30 september

Sinaasappels, cellen en atomen; wat is er nodig voor leven ?

Onze reis door de ruimte begint bij deze sinaasappel. Een sinaasappel van ongeveer 10 cm groot. Vanaf hier gaan we inzoomen, elk volgende plaatje is 10x zo klein. Wat het volgende plaatje is zie je hier al aan het zwarte vierkantje: een tomaatje van ongeveer 1 cm in doornsnede. De vraag die we uiteindelijk willen beantwoorden is: “wat zijn de condities in de ruitme waarin leven zich kan ontwikkelen”. Een vraag die gaat over de bijna oneindig grote schalen van het heelal, maar tegelijk ook over de superkleine wereld van atomen en moleculen, want die vormen de bouwstenen voor het leven. Daarom gaan we eerst daar een kijkje nemen.

Maar we beginnnen bij de sinaasappel om een gevoel te krijgen voor hoe die zich verhoudt tot die grote en kleine werelden. 10X zo klein is de tomaat en nog 10x zo klein een zaadje van een plant op Vrij Groen (ongeveer 1mm groot). Dan komen we bij een haar van een mens (100 micrometer) en daarna bij een rode bloedcel die door de aderen van mensen stroomt. We zijn nu 4 keer ingezoomd sinds de sinaasappel. Een rode bloedcel is 1 van vele soorten cellen waaruit mensen zijn opgebouwd, bijvoorbeeld huidcellen, hersencellen en spiercellen. Voor een groot deel hebben die dezelfde grootte als die bloedcel. Als een cel zo groot zou zijn als het zaadje een paar foto's terug, dan zou een kind van 1 meter zo groot zijn als de toren van naturalis! Mensen en alle andere organismen zijn dus opgebouwd uit cellen, maar die cellen weer opgebouwd uit kleinere bouwstenen.

10 keer zo klein als een bloedcel zien we een bacterie van ongeveer 1 micrometer. Een foto verder zien we een virusdeeltje dat hondsdolheid veroorzaakt. We beginnen nu al een beetje de structuur van de kleinste deeltjes te zien. We zitten nu bij 10 nanometer en zien en dna-streng. De bolletjes die je ziet in deze foto zijn atomen en moleculen waarvan er heleboel soorten en maten zijn. Als we nog een keer inzoomen tot 1 nanometer zien we bijvoorbeeld een water-molecuul. Een water molecuul is opgebouwd uit 3 atomen: 1 zuurstof-atoom en 2 waterstof-atomen. In de laatste foto van 1 angstrom groot (0,1 nanometer) zien we het waterstof-atoom. We zijn 9 keer ingezoomd sinds de sinaasappel, dus 9 keer is ons beeld 10 keer zo klein geworden. Als een waterstof-atoom zo groot zou zijn als een tomaat dan zouden we van Vrij Groen tot in Zuid-Frankrijk die tomaatjes neer moeten leggen om de grootte te bereiken van ..... datzelfde tomaatje!

Een water-atoom bestaat uit een kern, een proton, en een klein deeltje, een elektron dat daar omheen draait. Andere soorten atomen bestaan ook uit protonen en elektronen, maar dan uit meer. Zo bestaat een helium-atoom uit 2 protonen in de kern met 2 elektronen daar omheen draaiend, en een zuurstof-atoom uit 16 protonen met 16 elektronen. Al deze verschillende atomen kunnen op verschillende manieren aan elkaar vast gaan zitten en moleculen vormen, zoals het water-molecuul in het vorige plaatje. Deze moleculen vormen samen dan bijvoorbeeld weer cellen, die weer de bouwstenen zijn van organismen.

Maar ooit bestond het heelal uit bijna alleen waterstof-atomen. Waar en hoe zijn die andere atomen ontstaan die nodig zijn voor leven? Om die vraag te beantwoorden beginnen we weer bij de sinaasappel, maar nu gaan we uitzoomen, elke stap 10 keer zo groot .....

We zien achtereenvolgens een mens (1 meter), de shelter op Vrij Groen (10 meter), Vrij Groen (100 meter), een stuk Leiden (1km), heel Leiden (10km), Nederland verschijnt (100km) , Europa (1000km), en dan de aarde. De aarde is twaalfduizend kilomter in doorsnede, vandaar dat ie net niet op dit plaatje van tienduizend kilometer doornsnede past. Een foto verder zien we de aarde met als witte puntjes alle door de mens gelanceerde satellieten er omheen. Nog 10 keer groter zien we de maan verschijnen als een klein wit puntje. Nog een foto verder is het plaatje ongeveer tien miljoen kilometer in doorsnede en is te zien hoe leeg de ruimte eigenlijk is; het enige wat te zien is is witte puntje dat de aarde is. 10 keer groter zien we hoe de aarde er vanaf mars uit ziet.

Bij de volgende stap gebeurt er iets bijzonders. Als eerste zien we de zon in beeld komen, die letterlijk van levensbelang is voor organismen op aarde. Maar naast dat het gebied dat we zien in deze stap weer 10 keer zo groot wordt gaan we ook vijf miljard jaar terug in de tijd. Vijf miljard jaar geleden werd de zon gevormd, die je hier al ziet schijnen, en vlak daarna ook de aarde en andere planeten.

De planeten vormden uit een stofschijf die rond de jonge zon draaide. In die stofschijf zaten eerst alleen stof- en gasdeeltjes. Maar langzamerhand gingen die stofdeeltjes samenklonteren tot grotere stofdeeltjes, en daarna tot stukjes rots, en zo steeds verder tot zich enorme stukken steen gevormd hadden. Deze stukken steen hadden zo'n grote zwaartekracht dat ze ook ander stof en gas konden aantrekken en zo nog verder groeiden tot de planeten die we nu kennen.

Als we nu nog verder uitzoomen zien we langzaamaan de rest van de stofschijf in beeld komen en later ook andere sterren met hun eigen stofschijven. We zien nu een deel van de orionnevel, een enorme gaswolk in de ruimte waar deze sterren uit gevormd worden. Als in deel van deze wolk de dichtheid van gasdeeltjes wat hoger is is ook de zwaartekracht sterker. Dit zorgt ervoor dat meer gas aangetrokken wordt en dichtheid weer hoger wordt. Dit proces versterkt zichzelf dus en een deel van de wolk stort steeds verder in. Op een gegeven moment wordt de dichtheid in het midden van de wolk zo hoog, en wordt het zo heet, dat er een proces plaats kan vinden dat kernfusie heet. En bij kernfusie komt een enorme hoeveelheid energie en licht vrij. Als de kernfusie begint dan is de ster geboren.

En nu komen we weer terug in de allerkleinste wereld van de waterstof-atomen, en hoe daaruit de andere elementen gevormd worden. Want wat er bij kernfusie gebeurt is dat twee waterstof-atomen versmelten tot een zwaarder atoom: het helium-atoom. En deze verschillende atomen kunnen ook weer samensmelten tot zwaardere atomen, zoals zuurstof en koolstof. Op deze manier worden dus de elementen gevormd. Aan het eind van zijn leven ontploft een ster en een groot deel van deze elementen worden weer terug in de stofwolk geschoten. En uit deze stofwolk ontstaan vervolgens weer nieuwe sterren, met daar omheen planeten zoals de aarde.

Een stap verder zien we de orionnevel als geheel, en nog een paar stappen verder komt de melkweg in beeld. De melkweg is een verzameling van ongeveer 400 miljard sterren en stofnevels als de orionnevel. Maar het houdt hier niet op. Op nog grotere schalen zien we meer sterrenstelsel verschijnen, die in cluster gegroepeerd zijn. En als we dan nog een paar keer uitzoomen zien we uiteindelijk de grootste structuren in het heelal tevoorschijn komen, een soort spinnewebben van miljarden aaneengeregen sterrenstelsels. Miljarden sterrenstelsel met miljarden sterren met bijna allemaal een paar planeten er omheen. Hoe groot is de kans dan dat er om een van die planeten ook leven is?

Maar houdt het daar op? Dat is iets wat we nooi zullen weten omdat wat we hier op het laatste het zichtbare heelal is, wat zich hier buiten bevind zullen we nooit weten. Misschien houdt het daar op. Maar misschien ook niet. Misschien is het nog 10 keer zo groot of 1000 of .......