WERELD & DENKEN
 
 

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 zegggen: 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 moluculaire krachten vrij sterk zijn, bijna in de buurt van atomaire. Voor de meest molculaire 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 syteem 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.

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 uitleg of detail ):

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 uitleg of detail , die rondtrok met een lezingen-cyclus type "natuurkunde voor het amusement". Eén ervan luidde: "Waarom zijn de bergen zo hoog als ze zijn?" uitleg of detail . Uitgaande van dezlefde qunatummechanica die leidt tot de magische getallen voor atomen (formeler : het Pauli-uitsluitingsbeginsel uitleg of detail ) liet hij met een "berekening op een luciferdoosje" (iets meer dan een half bord vol en niet lettende op een faktor 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 uitleg of detail 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:
 
1    Light Potential Natuurkunde    
2 Nuclear Binding Natuurkunde
3 Atomic Identity Natuurkunde
4 Molecular Combination Scheikunde
5 Vegetable Growth Biologie
6 Animal Mobility Biologie
7 Human      Consciousness     Biologie

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 uitleg of detail ):

... 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 bijgezegd 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 uitleg of detail , en hij leverde er sluitende argumentatie bij: stap 1: Vele biologiche 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 uitleg of detail ):

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 uitleg of detail ) : 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 molcuul 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 onstond, 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 procesen 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 oorprong van het proces. Het zijn grotendeels de reproducerende moleculen zelf, plus wat aanhangsels. Zodanig rgelematig, eenvormig en simpel dat ze kristallen kunnen votrmen, 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 erdere ontwikkelinegn:

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 bewegiung 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 uitleg of detail .
    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 eropvolgende. Merk op dat Young planten en dieren gescheiden onder elkaar zet, terwijl daar op zijn minst deels ook sprake lijkt van parallelle evoluite.

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 , Psychosociohistorie, overzicht , Sociologie overzicht  , of site home .


 

29 dec.2017; 8 jan.2018