Psycho-socio-historie: biologie
Inleiding
Het vorige vakgebied, de
scheikunde
, draaide om het combineren van atomen tot moleculen. Het huidige,
de biologie, zou je dus kunnen dus gemakzuchtig kunnen benoemen als het
"combineren van moleculen". En dat is zeker een deel van de werkelijkheid,
maar men gebruikt gewoonlijk een ander kenmerk: het leven. De groei. De
vermenigvuldiging. Hier gaat het dus over het speciale geval van het combineren van
moleculen dat leidt tot vermenigvuldiging. Groei. Leven.
Moleculaire combinaties
Als eerste gaat het toch over moleculaire combinaties. Hoe komen die tot
stand? In de scheikunde was het antwoord: omdat atomen graag een "magisch"
aantal elektronen in de buitenste schil hebben. En bij het bereiken van dat
magische aantal, zoals de edelgassen dat van nature hebben, gebeurt er
eigenlijk heel weinig meer.
Nou, zou je zeggen: waarom willen
scheikundige moleculen, waarvan de atomen in de combinatie dat magische
aantal wel hebben, dan überhaupt nog iets met elkaar doen. Combineren.
De basis van het antwoord is al gegeven bij de scheikunde: de atomen in
moleculen hebben weliswaar dat magische aantal, maar hebben daardoor wel een
extra lading of een lading te weinig - ze gaan elektronen delen. Van een
afstandje mag een molecuul wel elektrisch neutraal zijn, als je er erg
dichtbij komt, niet. Want "erg dicht bij" betekent in het algemene geval:
een stuk dichter bij het ene atoom van het molecuul dan het andere, en die
aparte atomen die hebben nu dus lading.
In water heeft het waterstofatoom
een elektron grotendeels gedeeld met het zuurstofatoom en dat elektron bevindt zich
eigenlijk grotendeels bij dat zuurstofatoom. Hetgeen het waterstofatoom
positief doet lijken:
Vlak in de buurt. En het zuurstof negatief. Vlak in de
buurt. En kom je dus in de buurt met een andere lading, dan gaat dat
aantrekken of afstoten. Bijvoorbeeld als je in de buurt komt met een ander
watermolecuul, trekt het plus-stukje van het ene molecuul naar met
min-stukje van het andere. En dat geldt voor alle watermoleculen. En hoppa:
ze gaan allemaal aan elkaar kleven en daar heb je ijs. Je moet ook nog wel
zorgen dat ze niet te hard trillen dat wil zeggen de temperatuur moet laag
genoeg zijn, maar dat is op vele plekken (en tijden) geen probleem.
En in het voorgaande is er niets dat het verhaal beperkt tot water. Het is
zeer algemeen geldig, voor alle moleculen. Water is een beetje een
speciaal geval in dat de betrokken moleculaire krachten vrij sterk zijn,
bijna in de buurt van atomaire. Voor de meeste moleculaire vloeistoffen moet je
de temperatuur een stuk verder verlagen dan nul graden Celsius, bijvoorbeeld
bij alle alcoholen, die je dan ook in het water kan gooien (water en alcoholen
mengen makkelijk) om het bevriezen te voorkomen.
En zo ontstaan dus
ook combinaties van verschillende moleculen.
En hier komt eenzelfde soort verhaal om de hoek kijken als bij atomen en het periodieke
systeem: de extreme gevallen reageren sterk en zijn niet zo interessant, en de
gevallen in het midden reageren veel minder sterk en laten subtielere
verschillen zien. Net als links de geleiders, rechts de isolatoren, en in het midden
de halfgeleiders die net geen geleider zijn maar het wel makkelijk kunnen
worden.
En dat vertaalt zich natuurlijk ook in de eigenschappen van de
moleculen die ze vormen: moleculen met atomen links of rechts in het
periodieke systeem hebben sterkere en grovere bindingen, en bij die met atomen in het
midden ligt dat subtieler. Met als beste illustratie het koolstof, dat als
pure stof al meerdere verschijningsvormen heeft: het grafiet, zacht, het
diamant, keihard, en het grafeen: buisjes en dergelijk soort vormen.
Oftewel: koolstof vormt makkelijk diverse combinaties met zichzelf, en
"dus" ook met andere moleculen. En lang voordat er sprake is van leven,
biologie, is er dus al een aparte tak van de chemie: de koolstofchemie. Met
stoffen als de alcoholen (C2H5OH
enzovoort) en de polymeren die de volksmond kent als
"plastic", enzovoort.
Een belangrijke tussenstap hierbij is de
zesring, als basale structuur bekend als benzeen:
De zes donkere koolstof-atomen hebben ieder een enkel lichter waterstof-atoom: C2H6
. De structuur is stabiel, maar er kunnen makkelijk andere atomen en
moleculen aan koppelen. Beide eigenschappen zijn essentieel voor het
ontstaan van ingewikkeldere structuren.
En waarom ontstaan die stoffen en hun
combinaties? Dus allemaal eigenlijk in een streven naar elektrische
neutraliteit. En elke keer als er op een niveau die neutraliteit grotendeels
bereikt is, zoals in moleculen, komt het volgende niveau van combinaties om
het restantje lading op een bepaalde plek weer te neutraliseren. Gewoon
vanzelf. Plus trekt min aan en omgekeerd.
En in atomen kan je het zien als puur lading, bij
moleculen gaat het erom hoe die lading verdeeld is: gelijkmatig of
eenzijdig. Eenzijdige verdeling geeft sterkere aantrekking, en gelijkmatige
verdeling geeft zwakkere aantrekking. IJs is sterk omdat de lading in water
nogal eenzijdig verdeeld is.
De interactie tussen moleculen wordt dus
bepaald door het ladingspatroon, hier weergegeven op de manier bekend van de
luchtdruk bij het weerbericht (van hier
):
Getrokken lijnen: min; streeplijnen: plus; lijnen dichter bij elkaar: meer elektrische kracht
- net als bij weerbericht: meer wind. Moleculen trekken elkaar sterker aan, naarmate het
plus-min ladingspatroon meer lijkt op dat van de ander - met plus en min
omgekeerd, natuurlijk oftewel gespiegeld. Moleculaire interactie wordt dus
niet zozeer bepaald door atomaire samenstelling, maar door ladingspatroon:
als twee verschillende moleculen op de relevante plaatsen hetzelfde
ladingspatroon hebben, reageren ze hetzelfde. Een bekend voorbeeld met
simpele atomen is zuurstof en koolmonoxide: het hemoglobine in het bloed
heeft een dusdanige structuur dat het atomair zuurstof kan binden en weer
afgeven, daarmee een essentieel deel vormend van het verbrandingsproces in
levende wezens. Maar koolmonoxide heeft genoeg dezelfde ladingsverdeling als
zuurstof, om ook te binden met hemoglobine. Maar leidt niet tot verbranding,
zodat het slachtoffer doodgaat bij gebrek aan energie. Bij gebrek aan
zuurstof.
In de biologie wordt dit "moet bij elkaar
passen" intensief gebruikt, als een soort "slot en sleutel"-systeem,
bijvoorbeeld bij geur. En ook daarvoor geldt hetzelfde: lijken de
ladingsverdelingen op elkaar: dezelfde geur.
Periodieke systeem
Intermezzo: de redactie van deze website
heeft een lezing mogen bijwonen van de toen op al leeftijd zijnde
natuurkundige Viktor Weisskopf
, die rondtrok met een lezingen-cyclus type
"natuurkunde voor het amusement". Eén ervan luidde: "Waarom zijn de bergen
zo hoog als ze zijn?"
. Uitgaande van dezelfde quantummechanica die leidt tot de magische
getallen voor atomen (formeler : het Pauli-uitsluitingsbeginsel
) liet
hij met een "berekening op een luciferdoosje" (iets meer dan een half bord
vol en niet lettende op een factor twee hier of daar), dat die hoogte
beslist niet groter kon zijn dan ongeveer vijf of vijftien kilometer (de
prezieze uitkomst verschilde per lezing!), hetgeen qua ordegrootte excellent klopt met de
werkelijkheid van acht.
Op dezelfde manier kan je ongetwijfeld
uitrekenen dat de meest subtiele verschijnselen noodzakelijk voor het
ontstaan van zoiets als leven zich voordoen als je start met atomen uit de
vierde kolom, en bij koolstof in omstandigheden met temperaturen rond de nul
graden Celsius. Die natuurlijk uitsluitend en alleen "toevallig" een
nul-waarde is, omdat wij als koolstofgebaseerde wezens alleen kunnen ontstaan
en leven bij het soort temperaturen dat wij dus maar "nul graden Celsius'
hebben genoemd. Zodat het goed duidelijk is dat plus 100 en min 100 Celsius
toch best wel heel onplezierige temperaturen zijn. Voor ons soort leven.
Koolstofleven. Waarover in de sciencefiction natuurlijk allang vrolijk
gespeculeerd is, onder andere hoe het zit met leven op basis van silicium,
enzovoort.
Waarop het ruimschoots tijd
is voor een herhaling van het periodieke systeem van de natuur van Young
geïntroduceerd bij
scheikunde
, waarin
je het soort "orde processen" zoals gedemonstreerd door Weisskopf terugziet
als intuïties:
Met de rijen (naam, kenmerk, vakgebied), en de naam van Dominion vervangen:
In dit schema is (minstens) één stap onderbelicht: die van DNA naar
ééncellige. Daarover dus wat meer.
Leven Wat in het schema afgekort wordt tot DNA, het bekende
molecuul met de dubbele spiraal ... (van hier
):
... is als
eindproduct wel juist, maar precies dat: een eindproduct. Reeds op de
middelbare school leer je over het bestaan van soortgelijke
"levens"-moleculen, bijvoorbeeld RNA, toenmalig "boodschapper"-DNA
genoemd - RNA is actief tijdens DNA-splitsing. Dat wil zeggen
DNA-vermeniguldiging. Dat wil zeggen: het leven. Waarbij er bij gezegd wordt:
RNA zelf vermenigvuldigt niet.
Maar dat alles beschrijft dingen die
nu gebeuren in huidige cellen, of nog nauwkeuriger: huidige celkernen. En
destijds was al bekend: zowel cellen als celkernen zijn eigenlijk sterk
geminiaturiseerde chemische fabriekjes. Die een overvloed aan chemische
stoffen bevatten gebruikt in chemische processen, ten einde het leven te
ondersteunen.
Dat is beslist niet hoe het leven is begonnen.
De voor de hand liggende suggestie is, dat wil zeggen: voor de hand liggend
eenmaal uitgesproken: het leven is begonnen met één enkel molecuul. Dat is
een stelling gelezen door deze redactie in één van de boeken van bioloog en
filosoof J.B.S. Haldane
, en hij leverde er sluitende argumentatie bij: stap 1: Vele biologische
stoffen, en ook al vele suikers, komen voor in links- en
rechtsdraaiende variant, zie onder voor een eiwit
(ga van onder naar boven: links draai je linksom, rechts rechtsom - van hier
):
Stap 2: Alle stoffen die deze asymmetrie hebben en
die gevormd worden in chemische reacties, komen 50-50 procent voor in links-
en rechtsdraaiende variant. Stap 3: Alle moleculen direct betrokken bij het leven
beginnende bij de eiwitten
zijn linksdraaiend. Dus, ergo, q.e.d.: de natuur is ontstaan uit één enkel
molecuul (wat dus net zo goed rechtsdraaiend had kunnen zijn).
Haldane leverde meteen ook het proces waarin dat zou kunnen gebeuren (en
eerder en afhankelijk van hem I.A. Oparin
) : het idee van de "oersoep": een oer-oceaan gevuld met de juiste
basisstoffen en op de juiste temperatuur, die stoffen ontstaand zijnde op de
al beschreven manier.
De stappen van dat ene molecuul naar het DNA en
de eencellige kan op dit moment alleen maar naar geraden worden, maar de logica
dicteert al veel.
Nummer 1: bij gebrek aan andere
zich-vermeniguldigende moleculen, kon dat ene molecuul zich onbeperkt
vermenigvuldigen. Exponentieel, want groei is exponentieel: 1, 2, 4, 8, 16
enzovoort
. Tot de grondstoffen, de direct voorgaande levenloze chemische
moleculen, op waren. Punt. Einde groei. Vermoedelijk ook einde dit speciale
molecuul, als zodanig. Opleverende deze populatiecurve:
Waarna de levensmoleculen weer in stukken uit elkaar vielen (nogmaals: dit is
speculatie). Waardoor er een nieuw soort oersoep ontstond, met nieuwe
grondstoffen (die worden natuurlijk ook continu gevormd maar op chemische
wijze dus veel langzamer dan exponentiële groei). En op een gegeven moment,
en een stuk sneller omdat door de afvalresten van het eerste levensmolecuul de
soep nu een stuk rijker is, ontstaat er een tweede levensmolecuul op basis van
resten van het eerste. Waarop dat molecuul exponentieel groeit en haar
grondstoffen opgebruikt.
Enzovoort.
Tot de oersoep zo
rijk is geworden, dat er meerdere levensmoleculen (op meerdere plaatsen)
gelijktijdig kunnen ontstaan, dat wil zeggen: het tweede ontstaat voordat
het eerste alle grondstoffen heeft opgebruikt. Dan ontstaat er
concurrentie. Om de grondstoffen.
Die situatie is weer uiterst
bekend: dit is dezelfde als van de vossen en konijnen in het duinpan
:
veel vossen → weinig konijnen → weinig konijnen → vossen gaan dood → weinig
vossen → veel konijnen → veel vossen, enzovoort. Wiskundig: twee gekoppelde
vergelijkingen met twee onbekenden. Zichtbaar verschijnsel: oscillaties in
populatie:
De stap van
oscillaties naar een min of meer stabiele situatie komt met het invoeren van
meerdere factoren, één waarvan dus kan zijn een derde levensmolecuul.
Enzovoort.
Waarbij
"Enzovoort" staat, weer speculerende, voor alle mogelijke processen die
bekend zijn van de evolutie op hogere niveaus, met het ontstaan van
samenwerking en predatie: een levensmolecuul produceert chemische stoffen
die andere levensmoleculen afbreken.
Twee eindproducten van deze
ontwikkeling zijn redelijk bekend: de ene zijn de virussen, en de andere de
eencelligen of dus beter "celligen" want ten tijde van hun ontstaan waren er
geen meercelligen.
De huidige virussen weerspiegelen een flink deel
van de chemische oorsprong van het proces. Het zijn grotendeels de
reproducerende moleculen zelf, plus wat aanhangsels. Zodanig regelmatig,
eenvormig en simpel dat ze kristallen kunnen vormen, dat wil zeggen: in
regelmatige patronen op een rijtje kunnen gaan liggen zodanig dat je er
röntgenfoto's van kan maken (van hier
):
Merk op dat wat men meestal presenteert als "virussen" ... (van hier
):
... de bacteriofagen zijn, en eigenlijk weer een stapje verder.
Een ander eindproduct van de oersoep-evolutie is de huidige
levende cel, met celwand waarbinnen de "gevoelige" processen zich afspelen.
Waarin het DNA de baas is, en samenwerkt met vroegere concurrenten als RNA
en de mitochondriën (de huidige "energiecentrales" - hebbende eigen "DNA"). Dit
zijnde speculaties die wel weer bekend zijn - als speculaties.
De
huidige levende cel is al een complexe organisatie, die het best gezien kan
worden als een grote en zeer gecompliceerde chemische fabriek met vele
bedrijfsonderdelen:
Dit zijnde een neuron-cel. Binnen de celwand aangegeven zijn niet de
chemische processen, maar slechts de bedrijfsonderdelen, met namen als
ribosomen, mitochondriën enzovoort. Het DNA zit dus nog een keer
afgescheiden in de celkern.
Waarop
de volgende illustratie, gebruikt elders op de website bij het onderwerp
neurologie, in één klap al weer heel veel vertelt over de verdere
ontwikkelingen:
Een eencellige met een staart. Een beestje met een staart. Dat kennelijk
de capaciteit heeft tot beweging. En dat dus kennelijk ook de capaciteit
heeft tot waarneming, want die capaciteit tot beweging is onzin als niet
weet wat ermee te doen. En wat hij ermee doet, is natuurlijk wegwezen van
gevaar, oftewel: deze eencellige heeft benul van gevaar.
Waarvoor je meteen twee dingen kan invullen: temperatuur en predatie. Hoge
temperatuur is gevaarlijk voor levende wezens, want dan vallen hun moleculen
uit elkaar, zoals gezien, en predatie spreekt voor zich. Hoewel: hoe weet een eencellige dat er sprake
is van predatie? Nou, daar valt wel iets bij te bedenken: de aanwezigheid van
afvalstoffen van zijn eigen soort. In zijn omgeving. Iets dat je nu "geur"
noemt. "Geur" is niets anders dan de detectie van chemische stoffen in de
omgeving - bij mensen in de lucht maar bij oersoorten in het water, natuurlijk.
"Geur" is bij vissen een hoogontwikkeld orgaan
.
Overigens: die detectie gebruikt de ladingsverdeling van (een deel van) de
te detecteren moleculen - niet de chemische samenstelling (die chemische
samenstelling dicteert wel de ladingsverdeling, maar dezelfde geur kan dus
van verschillende stoffen met gelijkende ladingsverdeling komen).
En nu kunnen we terug naar het periodieke systeem van Young, want de stap naar DNA én de
stap van DNA naar ééncellige is gezet. Waarna de rest op die rij van Young's
systeem min of meer vanzelf spreekt, net als de erop volgende. Merk op dat
Young planten en dieren gescheiden onder elkaar zet, terwijl daar op zijn
minst deels ook sprake lijkt van parallelle evolutie.
De rijen vijf en
zes worden de facto dus min of meer overgeslagen, onder het motto: dat is puur
"mechanische" evolutie; dat van een bewegings- en waarnemingsapparaat. Met dat
waarnemingsapparaat als hoofdfactor, want de aanzet tot het vormen van een
beeld van de omgeving. Waarin al snel het optische waarneming de hoofdrol speelt,
als zijnde de meest rijke en gedetailleerde informatiebron omtrent de
omgeving. De natuur heeft diverse soorten ogen ontwikkeld op allerlei punt
in de evolutie
.
Met welk grotere gedetailleerdheid al snel ook
plaats ontstond voor snellere reactiemogelijkheden, waarna de gespecialiseerde
signaaldoorgeef-cel zijn intrede kan doen: het neuron:
De cel-met-draad.
Hetgeen het punt is waarop de biologie verlaten
wordt, en meteen overgestapt wordt naar de menselijke neurologie
.
Naar Psychosociohistorie, inleiding
,
of site home
·.
|