Wat onthult een blik in het onzichtbare?

WAT wordt er bereikt als mensen nieuwe uitvindingen gebruiken om als het ware het gordijn weg te trekken en dan zien wat ze voorheen niet konden zien? Het kan helpen om met een mate van zekerheid vast te stellen wat vroeger niet bekend was. — Zie het onderstaande kader.

Eens geloofde men algemeen dat de aarde het middelpunt van het heelal was. Maar toen bleek door het gebruik van de telescoop dat de planeten, met inbegrip van de aarde, een vaste baan rond de zon beschrijven. Meer recent, na de uitvinding van krachtige microscopen, hebben mensen het atoom zelf bestudeerd en gezien hoe bepaalde soorten atomen in combinatie met andere soorten de zogenoemde moleculen vormen.

Sta eens stil bij de samenstelling van een molecuul water, een stof die onontbeerlijk is voor het leven. Door hun ontwerp vormen twee waterstofatomen in combinatie met één zuurstofatoom op een unieke manier een molecuul water — waarvan er in elke druppel miljarden  zitten! Wat kunnen we leren door een molecuul water te bestuderen en na te gaan hoe het zich onder verschillende omstandigheden gedraagt?

Het wonder van water

Hoewel afzonderlijke waterdruppels heel simpel lijken, is water een uiterst ingewikkelde stof. Dr. John Emsley, als wetenschapspublicist verbonden aan het Imperial College in Londen, zei zelfs dat het „een van de meest onderzochte van alle scheikundige verbindingen is maar nog steeds het minst begrepen wordt”. In het blad New Scientist stond: „Water is de bekendste vloeistof op Aarde, maar ook een van de raadselachtigste.”

Dr. Emsley legde uit dat ondanks de eenvoudige structuur van water, „niets zich zo ingewikkeld gedraagt”. Hij noemde als voorbeeld: „H₂O zou een gas moeten zijn, . . . maar het is een vloeistof. Bovendien blijft, wanneer het bevriest . . ., de vaste vorm, ijs, drijven in plaats van te zinken”, zoals normaal te verwachten zou zijn. Over dit ongewone gedrag zei dr. Paul E. Klopsteg, voormalig voorzitter van de Amerikaanse Vereniging ter Bevordering van de Wetenschap:

„Dit komt over als een opmerkelijk ontwerp voor het in leven houden van waterdieren zoals vissen. Bedenk eens wat er zou gebeuren als water bij afkoeling tot het vriespunt zich niet zo zou gedragen als beschreven. Er zou zich ijs vormen en blijven vormen totdat het een heel meer vulde, wat de dood zou betekenen voor al of bijna al het leven in het water.” Dr. Klopsteg zei dat dit onverwachte gedrag van water „een bewijs [is] dat er een grote en doelbewuste geest in het heelal aan het werk” is geweest.

Volgens New Scientist denken onderzoekers nu de reden te weten voor dit ongewone gedrag van water. Ze hebben het eerste theoretische model ontwikkeld dat nauwkeurig het uitzetten van water voorspelt. „De sleutel tot het mysterie”, zo beseften de onderzoekers, „lag in de afstand tussen de zuurstofatomen binnen deze structuren.”

Is dat niet opmerkelijk? Een molecuul dat zo eenvoudig lijkt, tart het menselijk bevattingsvermogen. En dan te bedenken dat water het grootste deel van ons lichaamsgewicht uitmaakt! Ziet u ook in de wonderen van dit molecuul, dat uit slechts drie atomen van twee elementen bestaat, ’een bewijs dat er een grote en doelbewuste geest aan het werk is geweest’? Niettemin is een watermolecuul uiterst klein en veel minder complex dan veel andere moleculen.

Zeer complexe moleculen

Sommige moleculen bestaan uit duizenden atomen van veel van de 88 elementen die op aarde in de natuur voorkomen. Zo kan een molecuul DNA (een afkorting van desoxyribonucleïnezuur), dat de gecodeerde informatie bevat voor de erfelijkheid van al wat leeft, miljoenen atomen van verscheidene elementen tellen!

Ondanks zijn ongelooflijke complexiteit heeft het DNA-molecuul slechts een doorsnede van 0,0000025 millimeter en is het dus veel te klein om zonder de hulp van een krachtige microscoop gezien te worden. Pas in 1944 ontdekten wetenschappers dat DNA iemands erfelijke eigenschappen bepaalt. Die ontdekking bracht intensief onderzoek naar dit uiterst complexe molecuul op gang.

Toch zijn DNA en water slechts twee van de vele soorten moleculen waaruit dingen opgebouwd zijn. En mogen we, omdat er veel moleculen zijn die zowel in dat wat leeft als in dat wat niet leeft worden aangetroffen, concluderen dat het van levenloze materie naar levende materie maar een simpele stap of overbrugging is?

Veel mensen hebben lang gedacht dat dit het geval was. „De hoop dat met toegenomen biochemische kennis de kloof overbrugd zou worden, werd in de jaren ’20 en ’30 [van de twintigste eeuw] door veel deskundigen met zoveel woorden geuit”, legde de microbioloog Michael Denton uit. Maar wat werd na verloop van tijd in werkelijkheid ontdekt?

Het leven is iets speciaals en unieks

Hoewel wetenschappers verwachtten overgangsvormen of een reeks geleidelijke stappen te vinden tussen dat wat leeft en dat wat niet leeft, merkte Denton op dat het bestaan van een bepaalde discontinuïteit „definitief vast kwam te staan na de revolutionaire ontdekkingen van de  moleculaire biologie in het begin van de jaren ’50”. Over een opmerkelijk feit dat wetenschappers nu duidelijk is geworden, legde Denton vervolgens uit:

„We weten nu niet alleen dat er een kloof bestaat tussen de levende en de niet-levende wereld, maar ook dat die de meest opvallende en fundamentele van alle discontinuïteiten in de natuur is. Tussen een levende cel en het meest complexe niet-biologische systeem, zoals een kristal of een sneeuwvlok, bestaat een kloof die zo groot en absoluut is als men zich maar kan denken.”

Dat wil niet zeggen dat het scheppen van een molecuul gemakkelijk is. Het boek Molecules to Living Cells legt uit dat „de synthese van de kleinmoleculaire bouwstenen op zich complex is”. Het voegt er echter aan toe dat het maken van zulke moleculen „kinderspel is vergeleken bij wat er gevolgd moet zijn om de eerste levende cel voort te brengen”.

Cellen kunnen een zelfstandig bestaan leiden als vrij-levende organismen, zoals bacteriën, of ze kunnen functioneren als onderdeel van een multicellulair organisme, zoals een mens. Het zou 500 cellen van gemiddelde grootte vergen om de omvang van de punt aan het eind van deze zin te evenaren. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de functies van een cel onzichtbaar zijn voor het blote oog. Wat wordt dan onthuld wanneer iemand een microscoop gebruikt om in één enkele cel in het menselijk lichaam te turen?

De cel — Toeval of ontwerp?

In de eerste plaats moet iemand wel versteld staan van de complexiteit van levende cellen. Een wetenschapspublicist merkte op: „De normale groei van zelfs de eenvoudigste levende cel vereist dat er op een gecoördineerde manier tienduizenden chemische reacties plaatsvinden.” Hij vroeg: „Hoe kunnen, binnen één minuscule cel, 20.000 reacties allemaal tegelijk gestuurd worden?”

Michael Denton vergeleek zelfs de nietigste van de levende cellen met „een ware micro-miniatuurfabriek met duizenden volmaakt ontworpen stukjes ingewikkelde moleculaire machinerie, in totaal opgebouwd uit honderd miljard atomen, veel ingewikkelder dan enige door de mens gebouwde machine en  absoluut zonder weerga in de niet-levende wereld”.

Wetenschappers zijn nog steeds verbijsterd over de complexiteit van de cel, zoals werd opgemerkt in The New York Times van 15 februari 2000: „Hoe meer biologen begrijpen van levende cellen, des te ontzaglijker lijkt de taak vast te stellen wat ze allemaal doen. De gemiddelde menselijke cel is te klein om gezien te worden, maar op elk gegeven moment kunnen wel 30.000 van haar 100.000 genen aan- of afgezet worden om te voorzien in de huishoudelijke behoeften van de cel of te reageren op boodschappen van andere cellen.”

De Times vroeg: „Hoe kan een zo minuscule en zo ingewikkelde machine ooit geanalyseerd worden? En zelfs al zou met buitengewoon veel moeite één menselijke cel ooit volkomen begrepen worden, dan zijn er minstens 200 verschillende soorten cellen in het menselijk lichaam.”

Het blad Nature bracht in een artikel getiteld „Ware scheppingsmachines” verslag uit over de ontdekking van minuscule motoren binnen elke lichaamscel. Die roteren om adenosinetrifosfaat aan te maken, de krachtbron van de cel. Een wetenschapper zei peinzend: „Wat kunnen we niet allemaal tot stand brengen als we leren hoe moleculaire machinesystemen te ontwerpen en te bouwen die vergelijkbaar zijn met de moleculaire systemen die we in cellen aantreffen?”

Denk eens aan het scheppend vermogen van de cel! De hoeveelheid informatie die het DNA van slechts één cel van ons lichaam bevat, zou ongeveer een miljoen bladzijden van dit formaat vullen! Meer dan dat: elke keer dat een cel zich splitst om een nieuwe te maken, wordt deze zelfde informatie aan de nieuwe cel doorgegeven. Hoe denkt u dat elke cel — alle honderd biljoen cellen in uw lichaam — met deze informatie geprogrammeerd is geraakt? Is dat bij toeval gebeurd of was een Meesterontwerper ervoor verantwoordelijk?

Misschien bent u tot dezelfde conclusie gekomen als de bioloog Russell Charles Artist. Hij zei: „We zien ons gesteld voor formidabele, zelfs onoverkomelijke moeilijkheden als we trachten een verklaring te geven voor het begin [van de cel] en, wat dat betreft, voor het blijven functioneren ervan, tenzij we terecht en logischerwijs beamen dat een intelligentie, een verstand, [de cel] tot bestaan heeft gebracht.”

Een schitterende orde

Jaren geleden kwam Kirtley F. Mather, destijds hoogleraar geologie aan de Harvard University, tot de volgende conclusie: „We leven niet in een heelal van toeval of grilligheid maar van Wet en Orde. Het bestuur ervan is volkomen rationeel en verdient het grootst mogelijke respect. Beschouw eens de schitterende wiskundige structuur van de natuur die ons in staat stelt aan alle chemische elementen opeenvolgende atoomnummers te geven.”

Laten wij even bij die „schitterende wiskundige structuur van de natuur” stilstaan. Tot de elementen * die men in de oudheid kende, behoorden goud, zilver, koper, tin en ijzer. Arseen, bismut en antimoon werden in de Middeleeuwen door alchemisten ontdekt, en in de achttiende eeuw werden nog veel meer elementen gevonden. In 1863 werd gebruikgemaakt van de spectroscoop, waarmee de unieke kleurenband die elk element uitzendt ontleed kan worden, om indium te identificeren, het 63ste element dat werd ontdekt.

In die tijd kwam de Russische chemicus Dmitri Ivanovitsj Mendelejev tot de gevolgtrekking dat de elementen niet  lukraak geschapen waren. Ten slotte, op 18 maart 1869, werd zijn verhandeling „Een overzicht van het systeem der elementen” voorgelezen aan het Russisch Scheikundig Genootschap. Daarin verklaarde hij dat de „verdeling [van de elementen] niet door het toeval wordt bepaald, zoals men misschien zou denken . . ., maar door een soort vaststaand en exact beginsel”.

In deze beroemde verhandeling voorspelde Mendelejev: „We moeten nog verwachten veel onbekende enkelvoudige stoffen te ontdekken; bijvoorbeeld die welke lijken op aluminium en silicium, elementen met atoomgewichten van 65 tot 75.” Mendelejev liet ruimtes open voor zestien nieuwe elementen. Toen hem naar een bewijs voor zijn voorspellingen werd gevraagd, antwoordde hij: „Ik heb geen bewijs nodig. In tegenstelling tot de wetten der grammatica laten de wetten der natuur geen uitzondering toe.” Hij vervolgde: „Ik ga ervan uit dat wanneer mijn onbekende elementen worden gevonden, meer mensen aandacht aan ons zullen besteden.”

Dat is precies wat er gebeurde! „De daaropvolgende vijftien jaar”, legt de Encyclopedia Americana uit, „bevestigde de ontdekking van gallium, scandium en germanium, waarvan de eigenschappen nauw overeenkwamen met de door Mendelejev voorspelde, de deugdelijkheid van het periodiek systeem en de faam van de opsteller ervan.” Vroeg in de twintigste eeuw waren alle bestaande elementen ontdekt.

Het is duidelijk, zoals de scheikundig onderzoeker Elmer W. Maurer opmerkte, dat „deze schitterende ordening zeker geen kwestie van toeval is”. Over de mogelijkheid dat de harmonieuze orde van de elementen een kwestie van toeval is, merkte de hoogleraar in de scheikunde John Cleveland Cothran op: „De daaropvolgende ontdekking van alle elementen waarvan [Mendelejev] het bestaan had voorspeld, en het feit dat ze bijna exact de eigenschappen bezaten die hij ervoor had voorspeld, rekende effectief af met die eventuele mogelijkheid. Zijn grote generalisatie wordt nooit ’Het periodiek toeval’ genoemd. In plaats daarvan is het ’De periodieke wet’.”

Een grondige studie van de elementen en hoe ze met elkaar alles in het heelal vormen, was voor de beroemde fysicus P. A. M. Dirac, voormalig hoogleraar wiskunde aan de Cambridge University, aanleiding tot de uitspraak: „Men zou de situatie misschien kunnen beschrijven door te zeggen dat God een meesterwiskundige is en dat Hij hogere wiskunde heeft toegepast bij het tot stand brengen van het universum.”

Het is beslist fascinerend een blik te werpen in de onzichtbare wereld van zowel de oneindig kleine atomen, moleculen en levende cellen als de gigantische sterrenstelsels ver buiten het bereik van het blote oog! De ervaring stemt nederig. Wat doet het u persoonlijk? Wat ziet u in die dingen weerspiegeld? Ziet u meer dan uw letterlijke ogen kunnen zien?

[Voetnoot]

[Kader/Illustraties op blz. 5]

Te snel voor het oog

Omdat de beweging van een galopperend paard zo snel is, werd er in de negentiende eeuw over gedebatteerd of op een gegeven moment al zijn hoeven gelijktijdig van de grond waren. Ten slotte begon in 1872 Eadweard Muybridge met fotografische proeven waardoor de kwestie later beslecht werd. Hij bedacht een techniek voor het opnemen van de eerste films.

Muybridge stelde op geringe afstand van elkaar 24 camera’s in een rij op. Vanaf elke camerasluiter werd een snoer over de renbaan gespannen, zodat toen het paard langs galoppeerde, het de snoeren raakte en de sluiters in beweging bracht. Uit een analyse van de resulterende foto’s bleek dat het paard soms volkomen los van de grond was.

[Verantwoording]

Courtesy George Eastman House

[Illustratie op blz. 7]

Waarom blijft bevroren water drijven in plaats van te zinken?

[Illustratie op blz. 7]

Een DNA-molecuul heeft een doorsnede van 0,0000025 millimeter, maar de informatie die het bevat zou een miljoen bladzijden vullen

[Verantwoording]

Computerized model of DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Illustratie op blz. 8]

In elke lichaamscel — alle 100 biljoen — vinden op een gecoördineerde manier tienduizenden chemische reacties plaats

[Verantwoording]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Illustraties op blz. 9]

De Russische chemicus Mendelejev concludeerde dat de elementen niet lukraak zijn geschapen

[Verantwoording]

Courtesy National Library of Medicine