Wetenschap

De pigmenten (groen) hangen aan de rode oligonucleotiden (stukjes DNA) en vangen licht op, dat wordt omgezet in actieve elektronen (e-) die via het nanobuisje (zwart) elektriciteit leveren.

Zelfreparerende zonnecellen

Na de komst van zelfhelend beton zijn er nu ook zelfreparerende zonnecellen. Steeds meer materialen en apparaten worden zo ontworpen dat ze in staat zijn net als een levend wezen kleine beschadigingen zelf te repareren. Is dit een nieuwe evolutionaire stap? Hoeven we straks niet meer naar de garage of reparateur als er schade optreedt in apparaten?

Hoe werken de zelfreparerende zonnecellen?
Om ons heen zijn er al miljarden jaren zelfreparerende zonnecellen: algen.

Zo werkt de biologische zonnecel. Door licht (hv) worden elektronen opgepompt en geven hun energie in stapjes af.
Zo werkt de biologische zonnecel. Door licht (hv) worden elektronen opgepompt en geven hun energie in stapjes af.

Voortdurend worden de bladgroenpigmenten en eiwitten waarmee planten licht, water en kooldioxide omzetten in suiker en zuurstof afgebroken. Algen moeten dus voortdurend deze moleculen vervangen, anders gaan ze ten gronde.

Planten, zoals algen, moeten vrijwel alle chemicaliën de ze nodig hebben om in leven te  blijven zelf maken. Eiwitten worden gemaakt door ribosomen, kluitjes RNA, die een kopie van het DNA aflezen en vertalen in eiwit. Chlorofyl, het pigment dat licht opvangt, wordt gemaakt door enzymen: eiwitten met een specifieke taak. Algen doen dit voortdurend en met veel succes: er is in de zomer (in de tropen het hele jaar door) maar een gebied zo groot als een studentenkamer nodig om dagelijks drieduizend calorie aan eetbaar materiaal op te leveren (de dagelijkse behoefte van een volwassen man die zwaar lichamelijk werk doet).

Onderzoeker Jong Hyun Choi en zijn team van de Purdue universiteit doen onderzoek naar foto-elektrochemische cellen, cellen dus die licht door middel van een chemisch proces in elektriciteit omzetten.

De pigmenten (groen) hangen aan de rode oligonucleotiden (stukjes DNA) en vangen licht op, dat wordt omgezet in actieve elektronen (e-) die via het nanobuisje (zwart) elektriciteit leveren.
De pigmenten (groen) hangen aan de rode oligonucleotiden (stukjes DNA) en vangen licht op, dat wordt omgezet in actieve elektronen (e-) die via het nanobuisje (zwart) elektriciteit leveren.

In Choi’s zonnecellen vangen chromoforen (kleurstoffen die ongeveer net zo werken als chlorofyl) het zonlicht op en dragen het in de vorm van aangeslagen elektronen over aan koolstof nanobuisjes. De elektrische stroom die zo ontstaat wordt geoogst.

Het vervelende is dat chromoforen snel uit elkaar vallen onder invloed van zonlicht. Choi en zijn team hebben nu een nieuwe techniek ontwikkeld om chromoforen op natuurlijke wijze te repareren. Aan de koolstofnanobuisjes zijn korte stukken DNA gehecht waar de chromoforen zich aan hechten.

Zodra een chromofoor is beschadigd, laat deze los omdat de korte stukjes DNA (oligonucleotiden, in vakjargon)  zeer selectief zijn. Door een voortdurende vloeistofstroom worden zo de beschadigde chromoforen afgevoerd en vervangen door nieuwe. Het vervelende is dat de chromoforen waarmee Choi experimenteert van biologische oorsprong zijn en dus duur. Op dit moment doet zijn team onderzoek naar andere, ook synthetisch te produceren kleurstoffen.

Mogelijk zullen er in de verdere toekomst kunstmatige cellen worden ontwikkeld die in staat zijn het complete materiaal te regenereren. We kennen schelpdieren die in staat zijn om een schelp te produceren door het uitscheiden van kalk. Zouden er in de toekomst ook kunstmatige levensvormen kunnen worden ontwikkeld die dingen als huizen, wegen of rioolbuizen kunnen produceren en onderhouden?

Bronnen
New Solar Cell Self-Repairs Like Natural Plant Systems, ScienceDaily
Biomimetic light-harvesting optical nanomaterials, SPIE

Over tweehonderd miljoen jaar ontwikkelt zich op een supercontinent een enorme woestijn, denken sommigen.

De ruimte inzaaien met bacterien

Mensen op reis naar een andere ster sturen is lastig. De afstanden zijn werkelijk enorm, ter vergelijking: de dichtstbijzijnde ster, Alfa Centauri, staat ongeveer 266 000 maal zo ver van ons af als de zon. Dus laten we bacteriën op pad sturen om het leven een handje te helpen, stellen sommigen. Geniaal of een stommiteit van werkelijk kosmische omvang?

De wieg van het leven is in gevaar
De aarde, daar zijn we zo langzamerhand wel achter, is een gevaarlijke plaats. Nog niet zo heel lang geleden in kosmische termen, ongeveer 66 miljoen jaar geleden, vaagde een asteroïde vrijwel alle dinosauriërs weg. Zelfs al slaagt de aarde er in dergelijke kosmische rampen te voorkomen, zelfs dan heeft de aarde niet het eeuwige leven.

De zon ziet er in de verre toekomst ongeveer zo uit. Voor die tijd kunnen we maar beter maken dat we wegkomen.
De zon ziet er in de verre toekomst ongeveer zo uit. Voor die tijd kunnen we maar beter maken dat we wegkomen.

Over een tot twee miljard jaar wordt deze planeet drooggekookt en verandert ze in een tweede Venus. Zelfs de taaiste organismen, zoals rotsbacteriën, zullen dan weg worden gevaagd. Als de zon na nog eens vijf miljard jaar opzwelt tot rode reus, zal ze de geblakerde aarde opslokken. Kortom: willen we dat de mensheid, of iets minder chauvinistisch, het aardse leven overleeft, dan moeten we op tijd vertrekken uit het zonnestelsel. In ieder geval tussen nu en vijf miljard jaar in de toekomst.

Eencellige astronauten
Bacteriën zijn weinig veeleisend. Ze zijn uiterst licht – een uitgesproken voordeel als hoge snelheden bereikt moeten worden -, kunnen als spore in schijndood gaan, zijn bestand tegen hoge doses straling  en zijn vaak veel minder kieskeurig dan mensen als het om voedingsbronnen gaat.

Over tweehonderd miljoen jaar ontwikkelt zich op een supercontinent een enorme woestijn, denken sommigen.
Over tweehonderd miljoen jaar ontwikkelt zich op een supercontinent een enorme woestijn, denken sommigen.

Een ruimteschip voor een bacterie, fervente SF-griezelfilm kijkers weten het, hoeft niet groter te zijn dan een paardenbloemzaadje. Je versnelt ze met een laser en in enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren bereiken ze een naburig zonnestelsel of gaswolk.

De filosofie van de bedenkers van dit plan, Michael Mautner en anderen van de Panspermia Society, is dat als maar enorme aantallen van deze micro-ruimteschepjes worden gelanceerd – je praat dan over vele miljarden – er enkele terecht zullen komen op het oppervlak van een exoplaneet of -wanneer ze op een protoplanetaire stofwolk worden gericht – in een leefbare omgeving op een toekomstige planeet. Hopelijk zullen ze zich dan ontwikkelen tot wezens die net zo slim zijn als de bedenker van dit plan. Pers slot van rekening is dat op aarde ook gebeurd: onze verre voorouders waren eencelligen. Carl Sagan suggereerde in 1966 dat mogelijk een buitenaards ras de aarde miljarden jaren geleden heeft ingezaaid. Dit zou verklaren waarop er zo kort na het ontstaan van de aarde leven ontstond.

Invasie uit outer space
Uiteraard zullen we op tijd weg moeten zijn van onze knusse, doch onveilige aardkloot. En beter dat de aardse biosfeer als bacterie voortleeft, dan dat de kosmos levenloos achter blijft als een welgemikte gammaflits, uit de hand gelopen kernoorlog of rampzalige wetenschappelijke proef onze planeet verandert in Ground Zero. De vraag is alleen of het zo slim is dat door middel van eencelligen te doen. Het heeft per slot van rekening meer dan vier miljard jaar geduurd voor zich uit eencelligen een denkend wezen ontwikkelde (tenzij één van de natuurrampen uit het verleden het gevolg was van een dino-kernoorlog). Kortom: we doen dan heel veel mopeite om iets te verspreiden wat hoogstwaarschijnlijk niet verder zal komen dan een plasje slijm.

Omgekeerd: als het leven minder zeldzaam is dan Mautner denkt, dan zullen intelligente aliens ongeveer net zo blij zijn met ons genereuze bacteriebombardement als de indianen met het pokkenvirus. Misschien komen ze dan op de gedachte deze biospammers een leuke zichzelf vermenigvuldigende nanobot op het lijf te sturen om ons naar steentijdniveau terug te brengen. Bij wijze van verzekeringspolis, zeg maar, om zo van toekomstige kadootjes verschoond te blijven. Ook zullen deze bacteriën muteren tot vormen die wellicht gevaarlijk zijn voor toekomstige menselijke kolonisten. Dan liever maar even wachten tot we een echt goed vervoermiddel hebben naar verre sterren voor mensen of andere denkende wezens. Het goede nieuws: we hebben een paar miljard jaar de tijd om dat te verzinnen.

Bronnen
To boldly sow: why we should fertilize the galaxy, New Scientist
To boldly sow: seeding the galaxy with earthly life, ibid.

Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.

Massale kwantumverstrengeling opent poort naar nieuwe natuurkunde

Voor het eerst zijn onderzoekers van de Engelse universiteit van Oxford er in geslaagd om tien miljard deeltjes tegelijkertijd met elkaar te verstrengelen. Dit is een belangrijke doorbraak voor kwantumcomputers, maar er zijn meer gevolgen. Veel meer. Zo komt het moment dichterbij dat we er eindelijk achter kunnen komen wat grote schaal kwantumverstrengeling voor fysische effecten heeft in het dagelijks leven.

Silicium in een extreem sterk magnetisch veld
Het experiment werd uitgevoerd in silicium, het materiaal waar op dit moment alle computerchips van vervaardigd worden. Het silicium werd geplaatst in een extreem sterk magnetisch veld. Het silicium bevatte (in vaktermen: was gedoopt met) een groot aantal fosforatomen. Alle elektronen vormen gewoonlijk paren waarbij elke partner een tegengestelde spin heeft. Fosfor heeft een oneven aantal elektronen dus is er een vrij, ongebonden elektron.

De onderzoekers slaagden er in van dat vrije elektron de elektronspin (spin is een kwantumeigenschap die je het beste kan vergelijken met draairichting, al zijn er in de kwantumwereld maar twee draairichtingen, omhoog en omlaag en dat ook nog in stappen van een half tot maximaal plus of min twee)  te verstrengelen met de spin van de atoomkern van fosfor. Draaiende elektrisch geladen dingen, dus ook deeltjes zoals de negatieve elektronen en de positieve atoomkernen, wekken een magneetveld op. Dit is ook de reden van het sterke magnetische veld, hiermee worden alle elektronen gedwongen in precies dezelfde richting te tollen, de atoomkernen in precies de omgekeerde richting.

Bij verstrengeling beïnvloeden deeltjes elkaar op spookachtige wijze. Dat wil zeggen: als een spin-meting aan het elektron werd uitgevoerd en dit blijkt omhoog te draaien, dan zal de atoomkern omlaag draaien (bij een omgekeerd meetresultaat uiteraard andersom). We kunnen niet voorspellen wat de uitkomst van de eerste meting is maar, zodra we die weten, wel wat de uitkomst is van de tweede meting. Kwantumsystemen zijn extreem gevoelig voor verstoringen – de reden dat kwantumverstrengeling gewoonlijk slechts miljardsten van secondes duurt. Daarom is het belangrijk een groot aantal deeltjes tegelijkertijd te kunnen kwantumverstrengelen, zodat geen fouten optreden bij berekeningen in een kwantumcomputer als er een kwantumverstrengeling wordt doorbroken.

Hoe werkt een kwantumcomputer?
Een “gewone” computer werkt met bits, nullen en enen. Schakelaars kunnen alleen op nul of een staan. Eén schakelaar vormt dus één bit. Kwantumcomputers zijn fundamenteel anders. Ze werken niet met bits, maar met qubits. Een qubit neemt door de kwantumonzekerheid alle mogelijke waarden tegelijkertijd aan.

Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.
Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.

Je weet niet of er nul of een uitkomt als je een qubit meet, alleen de kans dat de qubit nul of een wordt (bijvoorbeeld: driekwart kans op een nul).

Interessant aan kwantumcomputers is dat hun rekensnelheid (m.a.w. informatieinhoud) met elke extra qubit niet met één eenheid toeneemt, zoals bij een klassieke computer, maar exponentieel.

U leest het goed: een kwantumcomputer met acht qubits heeft niet twee keer zoveel, maar 24 is zestien maal zoveel rekencapaciteit als eentje met vier qubits. Probleem is wel dat de levensduur van de kwantumtoestand gedeeld wordt door het kwadraat van het aantal qubits. Tien verstrengelde qubits blijven dus honderd keer zo kort in de gewenste toestand als één qubit. Al rekent een quantumcomputer heel snel, je moet er dus wel heel snel mee klaar zijn.

David Deutsch, een pionier op het gebied van quantumcomputing en ook fervent aanhanger van de veel-werelden kwantuminterpretatie, denkt dat dit komt omdat er in parallelle heelallen kopieën van de kwantumcomputer staan die allen met elkaar samenwerken om tot de uitkomst te komen. Hoe meer qubits, hoe meer parallelle heelallen “af worden getapt”.

Massa-effecten van kwantumverstrengeling.
Op dit moment is er voor zover aan schrijver dezes bekend nog nooit theoretisch werk gedaan naar de statistische interpretatie van massale kwantumverstrengeling. Stel dat alle deeltjes in voorwerp A worden verstrengeld met alle deeltjes in voorwerp B. Beide voorwerpen zitten in een sterk magnetisch veld. Stel dat voorwerp A linksom gaat draaien. Dan zou de uitkomst van metingen aan de deeltjes in voorwerp B (in de praktijk: elke koppeling van de deeltjes aan de boze buitenwereld van voorwerp B) vaststaan en… beïnvloed worden. Op deze vraag zal in een vervolgartikel ingegaan worden. Misschien dat met kwantumverstrengeling namelijk één van de allergrootste raadsels in de natuurkunde opgelost kan worden…

Bronnen
Ultrafast Quantum Computer Closer: Ten Billion Bits of Entanglement Achieved in Silicon, Science Daily
Entanglement in a solid-state spin ensemble, Nature

Mercurius is iets groter dan de maan maar veel zwaarder.

Mercurius: verborgen schatten

Met temperaturen overdag van 427 graden Celsius en nachttemperaturen die dalen tot bijna tweehonderd graden onder nul kent de kleine planeet Mercurius de grootste temperatuursverschillen van het zonnestelsel. Desondanks kent Mercurius enkele interessante voordelen. Bijna de helft van de aardse zwaartekracht, mogelijk waterijs in kraters op de polen, een zwak beschermend magnetisch veld, overvloedige zonne-energie en waarschijnlijk veel metalen.

Mercurius is iets groter dan de maan maar veel zwaarder.
Mercurius is iets groter dan de maan maar veel zwaarder.

Mercurius factsheet

Grootte: 4900 km doorsnede (38% van de aarde)

Zwaartekracht: 0,38 maal die van de aarde

Atmosfeer: sporen

Temperaturen: +437 graden tot -190 graden

Daglengte: 176 dagen: 2 Mercuriusjaren

Lengte jaar: 88 aardse dagen

Waardevolle grondstoffen: metalen (mogelijk)

Pluspunten: redelijke nabijheid aarde, de helft van de aardse zwaartekracht, op de polen waarschijnlijk enig waterijs, zwak beschermend magnetisch veld, zonne-energie

Gevaren: afremmen is zeer lastig, enorme temperatuursverschillen maken alleen de poolstreken bewoonbaar, magnetisch veld vaak lek

De omgeving
Een oppervlakte waarop overdag lood smelt en ’s nachts zelfs kooldioxide vastvriest. Het goede nieuws is dat Mercurius een zuurstofatmosfeer heeft met maar liefst 40% zuurstof. Het slechte nieuws: deze atmosfeer is extreem dun: 10-14 bar en verdwijnt continu.

Er is geen atmosfeer die meteorieten tegenhoudt. Mercurius heeft daarom net als de maan een pokdalig oppervlak.
Er is geen atmosfeer die meteorieten tegenhoudt. Mercurius heeft daarom net als de maan een pokdalig oppervlak.

Kortom: Mercurius is een weinig gastvrije plaats voor organische levensvormen zoals mensen.

Vrijwel de gehele oppervlakte is bezaaid met inslagkraters, af en toe afgewisseld door lavavlaktes, de gevolgen van vulkanische uitbarstingen miljarden jaren geleden. Omdat Mercurius geen atmosfeer heeft was en is de planeet een schietschijf voor meteorieten.

Radarverkenningen van de oppervlakte van Mercurius wezen uit dat de poolstreken extreem veel radarstraling weerkaatsen, vermoedelijk omdat er waterijs op de polen van de planeet aanwezig is, naar schatting honderd miljard ton, de inhoud van een groot meer.

Hoe reis je naar Mercurius?
Reizen naar Mercurius is extreem lastig. De planeet bevindt zich diep in de zwaartekrachtsput van de zon en omdat de planeet zo klein is, is de zwaartekracht ook zwak. Een ruimteschip vanaf de aarde moet daarom heel veel snelheid dumpen. Dat kan alleen door veel reactiemassa (brandstof) mee te nemen. Mogelijk kan magneetveldremming worden gebruikt.

Hoe bewoonbaar is Mercurius?
Alleen de poolstreken, in de eeuwige schaduw van de kraters, komen voor kolonisatie in aanmerking. De rest van de planeet is te heet. Worden de radarreflecties in de poolkraters inderdaad veroorzaakt door waterijs, dan wordt Mercurius hiermee meteen een van de gastvrijer plekken in het zonnestelsel.

Een zonsopkomst op Mercurius wil je liever niet meemaken.
Een zonsopkomst op Mercurius wil je liever niet meemaken.

Voordelen van een kolonie op Mercurius
Mercurius is extreem rijk aan metalen en zonne-energie. Met andere woorden: het is niet erg moeilijk om brokken metaal door middel van zonne-energie richting aarde te schieten. Een voor de hand liggende methode is hiervoor een railgun, een elektrostatische versneller op zonne-energie te gebruiken.

Per vierkante meter komt er op Mercurius meer dan zes keer zoveel zonne-energie binnen als op aarde – en dan is de absorptie door de aardse atmosfeer nog niet eens meegeteld.

Reizen vanaf Mercurius is, gesteld dat je over voldoende energie beschikt, niet erg moeilijk. De enorme zwaartekracht van de zon zorgt voor voldoende afremming om alle andere bestemmingen in het zonnestelsel zonder problemen te kunnen bereiken.

Gevaren op Mercurius
Mercurius kent geen atmosfeer en enorme temperatuursverschillen. Het oppervlak is alleen tijdens de nacht begaanbaar. De rest van de tijd moeten kolonisten zich terugtrekken in de kraters op de polen. Het magnetische veld biedt weliswaar een (zwakke) bescherming, maar geregeld breken magnetische tornado’s door het veld heen. De zonnewind kan dan het oppervlak van de planeet bereiken. Dit effect zal vermoedelijk in de poolstreken minder een rol spreken, omdat hier minder of zelfs geen zonnestraling is.

Hoe zou een kolonie op Mercurius er uit zien?
Een kleine kolonie zal vermoedelijk in de noord- of zuidpoolregio gevestigd zijn en voor een belangrijk deel ondergronds zijn. De metaalrijke bodem van Mercurius biedt een goede bescherming tegen kosmische straling. De kolonie moet luchtdicht zijn en goed geïsoleerd.
Kolonisten kunnen gebruik maken van de ijsvoorraden om hun kolonie mee te bevoorraden.

Een grotere kolonie kan bestaan uit een koepel over een krater of een nog groter gebied. Hiervoor kan carbonia van Venus worden geïmporteerd of een doorzichtig materiaal worden gefabriceerd van lokale grondstoffen. Energie hiervoor is op Mercurius overvloedig aanwezig.

Een krater kan overdekt worden met een drukkoepel.
Een krater kan overdekt worden met een drukkoepel.

Hoe is Mercurius tot leefbare wereld om te bouwen?
Mercurius is veel te klein en staat veel te dicht bij de zon om een leefbare atmosfeer vast te houden.
In theorie zou je het planeetje kunnen voorzien van een stevig zonnescherm (of overdekken met een planeetbreed schild).

Meer vandalistische plannen houden in het hele planeetje uit elkaar te slopen: immers minstens 42% van de planeet bestaat uit massief metaal. Met de grondstoffen op Mercurius zijn letterlijk miljarden ruimtekolonies te bouwen die als een zwerm om de zon draaien en de rijke zonne-energievloed kunnen oogsten.

Een zwerfplaneet verandert al binnen korte tijd in een ijsbal.

Zwerfplaneet zonder zon kan leven herbergen

Iedereen die wel eens met een simulatieprogramma van een zonnestelsel heeft gespeeld, weet dat het als een zonnestelsel nog niet in evenwicht is, het geregeld voorkomt dat planeten het zonnestelsel uit worden geschoten. Wij hoeven ons voorlopig geen zorgen te maken, de eerstkomende miljarden jaren is de omloopbaan van de aarde en die van de andere planeten in het zonnestelsel stabiel. Toch zijn er astronomen die nadenken over de vraag hoe het met de aarde of een vergelijkbare planeet af zou lopen als deze door een bijna-botsing de leegte van de interstellaire ruimte in wou worden geslingerd.

Miljarden jaren onder de grond

Een zwerfplaneet verandert al binnen korte tijd in een ijsbal.
Een zwerfplaneet verandert al binnen korte tijd in een ijsbal.

Op aarde levert de zon achtennegentig procent van alle energie. Zonder zon zou de aarde binnen enkele maanden veranderen in een ijsbal met uiteindelijk aan de oppervlakte vastgevroren zuurstof- en stikstofijs. Toch zou niet alle leven op aarde uitsterven. We weten nu dat er diep onder de grond heel veel bacteriën en archaeae leven die niet op zonlicht, maar op de vervalproducten van radioactiviteit of van het omzetten van gesteente gedijen. Zelfs al de rest van de aarde veranderd zou zijn in een ijsbal, zouden diep onder de aardoppervlakte bacteriekolonies nog betere tijden afwachten.

Oceaan diep onder het ijs
Onderzoekers hebben nu berekend, dat niet alleen onderaards leven, maar zelfs primitief oceanisch leven een miljarden jaren durende reis door de interstellaire ruimte zou kunnen overleven. Bij hun berekeningen gingen ze uit van een superaarde met een massa van ongeveer drietiende maal aarde tot enkele aardmassa’s. Allesbepalend is hierbij de hoeveelheid water. Een planeet met een oceaan van vier kilometer diep (zoals op aarde) zou meer dan 3,5 maal zo zwaar als de aarde moeten zijn. Is sprake van een ijslaag of kooldioxidelaag van honderden kilometers dik zoals bijvoorbeeld op de Jupitermanen Ganymedes en Europa , dan zouden zich op een planeet van drietiende aardmasa of meer al oceanen kunnen vormen die miljarden jaren vloeibaar blijven.

Bacteriekwekende wormen

Levensvormen zoals deze twee meter lange buiswormen zijn waarschijnlijk de hoogste levensvorm op een zwerfplaneet.
Levensvormen zoals deze twee meter lange buiswormen zijn waarschijnlijk de hoogste levensvorm op een zwerfplaneet.
Dit leven zou waarschijnlijk veel lijken op het leven zoals dat zich op aarde rond onderzeese vulkanische bronnen ontwikkelt. Grote wormen zouden in symbiose met bacteriën de laatste resten chemische energie uit de vulkanische bronnen proberen te halen.

Voor intelligent leven is er waarschijnlijk te weinig energie. Onze hersenen slokken een vijfde van alle energie die we gebruiken op, dit voor een orgaan dat misschien een procent of drie van ons totale gewicht uitmaakt. Vergisten, het zonder zuurstof afbreken van organische stoffen, brengt twintig keer zo weinig energie op als aerobe afbraak, de manier waarop het menselijk lichaam energie opwekt.

Zou zich toch intelligent leven ontwikkeld hebben, de natuur is veel vindingrijker dan we vaak denken, dan zouden de levensprocessen waarschijnlijk zeer traag verlopen. Kortom: ze vormen waarschijnlijk geen aangenaam gezelschap voor actieve zuurstofademers als wij. Gelukkig kennen zwerfplaneten weinig bezoekers…

Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.

Zwakke elektrische velden sturen ons brein

Tot voor kort werd gedacht dat elektrische velden nauwelijks invloed hebben op ons brein. Dat blijkt niet te kloppen: elektrische velden blijken zelfs essentieel om groepen neuronen samen te laten werken. Hebben de verguisde aluhoedjes dan toch gelijk?

Ooit werd gedacht dat elektrische velden die door het afvuren van neutronen in ons brein ontstaan, een onbedoeld bij-effect zijn van de werking van neuronen. Dit blijkt niet te kloppen. De velden blijken zelfs een essentiële rol te spelen, namelijk bij het coördineren van groepen neuronen, ontdekten neurobioloog Kostas Anastasiou en zijn team (1). Dit betekent dus dat neutronen die niet onderling verbonden zijn, toch invloed op elkaar hebben.

Bekend is al dat (voor neurologische begrippen) sterke elektrische velden (denk aan honderd volt per meter), ontstaan door tegelijkertijd vurende neuronen, de oorzaak zijn van epileptische aanvallen. Het meten en reproduceren van de uiterst zwakke elektrische velden die veel vaker in de hersenen voorkomen is veel lastiger, de reden dat hier veel minder onderzoek naar gedaan is.

Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.
Neuronen communiceren niet alleen via de lange dendrieten, maar ook via elektrische velden.

Wij nemen deze sterk wisselende velden waar als hersengolven, zoals alfa-, bèta- en thetagolven die een groot deel van de hersenen beïnvloeden, maar er bestaan ook zwakkere, kleinschaliger velden. De kleinste velden moeten gemeten worden met een groepje elektroden op een afstand van slechts vijftig micrometer van elkaar: de grootte van het hoofdcellichaam van een neuron (neuronen kennen immers communicatie-uitlopers, dendrieten, die tientallen centimeters lang kunnen worden).

Zelfs zwakke velden met een sterkte van enkele volts per meter blijken al grote invloed te hebben op de manier en het patroon waarop neuronen afvuren. Anastasiou denkt dat in de communicatie via deze elektrische velden wel eens de oplossing kan worden gevonden van de heilige graal in de neurowetenschap: de oorsprong van ons bewustzijn(2).

Grappig genoeg worden er op dit moment ook computers ontwikkeld die net als ons brein gebruik kunnen maken van deze lekken en zo energiezuiniger worden. Misschien moeten we de hardware van onze computers wel meer op die van het brein laten lijken – dus met deze lekvelden – om machinebewustzijn te ontwikkelen. Alhoewel er veel, heel veel, voor te zeggen is die doos van Pandora gesloten te houden.

Elektromagnetische velden om ons heen
Elektromagnetische velden blijken dus minder onschadelijk te zijn dan tot nu toe werd aangenomen. Ze blijken in staat om de manier waarop onze hersenen werken in verregaande mate te beïnvloeden. Weliswaar zijn ons bloed en andere lichaamsvloeistoffen zwak geleidend – wat redelijke elektrische afscherming geeft – maar er bestaan elektrische velden om ons heen die in de orde van grootte liggen van de door Anastasiou onderzochte waardes. Enkele voorbeelden: in hoogspanningsmasten is sprake van een wisselstroom van tienduizenden tot over 380.000 volt (3).

Statische elektriciteit produceert vaak een zeer sterk elektrisch veld, maar dit kan weinig kwaad: er ontstaat direct een tegengesteld gerichte lading op de huid. Magnetische velden daarentegen kunnen wel ons lichaam binnendringen. In ons lichaam wekken die als ze veranderen dan weer elektrische velden op. Ook stroomdraden, apparatuur, kortom zo ongeveer alles waar elektriciteit doorheen loopt, kan dus in principe ons zenuwstelsel beïnvloeden.

Volgens een (omstreden) onderzoek heeft hoogfrequente radiostraling, zoals in de buurt van wifi-modems, slechte gevolgen heeft op planten(4). Er zal verder onderzoek gedaan moeten worden naar de mate waarin magnetische velden ons lichaam kunnen binnendringen, maar tot die tijd lijkt voorzichtigheid met bronnen van elektromagnetische velden een erg goed idee.

Bronnen:

1. Ephaptic coupling of cortical neurons, Nature Neuroscience
2. Neural Communication: Weak Electrical Fields in the Brain Help Neurons Fire Together, ScienceDaily
3. Hoogspanning, Wikipedia
4. De waarheid rond wifi-straling en dode bomen, De Pers ex. WAU publicatie

In de veelwereldeninterpretatie splitst ons heelal zich bij elke meting in kopieën. Dus overleeft Schrödingers kat in sommige universa.

Energie uit een ander universum

Is het mogelijk om energie af te tappen uit en ander universum? Enkele interpretaties van de kwantummechanica bieden hier inderdaad de ruimte voor. Een verkenning.

Een absurd verhaal?
Op een website die penny stocks op de markt brengt, las ik een verhaal over een speciale coating op glazen ruiten die in staat zou zijn om meer energie uit licht te halen dan er binnen komt. Dit verhaal bleek niet te kloppen: het werkelijke rendement ligt volgens het bedrijf zelf rond een ook al zeer behoorlijke dertig tot veertig procent, wat op zich onze energievoorziening zou revolutionariseren, maar toch is het een interessante gedachte. Hoe zou een systeem meer energie kunnen  produceren dan er binnen komt i.e. zijn perpetuüm mobile’s mogelijk?

Kwantumteleportatie van energie

Mischien is in een parallel heelal de zon al een rode reus en de aarde veranderd in gesmolten lava.
Mischien is in een parallel heelal de zon al een rode reus en de aarde veranderd in gesmolten lava.
Het antwoord lijkt te zijn: ja, althans: als het systeem energie kan onttrekken aan een ander systeem dat kwantumverstrengeld is met het systeem in kwestie. Kwantumtheoreticus Masahiro Hotta van de Japanse universiteit van Tohoku, toonde aan dat het in principe mogelijk is om energie te teleporteren. Als twee deeltjes met elkaar kwantumverstrengeld zijn, zijn de uitkomsten van de meting aan het ene deeltje bepalend voor het andere deeltje.

Hotta ontdekte dat door een meting aan een deeltje ook energie in het deeltje is te injecteren. Omdat kwantumverstrengelde deeltjes een gedeelde identiteit hebben, betekent dat dat het andere deeltje ook over die energie beschikt – die vervolgens weer afgetapt kan worden, ook al is het deeltje lichtjaren ver weg van zijn kwantumverstrengelde tweeling. Voorwaarde is helaas wel dat tegelijkertijd met de verstrengeling een ‘klassiek’ deeltje mee wordt gestuurd om de informatie over te brengen.

De maximale hoeveelheid energie die overgestuurd kan worden is evenredig aan de mate van kwantumverstrengeling die verdwijnt, stelt Hotta: kwantumverstrengeling is dus een hulpbron die verbruikt wordt om energie over te dragen. Dus erg lang heb je niet plezier van je kwantum-energietransport.

Veelwereldeninterpretatie
Naast verstrengeling kent de kwantummechanica het waarnemingsprobleem: elke meting levert een onvoorspelbare uitkomst op. Er zijn verschillende theorieën (of liever gezegd interpretaties) bedacht om hiermee om te gaan.

In de veelwereldeninterpretatie splitst ons heelal zich bij elke meting in kopieën. Dus overleeft Schrödingers kat in sommige universa.
In de veelwereldeninterpretatie splitst ons heelal zich bij elke meting in kopieën. Dus overleeft Schrödingers kat in sommige universa.

De populairste, omdat het zo makkelijk rekenen is, is de veel-werelden interpretatie: bij elke meting splitst een kwantumdeeltje zich in verschillende meetuitkomsten.

Wordt bijvoorbeeld het sadistische gedachtenexperiment van Schrödinger uitgevoerd, waarbij er, zeg, driekwart kans is dat een atoomkern niet uit elkaar valt en de kat overleeft, dan wordt volgens de veel-werelden interpretatie het heelal gesplitst in voor drie kwart heelallen waarin de kat nog leeft en één kwart heelallen waarin de kat dood is.

Zon uit parallel universum aftappen
Nu komt het. Stel dat twee deeltjes met elkaar kwantumverstrengeld zijn. Het heelal splitst voortdurend in parallelle heelallen. Dus komen er parallelle heelallen waarin elk een kopie van dit verstrengelde paar bestaan. Echter: de kopieën zijn mogelijk ook nog met kopieën in parallelle universums verstrengeld (of dit zo is is onzeker; immers de deeltjes worden geacht niet meet met elkaar in contact te staan zodra het heelal afgesplitst is).

Stel, je verricht een meting aan een deeltjespaar dat vijf miljard jaar geleden, toen het zonnestelsel nog een chaotische gaswolk was, met elkaar verstrengeld is geweest. Ongeveer 99,85% procent van alle atomen in het zonnestelsel maakt nu (en naar we kunnen aannemen, ook in het parallelle universum) deel uit van de zon, dus zijn miljoenen graden heet.

Bijna alle materie in het zonnestelsel bevindt zich binnen de zon.
Bijna alle materie in het zonnestelsel bevindt zich binnen de zon.

Met andere woorden: de kans is 99,85% dat een partner van een deeltje dat in dit universum zich op aarde bevindt, zich in het parallelle universum in de zon bevindt.

Je zou dus in principe, gesteld dat de kwantumverstrengeling nog zou bestaan (in de praktijk duurt deze zeer kort omdat andere deeltjes deze verbreken), dat kwantumverstrengeling ook tussen afgesplitste universums bestaat (dat is twijfelachtig) en dat de gassen van de interstellaire stofwolk redelijk homogeen gemengd zijn geweest, energie kunnen aftappen van de zon in een parallel universum.

Wel moet je dan het kwantumdeeltje opsporen dat de informatie van het ene deeltje naar het andere deeltje draagt. En kan dat wel volgens de Veel-Werelden interpretatie?

Een dik wolkendek maakt het oppervlak van Venus onzichtbaar voor ons.

Venus: zwevend zonnebaden

Venus, vaak het helse zusje van de aarde genoemd, lijkt op het eerste gezicht de meest ongastvrije plek in het zonnestelsel. Schijn bedriegt echter. Zonne-energie volop en een beschermende atmosfeer. De aarde is maar enkele zendminuten weg. Sterker nog: buiten de aarde biedt Venus in het zonnestelsel waarschijnlijk de gerieflijkste omgeving voor de mens. Wel zullen we dan moeten wennen aan een zwevend bestaan…

Een dik wolkendek maakt het oppervlak van Venus onzichtbaar voor ons.
Een dik wolkendek maakt het oppervlak van Venus onzichtbaar voor ons.

Venus factsheet

Grootte: 12100 km doorsnede (95% van de aarde)

Zwaartekracht: 0,90 maal die van de aarde

Atmosfeer: aan de oppervlakte 93 atmosfeer, bestaat uit 96,5% kooldioxide, 3,5% stikstof en gassen als argon en zwaveldioxide

Temperaturen: 460 graden (oppervlak); 20 graden (50 km hoogte)

Daglengte: 243 dagen (atmosfeer roteert in plm. 100 uur)

Lengte jaar: 243 dagen

Waardevolle grondstoffen: kooldioxide, stikstof, mogelijk telluur

Pluspunten: redelijke nabijheid aarde, aardachtige zwaartekracht, op grotere hoogte aangename temperaturen en luchtdruk, beschermende atmosfeer, zonne-energie

Gevaren: oppervlakte is met 95 bar en 460 graden Celsius vrijwel de dodelijkste plek in het zonnestelsel, waterstof is zeer schaars

De omgeving
Een oppervlakte zo heet dat lood smelt. Een verstikkende atmosfeer, zo dicht dat je haast moet zwemmen om je voort te bewegen.

Venus kent twee kleine `continenten`: Ishtar Terra (boven) en Afrodite Terra (iets onder de evenaar).
Venus kent twee kleine `continenten`: Ishtar Terra (boven) en Afrodite Terra (iets onder de evenaar).

Kortom: Venus lijkt, met uitzondering van Jupitermaan Io, meer op de hel dan alle andere plaatsen in het zonnestelsel. Ongeveer tachtig procent van de oppervlakte bestaat uit lavavlaktes, bezaaid met grote, vlakke vulkanen en stervormige structuren. De resterende twintig procent bestaat uit hooglanden. Het hoogste gebergte op Venus, Maxwell Montes, steekt elf kilometer boven het oppervlak uit. Op de hoogste toppen ligt een wittig goedje, vermoedelijk telluur of lood-zink sulfaten.

Ongeveer zestig kilometer boven het oppervlak zijn er zwaveldioxide en zwavelzuurwolken, maar temperatuur en luchtdruk lijken op die van de aarde.

Hoe reis je naar Venus?
Venus is al door diverse ruimtesondes bezocht. De planeet ligt dieper in de zwaartekrachtsput van de zon dan de aarde. De afstand tot de aarde varieert van veertig tot tweehonderdvijftig miljoen kilometer. Het kost minder raketbrandstof om Venus te bereiken dan welke andere planeet in het zonnestelsel ook. Dit dankzij de dichte atmosfeer, die als rem gebruikt kan worden. De reistijd ligt rond een jaar.

Hoe bewoonbaar is Venus?
De dodelijke oppervlakte van Venus is met de huidige technologie voor ongeveer twee uur bewoonbaar. Op vijftig kilometer hoogte zijn zowel luchtdruk, zwaartekracht als temperatuur echter aangenaam aards. Dit inspireerde NASA-wetenschapper Landis om kolonisatieplannen te ontwikkelen.

Een permanente basis op Venus zal moeten drijven in de atmosfeer. Het oppervlak is te heet.
Een permanente basis op Venus zal moeten drijven in de atmosfeer. Het oppervlak is te heet.

Kooldioxide is bij dezelfde luchtdruk en temperatuur anderhalf keer zo zwaar als lucht, wat betekent dat een bel met aardse atmosfeer al een behoorlijk groot drijfvermogen geeft: per kubieke meter zeshonderd gram.

Een kolonie van, zeg, tweehonderd meter lang en vijftig breed zou door de structuur te vullen met een “aards” zuurstof-stikstof mengsel (de atmosfeer van Venus bevat 3,5% stikstof en zuurstof is uit CO2 te halen) blijven zweven. De bovenkant kan met zwavelzuur-resistente zonnepanelen worden bekleed om energie te leveren. Nog meer goed nieuws: mensen kunnen met een gasdicht pak en zuurstoftoevoer ook buiten de basis rondlopen.

Het grote gebrek aan waterstof (en dus water) is een veel groter probleem, maar dit kan met heel veel energie uit zwavelzuur gehaald worden. Op Venus is er ongeveer twee keer zoveel zonne-energie als op aarde. Ook zal de ballonwand van een zwavelzuur-resistent materiaal moeten worden gemaakt.

Voordelen van een kolonie boven Venus
De dikke atmosfeer is ideaal om grote brokken asteroïde mee af te remmen, op aarde ondenkbaar wegens de risico’s. Ook de overvloedige zonnestraling en de rijke koolstofbron – de atmosfeer – maakt Venus voor industriële productie erg interessant.

De oppervlakte van Venus is met 460 graden C en 93 atmosfeer dodelijk.
De oppervlakte van Venus is met 460 graden C en 93 atmosfeer dodelijk.

De planetoïdengordel is vanuit Venus makkelijker te bereiken dan vanaf de aarde.

Het is niet nodig kunstmatige zwaartekracht op te wekken voor fabrieksarbeiders. Venus bevat heel veel stikstof, waar op de maan, Mars en in de planetoïdengordel een groot tekort aan is. Kortom: er zal zich een levendige stikstofhandel kunnen ontwikkelen. De atmosfeer van Venus bevat bepaalde verbindingen die samen niet voor kunnen komen. Mogelijk is het leven op Venus naar de atmosfeer ontsnapt.  Dit zou Venus ook wetenschappelijk gezien een interessante bestemming maken.

Gevaren op Venus
Iedereen die op het oppervlak terecht komt, is ten dode opgeschreven. De atmosfeer is onadembaar en giftig. Hoger in de atmosfeer zijn er wolken geconcentreerd zwavelzuur dat korte metten maakt met de meeste materialen. Venus kent weliswaar nauwelijks een magnetisch veld, maar wel een zeer dichte atmosfeer die redelijke bescherming biedt tegen kosmische straling, de zonnewind en meteorieten.

Hoe zou een kolonie op Venus er uit zien?
Er zijn twee mogelijkheden: een zwevende kolonie in de atmosfeer van Venus of een ruimtestation in een baan om Venus. Ruimtestations zijn uiteraard aangepast aan de omstandigheden van het interplanetaire vacuüm en zien er ongeveer zo uit als in de Lagrangepunten rond de aarde.

Een kolonie in de atmosfeer van Venus zal erg groot moeten zijn: vele honderden meters in doorsnede of groter om voldoende drijfvermogen te krijgen. Boven de zwavelzuurwolken is er heel veel zonlicht beschikbaar. In de ballon (gesteld dat een zwavelzuurresistent, voldoende sterk doorzichtig materiaal wordt toegepast als dakbekleding) kunnen dus enorme landbouw- en leefgebieden aan worden gelegd. Wel zal in de tijd dat de kolonie aan de nachtzijde van Venus zit (gemiddeld twee etmalen) kunstmatige verlichting moeten worden gegeven.

Hoe is Venus tot leefbare wereld om te bouwen?
Venus kent twee grote pluspunten: de zwaartekracht lijkt op die van de aarde en er is voldoende stikstof om een stikstofatmosfeer mee te creëren. Daarentegen zijn er meerdere, zoals een manager het zou noemen, stevige uitdagingen. De dikke kooldioxide-atmosfeer moet weg worden gewerkt. Om een indruk te geven: als alle kooldioxide vast zou vriezen op het oppervlak, ontstaat een laag van meer dan een kilometer dik. Verder is de daglengte veel te groot.

De minst ambitieuze oplossing is de planeet stil te zetten, zodat altijd hetzelfde halfrond naar de zon is gekeerd en vervolgens afschermen van de zon. De kooldioxide zou hierdoor uiteindelijk vastvriezen op de nachtzijde. Eventueel kan de kooldioxide worden omgezet in carbonia, een materiaal dat ongeveer zo hard is als diamant en dus ideaal voor ruimtestations en megalomane ruimteprojecten. Met een zonneschild en het laten inslaan van een kleine ijsmaan (of een wat subtielere aanpak) is het dagdeel in te richten tot een knus zonnig kuuroord.

Venus omgebouwd tot tweede aarde. De pannekoekvulkanen en kleine continenten onderbreken de enorme oceaan.
Venus omgebouwd tot tweede aarde. De pannekoekvulkanen en kleine continenten onderbreken de enorme oceaan.

Een ambitieuzere oplossing is de rotatie versnellen tot een aardachtige daglengte. De hoeveelheid energie die daarvoor nodig is is afgrijselijk veel: 2.14×1029 Joule, voldoende energie om de wereldbevolking vierhonderd miljoen jaar mee van energie te voorzien (of anders bekeken: minder dan tien minuten zonneschijn dus ach, waar praten we over).

Nadat we hebben afgerekend met de kooldioxide moeten we aan genoeg waterstof zien te komen voor een mooie oceaan. Naar keuze kunnen we een ijsmaantje of planetoïdes slopen, wellicht is de grootste planetoïde Ceres een interessante kandidaat, of een ijsreus zoals Uranus of Neptunus strippen (Jupiter en Saturnus bevatten nog veel meer waterstof, maar hun zwaartekracht is veel sterker).

Een energiezuiniger, maar langdurig alternatief is de Kuipergordel en Oortwolk uitkammen naar kometen.

Een stevige verbouwing, maar dan heb je ook wat: een gastvrije zusterplaneet van de aarde, zoals Venus er miljarden jaren geleden waarschijnlijk uitzag. Uiteraard moet er nog wel een goed zonneschild geconstrueerd worden om te voorkomen dat het weer mis ging zoals miljarden jaren geleden.

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Glas smelt bij het absolute nulpunt

Onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit denken op grond van een berekening dat het mogelijk is om met het nulpuntsenergie-effect  glas te doen smelten bij nul kelvin. Gewoonlijk vereist het smelten van glas temperaturen van vele honderden graden. Wat is hier aan de hand?

Wat is glas?
Vensterglas is de bekendste vertegenwoordiger van een groep stoffen die alle hetzelfde kenmerk gemeen hebben: het zijn als het ware bevroren vloeistoffen.

Glas is in feite een gestolde vloeistof.
Glas is in feite een gestolde vloeistof.

De atomen in een glas zitten niet in een kristalrooster, zoals andere vaste stoffen, maar liggen lukraak door elkaar heen, zo sterk afgekoeld dat ze in hun beweging zijn bevroren. Stoffen met een dergelijke structuur worden dan ook glazen genoemd.

Ook water kan een glas vormen als het extreem snel wordt ingevroren. Bij het invriezen van menselijke weefsels gebeurt dat. Als het invriezen langzamer gaat, vormen zich namelijk ijskristallen die de celwanden lek prikken.

Dus in feite zitten er plakken stroperige vloeistof in je ramen. (OK, het verhaal is iets ingewikkelder). Vroeger werd gedacht dat de verdikking die je in veel middeleeuwse ruiten onder aantreft een gevolg is van het langzaam stromen van glas, maar nu weten we dat de viscositeit (stroperigheid) van glas op kamertemperatuur zo extreem hoog is dat dit effect pas na vele miljoenen tot miljarden jaren merkbaar is. Laten we hopen dat de mensheid het zo lang uithoudt…

Nulpuntsenergie
Er bestaat in de natuur een fundamentele onzekerheid, de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. We kunnen bijvoorbeeld niet tegelijkertijd de plaats en de snelheid van een deeltje exact weten. De onzekerheid is altijd groter dan de constante van Planck, 6,26 * 10-34 Joule seconde. Dit ligt niet aan onze slechte instrumenten, integendeel. Deze onzekerheidsrelatie is misschien wel het fundamenteelste wat we in de natuur kennen.

Hoe extreem klein deze waarde ook is, op een miljoenste graad kelvin boven het absolute nulpunt gaat dit effect een enorme rol spelen. We weten bij deze temperatuur de energie van een atoom heel precies, namelijk ongeveer nul. De ijzeren onzekerheidsrelatie van Heisenberg dicteert nu dat de plaats van het atoom erg onzeker wordt. Het atoom verandert in een wazige wolk die steeds meer naburige atomen gaat overlappen. Wat eerst een bevroren vloeistof was gaat daardoor steeds meer lijken op een echte vloeistof. En dit is precies wat het team onderzoekers van de Tel Aviv universiteit stelt.

Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.
Van glassmeltovens zijn we voorlopig nog niet af. Toch zijn er voldoende goede toepassingen te bedenken voor kwantumglas.

Kunnen smeltovens afgeschaft worden?
Helaas. De grondstoffen voor glazen bestaan uit kristalvormende vaste stoffen. De bindingsenergie van kristallen, zeker die in de uitgangsstoffen voor vensterglas, is meestal enorm hoog. Die kan alleen verbroken worden door ze voldoende te verhitten, in het geval van silicaatglas (vensterglas) aanmerkelijk boven de duizend graden Celsius. Koelen helpt hier niet.

Wel is voor glasbewerking deze techniek heel interessant. Als het belangrijk is een glasoppervlak heel precies te hechten aan een ander materiaal bijvoorbeeld. Het kwantumglas kruipt dan in alle holtes. Dit is vooral interessant voor zeer gevoelige materialen die verhitting niet overleven. Je zou bij wijze van spreken een levend wezen in glas kunnen inbedden. Kortom: een heel nieuw technisch domein waaruit wel eens producten voort kunnen komen die we ons eerder nog niet voor konden stellen…

Een oxometalaat bestaande uit vanadium en zuurstof. In het centrum een chlooratoom.

Leven uit roestig metaal

In een uniek experiment gaan wetenschappers proberen om leven te scheppen uit niet-levende materie. Zonder verder ook maar iets te doen. Wel bestaat dit proto-leven niet uit koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof, maar uit metaaloxiden. Roest dus.

Leven was al snel op aarde actief
Het blijft een van de grootste raadsels in de wetenschap. We weten dat het leven meer dan drieëneenhalf miljard  jaar geleden voor het eerst opdook op aarde, vlak nadat het helse hadeïcum – het tijdperk dat de aarde geregeld in een lavapoel werd veranderd door asteroïden en planetesimalen – af was gelopen.Wat de oorzaak van het ontstaan van het leven ook was, het moet dus snel zijn ontstaan (of zoals de panspermisten geloven, op aarde zijn neergeregend vanuit de ruimte).

RNA-wereld
We weten uit de opbouw van ribosomen, onderdelen van cellen die RNA vertalen in eiwitten en zelf ook bestaan uit RNA – ook dat het leven op een gegeven moment door een RNA-fase moet zijn gegaan.

RNA vormt soms net als DNA een dubbele spiraal, maar komt meestal als enkele spiraal voor.
RNA vormt soms net als DNA een dubbele spiraal, maar komt meestal als enkele spiraal voor.

RNA is minder bekend dan DNA: ook RNA kan erfelijke informatie dragen maar RNA is chemisch minder stabiel dan DNA.

Uniek aan RNA is dat het molecuul erfelijke informatie draagt, ook in staat is om zichzelf te kopiëren en tegelijk als enzym (werkmolecuul) kan werken – RNA-enzymen, ribozymen, bestaan nog steeds. Kortom: RNA zou wel eens het vooroudermolecuul voor het eerste leven kunnen zijn geweest.

Er zijn verschillende argumenten om te geloven dat er misschien voor de RNA-wereld nog een ander levend systeem was. Om te beginnen: ribonucleotiden, de bouwstenen van RNA, zijn erg zeldzaam in bijvoorbeeld chondrieten: koolstofmeteorieten die wel wel rijk zijn aan aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Er ontbreekt dus een mechanisme dat de ribonucleotiden concentreert of selectief creëert.

Nog een vervelend probleem: veel moleculen komen in een linksdraaiende en een rechtsdraaiende variant voor. Linksdraaiende en rechtsdraaiende ribonucleïnezuren vormen onderling geen voor leven interessante verbindingen. Ook is RNA zelf nogal instabiel (een RNA-molecuul gaat enkele dagen mee) en RNA-bouwstenen gaan niet snel uit zichzelf aan elkaar kleven.

Begon leven als roest?
Geen wonder dat onderzoekers druk op zoek zijn naar alternatieve verklaringen waarin aminozuren een grotere rol spelen. In een gedurfd experiment gaan onderzoekers hetzelfde proberen wat in vervlogen eeuwen diverse vitalisten probeerden: uit dode materie replicerende structuren creëren (zichzelf kunnen kopiëren is het belangrijkste kenmerk van leven).

Een oxometalaat bestaande uit vanadium en zuurstof. In het centrum een chlooratoom.
Een oxometalaat bestaande uit vanadium en zuurstof. In het centrum een chlooratoom.

De onverwachte uitgangsmaterialen: metaaloxiden. Experimenteel chemicus Leroy Cronin en zijn team ontdekten namelijk dat polyoxometalaten, complexe oxides (verbindingen met zuurstof) van metalen als molybdeen, vanadium en wolfraam, in staat zijn om uit het niets dingen te vormen die lijken op levende structuren: wielvormige structuren, buizen, holtes, holtes in holtes  en dergelijke.

In de chemische industrie zijn metaaloxides gewilde katalysatoren (stoffen die helpen bij het vormen van andere stoffen, maar zelf onveranderd blijven).

Cronin veronderstelt nu dat metaaloxides een vergelijkbare rol hebben gespeeld bij het vormen van het eerste leven. Het verhaal begint bij een vorm van ‘metaaloxide-leven’ dat bestaat uit ingewikkelde clusters die metaalionen en zuurstof opslokken om zichzelf te kopiëren.

Door de ingewikkelde configuratie van elektronen op het oppervlak van een metaaloxide, kan een soort sjabloon ontstaan waarop aminozuren zich hechten en zo als het ware worden gekatalyseerd om zich te ontwikkelen tot eiwitten. Mogelijk kan een soortgelijk effect zijn opgetreden voor de vorming van het eerste RNA, dat zich concentreerde op een metaaloxide-oppervlak of in een metaaloxide-cel.

In vijfduizend uur proto-leven creëren
In een nieuw, vijfduizend uur durend experiment testen Cronin en zijn team nu uit of evolutionaire druk op deze metaaloxideclusters leidt tot selectie. In het experiment worden flessen met polyoxometalaat-oplossingen plus ‘voedingsstoffen’ continu geroerd en in beetjes op toevallige wijze aan elkaar toegevoegd. Als Cronins theorie klopt, zullen zich in sommige flessen metaaloxideclusters vormen die in staat zijn zichzelf te kopiëren en de fles als het ware over te nemen. Als enkele van deze clusters terecht komen in andere flessen, zullen ze deze ook “besmetten” en muteren tot nog effectievere zichzelf vermenigvuldigende clusters. Er zijn ondertussen chemische methodes ontdekt om uit te vinden of het hier dan inderdaad gaat om een niet puur thermodynamisch proces, m.a.w. een protovorm van leven.

Op aarde zou molybdeen-gebaseerd leven weinig kans maken (een korte periode wellicht uitgezonderd tot koolstof-gebaseerd leven het overnam), maar elders in het heelal ligt dit misschien heel anders. Misschien liggen er op dit moment wel metaaloxide-wezens te bakken in de warme gloed van een verre ster…

bron: New Scientist