot de hypothese dat de KT-catastrofe is
veroorzaakt door een grote meteorietinslag. De meteoriet zou een doorsnede van
zo'n tien kilometer hebben gehad en de inslag zou in kracht zijn overeenkomen met
die van drie miljard Hiroshima-atoombommen. De inslag zou zoveel stof in
de atmosfeer hebben gebracht, dat er langere tijd onvoldoende zonlicht op aarde
kon doordringen. De temperatuur daalde op land en in zee. Veel ecosystemen
konden zich niet handhaven en de voedselketen voor veel organismen viel weg.
Grote reptielen, zoals de dinosauri챘rs konden niet overleven. Negentig procent
van alle planktonische foraminiferengroepen stierf uit en waarschijnlijk ook meer
complexe mariene groepen, zoals ammonieten en belemnieten.
De ontdekking van een enorme fossiele inslagkrater in de ondergrond van de
kustzone van Yucatan, Mexico heeft tot vrijwel unanieme acceptatie van deze
theorie geleid. De krater met een doorsnede van ongeveer 200 km is gedateerd op
de KT-grens.
Door spectaculaire speurtocht naar bewijsmateriaal kreeg veel media-aandacht. Dit
gaf de belangstelling voor geologie een stevige impuls.
477 De omstandigheden direct na de inslag
op de K/T-grens
De massa-uitsterving na de inslag van een groot hemellichaam, 65 miljoen jaar
geleden, op de plaats waar nu de (begraven) Chicxulub-inslagkrater ligt, was
enorm, maar niet totaal. Hoe kon het dat sommige plant- en diergroepen
overleefden en andere niet? Een belangrijke oorzaak, waaraan tot nu toe weinig
aandacht is besteed, betreft de omstandigheden waarin de aarde direct na de
inslag verkeerde, en de mogelijkheden voor de diverse typen organismen om die
omstandigheden te overleven. Daarnaar is nu een onderzoek uitgevoerd door een
team van aardwetenschappers en biologen.
http://www.student.oulu.fi/~jkorteni/space/boundary/
Eerder was opgemerkt dat veel kleine landdieren, inclusief zoogdieren, de inslag
overleefden. Dat geldt ook voor reptielen zoals krokodillen en schildpadden. De
dinosauriërs daarentegen stierven (bijna) alle direct uit. De vogels, die zich uit de
dinosauriërs hadden ontwikkeld, slaagden er echter wel in om te overleven. Dit
intrigerende patroon heeft geleid tot tal van hypotheses, maar geen enkele daarvan
kon het overlevingspatroon overtuigend verklaren
Volgens het nu uitgevoerde onderzoek moet de oorzaak voor het - op het eerste
gezicht onverklaarbare - patroon van uitsterven niet worden gezocht in de gevolgen
van de inslag voor de aarde op langere termijn (dagen, jaren) - bijv. in de vorm van
een stofwolk die zoveel zonlicht wegnam dat er geen planten meer konden groeien
en er dus ook geen voedsel meer was - maar in de omstandigheden direct (dat wil
zeggen: in de eerste uren) na de inslag
Die eerste uren moeten gekenmerkt zijn geweest door een enorme hittepuls, die
het gevolg was van de intense infrarode straling die - als gevolg van de wrijving in
de atmosfeer - werd uitgezonden door de brokstukken van aarde en meteoriet die
na de inslag hoog de ruimte in waren geslingerd. De hittepuls moet zo groot zijn
geweest dat alle landdieren die daar niet goed tegen waren afgeschermd - door
een leefwijze onder de grond, onder rotsen of in water , of doordat ze in de vorm
van sporen, zaden, wortels of als bijv. ‘begraven’ eieren niet erg kwetsbaar waren direct moeten zijn gedood. Waar voldoende brandstof (in de vorm van planten of
anderszins) aanwezig was, moeten grote branden zijn uitgebroken
Berekeningen geven aan dat de terugvallende brokstukken wereldwijd een in
warmte omgezette energie vertegenwoordigden die op 70 km hoogte ongeveer
duizendmaal groter was dan de energie die nodig is om een droog bos in brand te
zetten. De temperatuur op 70 km hoogte moet urenlang zo’n 500-800 graden
Celsius hebben bedragen. Hete kleine deeltjes moeten deze energie naar het
aardoppervlak hebben overgebracht; de onderzoekers zien in deze ‘regen’ van
deze deeltjes de oorzaak van het patroon van uitstervingen voor de dieren die niet
in zee leefden. Ze veroorzaakten lokaal bijv. branden, waardoor tijdelijk een tekort
aan zuurstof in de lucht kon ontstaan. Alleen diergroepen die voor langere tijd
onder water konden blijven zonder adem te halen (zoals krokodillen en
schildpadden) zouden zo’n tijdelijk zuurstoftekort hebben kunnen overleven
Zo geven de onderzoekers voor een groot aantal diergroepen aan waarom zij, op
basis van de directe en/of indirecte gevolgen van de hittepuls, wel of niet (deels)
konden overleven. Ze vergelijken die theoretische benadering met wat er uit de
paleontologische praktijk bekend is over de massa-uitsterving. Theorie en praktijk
blijken zeer goed met elkaar overeen te komen (al zijn er natuurlijk uitzonderingen).
Dat wijst erop dat de kortstondige hittepuls inderdaad gezien kan worden als de
belangrijkste oorzaak voor het uitsterven van zoveel planten- en diergroepen. De
massa-uitsterving vond dus binnen slechts enkele uren plaats.
Referentie
Robertson, D.S., McKenna, M.C., Toon, O.B., Hope, S. & Lillegraven, J.A., 2004.
Survival in the first hours of the Cenozoic. Geologicalo Society of America Bulletin
116, p. 760-768.
ngv-geonieuws
Dec 29, '10
Het zeer interessante kommentaar van "zeeonderzoeker"op het artikel "Chaos in de natuur" en het
interview met jef Huismans
is verplaats naar ECOSYSTEMEN
http://evodisku.multiply.com/journal/compose/209?xurl=http%3A%2F%2Fevodisku.multiply.com%2
Fjournal%2Fitem%2F209%2Fecosystemen
Zelforganisatie