Kinderen van de sterren

In het onvoorstelbaar oude, grote, vaak beschreven als onverschillig universum, stellen mensen zich vragen: "Wat is leven?", "Hoe is het leven ontstaan? Was er een begin van alles?" Voor astronoom Carl Sagan(1980) was het een uitgemaakte zaak: "Onze voorouders aanbaden de zon en zij waren verre van dwaas. Het is niet onverstandig om de zon en de sterren te vereren omdat wij hun kinderen zijn."
De vraag: Wat is leven? lijkt een overbodige vraag. Kijk om je heen naar de anderen, naar de dieren en alles wat er groeit en bloeit, sterft en vergaat tot stof of fossiel.. In een samenvattend woord noemen wij dat organismen. En organismen leven.
Wanneer wij proberen leven te omschrijven, beschrijven wij wat organismen doen. Dat ligt voor de hand. Organismen, planten en dieren eten en drinken. Elke actie van een organisme vergt energie. Wat weer de vraag oproept wat is energie? Is het het licht van de zon of de mineralen waar planten zich mee voeden? Dieren inclusief mensen voeden zich op andere manieren maar ook voor hen is het licht en de warmte van de zon belangrijk.. Levende organismen geven weer voedingsstoffen terug aan hun omgeving. Levende organismen hebben een cyclus van ontstaan, groeien, zich vermenigvuldigen en dood gaan. Organismes geven via DNA informatie door aan hun nakomelingen. Organismen hebben een interactie met hun omgeving en hebben het vermogen zich aan te passen aan veranderende omstandigheden. In het organisme zelf vinden ook processen plaats om deze acties mogelijk te maken.

Vaststellen dat energie organismes doet leven. Het beschrijven van levende organismes. De samenhang tussen al die processen omschrijven. Het zijn methodes het leven proberen te begrijpen. De meest fundamentele vraag: hoe het leven ooit begonnen is? wordt daarmee niet beantwoord.

Wetenschappers doen voortdurend pogingen deze vraag te beantwoorden Er zijn uitgebreide analyses gemaakt van levende organismes, anatomische beschrijvingen, biologische analyses, scheikundige analyses, natuurkundige omschrijvingen.

Astrofysici en astrobiologen, biologen en natuurkundigen zijn het er over eens dat de materie en organismes, die wij kennen opgebouwd zijn uit verschillende atomen en moleculen. De soorten atomen worden elementen genoemd. Al deze elementen zijn ooit gevormd in het binnenste van de sterren.
Op elementair, moleculair en atomair niveau hebben wetenschappers voor zover zij dat konden, de bouwstenen van levende organismen inmiddels vastgesteld. Hier komen we in dit artikel op terug.

Er waren wetenschappers -en nog steeds- die zeggen: "voeg een aantal bekende bouwstenen bij elkaar bijvoorbeeld: water aminozuren, koolstof, zuurstof fosfor, waterstof, helium koolstofdioxide, methaan, ammonia, stikstof. Roer er in, laat de zon er op schijnen, wacht een paar miljard jaar en er ontstaat leven. Zo eenvoudig is het ontstaan van leven niet. Bovendien wie heeft er nu de tijd miljarden jaren te observeren en te wachten?

De onopgeloste vragen blijven:
Wat doet leven leven? en hoe is het leven ontstaan?

Over het onderzoeken van deze vragen gaat dit artikel.

Hebben sterreniets te maken met schizofrenie?

Wat heeft dat onderwerp te zoeken op een website over schizofrenie? Een website over schizofrenie probeert het doolhof te verkennen, waar mensen in terecht komen, wanneer zij getroffen worden door deze ernstige psychiatrische ziekte. Een kompas hierbij is kennis over deze ziekte, de zorg en behandeling.
Bij een streven naar compleetheid mag kennis over de oorsprong van het leven niet ontbreken.. Wat zijn de bouwstenen van het leven? Wie ben ik? Waar kom ik vandaan? Waartoe ben ik op deze aarde? en quo vadis? Wie kent ze niet die grote vragen en basale onzekerheden waar je jezelf in kunt verliezen. Daarom gaat deze serie artikelen over: "Waar komen wij mensen vandaan?"

Heeft u daar iets aan als ziek mens; u verdiepen in de vraag: Waar kom ik vandaan?
Misschien denkt u; "Geef mij maar mijn drankje en pillen en als het per se moet, een gesprek met iemand die voor zover hiertoe in staat, onbevooroordeeld luistert, en wanneer gevraagd, deskundige raad geeft."

Maar de oorsprong van het leven, de mens en het mens zijn?

Het beantwoorden van de vraag: waar komen wij mensen vandaan, is ook geen enkele garantie dat iemand die lijdt aan een psychiatrische ziekte, zich daardoor beter gaat voelen. Dit artikel pretendeert dan ook niet meer dan enige verstrooiing voor degene die net als ik zich wil verdiepen in thema’s zoals biologie, astrofysica en filosofie.

Tegen degenen die steun vinden in een religie wil ik zeggen dat wetenschappen zoals geologie, biologie, paleontologie en astrofysica niet menen de waarheid in pacht hebben. Ook deze wetenschappen zijn deels gebaseerd op vele veronderstellingen. Het zijn daarom niet meer dan onderzoeksmiddelen om te proberen iets meer te weten te komen over het ontstaan van het leven.

Het ontstaan van leven volgens de Bijbel

Het is waarschijnlijk de oudste vraag ter wereld: waar komen wij vandaan? Op zoek naar een antwoord hebben mensen altijd instinctief naar de hemel boven hen gekeken. In veel culturen leverden de kosmische processen het materiaal voor mythen en legendes over de schepping van de wereld en alles wat er op leeft..
In de bijbel wordt er een God voorgesteld als schepper van alles wat wij kennen. Het universum, de sterren, de zon, de aarde, de zee, de vissen, de planten, de dieren inclusief wij mensen.

Er zijn altijd veel mensen geweest die de bijbel op het punt van het scheppingsverhaal niet letterlijk namen. Er waren en er zijn echter ook mensen zoals de Anglicaanse Bisschop James Ussher (1581-1656). Deze nam in zijn boek "Annals of the world"de Bijbel als bron van kennis, want dat is immers het woord Gods. Ussher telde eenvoudigweg de leeftijden van alle Bijbelse geslachten vanaf Adam, Seth, Enos, Kenan, etc. etc. bij elkaar op en kwam tot de conclusie dat de aarde 23 oktober 4004 voor de gangbare jaartelling. ontstaan is.
Er waren maar weinigen in zijn tijd die Ussher hardop durfden tegenspreken want de macht van de religie was in die tijd zeer groot.

Wetenschappelijke kijk op de leeftijd van de aarde en alles wat er op leeft

De Bijbel en de Wetenschap zijn twee verschillende manieren om de vraag: Waar komen wij vandaan? te beantwoorden. Mensen die volgens de Bijbel leven hebben al een antwoord op deze vraag. De wetenschap zoekt naar antwoorden door de wereld te bestuderen, via observaties en experimenten..

In dezelfde periode als bisschop Ussher, begonnen wetenschappers te twijfelen aan het Bijbelse scheppingsverhaal. Robert Hooke (1635–1707), wees bijvoorbeeld op de vondst van "ammonieten" in het Himalaya gebergte. Dat duidde er volgens hem op dat de aardkorst in beweging moet zijn geweest om dit mogelijk te maken, want in het Himalaya gebergte is in de verste verte geen zee te bekennen. De aarde zoals wij die vandaag de dag zien is niet de aarde die het scheppingsverhaal ons voorspiegelt.
Men begon uit te rekenen hoe lang een riviertje er over doet om de bedding uit te slijpen en kwam overeen dat het een riviertje ongeveer een jaar kost om een millimeter dieper te komen liggen. Dus een meter lager kost al duizend jaar. Op deze manier werd steeds duidelijker dat de aarde veel ouder moet zijn als de bijbel ons wil doen geloven.

Robert Hooke leefde in de tijd dat er nieuwe onderzoeksmiddelen zoals de microscoop en telescoop ter beschikking kwamen van wetenschappers. Met deze hulpmiddelen waren wetenschappers in staat beter en nauwkeurigere waarnemingen te verrichten. Sindsdien zijn de onderzoeksmiddelen steeds meer verfijnd en zijn er steeds meer instrumenten ter beschikking van wetenschappers gekomen. Robert Hooke was in staat de stellingen van bisschop Usher op losse schroeven te zetten. Zijn stelling dat de aarde ouder was dan de berekening van Usher berustte op de waarnemingen dat alleen al de ammonieten veel ouder zijn dan de kleine 6000 jaar van Usher. Sindsdien heeft de wetenschap een enorme vlucht gemaakt met nieuwe inzichten, instrumenten en methodes voor waarneming en onderzoek. Een belangrijke bijdrage aan kennis over het ontstaan en de aard van de aarde, het universum en indirect ook de bouwstenen van het leven hebben geleverd: Michael Faraday, Charles Darwin, Ernest Rutherford, Albert Einstein, Georges Lemaître, Edwin P. Hubble, Arno Penzias en Robert Wilson.

Al voordat Charles Darwin (1809-1882) zijn "evolutietheorie". in 1858 presenteerde, was er bij biologen en geologen overeenstemming dat het meer dan een miljard jaar gekost moet hebben, voor het ontstaan van de aarde en het leven.
Aanvankelijk was er een probleem omdat de astrofysici de zon niet ouder schatten dan 30 miljoen jaar.
Pas toen natuurkundigen ontdekten wat een geweldige energie schuilgaat in het atoom, ontstond een beter begrip van de werking van de zon, als zijnde een fusiereactor waar atoomkernen waterstof samensmelten en die daarom best wel miljarden jaren oud kan zijn. Dit daar de zon een enorme massa waterstof bezit en het fuseren van de immens kleine waterstofkernen onvoorstelbare hoeveelheden energie levert.
Men heeft uitgerekend dat gezien de massa van de zon aan waterstofkernen dat deze nog zo'n vijf miljard jaar de aarde van zonne-energie en licht zal blijven voorzien.

Michael Faraday
Michael Faraday (1791-1854) zou indirect onze kijk op het universum enorm veranderen. Faraday was de eerste die zich realiseerde dat elektriciteit en magnetisme twee eigenschappen van hetzelfde fenomeen zijn. Ook vermoedde hij dat de lichtfotonen uitgezonden door de zon, zelf een elektromagnetisch fenomeen was.
Mede door het inzicht van Faraday, dat het licht van de zon een elektromagnetisch fenomeen is, heeft de wetenschap het licht van de zon onderzocht door middel van "spectroscopie "

De Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff (1869)verdiepte zich in spectroscopie. Hij analyseerde de manieren waarop materie licht absorbeert en weer uitzendt. Hierop voortbouwend, konden latere wetenschappers de elektromagnetische straling en de gassen van de zon via spectroscopie te onderscheiden.

Via verdere verfijning van spectroscopie kwam men er achter dat er meerdere soorten lichtstralen ofwel fotonen ofwel lichtgolven ofwel elektromagnetische golven van de zon naar de aarde uitgezonden worden. Deze elektromagnetische stralen of golven kunnen op een spectrum konden worden ingedeeld aan de hand van hun golflengte: het zogenaamde elektromagnetisch spectrum. De volgende frekwenties van elektromagnetische golven werden gemeten van kort naar lang:
Soort stralingGolflengteOntdekt inGevaarlijk voor de mens?zichtbaar voor de mens?
Gammastraling10−10 tot 10−14 meter1900JaNee
Röntgenstraling10−11 tot 10−9 meter1895jaNee
Ultraviolette straling400 nm tot 150 nm1801Sommige soortenNee
Zichtbaar licht400 nm tot 700 nmSinds de eerste mensNeeJa
Infrarode straling 0.7 mm tot 1 mm1800neeNee
Radiostraling 1 mm tot 100.000 km1888neeNee

Opeenvolgende wetenschappers ontrafelden de eigenschappen van elektriciteit en elektromagnetische golven. Wij moeten ons deze golven voorstellen als een deeltje met een elektrische geladen veld, dat door de ruimte van het luchtledige, lucht en water reist. De aard van de elektromagnetische lading, vertaalt zich in een oscillatie of trilling en kan tot stand komen doordat deeltjes botsen met andere deeltje of verhit worden.

Dit veld moeten wij ons voorstellen als een wolk rondom het deeltje van alle posities die een deeltje kan innemen.
Doordat het elektrisch geladen deeltje in beweging is of reist, veroorzaakt het een magnetisch veld dat loodrecht op het elektrisch veld staat.
Zo kan een elektrisch geladen deeltje met zijn magnetische lading of het nu een negatief geladen elektron is of een positief geladen proton door elke vorm van ruimte reizen of het nu water, lucht of luchtledige ruimte is. Elektrisch geladen deeltjes dragen de aard van hun lading of specifieke oscillatie over aan alle andere deeltjes in de ruimte doordat zij omgeven worden door een veld of wolk van elektrische en magnetische lading. Geladen deeltjeswolken in onze ogen reageren op of oscilleren mee op de elektromagnetische golven of deeltjeswolken die door licht worden uitgezonden. Dat is hoe wij de lichtgolven zien. een mobiele zender en ontvanger: onze mobiele telefoons werken op dezelfde manier.
In het luchtledige reizen alle wolken van elektrische deeltjes met een snelheid van 299.729.458 km per seconde. In water en lucht is deze snelheid iets minder.

Dankzij het begrip van de aard van licht was het mogelijk om krachtige telescopen te bouwen, waarmee het niet alleen mogelijk was het voor het menselijk oog zichtbare licht waar te nemen maar ook het voor het menselijk oog onzichtbare röntgenlicht, het ultraviolette licht en infrarode licht van de sterren dat vanuit de ruimte op de aarde afkomt. Mensen waren zo in staat het heelal van dichterbij te bekijken. Bijna honderd jaar geleden ontdekten astronomen er compleet nieuwe werelden mee: miljarden sterren in ons sterrenstelsel de Melkweg alleen al, en ook miljarden andere verre sterrenstelsels.

Ernest Rutherford
De Nieuw Zeelandse natuurkundige Ernest Rutherford (1871-1937) ontdekte rond het begin van de twintigste eeuw een methode om de geologische leeftijd van gesteenten beter te bepalen. Samen met de chemicus Frederick Soddy toonde hij tijdens experimenten met radioactiviteit aan dat Uranium door het radioactieve verval geleidelijk overgaat in het element lood. Van de uranium atomen in gesteente is na 4,5 miljard jaar de helft overgegaan in lood. In vele gesteenten kan men radioactiviteit meten. Door deze hoeveelheid radioactiviteit te relateren aan de hoeveelheid aangetroffen lood was men in staat de leeftijd van het gesteente te bepalen. Deze methode van leeftijd bepalen werd ook toegepast bij het bepalen van de leeftijd van de gevonden ammonieten en microfossielen van bacteriën die aangetroffen werden in hematietgesteente in Canada. Hierdoor weten wij dat het eerste leven op aarde ongeveer 3,8 miljard tot 4,4 miljard jaar oud is. Het zou echter nog 4 miljard jaar duren voor zich planten en dieren ontwikkelden.
Door het meten van het radioactief verval stelde men vast dat de zon 4,67 miljard jaar oud is en de aarde 4,6 miljard jaar geleden ontstaan is.

Maar hoe oud is het universum dan of is het er altijd geweest?

Aan het begin van de 20e eeuw dacht Albert Einstein(1879-1955) zoals de meeste onderzoekers van zijn tijd dat het universum er altijd al was geweest. Hij achtte het mogelijk dat sterren en melkwegstelsels veranderen, maar het toneel waarop dit geschiedde; de ruimte was er altijd al geweest. Hij noemde dat de kosmische constante.

Georges Lemaître
Ironisch genoeg zou de Belgische katholieke Jezuïet en Leuvense professor in de astrofysica Lemaître, (1894-1966) Einstein hierover een lesje leren. Lemaître wist dat de Amerikaanse astronoom Edwin P. Hubble in 1923 had aangetoond dat er buiten onze Melkweg meerdere galaxieën bestaan. Het was hem gelukt de afstand tot de andromeda nevel te berekenen. In de jaren daarna toonde hij nog andere galaxieën aan, die hij ook naar vorm indeelde. Ook wist Lemaître dat uit metingen van "Roodverschuiving". door de astronoom Vesto Slipher tussen 1912 en 1914, was gebleken dat de spiraalnevels die in 1923 door Hubble als galaxieën werden ontmaskerd -op enkele uitzonderingen na- zich steeds verder en sneller van ons en van elkaar af bewegen.
Lemaître trok in 1927 een ingenieuze conclusie uit deze meetgegevens: "Als het universum vandaag uitdijt, dan moet het in het verleden kleiner zijn geweest. Piepklein. In 1931 stelde Lemaître dat het heelal ontstaan moet zijn uit een zeer dichte massa - een oer atoom van waaruit de hele kosmos moet zijn ontstaan.
In dit oer atoom bestonden de tijd, materie, de zwaartekracht en het licht nog niet. Misschien zelfs geen energie.

Geen tijd, geen licht, geen zwaartekracht, geen materie, geen energie? Wat dan wel???
Eigenlijk heeft het geen zin hierover te speculeren omdat deze oertoestand niet kenbaar is of anders gezegd, is met de huidige middelen en kennis niet empirisch te benaderen.

Gezien de steeds preciezere meetgegevens moest ook Einstein dit idee toestaan. Andere astronomen - Fred Hoyle bijvoorbeeld, die het later snerend over "Big Bang" ofwel de “oerknal” had, - bleven sceptisch. Ze konden zich niet voorstellen dat alle chemische elementen in één enkele explosie konden zijn ontstaan.

Zijn we in staat terug te kijken tot de oerknal?

Een blik in de diepten van het universum is altijd een blik in het verleden. Hoe verder een lichtbron van ons verwijderd is, hoe langer het duurt voordat het licht ons bereikt. Dus wat we van verre objecten zien, is altijd een beeld van het verleden. In 2016 ontdekten astronomen het oudste sterrenstelsel tot nu toe, "GN-z11", met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop. Het licht van "GN-z11" deed er ongeveer 13,4 miljard jaar over om de aarde te bereiken. Dit licht is dus 13,4 miljard jaar geleden op reis gegaan naar de aarde - slechts 400 miljoen jaar na de oerknal-.

Maar we kunnen nog verder kijken.
In 1964 werkten de Amerikaanse astronomen Arno Penzias en Robert Wilson voor Bell Telephone Labs met een een radioantenne die vanwege zijn vorm de bijnaam "Suikerschep had gekregen. zij onderzochten de mate van interferentie die microgolf (radiogolf) straling vanuit de Melkweg kan hebben, op radio en tv signalen. Dit met het oog op ontwikkeling van toekomstige communicatie satellieten om tv, telefoon en radiosignalen te verspreiden.

Waar deze onderzoekers hun antenneschotel ook op richtten, op alle momenten van de dag, ze kregen voortdurend een hinderlijk gesis te horen. Een gesis dat lijkt op de ruis van de AM frequentie van de radio. Zij ondernamen een groot aantal pogingen, de bron van dit achtergrond geluid te lokaliseren, tot en met de duivenpoep op hun "sugar-scoop"antenne,
Na overleg met collega's van de Princeton universiteit bleek het te gaan om de vurige creatie van het universum. Het radio geruis of gesis dat Penzias en Wilson waarnamen was en is nog steeds de kosmische microgolf achtergrondstraling.

Wat is de kosmische microgolf achtergrondstraling?
Al in de jaren veertig voorspelden onderzoekers het bestaan van kosmische microgolf achtergrondstraling. Deze achtergrondstraling zou het overblijfsel zijn van het zeer vroege, zeer compacte en extreem hete universum. Het universum kort na de oerknal was 380.00 jaar oud. Dat is verschrikkelijk oud. Echter vergeleken met de 13,4 miljard jaar van het universum is het een schijntje.
Het universum moet in die periode gevuld zijn geweest met extreem hoge energie en korte golf straling voorgekomen uit de zeer hoge temperatuur.

Na de uitdijing van het heelal -was de hypothese van genoemde onderzoekers- ,heeft deze energie en microgolfstraling straling zich tot nu toe overal verspreid in het universum. De microgolfstraling en temperatuur van toen moet weliswaar sterk verminderd zijn maar tegenwoordig nog net meetbaar. Dat was de periode dat het universum transparant werd. Daarvoor was het heelal nog donker - dus onze telescopen kunnen nooit verder terugkijken.
Tegenwoordig weten wij dat ongeveer één procent van de statische ruis in een televisie met analoge ontvangst, bestaat uit de kosmische microgolf achtergrondstraling.

Penzias en Wilson hadden dus als eersten aangetoond dat de hypothese van de microgolf achtergrondstraling klopte.
In 1978 Kregen Arno Penzias en Robert Wilson de Nobelprijs voor deze toevallige ontdekking.

Hoe groot was het universum op het moment van de oerknal?

Men heeft berekend dat het universum op het moment van de oerknal 1-19 meter moet zijn geweest. Dat is 20 keer zo klein als een proton en de aanvangstemperatuur berekende men op 1032kelvin. De aanvangsdichtheid moet 5.1093 gram per cm3 zijn geweest. eigenlijk is dit alleen te beschrijven als energie, zonder elementaire deeltjes.

Miljarden jaren van oerknal tot sterren tot leven

Het universum, dat wil zeggen onze Melkweg en de miljarden andere stelsels zijn ontstaan na de oerknal. Dat is ongeveer 13,8 miljard geleden. Men meent te hebben kunnen uitrekenen dat het 40 miljoen jaren meer of minder kunnen zijn. Maar binnen die marge moet het universum ontstaan zijn.
Van leven, laat staan mensen was meteen na de oerknal nog geen sprake. Er was zo kort na de oerknal sprake van een ontzettend hoge temperatuur. Er was nog geen licht en alleen de elementen waterstof en helium waren aanwezig. Het leven zoals wij dat nu op aarde kennen ontstond pas vele miljarden jaren daarna. Waarom duurde dat zo lang?
Het leven op aarde dat wil zeggen de flora en fauna, is gebaseerd op de elementen: waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor.
Er was echter een periode dat de aarde nog niet was gevormd en ook alle elementen zoals wij die nu uit het periodiek systeem kennen nog niet bestonden.
Atoomkernen en nog kleinere elementaire deeltjes moesten eerst aan elkaar gelast worden. De omstandigheden waaronder dat kan vereisen zo’n enorme druk en miljoenen graden hoge temperatuur dat dit alleen mogelijk is in het binnenste van een ster ofwel zon en dan nog een zon die vele keren groter en zwaarder is als de zon die ons dagelijks beschijnt.

Hoe zijn de zware elementen ontstaan?

Alle elementen die wij kennen van het periodiek systeem zijn gesmeed door de sterren. Voor een nader begrip hiervan is het noodzakelijk iets te weten over de zon en de sterren.
De eerste sterren vormden zich al 100 miljoen jaar na de oerknal. Sterren bestaan bijna volledig uit waterstof en helium. Een waterstofatoom heeft slechts één kerncomponent, helium vier. Hoe kan hieruit bijvoorbeeld zuurstof ontstaan, het element met 16 kerncomponenten? Atoomkernen stoten elkaar bovendien af, ze zijn positief geladen. Om elementen aan elkaar te lassen, moeten de temperatuur en druk onvoorstelbaar hoog zijn. Deze noodzakelijke omstandigheden bestaan in het centrum van sterren. Door de immense druk van de zwaartekracht ontstaan temperaturen van meer dan tien miljoen graden Celsius. Hierdoor vindt kernfusie plaats. Atoomkernen botsen met zo'n grote kracht dat ze samensmelten. Op deze manier worden lichte kernen steeds zwaarder. Zeer grote en hete sterren kunnen alle zware elementen produceren. Wanneer een grote ster zijn brandstof heeft opgebruikt, explodeert hij - een zogenaamde supernova - en slingert zijn geproduceerde zware elementen de ruimte in. Onze aarde en alle sterrenstelsels zijn ooit uit dergelijk "sterrenstof" gevormd. Het enorme uitgestrekte interstellaire medium, het gas tussen de sterren, werd op deze manier 'ingeënt' met zware elementen.
Miljarden sterren en elementen moesten zich in onze Melkweg voortplanten voordat onze zon meer dan vierenhalf miljard jaar geleden werd gevormd, ongeveer negen miljard jaar na de oerknal. Pas toen was het heelal zo afgekoeld dat rotsachtige planeten zoals de aarde zich konden vormen. En pas toen was de hoeveelheid zware elementen die het leven nodig heeft voldoende.

Hoe meet men de leeftijd van het universum en de aarde?

Door geologisch onderzoek en leeftijdsbepalingen van fossielen weten wij dat de aarde ongeveer 4,5 miljard jaar oud is. Dat is immens veel ouder dan mensen worden, dan hun voorvaderen en geschreven geschiedenis. Hoe weten die wetenschappers dat?

Het probleem van het omschrijven wat leven precies is

Om te kunnen onderzoeken hoe het leven ontstaan is, is het noodzakelijk een omschrijving te hebben van wat leven precies is. eerder in dit artikel werd al gezegd dat het leven alle fora en fauna omvat. Maar hebben wij daarmee de kern van het leven omschreven?
Over levende systemen zegt de wetenschap dat ze energie ofwel voeding uit de omgeving nemen en gebruiken voor overleving, hun groei en voortplanting. Voeding en energie die niet gebruikt worden voor instandhouding van het levende systeem worden omgezet in een andere stof bijvoorbeeld uitwerpselen bij dieren en mensen maar ook gassen zoals bijvoorbeeld methaan bij koeien en zuurstof of stikstof bij planten. Levende systemen werken altijd toe naar een evenwicht met hun omgeving, bijvoorbeeld een kringloop. Levende systemen reproduceren zichzelf ofwel planten zich voort. Bij dit voortplantingsproces kunnen veranderingen optreden bij de systemen. Dat wordt mutatie genoemd Meestal zal het systeem met het beste evenwicht met de omgeving overleven. Charles Darwin noemde dat natuurlijke selectie, dat leidt er toe dat levende systemen evolueren.
Veel onderzoekers accepteren tegenwoordig de definitie van de NASA, de Amerikaanse Ruimtevaart organisatie: Leven is een zelfvoorzienend chemisch systeem dat in staat is tot een evolutie zoals die door Darwin omschreven is.
Het probleem bij pogingen het leven te omschrijven is, wat reken je precies allemaal tot levende systemen. Denk bijvoorbeeld aan een virus dat niet over de mogelijkheid beschikt zichzelf te reproduceren en niet ontkent kan worden dat het leeft.

De lucht om in te ademen

4 miljard jaar geleden
Veel onderzoekers vermoeden dat het leven in de diepzee is begonnen. De oervorm van leven kunnen bacteriën zijn die zich net als huidige diepzee bacteriën in de buurt van warmwaterbronnen voeden met een vulkanische cocktail van waterstof, kooldioxide en zwavel. De meeste soorten van vandaag zijn echter afhankelijk van een andere stof: zuurstof. In vergelijking met sommige diepzeebacteriën is hun metabolisme tot tien keer efficiënter. Ten tijde van de eerste bacteriën was een dergelijke ademhaling echter niet mogelijk: de atmosfeer bestond voornamelijk uit waterdamp en kooldioxide – en zelfs in de oceanen was er geen vrije zuurstof. Er was een biologische revolutie voor nodig om zuurstof te leren gebruiken.

3,5 miljard jaar geleden
Cyanobacteriën waren de eerste levende wezens die licht energie gebruikten om suiker uit kooldioxide en water te halen: de uitvinding van fotosynthese. Zuurstof wordt geproduceerd als bijproduct. Maar hoewel de cyanobacteriën zich uitstekend vermenigvuldigden, bleef de zuurstof in het begin schaars. Het werd onmiddellijk weer gebonden: het ijzer opgelost in de oerzeeën reageerde met zuurstof tot roest. De sporen van die tijd zijn vandaag de dag nog steeds te vinden in ijzermijnen.

2,4 miljard jaar geleden
Slechts een miljard jaar na het ontstaan van fotosynthese hoopt zuurstof zich geleidelijk op. Voor het vroege leven is het vergif. Levensvormen die zich niet aanpassen, sterven uit. Maar totdat de organismen die zuurstof ademen hun metabolische voordeel kunnen uitspelen, gaan er nog eens twee miljard jaar voorbij.

550 miljoen jaar geleden
Pas vier miljard jaar na de vorming van de aarde, breidt het leven zich uit: in de zogenaamde Cambrische explosie. Binnen ongeveer 20 miljoen jaar ontstaat een enorme biodiversiteit. Zuurstof wordt beschouwd als een van de voorwaarden voor deze ontwikkeling. Omdat zuurstof zich nu ook in de atmosfeer heeft opgehoopt, verspreiden organismen die weten hoe ze het moeten gebruiken zich ook snel op het land. Efficiënt zuurstofmetabolisme is het succesvolle model van evolutie.

De tijd van de natuur

Het duurde vele miljarden jaren in het universum tot sterrenstelsels zich hebben gevormd en daarbinnen ons zonnestelsel. Het duurde miljarden jaren tot elementen ontstonden waaruit het aardse leven werd gevormd. Miljarden jaren meer totdat zuurstof op de aarde kwam en divers leven. Vandaag proberen we steeds meer in steeds kortere periodes te persen. De uitvinding van moderne mobiliteit, geautomatiseerd assemblagelijnwerk en de digitale revolutie hebben veel dingen versneld. Een reis naar New York bijvoorbeeld, 100 jaar geleden, was alleen mogelijk per schip en duurde meer dan een week. Vandaag duurt het acht uur met het vliegtuig.

Moeder en Baby
Processen in de natuur zoals zwangerschap kunnen niet worden versneld. De natuur heeft zijn eigen ritme, haar processen kunnen niet in kortere perioden worden geperst. Hoewel we veel sneller van continent naar continent reizen en in fracties van een seconde digitale informatie over de hele wereld verzenden, duurt de ontwikkeling van een kind in de baarmoeder nog steeds negen maanden - net als duizenden jaren geleden. En in de landbouw kost het nog steeds tijd van zaad tot oogst. Met onze vooruitgang hebben we veel dingen versneld, maar niet de loop van de natuur. Wat zeggen de biologen?
Onderzoek van biologen wijst er steeds meer op dat levende organismen op aarde, dus ook mensen voortkomen uit de evolutie van cellen tot netwerken van cellen. Er zijn veel meer aanwijzingen dat de gemeenschappelijke voorouder van alle levende organismen een cel ofwel een eencellige. En die gemeenschappelijke voorouder de cel is hoogstwaarschijnlijk ontstaan 4 miljard geleden ontstond door de natuurlijke omstandigheden op aarde. Uit het onderzoeken van fossielen en het bepalen van hun ouderdom blijkt tevens dat eencellige organismen de oudste - 4 miljard jaar geleden - levensvormen zijn die tot nu toe zijn aangetroffen. Planten en dieren en dus ook mensen kunnen pas veel later aangetoond worden. Aanwijzingen voor de eerste homo sapiens zijn tot nu toe niet ouder aan te tonen dan 350.000 jaar geleden.

Biologen vermoeden, dat cellen waaruit wij en de rest van de flora en fauna op de aarde opgebouwd zijn, miljarden jaren geleden ontstaan zijn door een samensmelting van de elementen waterstof, zuurstof, koolstof, fosfor, stikstof, zwavel en calcium.
De aarde was een relatief gunstige plek voor het leven om te ontstaan. In tegenstelling tot andere hemel lichamen in ons zonnestelsel inclusief onze maan, bevatte de aarde 4 miljard geleden, grotere hoeveelheden van deze elementen. De aanwezigheid van grote zeeën waarin deze elementen door elkaar heen zweefden en temperatuur waren gunstig voor chemische reacties waarbij (bijvoorbeeld) waterstof en koolstof aan elkaar konden worden gebonden.  Width=

Neutrino’s


Men zegt wel dat neutrino’s de spoken onder de elementaire deeltjes. Neutrino’s vliegen door de aarde zonder dat wij het merken.
Schijnbaar nemen zij niet deel aan het kosmische circus.
Echter op zijn minst een keer in de honderd jaar hebben zij in de Melkweg een groot optreden. Een optreden zonder welk het leven in het universum helemaal niet zou bestaan
In het begin heeft men neutrino’s eenvoudigweg uitgevonden om het energiebehoud bij een bepaalde kernreactie te verklaren.
Tegenwoordig weten wij dat alle sterren neutrinobronnen zijn. Ook onze zon. Juist van haar vliegen elke seconde honderd miljard neutrino’s door onze vingernagel zonder dat wij er iets van merken.
Wie interesseert zich voor neutrino’s wanneer zij met niets een interactie aangaan?
60 Jaar na hun ontdekking weten wij dat neutrino’s bij de doodstrijd van een grote ster een heel belangrijke rol spelen.
Daarmee een kringloop van materie startend, niet alleen in onze Melkweg maar in de hele kosmos, zonder welk het leven niet zou bestaan.

De ontdekking van neutrino’s


Het begon omdat het bij het bètaverval ontbrak aan energie. Bij het bètaverval gaat het om het verval van een bouwsteen van het atoom, namelijk het neutron. Een neutron dat neutraal is vervalt in een proton en een elektron. Een elektron is negatief geladen en een proton is positief geladen. Hiervan uitgaand had men in de dertiger jaren van de vorige eeuw, een duidelijke verwachtingswaarde over de hoeveelheid energie van de elektronen nadat het neutron vervallen zou zijn in protonen en elektronen. Men ging ervan uit dat alle elektronen na het verval van het neutron zonder filter op een bepaalde plaats terecht zouden komen. Dat bleek echter niet. Er werden telkens willekeurig en minder elektronen gemeten dan verwacht werd.
Toen begon men ernstig te twijfelen of de wet van behoud van energie bij een atoomreactie houdbaar is.
Wolfgang Pauli verzette zich hevig tegen deze twijfel. “Wanneer er sprake is van ontbrekende energie, dan wordt deze energie eenvoudigweg afgevoerd door een deeltje. Dat deeltje moet elektrisch neutraal zijn”
Maar het werd toch niet gemeten? Was de tegenwerping. “Dat komt omdat het natuurlijk moeilijk meetbaar is. Het is een deeltje dat een heel zwakke interactie heeft en dat is het kleine neutron.” Aldus Pauli.
Enrico Fermi gaf er later de naam neutrino aan. Vanaf toen bestond het neutrino, althans de aanname dat er iets dergelijks moest bestaan. Pauli schreef naar alle collega’s natuurkundigen fantastische brieven om hen mee te nemen in zijn aanname.
Daarna begon een 20 jarige zoektocht en midden jaren vijftig werd het neutrino inderdaad ontdekt in een detector in de vorm van grote tank gevuld met tetrachlooretheen. Een dergelijke detector was nodig omdat het deeltje zo goed als geen interactie aangaat.
Ook wist men al dat het neutrino van de zon moest komen en in het midden van de zon door een kernfusie reactie ontstaat
Er is een verband tussen kernfysica en neutrino’s. Waar atoomkernen veranderen ontstaan ook neutrino’s

De neutrinovloed van 1987


In 1987 gebeurde er iets ongelofelijks. Sinds de jaren vijftig had men steeds meer experimenten ontwikkeld om neutrino’s waar te nemen. Steeds grotere detectoren gevuld met water werden gebouwd. Dit omdat men niet alleen opzoek was naar de neutrino’s die van de zon komen maar ook naar neutrino’s afkomstig van sterren.
En toen in 1987 zag men een supernova in de Grote Maghelaanse Wolk. Een supernova is een exploderende ster. Voor de astronomie was dat een zeer zeldzame gebeurtenis. Men kon nu namelijk voor het eerst zien hoe de helderheid van deze ster vanaf het begin begon toe te nemen.
Natuurlijk met 150.000 jaar vertraging, want zolang heeft het licht van die supernova nodig om ons op aarde te bereiken.
Men kon de lichtcurve vanaf het begin observeren. Bij die observatie stelde men zich de vraag: Nemen wij alleen elektromagnetische straling van de supernova waar of ook deeltjes? Hierbij moet je rekening houden met de afstand van deze exploderende ster tot de Aarde en je afvragen hoe sterk daalt deze vloed van neutrino’s door deze afstand. De daling van de waarneembare vloed neutrino’s op aarde wordt berekend met het kwadraat van de afstand. Kun je dan nog neutrino’s waarnemen? Ja. Men heeft in Japan in de Super-Kamiokande detector inderdaad neutrino’s afkomstig van de Grote Maghelaanse Wolk, waargenomen. 9 om precies te zijn. Dat zijn er zodanig veel dat men daaruit kan afleiden dat er honderd miljoen neutrino’s afkomstig van deze supernova op aarde zijn aangekomen. Daaruit kan men weer afleiden dat zulke grote explosies van supernova’s alleen mogelijk zijn wanneer er neutrino’s bij betrokken zijn. Hieruit valt weer af te leiden dat exploderende sterren door neutrino’s een honderdduizend keer groter energieverlies hebben door neutrino’s dan door straling.
Echter waarom moeten wij hier belangstelling voor hebben?
Wat maakt een supernova explosie zo bijzonder.

Wat is de relatie van een supernova explosie met mensen?


Zonder supernovaexplosie zouden wij niet bestaan. In het begin van het universum; bijvoorbeeld toen het universum 3 minuten oud was, was het met de aanwezige elementen niet mogelijk een mens te bouwen. Er was namelijk alleen waterstof, helium, een beetje lithium, een beetje beryllium en ietsje boor en verder niets. Daarna zijn in het universum gedurende een lange periode geen elementen bijgekomen.
Ja, wanneer er in de vroege kosmos schoolklassen zouden hebben bestaan - maar dat was onmogelijk- zouden zij maar een heel klein periodesysteem van buiten hebben hoeven leren. Meer waren elementen er namelijk niet. Immers alle andere elementen die zwaarder zijn dan helium, ontstaan onomstotelijk in een ster en die waren er in de vroeg kosmos ook nog niet.
Hoe ontstaan dan die zwaardere elementen in de zon? En vooral; hoe komen ze dan uit het midden van de zon?
Zware elementen ontstaan door kernfusie ofwel het samensmelten van atomen. Een ster is een fusiereactor. Dat komt doordat een ster een ongelofelijk grote massa heeft en daardoor een groot gewicht. Dat grote gewicht drukt atoomkernen zo sterk tegen elkaar dat er iets gebeurt wat normaalgesproken onmogelijk zou zijn. Namelijk dat de positief geladen deeltjes zo dicht tegen elkaar komen, dat een andere kracht optreedt die ervoor zorgt dat uit waterstof helium ontstaat en uit helium koolstof en uit koolstof stikstof enzovoort.
Dat betekent dat in het binnenste van grote sterren het hele periodesysteem bij elkaar wordt gekookt. In het begin stopt dit wanneer ijzer ontstaat. Wanneer de ster al het waterstof en helium verbruikt heeft en de fusie reactie ophoudt, stort hij door zijn eigen massa in elkaar en ontstaan ook alle andere elementen in het periode systeem.
Tot zover alles ok. Maar wanneer de ster echter in elkaar stort dan blijft toch alles daar. Hoe komt het dan bij ons?
Aan het einde van het bestaan van een ster vliegt deze uit elkaar als een supernova. In het firmament ziet dat er uit als een absoluut nieuw fenomeen dat zo helder licht uitstraalt dat het korte tijd sterker is als al het licht in onze Melkweg.
Dan heb je deze prachtige uitspraak van Carl Sagan: “Het stikstof in ons DNA, het ijzer in ons bloed, het calcium in onze tanden en de koolstof in onze appeltaart werd gemaakt in het binnenste van sterren. Wij zijn sterrenstof.”
Carl Sagan was een van de grote astronomen in de 20e eeuw met geweldige ideeën over hoe men steeds weer de blik in het universum, gebruiken kan voor het begrijpen van onze eigen planeet. Dit om te ontdekken: wat is dat een bewoonbare planeet? Wat maakt dat een planeet bewoonbaar is? Wat is leven werkelijk? En ook het starten van het zoeken naar extra terrestrisch leven.
Wij bestaan inderdaad voor 92% uit sterrenstof. En hoe komt dat sterrenstof op de aarde terecht? Door supernova explosies.
Hier ziet men hoe belangrijk het is dat sterren de elementen die ontstaan zijn in hun binnenste teruggeven aan de kosmos.
Dat kunnen wij ook observeren. Wij kunnen tegenwoordig bewijzen dat het daadwerkelijk zo is. Aan het licht van supernova’s kunnen wij zien welke elementen van deze ster naar buiten geperst worden met een snelheid van 20000 km per seconde. Ook kunnen wij voor ons zonnestelsel met betrekking tot het leven op Aarde achterhalen hoe het destijds moet zijn gegaan dat er niet alleen gasplaneten ontstonden, zoals Jupiter en Saturnus die grotendeels uit waterstof en helium bestaan maar dat er hoe dan ook zware planeten bestaan. De Aarde bestaat uit ijzer, nikkel, koolstof, silicium aluminium fosfor en, en…
Hoe komen die zware elementen allemaal naar hier? Die moeten aanwezig zijn geweest in de gasnevel waaruit ons zonnestelsel is ontstaan. Dat weten wij door de meteorieten. Deze meteorieten zeggen ons dat het zonnestelsel ontstaan is kort na het exploderen van een ster, 25 keer zo zwaar als de zon: een supernova. Die ook niet ver weg explodeerde van de plaats waar later ons zonnestelsel ontstaan is. Dat betekent dat de drukgolven van deze explosie de gasnevel waaruit ons zonnestelsel ontstaan is, hebben samengeperst en daardoor als een soort kraamvrouw bewerkstelligt dat ons systeem ontstaan is. Ook hebben de drukgolven van de explosie van deze supernova zware elementen meegebracht waarmee de gaswolk werd verrijkt.
Een blik op onze Melkweg, leert ons dat dit elke honderd jaar gebeurt.
Supernovae zijn de lijken van sterren van sterren die minstens 8 keer zo groot zijn als onze zon.
Zij drukken hun vracht elementen in het interstellaire medium. Daarna koelt het gas van deze explosie af. Er ontstaan weer gaswolken en daarna ontstaan weer nieuwe sterren. En zo blijft een kringloop van materie in de hele Melkweg.

De rol van neutrino’s bij supernovae explosies


Welke rol spelen neutrino’s bij de supernova ofwel het einde van een ster?
Wanneer deze ster aangekomen is bij de fusie van silicium naar ijzer, dan is laatste kernfusie van ster bereikt., waarbij nog energie vrijkomt. Vanaf dat moment moet er energie aangevoerd worden voor de productie van elementen met hogere getallen, zoals edelmetalen. Die worden pas geproduceerd wanneer de ster op het punt staat onder zijn gewicht in elkaar te storten. Deze edelmetalen ontstaan in het binnenste van de ster wanneer alles ten einde loopt en er alleen nog de werking van de eigen zwaartekracht over is. Dan wordt materie zo dicht samengeperst en de reacties volgen elkaar zo snel op dat opeens de neutrino’s die ontstonden bij de kernreacties, die eerst overal doorheen vlogen en wegvlogen, er niet meer doorkomen en tegengehouden worden en hun impuls afgeven aan de materie die in elkaar start. Hierbij scheuren zij de ster aan stukken. De druk die de neutrino’s daarbij afgeven is zo groot dat de ster niet implodeert maar explodeert.
Nu kan men zich de vraag stellen bij deze zeer geringe wisselwerking en zeer gering massa, hoe groot de kans is dat twee neutrino’s op elkaar botsen. En als die kans klein is dan is de waarschijnlijkheid dat wanneer neutrino’s botsen dat zij een impuls overdragen. Zo klein dat die kans niet bestaat. Probeer je voor te stellen dat er elke seconde honderd miljard neutrino’s door de nagel van je duim vliegen. Zelfs wanneer over een afstand van een lichtjaar alles gevuld zou zijn met lood, dan zou nog steeds een derde van de neutrino’s er dwars doorheen vliegen.
Welke materievorm moet er dan in het binnenste van een imploderende ster zijn, dat die het onmogelijk maakt dat een neutrino er niet meer doorheen kan vliegen?
Dat moet dichter als een atoomkern zijn. Inderdaad het is een wonderlijke verbinding van eigenschappen in de allerkleinste wereld met het feit dat er levende wezens bestaan.
Men kan hier het ontstaan van het allerkleinste en het allergrootste: de kosmos en ontstaan van het leven met elkaar verbinden.
Zonder de neutrino’s zouden wij niet bestaan.
Wat begonnen is als een veronderstelling, een uitvinding over en van het neutrinodeeltje om de wet van energiebehoud te behouden voor de wetenschap, is geëindigd met de vaststelling dat een neutrino daadwerkelijk bestaat. De neutrino’s zijn van wezenlijk belang voor de kernfusie die in de zon plaatsvindt en om te begrijpen dat de zon werkt als een fusiereactor. En daaruit trekt men de conclusie dat er zonder de neutrino’s helemaal geen supernovaexplosie zou plaatsvinden. En dan zijn wij weer op het punt dat wij zonder een supernova explosie niet zouden bestaan. Het hangt allemaal met elkaar samen Onthoudt dat je sterrenstof bent.

Literatuur

Bell, Jim, Het astronomieboek : van het begin tot het einde der tijden. Librero, Kerkdriel, (2019)
Brands, Sarah, Sterrenkunde voor in bed, op het toilet of in bad. BBNC, Amersfoort, (2014)
Green, Brian, De ontrafeling van de Kosmos. Spectrum, Utrecht, (2010)
Hawking, S.H., Het Heelal. Prometheus, Bert Bakker,Amsterdam, (2015)
Heemstra van, Marjolijn, In Lichtjaren Heeft Niemand Haast. De correspondent, (2021)

websites:

Het microfossielen van bacterie in hematiet
Cosmic Microwave Background: Remnant of the Big Bang
Kosmische achtergrondstraling
De röntgenfoto
Faszination Universum mit Harald Lesch: Der Urknall – Das Rätsel des Anfangs
Faszination Universum: Eine Frage der Zeit Mit Harald Lesch
de komeet van Haley
Omlooptijd
De Rosetta missie
comets contain ingredients of life
Ontstaan_en_evolutie_van_het_zonnestelsel
hoe is ons zonnestelselontstaan
Molecular cloud
Ammonites
Ammonites became extinct in the Cretaceous–Paleogene extinction event
Why are ammonite fossils found in the himalayn mountains myoorganizing?
History and cultural aftermath of the great collision
Je herkent leven als je het ziet maar wat is het?
Bouwstenen van-het leven kunnen ontstaan in de ruimte

Video

Cosmos a personal Voyage: episode 9: Life of the stars TV serie van Carl Sagan uit 1980.