CHAOS THEORIE & EVOLUTIE

http://tsjok45.multiply.com/photos/album/1155/Chaos_complexity_self_organisation_evolution_

Antichaos en evolutiedrs. L.E. Pihlajamaa- Glimmerveenhttp://glimmerveen.nl/loes/Antichaos.html In de biologische evolutie kan wel eens meer dan alleen natuurlijke selectie een rol hebben gespeeld. Computermodellen laten zien dat complexe systemen de neiging tot zelf-organisatie kunnen vertonen.Dit werpt een heel nieuw licht op de evolutietheorie.Ontwikkelingen op het gebied van de wiskunde nodigen uit tot een andere manier van denken over het ontstaan van orde in de evolutie.Levende wezens zijn per definitie in hoge mate geordende systemen: hun inwendige structuur wordt gehandhaafd en verdubbeld door middel van een uiterst precieze choreografie van chemische reacties en gedragingen. Sinds Darwin wordt de natuurlijke selectie meestal gezien als de enige bron van die orde.Maar Darwin kon niet vermoeden dat er zoiets als zelf-organisatie bestaat. Dit verschijnsel is pas kort geleden ontdekt en blijkt een ‘aangeboren’ eigenschap te zijn van sommige complexe systemen. Het zou kunnen zijn dat de biologische orde voor een deel voortkomt uit deze spontane orde, waarop de selectie dan heeft ingewerkt.Selectie gaf de vorm, maar was niet de uitvinder van de samenhang in de ontogenie, de biologische ontwikkeling. Het vermogen om te veranderen en zich aan te passen is zelf misschien wel het resultaat van de evolutie.De onderzoeken op dit gebied zijn nog in een vroeg stadium, maar wat op grond van mathematische modellen voorspeld kan worden over biologische systemen met zelf-organisatie, blijkt overeen te komen met de werkelijke eigenschappen van organismen.De laatste decennia is er veel gebeurd in het onderzoek van complexe systemen, zowel in de natuur- als in de sociale wetenschappen. Dit is een nieuw veld van onderzoek; veel vragen zijn nog niet beantwoord maar sommige aspecten worden duidelijk - de term ‘chaos’ is al doorgedrongen in allerlei populaire teksten. Bekend is dat systemen die aanvankelijk ordelijk zijn, na verloop van tijd geheel chaotisch en daarmee onvoorspelbaar kunnen worden. Omstandigheden die in het begin gelijk zijn, kunnen leiden tot heel uiteenlopende uitkomsten. In de meteorologie spreekt men van het ‘vlinder-effect’: het idee dat het gefladder van een vlinder in Rio de Janeiro het weer in Chicago kan veranderen. Chaos is slechts een deel van het gedrag van complexe systemen. Er is ook een ‘contra-intuïtief’ verschijnsel dat je anti-chaos zou kunnen noemen: ordeloze systemen kunnen spontaan ‘uitkristalliseren’ in een zeer geordend systeem. Dit zou wel eens een grote rol gespeeld kunnen hebben in de biologische ontwikkeling en evolutie.

De ontdekking van antichaos in de biologie gebeurde al dertig jaar geleden met de mathematische studie van de differentiatie van een bevruchte eicel in een groot aantal celtypen. Sindsdien is er heel wat gebeurd. De biologie is vol met complexe systemen:de duizenden genen die elkaars werking reguleren binnen de cel,het netwerk van cellen en moleculen die zorgen voor de immuunreactie van het lichaam,de miljarden neuronen in hun netwerken die het gedrag en de leerprocessen verzorgen,de netwerken van relaties binnen ecosystemen die vol zitten met co-evoluerende soorten.Vooral het voorbeeld van het zelfregulerende netwerk van een genoom is goed bruikbaar om te laten zien hoe anti-chaos de ontwikkeling kan beheersen.Het genoom van een hoger organisme zoals de mens, codeert voor ongeveer 35 000 verschillende eiwitten. De cellen in een organisme, of het nu levercellen, zenuwcellen  of  huidcellen zijn, verschillen doordat verschillende genen actief zijn in elk type, terwijl de cellen wel dezelfde genen bezitten. Het verschil zit in de genetische activiteit, niet in de genen zelf. Een genoom werkt als een complexe parallelprocessing computer, of een netwerk waarin genen elkaars activiteit regelen, direct of via hun producten. Het gecoördineerde gedrag van dit systeem veroorzaakt de celdifferentiatie. Het onderzoek richt zich op het begrijpen van de logica en de structuur van dit systeem.Wiskundige modellen kunnen ons helpen inzicht te krijgen in de kenmerken van zulke ingewikkelde systemen. Ieder complex systeem heeft zogenaamde lokale kenmerken; deze beschrijven de manier waarop individuele elementen met elkaar verbonden zijn en hoe ze elkaar beïnvloeden. De elementen van het genoom zijn de genen. Elk gen wordt door een klein aantal andere genen beïnvloed, en deze interacties volgen bepaalde regels.Voor elke set van lokale kenmerken kan men een groter geheel (een klasse) construeren van alle andere systemen die ermee overeenkomen. Een nieuw type statistische bewerking kan de gemiddelde kenmerken van alle systemen in zo'n klasse identificeren. De individuele systemen kunnen heel verschillend zijn, maar het statistisch typische gedrag en structuur vormen de beste hypothese om de eigenschappen van elk systeem te voorspellen. 

 Boole-functies

 Men begint met het idealiseren van het gedrag van elk element - elk gen in ons geval - als een eenvoudige binaire ("aan" of "uit") variabele. Om het gedrag van duizenden elementen die aan elkaar gekoppeld zijn te bestuderen gebruiken we een zogenaamd Boole-netwerk (genoemd naar George Boole, een Engelse wiskundige).In een Boole-netwerk wordt elke variabele gereguleerd door andere variabelen die als input dienen. Het dynamisch gedrag van elke  variabele hangt af van een logische regel (een Boole-functie),. Deze geeft aan, volgens welke regels de variabele aan of uit gaat. Bijvoorbeeld de "OR" -functie: hij gaat aan als één van de inputs actief is, of de "AND" -functie; hij gaat aan als alle inputs aangaan. Als je weet hoeveel inputs er zijn kun je berekenen hoeveel combinaties er mogelijk zijn.Bij elke combinatie hoort een netwerk-toestand (STATE). Door de vastgelegde manier van beïnvloeden staat vast welke STATE volgt op de vorige. Er is dus een vaste volgorde van STATES. Die noemt men de trajectory van het netwerk. Omdat het aantal elementen beperkt is zal er een reeks STATES op elkaar volgen volgens een vast patroon dat zich na verloop van tijd gaat herhalen, je krijgt dus een cyclus - zo'n cyclus noemt men een attractor - het systeem komt dus van zelf in zo'n attractor terecht; er kan een enkele attractor zijn of meerdere. Bij een verstoring zal heel vaak toch weer dezelfde cyclus terugkeren, maar het kan ook dat na verloop van tijd een nieuwe cyclus ontstaat. Sommige netwerken kunnen heel gevoelig zijn voor verstoringen en andere veel minder. Een structurele verandering is bijvoorbeeld het omschakelen van een OR- naar een AND-functie Dit kan het hele systeem veranderen.Als men een systeem heeft waar ieder element elk ander element beïnvloedt, zijn 2 tot de 200ste macht STATES mogelijk (dit is ongeveer een 10 met 60 nullen erachter); iedere verandering zou ook elke volgende toestand veranderen. Dit is dus chaos. Het verrassende is dat het aantal mogelijke cycli slechts 74 bedraagt. Zolang het aantal elementen, dat een element regelt, groter is dan 3 houd je dit soort chaotische systemen, maar als het er slechts twee zijn ontstaat er ineens orde. Een netwerk van 100 000 elementen, maar elk met twee inputs kan 2 tot de macht 100 000 STATES aannemen (een 10 met 30 000 nullen), toch zou er spontaan orde ontstaan: het systeem zou in een van de 370 mogelijke cycli blijven.Een dergelijk netwerk dat  eenmaal in zo'n ordelijke cyclus terecht is gekomen, is vrij ongevoelig voor verstoringen. Er is dus een soort homeostaseontstaan en homeostase is nu juist een typerend kenmerk van al wat leeft.

Waarom krijg je deze blijvende orde in zo'n netwerk?  Dit blijkt vooral te komen door ‘bevroren’ netwerken binnen het netwerk die onderling verbonden ‘muren’ vormen, waar elementen aan blijven staan.Zo kan men netwerken ontwerpen die heel star zijn en die heel chaotisch zijn en alles ertussen in - men trekt wel de vergelijking  met stoffen die vast, vloeibaar en gasvormig kunnen zijn.In een complex netwerk zouden ook gedeelten ‘vast’ en gedeelten ‘vloeibaar’ kunnen zijn. Netwerken die gevoelig zijn voor mutaties zouden een rol spelen in de evolutie. Hier zouden relatief gemakkelijk cascades van mutaties zijn opgetreden waardoor snelle aanpassingen mogelijk zijn. Een netwerk dat eenmaal in de ‘vaste’ toestand is, verandert niet zo gauw meer. In computersimulaties met dergelijke netwerken bleken deze te evolueren naar een grens tussen orde en chaos, precies de toestand die natuurlijke selectie mogelijk maakt.Als we het genoom op deze manier bekijken zien we het volgende: genen worden meestal direct beïnvloed door een klein aantal andere genen, misschien hoogstens tien. Het Boole-diagram is dus vrij eenvoudig, met weinig inputs. Genen worden meestal vooral beheerst door één gen dat alleen aan of uit kan zetten (OR-functie) een dergelijk systeem  is stabiel (veel ‘frozen elements’), mutaties geven bescheiden veranderingen in het systeem.Dit systeem kan misschien ook iets verduidelijken over de verschillende celtypen met hun verschillende systeem van genenexpressie. Een genoom dat bestaat uit 30 000 genen kan 10 tot de 10 000ste verschillende patronen van gen-expressie vertonen in theorie. Een stabiel celtype laat een bepaald deel van de genen tot expressie komen. Dit zou wel eens zo'n stabiele cyclus (een attractor) kunnen zijn. Een cel met 30 000 genen kan tussen de 250 en 300 verschillende cycli hebben. Een eukaryote cel heeft 1 tot 10 minuten nodig om in actie te komen, dus zo'n cel zou 250 tot 2500 minuten nodig hebben om alle cycli na te gaan. Dit komt wel overeen met werkelijke tijden die nodig zijn voor verschillende processen in de ontwikkeling. De lengte van een celcyclus is ongeveer evenredig met de wortel uit de hoeveelheid DNA - dat klopt ook ongeveer met de werkelijkheid.Op grond hiervan valt te voorspellen hoeveel verschillende celtypen er in een organisme mogelijk zijn: dit zou de wortel uit het aantal genen moeten zijn (het aantal attractors is de wortel uit het aantal elementen). Als we aannemen dat het aantal genen evenredig is met de hoeveelheid DNA kun je het aantal celtypen voorspellen. Mensen hebben ongeveer 30 000 genen (3 miljard basen) en zouden tussen 250 en 300 typen kunnen hebben. Men heeft er 254 geteld, dus dat zit wel in de juiste orde van grootte.Als men dit bij de verschillende fyla bekijkt: bacteriën hebben één of twee celtypen, sponzen 12 tot 15 en ringwormen 60. Omdat niet alle DNA codeert voor eiwitten liggen de waarden lager dan de berekende, maar aardig in de buurt. Het diagram is gebaseerd op het idee dat het aantal genen direct evenredig is met de hoeveelheid DNA. We weten inmiddels dat dit niet juist is. Wat tot voor kort ‘junk-DNA’ werd genoemd blijkt nu ook een functie te hebben. Maar zolang niet duidelijk is wat dat zogenaamde niet-coderende DNA precies doet, is het niet mogelijk om hierover conclusies te trekken. Het feit dat er een duidelijke relatie is tussen de hoeveelheid DNA en het aantal celtypen lijkt zelfs een extra aanwijzing dat het zogenaamde niet-coderendeDNA wel degelijk een functie heeft.

 Het aantal soorten cellen in organismen lijkt wiskundig verband te houden met het aantal genen in een organisme. In dit diagram wordt aangenomen dat het aantal genen in verband staat met de hoeveelheid DNA in een cel. Ïf the gene regulatory systems are K=2 networks, then the number of attractors in a system is the square root of the number of genes. The actual number of cell types in various organisms appears to rise accordingly as the amount of DNA increases.Bron: Scientific American, augustus 1991.Als een celtype werkelijk een attractor is, is het ook een stabiel systeem. Tijdens de differentiatie  wordt de cel via een aantal stappen (a.h.w. vertakkingen) geleid naar de stabiele toestand. Dit is precies wat we ook kennen van de meercelligen: een cel die eenmaal gedifferentieerd is kan niet meer terug. In elk organisme is er een stabiele kern die in alle attractors gelijk is, d.w.z. dat in alle cellen een aantal dezelfde genen tot expressie komt. Dit klopt ook met de werkelijkheid.Dit model voorspelt ook dat mutatie van een enkel gen als regel weinig effect heeft. Cascades van schade (of verandering) door een mutatie heeft geen invloed op het grootste deel van de genen. Waar zo'n cascade optreedt in een ‘vloeibaar’ deel van het netwerk heeft deze ook de voorspelde omvang (bij Drosophila veroorzaakt het vervellingshormoon ecdyson de activiteit van 150 genen, de wiskundige voorspelling luidt 160!).(N.B. Het feit dat er bij kanker steeds een vaste ‘cascade’ van mutaties optreedt, klopt ook met dit model. - L.P.).Netwerken op de grens tussen orde en chaos  geven dus een goed model voor processen tijdens de ontogenie in de meercelligen die de laatste 600 miljoen jaar bezig zijn met hun evolutie. De parallellen steunen de hypothese dat er regulerende systemen aan het werk zijn die inderdaad als zulke netwerken functioneren, met gedeelten die stabiel zijn en gedeelten die op de grens tussen orde en chaos zitten en waar de selectie op in kan werken. Als dit allemaal ook bij verder onderzoek blijkt te kloppen, kan men verwachten dat het mogelijk wordt een samenvattende theorie op te stellen die een verklaring geeft voor zowel de

organisatie van het genoom als voor het gedrag daarvan en het vermogen te evolueren.(gebaseerd op Kauffmann in Scientific Amercan, augustus 1991)Loes E. Pihlajamaa-GlimmerveenGeraadpleegde literatuurArnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over  de plaats van de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)Karl Sigmund GAMES OF LIFE  Explorations in ecology evolution and behaviour (Penguin books 1995)en diverse artikelen uit Scientific American.De rol van toevalHoe het leven(de) zich handhaaftI n een tijd waarin  het ‘Humaan Genoom’ het geheim van het leven lijkt te bevatten, is het goed om erbij stil te staan dat de genen weliswaar een belangrijk onderdeel van elk levend organisme vormen, maar niet het wezen van het leven zijn. DNA is een molecule, leeft dus als zodanig niet. Het leven moet gezien worden als een systeem, of als een proces, in elk geval niet als iets statisch. Op het moment dat in een cel of een levend wezen de processen stil staan, is het leven voorbij.Het is erg moeilijk om een definitie van leven te geven, maar het is niet moeilijk aan te geven of iets leeft. Stofwisseling, groei, voortplanting en reactievermogen zijn de kenmerken die we bij alle levende wezens aantreffen, en niet bij levenloze zaken – of tenminste nooit allemaal.ZelfreguleringEén van de meest fundamentele eigenschappen van levende wezens - in het lijstje van levenskenmerken zelden genoemd - is de homeostase, het handhaven van de eigen structuren en activiteiten, ondanks allerlei veranderingen rondom. Een levend wezen is een zelfregulerend (ook wel genoemd: autopoietisch, ‘zichzelf makend’) systeem. Aan het nageslacht wordt niet alleen het DNA doorgegeven, maar ook het systeem, de organisatie, van de cel.Elke eencellige is in staat om zijn eigen structuur te handhaven binnen veranderlijke uitwendige omstandigheden - ondanks het feit dat het een piepklein systeempje is.Ook binnen meercelligen bezitten alle cellen dit type systemen; alleen zijn ze gespecialiseerd in bepaalde functies. Het geheel heeft dan  een sterke mate van homeostase. Het bekendst en zichtbaarst is de temperatuurregeling van ons lichaam, maar dat is slechts één van de vele systemen.Dat een lichaam zich normaal handhaaft, gezond is, d.w.z. zijn homeostase handhaaft, zijn processen regelt, ondanks allerlei invloeden, vinden we zo normaal dat we er pas over gaan nadenken als ergens iets mis gaat met de homeostase; als de regeling niet meer klopt. Door onderzoek naar ziekten is men dan ook veel te weten gekomen over die regelingen. Zo heeft AIDS het onderzoek naar immuunprocessen een enorme stimulans gegeven en  heeft het kankeronderzoek veel informatie opgeleverd over groei en ontwikkeling – kanker is immers uit de hand gelopen groei.   OnvoorspelbaarheidUniek voor levende systemen - in tegenstelling tot natuurkundige processen - is een zekere mate van onvoorspelbaarheid, individualiteit.

Fysische wetmatigheden gaan altijd op - althans dat was tot voor kort zo. In de moderne ‘micro’-fysica blijkt dat niet echt zo te zijn. De wetten der fysica gaan in normale omstandigheden altijd op, omdat men werkt met grote aantallen moleculen en gemiddeld klopt hun reactie met wat de wetenschap voorspelt. Als men echter gaat werken  met ‘losse’ deeltjes, blijkt het toeval ook hier een grote rol te spelen, waardoor onvoorspelbaarheid optreedt.Deze ontdekking is voor fysici een verwarrende ervaring die hele nieuwe werelden opende. Voor biologen is het eigenlijk heel gewoon.Als men bepaalde stoffen in een reageerbuis laat reageren, gebeurt dat volgens het boekje. Er zijn zo veel moleculen aanwezig, die in het medium tegen elkaar botsen en met elkaar reageren, dat de voorspelde reactie gegarandeerd optreedt.Binnen de cel zijn van elk molecuultype vaak maar een paar exemplaren aanwezig. Als regel zal de juiste reactie optreden, maar de kans, dat dit niet gebeurt, is ook relatief groot. Het toeval speelt een veel grotere rol door de uiterst kleine schaal waarop de processen plaats vinden. Men spreekt dan van stochastische processen.De rol van het toeval in levensprocessen is vermoedelijk groter dan men denkt of zou willen denken...In de moderne biologie gaan we ervan uit dat alle functies van cellen berusten op geordende chemische processen binnen die cellen, die in elkaar grijpen als onderdelen van nauwkeurig geregelde systemen, die de hele cel omvatten. Bij meercelligen zijn die activiteiten ook nog eens ondergeschikt aan het organisme in zijn geheel. Dit betekent dat de cel voortdurend sturende invloeden van buiten ondergaat en zelf gedragsbepalende signalen naar andere cellen doet uitgaan. Dit systeem wordt geregeld vanuit het DNA.We bezitten naar schatting 35 000 genen, daarvan zouden er enkele duizenden ‘regelgenen' zijn, waarvan een bepaalde combinatie nodig is om een gen ‘aan’ te zetten.Overigens is heel veel op dit gebied nog volslagen onbekend. We weten bijvoorbeeld niet hoe gedrag erfelijk bepaald kan zijn – en in hoeverre dat het geval is.De rol van het toeval 

Samenhang van membraansystemen in een cel

We hebben al gezien dat chemische reacties bij zeer kleine aantallen moleculen niet zo wetmatig verlopen als in de reageerbuis. De cel heeft wel een systeem ‘bedacht’ om de moleculen niet te veel door de cel te laten ‘zwerven’; de hele cel is door middel van membranen in compartimenten verdeeld, waarbinnen de processen plaatsvinden (denk aan mitochondriën en bladgroenkorrels enz.). Bovendien zitten veel moleculen vast op die membranen, in een soort lopende-band-systeem.Maar desondanks spelen toevalsfactoren een redelijk grote rol. Hallet en Halling, twee Britse auteurs kwamen in 1989 tot de conclusie dat cellen tot op zekere hoogte aan kanseffecten zijn overgeleverd. Een zekere mate van onvoorspelbaarheid van individueel celgedrag is het onvermijdelijk gevolg van het feit dat de processen op uiterst kleine schaal plaatsvinden enerzijds, en het grote aantal verschillende chemische reacties die in een cel optreden anderzijds.Dit heeft verstrekkende consequenties: we mogen ervan uitgaan dat biologische mechanismen geheel en al berusten op exacte fysische en chemische wetmatigheden en als zodanig in principe in chemische en fysische termen beschreven kunnen worden, maar tegelijk zijn ze ook onderworpen aan statistische wetten, wat betekent, dat bij de zeer kleine schaal waarop ze plaats vinden, het toeval een grote rol speelt.Ziekte en gezondheidDit inzicht is belangrijk voor het beter begrijpen van allerlei aspecten van het leven, met name zaken als ziekte en gezondheid.In het algemeen zullen de processen op de normale manier verlopen, omdat het toeval geen rol meer speelt als het gaat om miljoenen gelijksoortige cellen. Als het in een enkele cel anders gaat, heeft het als regel geen effect op het organisme als geheel. Er zijn echter enkele situaties waarin een toevallige fout in een enkele cel grote gevolgen heeft. Dit soort situatie heeft men met name aan het begin van het leven als het organisme nog slechts uit één of enkele cellen bestaat, waaruit het hele organisme zich zal ontwikkelen. Als er dan door toevalseffecten iets mis gaat, zal meestal de hele ontwikkeling vroeg of laat stoppen omdat vitale functies niet in orde zijn, maar soms zal er een misvormd kind ter wereld komen. De meest kwetsbare dagen zijn die voorafgaand aan  de innesteling. Men schat dat zo'n 60% van de bevruchte eicellen al voor de innesteling te gronde gaat, voor een deel door zulke toevallige fouten.Ook in het volgroeide organisme kunnen deze stochastische elementen ten grondslag liggen aan onberekenbaar celgedrag. Met name bij het ontstaan van kanker kan het stochastisch ontstaan van de afwijkingen in de cel van cruciale betekenis zijn voor de mate van kwaadaardigheid.Men moet dan ook tot de conclusie komen dat kanker niet altijd een oorzaak van buitenaf hoeft te hebben. We weten dat  straling, roken en blootstelling aan allerlei stoffen kanker kunnen veroorzaken, maar het kan ook vanzelf ontstaan.Het stochastische karakter van biologische processen betekent dat het verloop van die processen nooit volledig voorspelbaar is.Met andere woorden:Het ontstaan van ziekten en afwijkingen is inherent aan het leven zelf.

Leven en lijden

De  mens heeft zich altijd bezig gehouden met de vraag van de betekenis van het lijden. Elke godsdienst en elke filosofie probeert de zin van het menselijk lijden te verklaren.Arnold van der Hooff (emeritus-hoogleraar microbiologie) in ‘De schok der Biologie’:'Naar mijn overtuiging heeft geen enkele filosofie en geen enkele godsdienst het probleem van het aan het menselijk bestaan inherente lijden in een zodanige context kunnen plaatsen dat een redelijk mens met enig werkelijkheidsbesef er vrede mee kan hebben.'John Stuart Mill schreef over zijn vader:"Hij vond het onmogelijk te geloven dat een wereld zo vol van lijden het werk kon zijn van een Schepper, die oneindige macht combineerde met volmaakte goedheid en rechtvaardigheid. Zijn gezond verstand versmaadde alle spitsvondigheden waarmee de mensen probeerden zichzelf zand in de ogen te strooien en daardoor blind te zijn voor deze niet te miskennen tegenstrijdigheid."Het menselijk lijden, dat aan ons bestaan inherent lijkt, wordt meestal aan allerlei factoren toegeschreven. We denken aan natuurrampen en epidemieën. In het christendom wordt de nadruk gelegd op de ingeboren zondigheid van de mens. Maar als het ooit mogelijk zou zijn ons te beschermen tegen natuurrampen en de mens zo op te voeden dat hij de anderen geen kwaad doet, zelfs dan zou het lijden niet zijn uit te bannen. Het lijden is een wezenlijk onderdeel van het leven.De indrukwekkende grootsheid van het leven heeft zijn keerzijde. Het leven is per definitie kwetsbaar. Niet altijd is er een oorzaak aan te wijzen als er iets misgaat. In onze tijd heeft men de neiging om overal de werking van de genen achter te zoeken, maar afwijkingen als aangeboren hartgebreken, open gehemelte, waterhoofd en syndroom van Down kunnen ook door volkomen toevallige minieme foutjes tijdens de vroege ontwikkeling ontstaan. Het zou zinnig zijn als dit meer nadrukkelijk werd gepubliceerd, want ouders hebben vaak de neiging zich schuldig te voelen over ‘fouten’ bij hun kind, of anders zijn er wel omstanders die proberen de ouders de schuld te geven.Dit speelt een rol in de embryonale ontwikkeling: niet alleen afwijkingen, maar ook individuele verschillen zijn aan stochastische processen toe te schrijven: niet alleen is ieders DNA uniek, ook de ligging van de verbindingen in de hersenen bijvoorbeeld zijn uniek en voor een groot deel door toeval bepaald.Wat is leven?Nog nooit heeft iemand een bevredigend antwoord kunnen geven op de vraag wat leven is. We kunnen het levende beschrijven en hebben als regel geen enkele moeite om iets levends als zodanig te herkennen."Geen contrast is zo enorm als het contrast tussen wat leeft en wat niet leeft," zei Joseph Wood Kruch -  en dat zal (vrijwel) iedereen met hem eens zijn. Tot niet zo lang geleden - en voor veel mensen is het nog steeds zo - was het verschil eenvoudig: levende wezens (zeker mensen, vaak ook dieren) hebben een ziel en levenloze dingen niet. Of dieren en planten ook een ziel hebben, daarover verschilt men van mening. Bij het sterven verliet de ziel het lichaam  en deze verbleef voortaan ergens buiten het waarnemingsgebied van de nabestaanden en keerde daarna volgens een deel van de mensheid vroeg of laat terug in een nieuw lichaam.

Maar door de ontwikkeling van de natuurwetenschappen is dit voor veel mensen toch niet meer geloofwaardig; met de ontdekking dat levende stof onderhevig is aan alle fysische en chemische wetten en dat organische verbindingen ook in het laboratorium gemaakt kunnen worden. Tot begin 19e eeuw meende men dat dit alleen kon door de ‘vis vitalis’ (= levenskracht). Langzamerhand werd de tegengestelde idee populair:"Het menselijk lichaam is een uurwerk, een groot uurwerk, met vindingrijkheid en vaardigheid in elkaar gezet", aldus De Lamettrie in de 18eeeuw. Ook iemand als Descartes dacht er zo over.Veel mensen denken toch nog steeds dat er een soort levenskracht bestaat die voor het onderscheid verantwoordelijk is (vitalisme).De niet-vitalistische kijk komt erop neer dat in de materie als zodanig iets aanwezig is dat de mogelijkheid tot leven geeft. Met name sedert de ontwikkeling van de kwantumtheorie heeft men ingezien dat de materie minder simpel in elkaar zit en niet uitsluitend mathematisch te voorspellen is. Een onstoffelijk beginsel dat nodig is voor leven zou dan ook al in de dode materie te vinden zijn en de tegenstelling levend/niet levend zou niet zo groot zijn.EmergentieEen derde denkrichting, die ook veel met homeostase te doen heeft en bij veel moderne onderzoekers en denkers in zwang is,  gaat ervan uit dat er geen afzonderlijke levenskracht bestaat, maar dat de specifieke structuur en organisatie van levende cellen en organismen ervoor zorgen dat het geheel meer is dan de som der delen. Dit is in veel gevallen duidelijk het geval. Dit is een min of meer ‘holistische’ opvatting volgens welke het leven een ‘emergentie’ zou zijn, een niet voorspelbare eigenschap die ontstaat als gevolg van de ordening van structuren.Net zo goed als een volk meer is dan een verzameling individuen, is een verzameling cellen in een bepaalde structuur meer dan een optelsom van cellen: een organisme, dat tot veel meer in staat is.Volgens Arthur Peacock:"De allerbelangrijkste van de eigenschappen van de materie is dat ze, als ze op bepaalde manieren gestructureerd zijn, al die karakteristieken heeft, die we ‘leven’ noemen. Dit geldt ook voor menselijk leven."De mogelijkheid van leven zou dus volgens Peacock en anderen al vanaf het begin van het universum in de materie zijn ‘ingebouwd’.HolismeVoor dit soort visie wordt de term ‘holisme’ gebruikt. Het is misschien goed dit begrip hier duidelijk te onderscheiden van die term zoals die tegenwoordig buiten de wetenschappelijke wereld nogal eens gebezigd wordt (met name door de ‘New Age’-aanhangers).Om een organisme in al zijn functies te kunnen onderzoeken, moet men onderdelen, cellen, organen, weefsel enz. onderzoeken. Iedere onderzoeker weet dat losse cellen  niet gelijk zijn aan cellen in het levende geheel, maar we kunnen het levende geheel niet als zodanig onderzoeken.‘Holistisch’ kan men een levend systeem nooit echt onderzoeken. Met moet dus om praktische redenen wel ‘reductionistisch’ te werk gaan en proberen zo het geheel te begrijpen.

Vanuit kringen buiten de wetenschap wordt vaak neergekeken op wetenschappers, omdat ze reductionistisch te werk zouden gaan; het holistische wereldbeeld zou alleenzaligmakend zijn.Die "kitsch van het holisme" (Michel Korzec) ziet dan zaken als biologische kennis in combinatie met kosmologie, oosterse en westerse mystiek, ecologie, cultuurhistorie en zelfs kwantumfysica als één (warrig) geheel. Alternatieve geneeskundigen gebruiken ook graag de term holisme, omdat ze de ‘hele mens’ benaderen.Door dit verwarrende taalgebruik kan men de term holisme in de biologie beter niet meer gebruiken, hoewel het idee van de eenheid van lichaam en geest, de eenheid van het organisme wel degelijk van belang is."De essentie van het leven is een subtiel samenspel van erfelijke informatie, biochemische reacties en structuren ter plaatse" aldus prof. dr. R. van Driel (biochemicus Universiteit van Amsterdam).

De levende celHet leven op aarde bestond gedurende drie miljard jaar alleen uit eencelligen. Daarna zijn er ook meercelligen, ontstaan, maar nog steeds bestaat het gros van de levenden op aarde uit microscopisch kleine wezentjes waarvan we door onze afmetingen niet zo erg goed op de hoogte zijn. Over de manier waarop eencelligen en cellen zich handhaven beginnen we nu toch wel het nodige te ontdekken.Tot in de jaren zestig leerden we op school dat een cel bestond uit een "klompje protoplasma met een kern". Het woord protoplasma is inmiddels afgeschaft en we weten nu dat het ‘cytoplasma’, de levende inhoud van een cel, uitermate gestructureerd is. Het bestaat uit vele duidelijk gescheiden compartimenten waarin de processen zich afspelen. Die compartimenten zijn gescheiden door membranen en die membranen zijn heel wat meer dan eenvoudige vliesjes: veel processen spelen zich juist op en in die membranen af; de werkzame elementen liggen vaak in die membranen ingebed, zodat er zich complete lopende-band-systemen op kunnen afspelen. Verder bevatten de membranen allerlei pompjes die bepaalde moleculen van de ene naar de andere afdeling van de cel brengen of de cel in of uit pompen. Daarnaast bevat een cel een ‘skelet’ bestaande uit buisjes (microtubuli) en staafjes of draadjes (microfilamenten), dat allerlei zaken op zijn plaats houdt, of juist verplaatst en eventueel voor bewegingen van de cel als geheel zorgt.Een statisch beeld van de celinhoud  klopt al evenmin: diverse compartimenten fuseren of vallen uiteen, worden door de cel vervoerd, nieuw opgebouwd of afgebroken. Dynamiek en (schijnbare) chaos beheersen het leven binnen de cel.Met moderne technieken zoals fluorescentiemicroscopen en merkstoffen kan men verplaatsingen van individuele moleculen in de cel volgen en driedimensionale beeldjes maken van de structuren.Waardoor wordt een gen op een zeker moment aan- of uitgeschakeld? Dit is een van de fundamentele vragen, die bijvoorbeeld ook hoort bij het probleem van soortverschillen: het erfelijk materiaal van mens en muis verschilt maar heel weinig. De toch vrij grote verschillen lijken vooral verklaard te moeten worden door het verschil in het tijdstip waarop diverse genen worden aan- en uitgeschakeld tijden de embryonale ontwikkeling.Stukken DNA die niet functioneel zijn, zijn sterk samengepakt en ingepakt, en daardoor niet bereikbaar, kunnen dus niet afgelezen worden. Bepaalde genen (regelgenen) lijken de rol van schakelaar te spelen. Deze zijn bij alle

onderzochte dieren vrijwel identiek, maar waarom en hoe ze aan- en uitgaan, is nog niet bekend.

De cel is een democratisch systeem en geen ‘DNA-dictatuur’ Zowel biologen als leken hebben tegenwoordig de neiging om alles wat er in cellen plaats vindt, toe te schrijven aan het DNA. Bij allerlei processen wordt de regeling aan een enkele factor (een gen of een eiwit) toegeschreven. In werkelijkheid is het veel ingewikkelder en moeten we de cel zien als een "complexe omgeving van in elkaar grijpende processen".Deze omschrijving komt van prof. Westerhoff (microbioloog en mathematische biochemicus te Amsterdam). Hij is de grondlegger van de "Hiërarchische Controle Theorie", waarin de cel wordt beschreven als een soort democratische samenleving, waarin de verschillende eiwitten ‘macht’ hebben, d.w.z. dat ze de celactiviteiten mee sturen.Samenwerkende gistenB IJ ONDERZOEK AAN GISTCELLEN, die glucose omzetten in alcohol, ontdekten Westerhoff en zijn medewerkers dat de snelheid van het proces oscilleert en dat de frequentie daarvan niet afhankelijk is van een enkele factor, maar van een aantal factoren, die elk hun ‘inspraak’ hebben. Men dacht tot voor kort dat de snelheid van een proces altijd afhing van het traagst werkende enzym, de beperkende factor. Het blijkt dus ingewikkelder te zijn. 

GistcellenOnderzoek naar de activiteit van gisten bracht aan het licht dat deze niet constant is maar te fluctueert. Het vreemde was dat alle gistcellen gelijktijdig bleken te oscilleren. Ze communiceerden blijkbaar, wat men bij eencelligen niet zo direct zou verwachten. Door razendsnel monstertjes uit de kweekvloeistof te nemen, brachten onderzoekers aan het licht dat de concentratie aceetaldehyde in de vloeistof tussen de cellen ook oscilleert. Deze stof wordt blijkbaar uitgescheiden en waargenomen. Op de een of andere manier kunnen de cellen hun activiteit dan synchroniseren.Volgens Westerhoff is het mogelijk dat dit gezamenlijk ritmische vergisten ook een nuttige functie heeft: in de natuur zitten de gisten samen met bacteriën en schimmels op overrijpe vruchten, waaruit geleidelijk glucose naar buiten sijpelt. Op het moment dat de gistcellen gezamenlijk topactiviteit vertonen, vangen ze alle glucose van dat moment weg. Daarna ligt hun activiteit even (20 tot 30 seconden) stil, terwijl het alcoholgehalte stijgt ("terwijl de gistcellen dronken worden"). De concurrenten hebben dan geen voedsel en leggen hun processen stil, tot het moment dat er weer meer glucose vrijkomt, maar dan zijn de gisten

juist weer aan hun volgende activiteits-top toe en slurpen snel alle glucose op. De andere soorten worden hierdoor steeds op het verkeerde been gezet (net als ze weer kunnen opstarten, is de glucose alweer op) en komen omIn biochemisch onderzoek is het kijken naar dergelijke ecologische aspecten van gebeurtenissen binnen de cel niet erg gebruikelijk. Dat een cel meer is dan een optelsom van afzonderlijke biochemische processen, is nog een opvatting (ook holistisch in zekere zin), waarop mensen als Westerhoff door anderen worden aangevallen.De gedachte, dat een levend geheel meer is dan de delen, wekt bij sommige onderzoekers argwaan, omdat men er New-age-denkbeelden achter zoekt. Westerhoff bestrijdt dit en noemt het concept nu juist anti-metafysisch: door te zoeken naar de samenhangen, kan men juist aantonen dat er niets geheimzinnigs in het systeem hoeft te zitten.Met moderne technieken kan men de weg van individuele moleculen in de cel volgen en de ruimtelijke verdeling binnen de cel onderzoeken. Hiermee wordt het mogelijk een indruk te krijgen van de samenhang van de verschillende processen.Loes E. Pihlajamaa-GlimmerveenZie ook het artikel Antichaos en evolutieGeraadpleegde literatuurArnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over  de plaats van de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)Karl Sigmund GAMES OF LIFE  Explorations in ecology evolution and behaviour (Penguin books 1995)en diverse artikelen uit Scientific American. 

CHAOS   EN FRACTALS   IN DE MENSELIJKE   FYSIOLOGIE  Niet alleen in de evolutie, ook in het functioneren van organismen speelt chaos een vermoedelijk grote rol. Chaos hier dus niet in de zin van ‘volledige wanorde’, maar in de betekenis van onvoorspelbaar binnen bepaalde grenzen.In de recente discussie over het al dan niet vernietigen van menselijke embryo's spreekt men soms over pre-embryo's ( het 2- tot 8-cellige stadium) alsof daarin de hele mens al kant en klaar zit, met andere woorden er wordt  uitgegaan van de gedachte, dat alles in het DNA vastgelegd is. Je zou nooit een heel mens kunnen construeren als elke cel en elke verbinding (zenuw of bloedvat) volledig voorgeprogrammeerd was. In werkelijkheid  speelt het toeval een grote rol. Zelfs kan men stellen dat chaos in het functioneren van ons lichaam betekent dat het goed gaat, als er strakke regelmaat heerst, betekent dit onraad...De conventionele opvatting is dat het lichaam een machine is, opgebouwd volgens een ordelijk principe en werkend in keurige ritmes. Als er onregelmatigheden zijn, is dat afwijkend, een teken van ziekte of ouderdom. Geïnspireerd door niet-biologische disciplines is men beter gaan kijken en tot de ontdekking gekomen dat strakke regelmaat juist een teken van veroudering of ziekte is.Onregelmatig en onvoorspelbaar gedrag is een belangrijk kenmerk van gezondheid. Ook in de bouw van biologische systemen blijkt een min of meer onregelmatige fractal-achtige bouw op veel plaatsen terug te vinden - juist deze onregelmatigheid geeft flexibiliteit en aanpassingsvermogen.

De begrippen chaos en fractals horen thuis in de leer van de nonlineaire dynamica: het onderzoek naar systemen, die op bepaalde onderling onafhankelijke factoren reageren. Deze theorie geeft inzicht in het verschijnsel epidemieën, in de kinetica van bepaalde chemische reacties, veranderingen in het weer enz. Onder bepaalde omstandigheden gaan systemen, die slechts door weinig factoren worden bepaald, zich chaotisch gedragen, met andere woorden: worden onvoorspelbaar.Het woord chaos in dit verband betekent niet het volledig ontbreken van enige orde, zoals in het dagelijks spraakgebruik. We bedoelen hiermee een zekere mate van ‘randomness’, variatie, onvoorspelbaarheid, en deze kan vaak gekoppeld worden aan fractale systemen. 

Boven en onder: "Fractals" in de darmen: op elke vergroting plooien.

Fractale systemen zijn vaak het resultaat van chaotische non-lineaire dynamiek. Steeds wanneer een chaotisch proces een vorm geschapen heeft ( bijvoorbeeld een zeekust, de atmosfeer, een geologische plooiing in de aardkorst) vinden we fractals (kustlijnen, wolkenformaties, geologische formaties).Toch zijn de ideeën over fractals eerst ontwikkeld als geometrische vormen, m.n. ontstaan bij het ‘spelen’ met computerfiguren: steeds dezelfde vorm verkleind en vermeerderd etc). Geïdealiseerde fractals vertonen bij steeds grotere vergroting  steeds hetzelfde patroon, sommige neuronen hebben dit ook: vertakkingen van vertakkingen van vertakkingen. In de darmwand ziet men iets dergelijks: de plooien herhalen zich in de plooitjes op de darmcellen. Ook als men de hartslag over verschillende tijdspannen in grafiek zet, ziet men dezelfde figuur terug, de kleine en de grote variaties volgen het zelfde patroon.Het lichaam zit vol fractals, het best onderzocht zijn die van de longen. Al in 1962 analyseerden onderzoekers de bouw van de longen en de diameters van de vertakkingen van de bronchiën, en deze bleken precies volgens het principe van de fractals gebouwd te zijn.De hartslag heeft een fractal-achtig ritme, de krans(slag)aders hebben een fractal-structuur evenals de vezels van de hartkleppen, de vezelstructuur van de hartspiervezels en de bedrading van het Hiss-Purkinje systeem (het ‘zenuwstelsel van het hart’ dat de impulsen geleidt).

 Een stukje long - een typisch fractal-beeldAl deze fractal-systemen hebben verschillende functies: oppervlaktevergroting bij de darmwand, de longen en de bloedvaten, verdeling van stoffen bij bronchiën en galgangen, informatieverspreiding bij de neuronen. Fractal-systemen zijn juist door hun sterke onregelmatigheid en  ‘redundancy’ weinig kwetsbaar. Zelfs na vrij grote beschadigingen aan de bundels van Hiss en Purkinje kan het hart redelijk normaal blijven kloppen.Fractal-structuren in het lichaam ontstaan door de trage dynamiek van de ontwikkeling ervan (zowel embryonaal als evolutionair gezien). In deze processen heerst ‘deterministische chaos’. Het lijkt ook heel functioneel, dat bijvoorbeeld bloedvaten, zenuwen, longvertakkingen - op deze manier gebouwd volgens een repeterend systeem - gebaseerd zijn op de werking van genen, die alleen een soort basisprincipe aangeven, waarna het geheel zich steeds herhaalt.Toen men de chaos-theorie voor het eerst ging toepassen op fysiologische systemen, verwachtte men vooral chaotische processen aan te treffen bij ziekte of veroudering; dat lijkt logisch. Als men bijvoorbeeld het hartritme bij een persoon in rust meet, lijkt het zeer regelmatig, maar als men de hartslagen nauwkeuriger analyseert, blijkt er geen sprake van regelmaat. Bij jonge volwassenen met een hartfrequentie van 60 slagen per minuut  kan deze variëren met een verschil van

20  binnen enkele seconden, en over een etmaal variëren van 40 tot 180 slagen per minuut!

 Fractals in de bloedvaten.Men heeft deze variabiliteit eerst verklaard vanuit de homeostase: elke variatie is de reactie op een andere variatie, en dient om te zorgen, dat de verschillende waarden constant blijven. Het zou dan ook waarschijnlijk zijn dat bij ziekte of veroudering het vermogen om de homeostase te behouden vermindert en dus meer fluctuatie optreedt.Als men de fluctuaties in frequentie over een aantal uren nauwkeuriger bekijkt, ziet men een onregelmatige vorm,  die zichtbaar blijft als de tijdschaal kleiner wordt. Er is niets te zien van een vaste regelmaat; het ziet eruit als een chaotisch systeem.Als men diverse ritmen analyseert vanuit de chaos-theorie blijkt het gezonde hart een echt chaotisch systeem, maar het zieke hart  vertoont vaak een toenemende mate van regelmaat.De (chaotische) hartslag is het gevolg van de activiteit  van het zenuwstelsel: de sinusknoop ontvangt signalen vanuit het autonome zenuwstelsel: de sympathicus en de parasympathicus, de eerste versnellend en de ander vertragend. Het gevolg is een voortdurend ‘touwtrekken’’ aan de sinusknoop, en het gevolg daarvan is het voortdurend fluctueren van de frequentie. Bij een getransplanteerd hart zijn deze zenuwbanen doorgesneden en is de hartslag dan ook veel regelmatiger.Ook in het zenuwstelsel is chaos een normaal verschijnsel, de systemen die verantwoordelijk zijn voor de hormoonafgifte vertonen bijvoorbeeld chaotische activiteitscurven.Een chaotische dynamiek in hartslag, zenuwstelsel en andere systemen geeft duidelijk functionele voordelen: zulke systemen worden door allerlei factoren beïnvloed en kunnen daar direct op reageren, zijn flexibel en kunnen zich aanpassen aan onvoorspelbare veranderingen. Bij ziekte treedt vaak verlies aan variatie op.De biologische klok is ook nooit perfect regelmatig: als we altijd precies op een vaste tijd moesten slapen en wakker worden, zouden we niet in staat zijn om wakker te blijven bij een ziek kind...

Ook het zenuwstelsel vertoont bij ziektes als bijvoorbeeld Parkinson, epilepsie en depressie, veel regelmatiger curven dan bij gezonde mensen. Het gehalte aan witte bloedcellen varieert bij gezonde mensen onregelmatig, bij leukemie zeer regelmatig.De fysiologie is misschien wel een van de mooiste gebieden om fractals en chaos te onderzoeken.  Loes E. Pihlajamaa-GlimmerveenZie ook het artikel De rol van het toevalen het artikel Antichaos en evolutie Geraadpleegde literatuurArnold van den Hooff: DE SCHOK DER BIOLOGIE Essays over  de plaats van de biologie in ons mensbeeld. (SUN Nijmegen 1995)Karl Sigmund GAMES OF LIFE  Explorations in ecology evolution and behaviour (Penguin books 1995)en diverse artikelen uit Scientific American

Orde en wanorde http://www.volkskrant.nl/vk/nl/2864/Betacanon/article/detail/509470/2010/08/03/Chaos.dhtml

Chaos Martin van Hecke

De natuur om ons heen laat zo'n enorme rijkdom zien, dat het moeilijk voorstelbaar is dat dit alles uit een aantal simpele regels volgt. Toch beschrijft een kleine hoeveelheid natuurwetten het gedrag van de natuur. Je zou misschien denken dat je met deze wetten dan ook simpelweg de natuurverschijnselen kunt verklaren en voorspellen. Maar het precies beschrijven van het rollen van een dobbelsteen, de beweging van een zwerm

vogels, het ontstaan van een regenbui of de formatie van files is problematisch, hoewel deze verschijnselen wel degelijk uit de natuurwetten volgen.

Deze problemen zijn te vergelijken met schaken. De regels zijn eenvoudig te leren - de loper mag schuin, de toren mag rechtdoor. Maar daarmee ben je nog geen goede schaker. De regels van het spel en het spel zelf zijn twee verschillende dingen. Hoe je goed moet schaken volgt niet een-twee-drie uit de regels. Wetenschappers, en in het bijzonder natuurwetenschappers, zien zich voor hetzelfde soort probleem gesteld. De simpele natuurwetten zijn daarbij de regels, terwijl het rijke gedrag van de natuur het spel is. Natuurlijk kunnen we simpele systemen, zoals een enkele stuiterbal, prima beschrijven. Maar als er duizend stuiterballen op een trillende plaat rondspringen en rondbotsen, wordt het systeem complex: de beweging van alle ballen is niet meer simpelweg de som van duizend enkele ballen.

Zelfs als het lukt modellen in de computer door te rekenen, dan nog zijn zij vaak intrinsiek onvoorspelbaar: ze zijn chaotisch. Als je het weer bijvoorbeeld wilt voorspellen, moet je behalve een weermodel (de regels) ook de toestand van het weer nu weten - de beginvoorwaarden. Hoe nauwkeurig je ook meet, je maakt altijd een meetfout. Voor chaotische systemen groeit deze fout nu zo snel dat de voorspelling al vlug waardeloos wordt. Dit werd in 1963 door de wis- en weerkundige Edward Lorenz ontdekt (zie ook B챔 tacanon aflevering 15, over klimaat en weer). De slechte voorspelbaarheid van het weer ligt dus niet aan de meteorologen, maar aan het chaotische karakter van het weer. Dit is de reden dat de onzekerheid in de weersvoorspelling na een paar dagen sterk begint op te lopen, zoals tegenwoordig duidelijk in de KNMI-grafiekjes voor de temperatuur te zien is.

Aan het eind van de 19de eeuw had de wiskundige Poincare deze gevoeligheid voor de beginvoorwaarden al voorspeld voor de beweging van hemellichamen. Hij liet zien dat er configuraties van planeten denkbaar zijn waarbij de beweging chaotisch en onvoorspelbaar is. Als de fout in de voorspelling elke dag verdubbelt, en als we in de begin positie van planeet X een fout van 1 mm maken, dan is na twee weken de fout slechts 16 meter, maar na twee maanden is ze al 1000.000.000.000 km. De voorspelling wordt dus totaal onbruikbaar. Lang voordat de fout zo groot is geworden, beïnvloeden afwijkingen in de baan van planeet X weer andere planeten: chaos. Onlangs is chaos waargenomen in ons eigen zonnestelsel in de onregelmatige bewegingen van de manen Pandora en Prometheus die rond Saturnus bewegen.

Een laatste voorbeeld van chaos is het gooien met een dobbelsteen: als we dit twee keer doen, met een heel klein verschil in werpsnelheid, dan wordt dat verschil bij elke stuitering van de dobbelsteen enorm opgeblazen, en is de uitkomst na enkele keren stuiteren volkomen onvoorspelbaar geworden.

Toch organiseert zich in alle chaos vaak weer nieuw gedrag: ontelbaar veel trillende atomen geven de sensatie van temperatuur, miljarden zenuwcellen leiden tot een werkend geheugen. Dit ontstaan van spontane orde wordt emergentie genoemd. De komst van de computer heeft ons meer inzicht in emergentie gegeven. Zo is het met computers mogelijk het ontstaan van files, zwermen van vogels en insecten te simuleren. De individuele automobilisten, vogels en vissen zijn er absoluut niet op uit om zich zo te organiseren - het ontbreekt vogels en insecten simpelweg aan de hersencapaciteit, er is geen leider of vooropgezet plan. Maar als de individuen zich aan simpele regels houden, vertonen zij samen wel het bekende gedrag. Als we bijvoorbeeld in een computer stoppen dat automobilisten niet precies allemaal even hard rijden en tegelijkertijd botsingen met hun voorligger proberen te vermijden, dan voorspelt het model correct dat er bij druk verkeer verstoppingen en files ontstaan. Vergelijkbaar: als we programmeren dat vogels ongeveer dezelfde richting als hun buren vliegen, dan rolt er direct een verbazingwekkend realistische zwerm vogels uit. Complex gedrag kan dus ontstaan uit de interacties van actoren (automobilisten, vogels) die zelf simpele regels volgen.

In deze voorbeelden zijn de regels een benadering, geen fundamentele natuurwet. Maar er zijn ook legio voorbeelden waarbij het collectieve gedrag de optelsom is van actoren

die wel aan precieze natuurwetten voldoen. In het bijzonder stapelingen van balletjes, rijstkorrels en dergelijke laten allerlei emergent gedrag zien, dat op dit moment sterk in de belangstelling van natuurkundigen staat.

Hoe laad je een schip zodat er zoveel mogelijk sinaasappels, kanonskogels of andere bolvormige objecten in passen? Het antwoord is door de bollen netjes op te stapelen, in regelmatige laagjeszoals sinaasappels bij de groenteboer. Je kan dan eenvoudig uitrekenen dat je 74% van de ruimte vult. Maar in de praktijk kan je natuurlijk niet alle sinaasappels netjes stapelen, maar stort ze eenvoudigweg in de buik van het schip, en de bollen vormen dan een wanorderlijke stapeling. Wat je dan ook doet, het zal je niet lukken om meer dan 64% van de ruimte te vullen.

Hoe dit getal uit de simpele regels voor stapels balletjes komt weten we niet. Een verrassing treed op als je in plaats van sinaasappels, niet-ronde objecten gaat stapelen. In 2004 ontdekte onderzoekers op Princeton dat M&M's dichter dan 64% gestapeld konden worden, en inmiddels begrijpen we dat als we bolletjes een beetje afplatten (schijfjes) of juist toespitsen (cigaartjes), ze dichtere wanordelijke stapelingen maken: perfecte bolletjes stapelen het slechtsts van allemaal.

De organisatie van de krachten tussen de deeltjes in zo'n stapeling is een ander voorbeeld van emergent gedrag. In plaats van dat alle krachten zich gelijk verdelen, wordt het meeste gewicht door een kleine hoeveelheid ballen gedragen. Daarbij organiseren de sterkste krachten zich in ingewikkelde patronen, die krachtnetwerken genoemd worden. Voor het bouwen van een dijkis het belangrijk deze patronen te kennen omdat die netwerken ook in zandhopen optreden. De precieze vorm van de netwerken is echter weer zeer moeilijk te voorspellen.

Het inzicht dat complex gedrag uit simpele regels kan voortkomen, geeft de hoop dat we zoiets complex als filevorming op een simpele manier kunnen modelleren, en dus ook kunnen voorspellen wat de beste manier is om files tegen te gaan. Aan de andere kant realiseren we ons ook dat veel systemen, of het nu dobbelstenen, het weer, de beurs, of de economie is, chaotisch gedrag vertonen en onvoorspelbaar zijn. Filemaatregelen zouden dus wel eens heel anders kunnen uitpakken dan je zou verwachten. Het bestuderen van complexe systemen raakt daarmee aan de aard van wat we kunnen weten en brengt grenzen aan de voorspelbaarheid in kaart.

Een steeds weerkerend creationistisch argument voorde " schepping" door een ID is volgens hen =

(De volgende kernachtige uitdrukking ; is de blauwe tekst en de opinie van een Jehova getuige ( en alhoewel ze beweren geen creationisten te zijn , zijn ze het wel degelijk ; Trouwens ook Id-ers , Mormonen en zelfs Seventh Day Adventisten/baptisten beweren ook al geen creationisten (meer ) te zijn ...; ze vertonen er echter wel alle kenmerken van : voor mijn part zijn het gewoon pseudo-wetenschappers : ik ben niet van plan te diskussieren over naamgevingen die ze zichzelf opplakken ... ref ; ---->http://www.freethinker.nl/forum/viewtopic.php?t=435&postdays=0&postorder=asc&start=30 )

"Entropie, of andersom: het bestaan van orde vereist het bestaan van een organiserende intelligentie" (dat word hier summier inleidend en nader gepreciseerd en bediscussieerd op datzelfde reeds vermelde forum )

----> wanneer er sprake is van orde vind ik het logischer om te geloven in iemand die orde brengt dan in een spontaan proces( Reddish) Waarom? Omdat spontane processen tot wanorde leiden. Uitzonderingen daargelaten.

( Tsjok ) Je kan de " uitzonderingen " niet daar laten , want je doet een universele uitspraak ... een uitzondering is al voldoende om de uitspraak van universeel tot heuristiek te degraderen ... ( Reddish ) Het neerzetten van dingen als een absolute waarheid ( of universele finale uitspraken ) is zowieso een gevaarlijke gewoonte

1.- ( creato ) Onder entropie versta ik het neigen tot wanorde.

( Reddish )Ah, de algemeen gangbare populair-wetenschappelijke interpretatie van het concept. Prima. Zolang we dit dan maar niet verwarren met het thermodynamische entropie-begrip. zie ook Entropie :

ENTROPIE

2.- de uitspraak "het bestaan van orde vereist het bestaan van een organiserende intelligentie" is pertinent onjuist; denk bv. aan kristallisatie-processen.

" ... Je kan het universum niet vergelijken met een kristalrooster" ( Reddish )

Nee, ik wil het universum niet vergelijken met een kristalrooster. Ik wil aantonen dat jouw uitspraak "het bestaan van orde vereist het bestaan van een organiserende intelligentie" onjuist is.

Wet & Wanorde  / Chaos in de Fysica http://remote.science.uva.nl/~bais/chaos/chaosiii.html 

Alexander BaisInstituut voor Theoretische FysicaUniversiteit van Amsterdam

Verschenen in Orde en Chaos in de stadsontwikkeling, Uitgeverij 010, Rotterdam (1994)

Wegen van wetenschap Keerpunten in de Mechanica Van chaotisch individueel naar ordelijk collectief gedrag De ultieme confrontatie met onvoorspelbaarheid Van Chaos naar Kosmos: het dynamisch heelal Conclusies

 

Wegen van wetenschap

Inleiding

De grieken introduceerden de term Chaos voor de vorm - en structuurloze toestand waaruit de Kosmos (d.w.z. ordelijke toestand) geschapen werd. Tegenwoordig duiden we er een willekeurige toestand van verwarring en onregelmatigheid mee aan: turbulente vloeistof, politieke anarchie, een tienerkamer, economische instabiliteit, of bedrijvigheid op een oosterse markt. Op alle fronten worden wij met chaos en onvoorspelbaarheid geconfronteerd en lijken we aan het toeval te zijn overgeleverd. De gevoelens van onzekerheid en machteloosheid die dit met zich mee brengt, kunnen aanleiding zijn voor allerhande primaire reacties. Ordnung muss sein! De behoefte om in te grijpen doet zich gelden: we poetsen en ruimen op, in de opvoeding stellen we paal en perk. We kanaliseren, leggen zelfs zee 챘 n droog, we plannen en bureaucratiseren vol overgave. We eisen discipline, regelgeving en wetshandhaving. Zo zijn we verwikkeld in een grootmoedige poging om de natuurlijke neiging tot willekeur en wanorde het hoofd te bieden.

In dit kader behelst het verschijnsel wetenschap een relatief subtiele reactie: controle over onze leefsituatie is daar niet het eerste oogmerk, eerder het ontrafelen van een onderliggende structuur en van mechanismen die op een dieper niveau werkzaam zijn. Geen macht maar begrip, is de slogan. Kan wanorde inderdaad belangeloos worden onderworpen aan de menselijke geest? Kunnen Chaotische verschijnselen worden beroofd van hun primaire wezenskenmerk, door met creatief vernuft orde aan het licht te brengen waar niemand dat vermoedt. Wetenschap heeft laten zien dat het met geduld, systematiek en volharding inderdaad mogelijk is om geheimen aan de natuur te ontfutselen. In dit licht kunnen we de geschiedenis beschouwen als trage striptease van moeder natuur.

De systematische ontmythologisering het wereldbeeld heeft geleid tot een technologische respons op de menselijke levensvoorwaarden. Technologie is nauw verweven met wetenschap maar niet hetzelfde. Technologie is in eerste instantie gericht op het beheersen van de directe leefomgeving opdat we minder afhankelijk zijn van de willekeur van natuurlijke processen. Het gevaar van deze respons is dat negatieve mogelijkheden de overhand kunnen krijgen: vervreemding, onderdrukking, vernietigingswapens, vervuiling en andere "man made disasters" drijven onze cultuur naar de rand van de afgrond. De wereld gaat nog niet ten onder maar er wordt aan gewerkt!

We laten in dit artikel zien dat natuurkundigen voortdurend geconfronteerd zijn met onvoorspelbaarheid en chaos. We illustreren dit aan de hand van belangrijke keerpunten in ons denken over dynamische systemen. Chaos kan niet ge 챘 limineerd worden, maar heeft een goed gedefini 챘 erde plaats in de modelmatige beschrijving van de ons omringende natuur. Het blijkt dat toeval een essentieel gegeven is, eigen aan werkelijkheid op het meest fundamentele niveau.

Na enige algemene opmerkingen over modelmatig denken beschrijven we het determinisme zoals dat belichaamd werd door de klassieke fysica. Recentelijk is bij de studie van eenvoudige niet-lineaire systemen duidelijk geworden , dat onvoorspelbaarheid ook binnen het kader van de klassieke mechanica een essenti 챘 le rol speelt.

Gassen en vloeistoffen kunnen we beschouwen als een collectief van een reusachtig aantal willekeurig bewegende deeltjes. Voor de beschrijving van deze media zijn statistische methoden onontbeerlijk. Deze vertalen het gebrek aan kennis over de toestand van elk der individuele deeltjes in een effectieve theorie voor een beperkt aantal collectieve variabelen. Het gaat dan om begrippen als temperatuur en druk die voor de afzonderlijk deeltje geen betekenis hebben. Het aspect van wanorde komt expliciet tot uitdrukking in een collectieve variabele die entropie genoemd wordt. Het blijkt dat individueel wangedrag voorbeeldig collectief gedrag geenszins uitsluit.

Uiteindelijk doet zich de vraag voor of een deterministische kijk op de wereld in principe houdbaar is. De quantummechanica laat zien dat dit niet het geval is en dat toeval een onontkoombaar aspect van de werkelijkheid is, ook als we ons beperken tot de meest

elementaire processen. Dit komt zeer expliciet tot uitdrukking in de onzekerheidsrelaties van Heisenberg.

Tenslotte keren we terug tot de vraag naar het ontstaan van orde uit chaos in de kosmologische context. We vatten het proces van atomaire en moleculaire evolutie samen in het kader van moderne theorie 챘 n over de ontwikkeling van het heelal.

Onvolledigheid en oppervlakkigheid in deze presentatie onvermijdelijk. Ik heb gepoogd om in grote lijnen aan te geven hoe de natuurwetenschap heeft leren omgaan met aspecten van onzekerheid. Onzekerheden sluiten een exacte dynamische beschrijvingen geenszins uit zolang de keuze van geschikte variabelen zorgvuldig gemaakt wordt.

Macht en onmacht van het modelmatig denken

Na 챦 viteit is een belangrijk wapen van de natuurwetenschapper. Hij/zij veegt een aantal verschijnselen op een hoop en poogt de ontstane toestand te duiden als de manifestatie een onderliggende systematiek. Het kan gaan om een deeltje in een krachtveld, een molecuul, een gas, een druppelende kraan, een levende cel, een dode kikker, een stad, een samenleving, een epidemie, de economie, het klimaat, het heelal, enz.

Wat karakteriseert het systeem? We willen bijvoorbeeld weten of het systeem gesloten is - d.w.z. is het onafhankelijk van externe factoren en autonoom - of open zodat het veronderstellingen omtrent relevante omgevingsfactoren vereist. Is het systeem in evenwicht en statisch, of is het dynamisch en hangt het op een niet triviale manier van de tijd af? Welke grootheden leggen de toestand vast, en zijn die grootheden meetbaar? Aan welke wiskundige relaties voldoen zij?

Over het vinden van de relevante variabelen moet niet te licht gedacht worden: het vereist een collectieve begripsvorming die gemakkelijk tot een tijdrovende ideologische stammenoorlog kan leiden. Het bereiken van een concensus over fundamentele begrippen siert een vakgebied, maar is moelijker naarmate het te onderzoeken systeem complexer is.

Hoe dan ook, met de keuze van karakteristieke grootheden is een optimale vraagstelling mogelijk en kunnen we onderzoeken welke verbanden er zijn. Eerst kwalitatief, vervolgens - indien mogelijk -quantitatief in de vorm van wiskundige vergelijkingen.

Juist bij complexe systemen leidt het onderzoek in eerste instantie vaak tot niet meer dan het aantonen van statistisch significante correlaties. Men vergelijkt steeksproefgewijs populaties met verschillende gewoonten of omstandigheden, mannen versus vrouwen, dorpelingen versus stedelingen, rokers versus niet-rokers, tomateneters versus niet-tomateneters en onderzoekt het voorkomen van al dan niet wenselijke eigenschappen zoals bierconsumptie, moederbinding of meest waarschijnlijke doodsoorzaak. De maat voor significantie is het aantal standaardafwijkingen in een relevante verdeling. Er is een ongelimiteerde jacht op signalen gaande die zich ternauwernood boven de ruis van het maatschappelijk gebeuren verheffen. Onderzoek dat hoog scoort in kringen waar maatschappelijke relevantie het toonaangevend criterium is en dat soms tot zeer verrassende conclusies leidt, vooral wanneer niet de allerhoogste methodologische eisen zijn gesteld bij het samenstellen van de ``aselecte'' steekproeven en het elimineren van cruciale nevenfactoren die de uitkomst van het onderzoek kunnen beinvloeden.

Wetenschap slaagt er soms in om quantitatieve relaties tussen de variabelen te leggen en deze in een mathematisch model uit te drukken. Bij een systeem in evenwicht kunnen we spreken van toestandsvergelijkingen, bij een dynamisch systeem gaat het om evolutievergelijkingen die de ontwikkeling van de relevante variabelen in de tijd bepalen. Deze vergelijkingen zullen in het algemeen parameters bevatten die bijvoorbeeld bepaalde omgevingsfactoren in rekening brengen (controleparameters). In een simpel model zullen deze parameters constant zijn (of bijvoorbeeld heel langzaam

vari 챘 ren vergeleken met de tijdschaal waarop het beschouwde systeem verandert). Als dat niet zo is, bevat het uiteindelijke, gesloten systeem natuurlijk ook de evolutievergelijkingen voor de omgevingsfactoren. Kortom, een ideaal model bevat een gekoppeld stelsel van tijdafhankelijke grootheden met "constante" parameters.

Evolutie - of bewegingsvergelijkingen hebben een voorspellende waarde: gegeven de toestand ten tijde t is het mogelijk de toestand op een later tijdstip te bepalen. Het is daarom een verregaande en wellicht naieve veronderstelling dat er zo'n stelsel van evolutie vergelijkingen bestaat. Is het niet een vooroordeel dat volledig determinisme impliceert, en daarmee onvoorspelbaarheid, toeval en chaos bijvoorbaat uitsluit?

Het antwoord op deze vraag is ontkennend: ook in een gebied als de natuurkunde dat zich richt op relatief eenvoudige systemen, die vooral betrekking hebben op de dode materie, wordt men steeds weer op essenti 챘 le wijze geconfronteerd met toeval, onvoorpelbaarheid en chaos. Dit gebeurt in situaties waar men om praktische dan wel principi 챘 le redenen, slechts over een beperkte kennis van het systeem beschikt. In zulke gevallen krijgt de beschrijving van het systeem een statistisch karakter waarin men slechts uitspraken doet over de waarschijnlijkheid dat een bepaalde toestand zich op een later tijdstip voordoet. Met andere woorden, men werkt met exacte evolutie vergelijkingen, niet voor de dynamische variabelen zelf, maar voor de waarschijnlijkheid dat deze variabelen bepaalde waarden aannemen. Kansrekening en statistiek maken het mogelijk dat een exacte, quantitatieve beschrijving vreedzaam co 챘 xisteert met onzekerheid en toeval.

In eerste instantie is het doel van een model bescheiden, het moet de waarnemingen zo efficiënt mogelijk beschrijven, en vertoont een ideale balans tussen eenvoud en effectiviteit. Er zijn legio voorbeelden waar het gedrag van een op het eerste gezicht ingewikkeld systeem succesvol wordt beschreven in een model met weinig variabelen. Idealiter hebben modellen bovendien een verklarende en voorspellende betekenis. Onlangs was er een mooi voorbeeld waarbij de atronomen de inslag van een een aantal stukken van een komeet op de planeet Jupiter met grote nauwkeurigheid voorspelden. Natuurlijk is het zo dat modellen zelf ook evolueren. Nieuwe meetmethoden of aanvullende waarnemingen vereisen een preciesere beschrijving of genereren nieuwe vragen. Onverwachte relaties tussen grootheden waar het model geen verklaring voor heeft of die er strijdig mee zijn, vragen om aanpassing en verfijning van het model. Het model kan in deze fase lelijk en ingewikkeld worden, een afspiegeling van de complexiteit van de werkelijkheid of wellicht een bewijs van wetenschappelijk onvermogen. Op zo'n moment ontstaat de behoefte aan een nieuw uitgangspunt, een nieuw onderliggend concept dat orde op zaken stelt. Soms staat er een wetenschappelijke doorbraak voor de deur, waarbij een dichtgegroeid model wordt vervangen door een eenvoudig model op een onderliggend niveau

Keerpunten in de Mechanica

De geschiedenis van de natuurwetenschappen kent talloze momenten waarop men overspoeld werd door een golf van onverklaarbare waarnemingen en waarop succesvolle theorie 챘 n uit hun voegen barstten.

Willekeur en wanorde pleegden met de regelmaat van de klok een aanslag op het fragile bouwwerk van alom gerespecteerde abstracte relaties. Gelukkig maar. Een intellectuele crisis kan de voorwaarden scheppen voor een radicale vernieuwing in ons denken.

Klassieke mechanica: vlaggeschip van het deterministisme

Newton verving een vergaarbak van wetenswaardigheden en gelegenheidswetten betreffende de aardse en hemelse mechanica in een klap door drie wetten, die ons door hun verpletterende eenvoud en universaliteit tot op de dag van

vandaag dienen te verbazen. In zijn Philosophiae naturalis principia mathematica (1687) toont hij zich niet alleen een een groot astronoom en fysicus maar ook een geniaal wiskundige die de grondslag legde voor de differentiaalrekening.

Differentiaalvergelijkingen geven de wiskundige beschrijving van een dynamisch systeem. Newton's fameuze vergelijking F = ma die de beweging (de versnelling a) van een deeltje met massa m dat onderhevig is aan een kracht F vastlegt,

is daarvan een perfect voorbeeld. De dynamische variabelen zijn de snelheid en positie van het deeltje als functie van de tijd (waarbij de versnelling de verandering in de snelheid per tijdseenheid is) en deze variabelen worden door de

vergelijking - bij gegeven kracht - volledig bepaald in termen van de snelheid en positie op een begintijdstip. De wetten zijn universeel in de zin dat zij even goed opgaan voor de beweging van planeten om de zon (die het bijvoorbeeld

mogelijk maakten een eclips met grote nauwkeurigheid te voorspellen) als voor stenen die van de toren van Pisa worden geworpen. Ze zijn ook universeel omdat ze absoluut zijn: wetsovertredingen komen niet voor!

Een afwijking van het voorgeschreven gedrag - hoe klein ook - heeft een wetenschappelijke revolutie tot gevolg. Iemand die de natuur op heterdaad weet te betrappen bij het overtreden van een fundamentele natuurwet wordt gestraft met een

Nobelprijs! Met betrekking tot de wetten van Newton heeft deze situatie zich inderdaad voorgedaan en geleid tot de ontwikkkeling van de relativiteitstheorie enerzijds en de quantummechanica anderzijds.

De bewegingsvergelijkingen van Newton betekenden ook een conceptuele verrijking: er volgt voor een gesloten systeem waarop geen externe krachten werken uit, dat er andere - minder voor de hand liggende - grootheden zijn

zoals energie, impuls en impulsmoment die constant blijven in de tijd. Deze "behouden" grootheden of constanten van de beweging zijn van groot belang bij het oplossen van de vergelijkingen. Het model genereert zijn eigen

fundamentele begrippen.

Met de wetten van Newton was de basis voor een volledig deterministische beschrijving van de materi 챘 le werkelijkheid gelegd. Voor het mechanistisch wereldbeeld braken hoogtij dagen aan. Laplace postuleerde zijn befaamde demon,

een bovenmenselijk wezen dat, gegeven de beginwaarden van de dynamische variabelen van alle deeltjes, in staat zou zijn om de toekomstige toestand volledig te deduceren.

Determinisme, niet als religieuze maar als wetenschappelijke waarheid!

Let wel, deze demon werd geacht bij machte te zijn om de kennis van de beginvoorwaarden van alle moleculen in ons heelal te bevatten en vervolgens de bewegingen daarvan te berekenen.

Ter illustratie: met de grootste computers slagen wij er in om de tijdevolutie van enkele honderden deeltjes voor korte tijd te berekenen. Strikt wiskundig en principieel gesproken is de klassieke mechanica het toonbeeld van een

volledig deterministische theorie, toch blijkt er bij nader inzien een levensgrote adder onder het gras te zitten. En dat brengt ons bij de actualiteit van de klassieke mechanica. Bij de recente ontwikkelingen op het gebied van de

niet-lineaire dynamica, die door sommigen als de derde wetenschappelijke revolutie van deze eeuw wordt gekenschetst.

Niet-lineaire dynamica: Grenzen aan de voorspelbaarheid

Het is verrassend dat de wetten van Newton, die al eeuwen door elk leergierig kind worden herkauwd teneinde de analytische geest te scherpen, die bij velen van ons slechts de navrante herinnering oproepen aan diep nadenken over

katrollen, kogelbanen en blokken op een hellend vlak, dat juist deze wetten recentelijk weer zoveel opwinding hebben veroorzaakt in de wetenschappelijke arena. Poincar 챕 hief aan het begin van deze eeuw reeds de waarschuwende vinger,

toen hij wees op de verregaande complexiteit van het klassieke probleem van drie deeltjes die een simpele kracht op elkaar uitoefenen. Wat hij bedoelt is weergegeven in de figuur waarin te zien is dat de baan van een planeet in het

zwaartekrachtsveld van twee zonnen inderdaad zeer onregelmatig en complex is. De draagwijdte van zijn beschouwingen werd pas duidelijk toen het mogelijk werd om met krachtige computers langdurige en nauwkeurige simulaties

uit te voeren van allerhande niet-lineaire systemen. Hiermee werd - waar analytische methoden niet voorhanden zijn - toch een nauwkeurig beeld verkregen van de globale structuur van de oplossingen van betreffende niet-lineaire

vergelijkingen. Het blijkt dat het gedrag van de oplossingen van simpele, niet-lineaire differentiaal vergelijkingen voor een geschikte keuze van parameters zeer chaotisch kan zijn. Minstens zo belangrijk is dat dit chaotische gedrag,

wanneer we er op een andere manier naar kijken, nieuwe universele structuren aan het licht brengt. Het is bij deze systemen zo, dat hoewel ze strikt genomen volledig deterministisch zijn, ze in de praktische zin onvoorspelbaar zijn.

Stel dat men in een computersimulatie een bepaalde beginsituatie specificeert en dan de machine het traject dat de dynamische variabelen in de tijd doorlopen laat uitreken. Het kan nu zo zijn dat wanneer men dit computerexperiment

herhaald, het traject er heel anders uitziet! De subtiliteit zit hem in de beperkte nauwkeurigheid waarmee we de beginvoorwaarden kunnen specificeren (bijv. maar op tien decimalen nauwkeurig), gecombineerd met de eigenschap van

het systeem dat de tijdevolutie een extreme gevoeligheid heeft voor de beginvoorwaarden. Dus wanneer we de evolutie van twee praktisch identieke begin situaties vergelijken vinden we dat de corresponderende toestanden reeds

na zeer korte tijd totaal verschillend zijn. Er treden bifurcaties in de tijdevolutie op: als ik een seconde later van huis was gegaan had ik nu op mijn werk gezeten en werd ik nu niet in allerijl per ambulance naar een ziekenhuis vervoerd.

Aangezien in elke realistische fysische situatie de beginvoorwaarden door meting maar met een beperkte nauwkeurigheid kunnen meten, wordt de voorspellende waarde (die wiskundig gezien absoluut is) essentieel ondermijnd.

Het goede nieuws - de crisis als creatief moment - is dat dit de hier boven beschreven deterministische chaos heeft geleid tot de studie van nieuwe meetkundige structuren - Fractalen - ruimten met een dimensie die volgens

e gangbare wiskundige definities niet heeltallig is.

Vreemde aantrekkers in de faseruimte

Wanneer wij een grafische voorstelling van een bewegend deeltje geven, geven we de positie als functie van de tijd weer. Een deeltje dat stil ligt is een horizontale lijn. Een deeltje met een constante snelheid correspondeert met

een rechte lijn met een constante helling. We kunnen de beweging echter ook anders weergeven n.l. door de snelheid tegen de positie uit te zetten voor de verschillende tijden, dan krijgen we de baan die het deeltje in de zogenaamde

faseruimte beschrijft. We moeten ons realiseren dat voor een systeem van N deeltjes de faseruimte veel-dimensionaal is. Door een punt in de faseruimte van een dynamisch systeem loopt in het generieke geval één baan. we kunnen de

faseruimte dus opvullen met banen en krijgen zo een idee van de globale structuur van de oplossingsruimte.

Kijken we bijvoorbeeld naar het systeem van een slinger die we loslaten dan zal deze, als er geen wrijving zou zijn een strikt periodieke beweging uitvoeren, in de faseruimte correspondeert de baan met een cirkel. Alle mogelijke banen

vormen concentrische cirkels rond het punt dat correspondeert met de oplossing waarbij de slinger in rust is op het diepste punt. Wanneer we nu wrijving in rekening brengen zal de knikker een gedempte oscillatie uitvoeren en na enige tijd

tot stilstand komen. In de faseruimte betekent dit dat alle banen naar binnen spiraliseren en eindigen op een vast punt. Dit punt representeert een stabiele oplossing van het systeem en wordt aangeduid met de naam attractor of aantrekker.

Stabiel omdat wanneer we de knikker een klein tikje geven deze er na verloop van tijd weer in de rusttoestand terug keert.

We zien dat bij het bestuderen van dynamische systemen de attractoren in de faseruimte van groot belang zijn omdat zij de uiteindelijke evolutie van het systeem karakteriseren. Attractoren hoeven niet altijd vaste punten te zijn, het kunnen

ook stabiele periodieke of quasiperiodieke oplossingen zijn waarvoor de attractoren cirkels of tori in de faseruimte zijn. Systemen die echt random of chaotisch zijn doorlopen de hele faseruimte op een niet voorspelbare manier.

De ontwikkelingen die de laatste tien jaar zo in de belangstelling zijn komen te staan hebben betrekking op systemen die gekarakteriseerd worden door een zogenaamde "vreemde aantrekker". De baan is dan bevat in een deelgebied van de fase

ruimte, maar is daarbinnen chaotisch en niet periodiek. De geometrie van de vreemde attractor is zodanig dat zij het deelgebied niet volledig vult, het is een fractaal. Een geometrisch object met een fractionele dimensie. Men kan zich zoiets

voorstellen als een soort spons waarvan de vorm zich op alle lengteschalen herhaald. Als we een foto van een klein deel van de spons maken en die vervolgens vergroten is deze niet te onderscheiden van een foto op ware grootte.

Een schaalinvariante geometrie waarvan de structuur zichzelf op alle lengteschalen herhaald. Vanuit de nietlineaire dynamica is wellicht het meest verbazingwekkende, niet dat chaotisch en complex gedrag mogelijk is, maar dat uitermate

simpele systemen die door een eenvoudig stelsel keurige differentiaal vergelijkingen beschreven worden zulk gedrag vertonen. Het heeft een nieuwe impuls gegeven aan de studie van niet-lineaire differentiaalvergelijkingen, een gebied

waar de standaard methoden die zo succesvol waren bij de studie van lineaire vergelijkingen volslagen ontoereikend zijn. Het blijkt dat vele realistische systemen die chaotisch gedrag vertonen met behulp van vreemde aantrekkers

gemodelleerd kunnen worden. De jacht op vreemde attractoren en deterministische chaos in fysische, biologische, ecologische, economische, klinische en klimatologische systemen vult inmiddels menig tijdschrift. In de fysica heeft

het de hoop doen opleven dat de relatief eenvoudige hydrodynamische vergelijkingen toereikend zijn om een beschrijving te geven van turbulentie in vloeistoffen, 챕챕 n van de belangrijkste nog openstaande problemen in de klassieke fysica.

Fractalen

Fractale structuren blijken nauw verbonden met de complexe vormen die in onze natuurlijke omgeving alom aanwezig zijn. Een varenblad, kustlijn, sneeuwkristal of vloeistofstroom. Ik verwijs naar het beroemde boek van Benoit Mandelbrot

getiteld "The fractal geometry of Nature" en naar het werk "The Beauty of Fractals" van Peitgen en Richter, waarin de complexe structuren van eenvoudige dynamische systemen op indrukwekkende wijze in beeld worden gebracht.

Hieronder volgt een verdere beschrijving van een beroemde fractaal die de Mandelbrot set wordt genoemd. Het is een prachtige voorbeeld van hoe verregaande complexiteit gegenereerd wordt door een zeer eenvoudig ``dynamisch systeem''.

Voor het bestuderen van fractalen is het niet nodig een continu dynamisch systeem te analyseren, het is doeltreffender om een proces te beschouwen dat discrete tijdstappen maakt. De tijdevolutie wordt dan beschreven door een

discrete afbeelding. Het een voudigste voorbeeld van een discrete afbeelding is typisch een voorschrift dat gegeven een getal een nieuw getal produceert, wanneer men dit voorschrift blijft herhalen verkrijgt men een discreet dynamisch proces.

Men kan zich ook voorstellen dat men in plaats van re 챘 le getallen (d.w.z. punten op een lijn) complexe getallen neemt (d.w.z. punten in een vlak). We kunnen zo'n punt vastleggen door de afstand tot de oorsprong r en de hoek die de lijn

door het punt en de oorsprong met de horizontale coordinaat as maakt. Deze hoek ligt tussen 0 en 360 graden. We kunnen alle operaties zoals vermenigvuldigen en delen ook definieren voor complexe getallen. Als en twee complexe

getallen voorstellen en hun produkt, dan is per definitie de straal gelijk aan het produkt van en terwijl de hoek gelijk is aan de som van en (modulo 360 graden natuurlijk). Met de eenvoudige regels voor het "vermenigvuldigen" en

"optellen" van punten in een vlak kan men een discreet proces beschrijven waarbij het punt zich sprongsgewijs over het vlak beweegt. Mandelbrot bestudeerde het proces met het voorschrift . waarbij c een constante complexe parameter

die het proces karakteriseerd. Wanneer we c=0 (d.w.z. de oorsprong) kiezen is het niet moeilijk om te zien wat het proces doet. Punten met een straal groter dan 1 zullen zich voor toenemende n van de oorsprong afbewegen naar het oneindige

omdat de straal bij ieder stap met zichzelf, d.w.z. een getal groter dan 1, vermenigvuldigt wordt. De omgekeerde redenering is geldig voor punten met een straal kleiner dan één, deze eindigen allemaal in de oorsprong.

De verzameling van punten met een straal precies gelijk aan 챕챕 n speelt een bijzondere rol, deze wordt op zichzelf afgebeeld, sommige punten beschrijven een periodieke baan op de cirkel andere niet.

Een interessante vraag is nu wat er gebeurt met deze cirkel als we c niet langer gelijk aan nul kiezen. Het blijkt dat deze verzameling een fractale curve wordt, een grillige, zichzelf op alle schalen herhalende curve, waarvan de vorm weer

afhangt van de keuze van hoek en de straal van c. Voor kleine waarden van c is het nog een gesloten curve maar als we c in een bepaalde richting laten toenemen wordt hij steeds grilliger om bij een critische waarde in een aantal fractionele

objecten uiteen te vallen.

De set van critische c-waarden (dit is de rand van de befaamde Mandelbrot set) is zelf ook weer een samenhangend fractaal object van ongekende complexiteit en schoonheid. De illustratie laat een willekeurig detail van deze rand zien.

Dat in een simpele afbeelding als die van Mandelbrot zoveel structuur verborgen zit suggereert dat de complexiteit die we in de natuur tegenkomen niet meer is dan onvoorstelbaar mooi verpakte eenvoud.

Van chaotisch individueel naar ordelijk collectief gedrag

Gas en water

Tot nog toe hebben we gesproken over de vergelijkingen die voor de fundamentele deeltjes en de daarop werkende krachten geldig zijn. In het alledaagse leven speelden gassen, vloeistoffen en vaste stoffen een belangrijke rol en dit leidde vanzelfsprekend al in een vroeg stadium tot het formuleren van theorie 챘 n die het gedrag van deze continue media beschreven in termen van macroscopische variabelen zoals temperatuur, volume, druk , dichtheid, stroomsnelheid enz. Voor systemen die in evenwicht verkeren zijn dat de wetten van de thermodynamica. Voor niet-evenwichts situaties werden hydrodynamische- en andere transportvergelijkingen ontwikkeld. Deze theorie 챘 n werden aanvankelijk als onafhankelijke fundamentele wetten gepostuleerd.

Het besef dat continue media samengesteld zijn uit enorme aantallen miniscule deeltjes - de moleculaire hypothese - won pas tegen het eind van de vorige eeuw veel terrein. Deze hypothese impliceerde dat de macroscopische vergelijkingen van de thermodynamica an de hydrodynamica afgeleid moesten kunnen worden uit de microscopische vergelijkingen van Newton en Maxwell voor de individuele moleculen.

In eerste instantie is men geneigd om dit probleem af te doen als een praktisch, rekentechinisch probleem. We kunnen immers de vergelijkingen voor alle individuele deeltjes neerschrijven en deze dan met een gigantische computer oplossen. Het gaat in werkelijkheid echter om onvoostelbare aantallen vergelijkingen ( een maat hiervoor is -het getal van Avogadro) dit maakt een praktische uitvoering ondenkdaar. Afgezien hiervan, gaat dit voorbij aan de eigenlijke vraagstelling. Het gaat er juist om dat onze alledaagse gewaarwordingen nou eenmaal betrekking hebben op macroscopische eigenschappen zoals temperatuur en druk enz. die voor een individueel deeltje niet gedefinieerd zijn. Veel-deeltjes systemen kunnen bovendien collectief gedrag vertonen dat heel moeilijk te herleiden is tot de eigenschappen van individuele deeltjes, men kan hierbij denken aan het verschijnsel van fase overgangen zoals condenseren, smelten of verdampen.

Statistische mechanica

Het uitgangspunt bij de beschrijving van collectieve verschijnselen moet zijn dat onze kennis van de toestand waarin ieder afzonderlijk molecuul zich bevindt zeer beperkt is, dit maakt dat het probleem zich leent voor een statistische beschrijving. We kennen aan de mogelijke toestanden van de individuele moleculen een waarschijnlijkheid toe. Het is deze kansverdeling die een centrale rol speelt in wat met recht de statistische mechanica wordt genoemd. De statistische mechanica legt het verband tussen de microscopische eigenschappen van de moleculen en hun wisselwerkingen, en de uiteindelijke

macroscopische variabelen en parameters en hun relaties. Zoals iedere verzekeringsagent, enq 챗 teur of gokverslaafde weet, worden statistische uitspraken buitengewoon effectief en betrouwbaar wanneer het om grote aantallen (onafhankelijke) gebeurtenissen, of in dit geval deeltjes, gaat. De macroscopische variabelen zoals temperatuur en druk corresponderen in dit beeld met de gemiddelden van microscopische variabelen zoals energie en impuls. Toeval en chaos op het niveau van de individuele deeltjes sluiten collectief determinisme geenszins uit. De kansverdeling van eigenschappen over de individuele deeltjes heeft een objectieve betekenis die de eigenschap van ieder deeltje op zich niet heeft, en deze verdeling blijkt te voldoen aan rigoreuze vergelijkingen. Het blijkt dat een zinvolle en preciese beschrijving van collectieve verschijnselen mogelijk is wanneer wij onze onwetendheid van het individu maar op de juiste wijze quantificeren.

Entropie: een maat voor wanorde

Een belangrijk maar subtiel begrip uit de thermodynamica is de "entropie". Entropie is een maat voor de wanorde van de toestand waarin het systeem zich bevindt. Hoe meer chaos hoe groter de entropie. De tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt dat bij een proces van een gesloten systeem de entropie toeneemt of gelijk blijft. Systemen neigen kennelijk tot wanorde. Dit lijkt een diepzinnige uitspraak maar de reden is simpelweg dat wanordelijke toestanden meer waarschijnlijk zijn, en dat het systeem van een minder waarschijnlijke naar een meer waarschijnklijke toestand gaat. Iedereen is met dit verschijnsel vertrouwd. Wanneer wij in een glazen pot de onderste helft vullen met bruine bonen en de bovenste met witte bonen en vervolgens gaan schudden zullen de bonen uiteindelijk volledig mengen: de geordende toestand gaat over in de meest ongeordende met maximale entropie. De wet is statistisch van aard: we kunnen in principe niet uitsluiten dat bij lang schudden de ontmengde toestand zich weer voordoet, maar het is zeer, inderdaad zeer onwaarschijnlijk.

Het blijkt dat men om de de entropie te verminderen men warmte aan het systeem moet onttrekken, bij een lagere temperatuur zal het aantal mogelijke toestanden waarin het systeem zich kan bevinden afnemen. Wanneer we het systeem nu afkoelen tot het absolute nulpunt (-273 C), bevindt het zich in een laagste energie toestand en zal in principe de entropie dus verwaarloosbaar klein worden. Hebben we hiermee de mogelijkheid om waarschijnlijkheid te reduceren tot zekerheid, om absolute orde op zaken te stellen? Het antwoord op deze vraag luidt ontkennend omdat we dan te maken krijgen met een fundamentelere onzekergheid die het gevolg is van de quantummechanische eigenschappen van de natuur op microscopisch niveau. We komen hier later op terug.

De richting van de tijd

Er is een ander aspect van de fysische werkelijkheid dat evident is, maar allerminst vanzelfsprekend. Ik doel op het simpele feit dat de tijd een richting heeft. Iedereen wordt ouder. Water komt uit de douche en gaat er niet in. Dynamische processen zijn vaak onomkeerbaar en bepalen daarmee een richting in de tijd. Deze eigenschap is echter macroscopisch van aard en hangt nauw samen met het begrip entropie. De onderliggende microscopische vergelijkingen, zoals die van Newton en Maxwell, zijn namelijk symmetrisch onder omkering van de tijdrichting. Ze beschrijven omkeerbare processen. Als we de snelheden van alle deeltjes omkeren doorlopen we het dynamisch proces in omgekeerde richting en dat omgekeerde proces is ook een oplossing van de vergelijkingen. Maar bij het middelen over de mogelijke toestanden van de individuele deeltjes verruilen we microscopische informatie voor macroscopische zoals temperatuur,

druk en entropie. Het is in dit middelingsproces dat de richting van de tijd een objectieve macroscopische betekenis krijgt. Het zo 챘 ven beschreven mengproces van twee soorten bonen defini 챘 erd een unieke tijdrichting. De statistische mechanica illustreert ook hier dat het collectief eigenschappen heeft, die op het niveau van het individu niet te duiden zijn.

De fysica voltooid?

Aan het eind van de 19de eeuw leek het of de natuurkunde afstevende op zijn definitieve voltooiing, alle waargenomen verschijnselen bevestigden de toen bekende fundamentele wetten. Het resterende probleem leek slechts nog het verder oplossen van de corresponderende wiskundige vergelijkingen te zijn. Het menselijk vernuft had gezegevierd over de chaos van de ons omringende materi 챘 le werkelijkheid. Men had de regels waarmee in principe de toekomst eenduidig kon worden vastgelegd in handen. Het enige wat ons nog vermocht te verbazen was de willekeur van de begintoestand.

Het heeft niet zo mogen zijn. In de eerste decennia van deze eeuw barstte de hel weer los en leek chaos weer toe te slaan. Dit was aanleiding tot twee radicale keerpunten in ons denken over de natuur: de relativiteitstheorie en de quantummechanica. De reden dat deze revoluties zo lang op zich hebben laten wachten is dat beiden betrekking hebben op verschijnselen die buiten het gebied van onze directe zintuiglijke ervaring liggen. Voornoemde theorie 챘 n geven een belangwekkende verklaring en bestaansgrond voor de door ons waargenomen werkelijkheid. Maar ook in de wetenschap is er geen laatste woord en blijven we gevangen in de onvoltooid verleden tijd.

De ultieme confrontatie met onvoorspelbaarheid

Quantumrealiteit

De meest ingrijpende omwenteling in ons begrip bracht de quantummechanica te weeg . Het bleek dat de wetten van van de klassieke Newtonse mechanica voor processen op een microscopische schaal hun geldigheid verloren. Een drastische conceptuele revisie van ons denken over de fundamentele beschrijving van fysische processen was het gevolg: de de quantummechanica. Daarbij gaat het niet om een specifiek model maar om een zeer algemeen principe dat op alle fysische systemen van toepassing is. Een belangrijk kenmerk van de quantummechanica is de quantisatie of discretisatie van de toestanden waarin systemen zich kunnen bevinden. Het is verhelderend om dit aspect te illustreren aan een model voor een eenvoudig atoom. Dit atoom is een systeem van twee tegengestelde ladingen die elkaar aantrekken en dus om elkaar heen draaien. Volgens de klassieke natuurkunde zal dit eenvoudige systeem continu energie verliezen (d.m.v.electromagnetische straling) totdat de ladingen op elkaar vallen. M.a.w. het simpele model voor een atoom , waarbij electronen met negatieve lading om een positief geladen kern draaien, is klassiek gezien instabiel en is alszodanig onhoudbaar. In dit geval was het model van twee tegengestelde ladingen wel juist en bleek de tegenspraak een gevolg van het feit dat de wetten van de klassieke fysica niet geldig waren! In de quantum mechanica ligt dat anders, het systeem kan zich alleen in bepaalde discrete toestanden bevinden en het electron kan zich alleen in bepaalde banen rond de kern bewegen. Zo is er altijd een stabiele laagste energietoestand of grondtoestand. Wanneer het atoom overgaat van de ene discrete toestand naar een andere met lagere energie zendt het licht uit met een frequentie die correspondeert met het energie verschil tussen de beide toestanden. Omgekeerd is het zo dat als we hoogfrequent licht op een atoom

schijnen de electronen dit absorberen om vervolgens in hogere toestanden te gaan zitten. De energieniveaus zijn dus de primaire reden van het feit dat materialen een specifiek discreet spectrum van kleuren uitzenden. Voldoende hoogfrequent licht zal de electronen vrij maken van de kern en het atoom ioniseren. Het belangrijkste van de quantummmechanica is dat zij de verklaring geeft voor de stabiliteit en structuur van de atomen. De verklaring voor het periodieke systeem van de elementen. Deze stabiliteit betekent het bestaan van elementaire bouwstenen waarmee de natuur structuren kan opbouwen van een steeds grotere complexiteit. Atomaire en moleculaire stabiliteit is een absolute voorwaarde voor het bestaan van elke vorm van evolutie.

Onzekerheidsrelaties

De ultieme confrontatie met toeval en onvoorspelbaarheid vond plaats in het kader van de quantummechanica. De toestand waarin een deeltje zich bevindt wordt hier niet langer gegeven in termen van de positie en snelheid van dat deeltje, maar in termen van een "golffunctie", dat is een complexe functie van de positie en de tijd. De evolutie vergelijking voor de golffunctie is de bekende Schr 철 dinger vergelijking en deze neemt in de quantummechanica de plaats van de Newtonvergelijkingen in. Kennis van de golffunctie op een bepaald tijdstip legt de uitkomst van een meting van de dynamische variabelen van het deeltje - zeg de positie en de snelheid - niet uniek vast. De golfffunctie wordt ook wel waarschijnlijkheidsamplitude genoemd wanneer we de absolute waarde van de golffunctie kwadrateren krijgen we de waarschijnlijkheid dat het deeltje zich ten tijde t in de positie x bevindt. Het verbazingwekkende is dat wij op een fundamenteel niveau aan een deeltje niet tegelijkertijd een preciese positie x en snelheid v (of impuls p=mv) kunnen toekennen! Als we de onzekerheden in deze grootheden en noemen voldoen deze aan de onzekerheids relaties van Heisenberg die stellen dat hun produkt minimaal gelijk is aan de constante van Planck . Deze constante van Planck is in feite erg klein en daarom te verwaarlozen bij macroscopische beschouwingen, en zoals we uit ervaring maar al te goed weten is een klassieke beschrijving in dat geval adekwaat. Wij kunnen de positie en snelheid van een voetbal op een gegeven tijdstip beiden met grote precisie bepalen.

Een gevolg van de quantumbeschrijving is dat deeltjes zich ook als golven kunnen manifesteren, en eigenschappen vertonen zoals buiging en interferentie die we typisch met golfverschijnselen associ 챘 ren. Het is deze onderliggende deeltjes-golf dualiteit, die aanvankelijk vele vragen opwierp naar de werkelijkheidsgehalte en de volledigheid van de quantummechanische beschrijving. Juist het probabilistische karakter van de beschrijving in termen van de golffunctie - die zelf niet objectief meetbaar is - suggereerde dat er wellicht nog andere fundamentele dynamische variabelen - zogenaamde verborgen variabelen - het systeem karakteriseren en waarover wij niets weten. Gebrek aan gedetailleerde kennis zou de oorzaak van een statistisch gedrag kunnen zijn, net zoals dat in de statistische mechanica het geval was. De situatie is hier echter fundamenteel anders. Men heeft kunnen aantonen dat een theorie met locale verborgen variabelen onverenigbaar is met de waargenomen quantummechanische eigenschappen van de natuur. De quantumwerkelijkheid bevat een essentiele onbepaaldheid, waardoor onze naieve intuitie ten aanzien van fundamentele dynamische variabelen en processen ernstig te kort schiet. De essenti 챘 le verschillen tussen quantum en klassieke fysica zijn op onontkoombare wijze bevestigd in een zondvloed van experimenten die op bijna alle aspecten van de natuurkunde betrekking hebben.

Quantummechanica is een doctrine die fundamenteel indeterministisch is, maar die - paradoxaal genoeg - wel de grote vari 챘 teit aan stabiele vormen en structuur verklaart.

Van Chaos naar Kosmos: het dynamisch heelal

Relativiteit

Voor het ontstaan van de quantummechanica was er nog een belangrijke doorbraak die de klassieke natuurkunde van Newton op zijn grondvesten deed schudden. Dat was de ontwikkeling van de relativiteitstheorie , een theorie waarmee de naam van Einstein onverbrekelijk verbonden is.

In eerste instantie ging het om de speciale relativiteitstheorie, hierin werd gepostuleerd dat (i) fysische wetten voor waarnemers die eenparig ( met constante snelheid) tenopzichte van elkaar bewegen dezelfde vorm hebben en (ii) dat de lichtsnelheid in vacuum voor al zulke waarnemers dezelfde universele eindige waarde heeft. Deze laatste uitspraak staat haaks op onze alledaagse ervaring met het optellen van snelheden. Immers, wanneer iemand vanuit een rijdende trein een voorwerp naar mij toe gooit komt dat aan met een snelheid die de som is van de snelheid van de worp en de snelheid van de trein. Deze redenering gaat echter niet op voor licht, als voornoemd persoon een lamp aansteekt is het vreemde dat het licht voor de reiziger en voor mij dezelfde snelheid heeft! Waar de quantummechanica afrekent met onze naieve verwachtingen als we systemen op kleine afstandsschalen beschouwen, doet de relativiteitstheorie dat wanneer deeltjes snelheden hebben die vergelijkbaar zijn met die van het licht. De nieuwe bewegingsvergelijkingen breken in feite met het begrip van een absolute ruimte en tijd. We moeten uitgaan van een vierdimensionale ruimtetijd waarbij het onderscheid tussen dat we maken tussen wat we ruimte en tijd noemen afhangt van de bewegingstoestand van de waarnemer.

De later geformuleerde algemene relativiteitstheorie gaat nog een stap verder, daarin wordt de ruimtetijd zelf een dynamische variabele. De ruimte en tijd vormen niet langer een objectief kader waarbinnen zich fysische processen afspelen, maar nemen zelf actief deel aan die processen en worden door de wisselwerking met de aanwezige materie en straling voortdurend vervormd. De fysische manifestatie van die kromming in de ruimtetijd is niets anders dan de zwaartekracht. De algemene relativiteitstheorie geeft een geometrische interpretatie van gravitatie. Niet alleen geeft deze theorie de beschrijving van tal van subtiele gravitationele effecten welke experimenteel nauwkeurig gemeten zijn, maar ook geeft zij de dynamische beschrijving van zulke spectaculaire zaken als zwarte gaten en de kosmos als geheel. De Einsteinvergelijkingen zijn in feite de evolutievergelijkingen voor de ruimtetijd en vormen aldus de conceptuele basis voor de studie van het heelal als een dynamisch systeem. Op de vraag naar het ontstaan en de ontwikkelingsgang van de kosmos kan op een zinvolle en quantitatieve wijze worden ingegaan. Zo leerden waarnemingen in de twintiger jaren dat ons heelal uitdijend is. Door deze en andere waarnemingen in het kader van de Einsteinvergelijkingen te interpreteren kwam men uiteindelijk tot het moderne oerknal model voor de evolutie van heelal, waarin een oerfase van atomaire en moleculaire evolutie een belangrijk onderdeel vormt.

Het vroege heelal

Het belangrijkste gevolg van de quantumtheorie is dat zij de verklaring geeft voor de fundamentele architectuur van materie en daardoor ook voor de onvoorstelbare diversiteit van zijn verschijningsvormen. Wanneer we dit combineren met de kosmolgische vergelijkingen van de relativiteitstheorie ontstaat een model voor de evolutie van het zeer vroege heelal waarbij orde ontstaat uit chaos. In dit hete oerknal model begon het heelal zo'n 15 miljard jaar geleden in een toestand van extreem hoge dichtheid en extreem hoge temperatuur. Dit heelal dijde snel uit waardoor dichtheid en temperatuur continu afnamen. Bij het koelen van het heelal nam de gemiddelde energie per deeltje steeds verder af waardoor de elementaire deeltjes stabiele verbindingen konden gaan vormen volgens de quantummechanische principes. Materie kon zich in toenemende mate organiseren. In den beginne was er een toestand van totaal gestripte, ge 챦 oniseerde materie, een oersoep van de meest elementaire deeltjes typen zoals kwarks en electronen. Na voldoende expansie d.w.z. afkoeling groepeerden drietallen kwarks zich in zogenaamde protonen en neutronen die op hun beurt weer de bouwstenen van stabiele waterstof en helium kernen vormden. Vervolgens combineerden deze kernen zich met de aanwezige electronen tot stabiele, electrisch neutrale atomen, en werd het heelal doorzichtig (dus in den beginne was er dus geen licht, dat kwam pas na ongeveer 300.000 jaar).

Toen alle materie in een electrisch neutrale vorm aanwezig was werd op lang afstand de zwaartekracht overheersend: de neutrale materie ging samentrekken in dichte gaswolken waaruit uiteindelijk sterrenstelsels, sterren en planeten ontstonden. In het binnenste van sterren waren de condities zodanig (grote dichtheid en hoge temperatuur) dat door ingewikkelde ketens van kernfusieprocessen steeds ingewikkeldere zware kernen ontstonden (zoals zuurstof, koolstof en ijzer). In deze kern-evolutie. werd het bekende periodieke systeem van de stabiele elementen stap voor stap gerealiseerd. Sterren komen aan hun eind met een gigantische explosie (een supernova), waarbij de gevormde materie de ruimte in wordt geslingerd, waarna een nieuwe formatie poging kan aanvangen. Ons lichaam is dus opgebouwd uit atomen die ooit in het binnenste van een ster voor ons gebrouwen zijn! Bij verdere afkoeling vormden de atomen moleculen. weer later organiseerden de moleculen en atomen zich afhankelijk van de omstandigheden in vaste vorm als perfect geordende kristallen of meer amorfe stollings gesteenten. En zo konden de aardse omstandigheden zich uiteindelijk hier, maar vermoedelijk ook elders in het heelal voordoen. Het proces van moleculaire evolutie dat vooraf ging aan het onstaan van leven, kwam op gang.

De biologische evolutie

Op onze planeet bleken door een subtiel samenspel van factoren, de aanwezigheid van water, een atmosfeer bij een geschikte temperatuur, de omstandigheden zo te zijn dat zeer ingewikkeldere organische moleculen zich konden vormen en stabiliseren.In zeer korte tijd ontstonden structuren van een duizelingwekkende complexiteit, aminozuren en eiwitten; de bouwstenen van het leven dat 3.5 miljard jaar geleden ontstond (een miljard jaar na het ontstaan van de aarde). Zijn er metasfysische krachten aan het werk bij de totstandkoming van levende organismen, en het behoeden daarvan tegen het verval dat de entropiewet lijkt voor te schrijven. Ik zou denken van niet. Bij het ontstaan van complexe organismen wordt zonder twijfel een enorme orde geschapen als gevolg van de quantummechanische principes, de tweede hoofdwet van de thermodynamica zegt alleen dat de totale entropie van organisme plus omgeving zal toenemen. De afname van de entropie binnen het organisme wordt ruimschoots gecompenseerd door de toename in de omgeving, dit in de vorm van warmte die door het organisme geproduceerd en afgestaan wordt.

Het is opmerkelijk dat de wetenschap in zijn onderzoek naar de fundamentele structuur van de materie in feite de weg van de kosmische ontstaansgeschiedenis in de omgekeerde richting aflegt: van de levende natuur terug naar de kwarks waar de oersoep van gemaakt was.

Het moleculaire denken heeft via de genetica zijn intrede gedaan in de biologie. Met de ontdekking van de structuur van het DNA werd de sleutel gevonden tot het reproducerende vermogen van de levende cel. En daarmee tot het mechanisme van de evolutie. Enerzijds maakt de grote stabiliteit van het genetisch materiaal bij de normale vermenigvuldiging binnen het organisme (celdeling) de cel tot een universele bouwsteen voor steeds hogere organismen. Anderzijds treedt er voortdurend variatie op in het erfelijk materiaal, hetzij door mutatie, hetzij door het radicale recombinatiemechanisme van de voortplanting. Variatie garandeert een flexibele respons op een veranderende omgeving. Varianten die goed passen in de omgeving hebben betere overlevinskansen en worden geselecteerd en geprolongeerd wegens succes. De homo erectus is slechts 2 miljoen jaar oud. Het is verbazingwekkend dat de selectieve terugkoppeling van het evolutie mechanisme zo efficient is.

Toekomstscenarios

De evolutie is nu in een fase beland dat de biologische evolutie overschaduwd wordt door wat we een culturele en sociale evolutie noemen. De veranderingsprocessen in de mens lijken enorm versneld te zijn door hun vermogen om te leren en kennis over te dragen. Het is de evolutie van het bewustzijn die overheerst en die meer en meer bepaalt hoe onze toekomst eruit zal zien. We hebben duidelijk invloed op onze eigen culturele en morele evolutie. Vragen hoe onze geestelijke vermogens precies fysisch geimplementeerd zijn en welke factor zij vormen in onze genetische gesteldheid zijn van groot belang. Onderzoek naar het functioneren van geheugen en bewustzijn staan centraal in de wetenschap. Met de verbijsterende vooruitgang op het gebied van genetische kennis en manipulatie is de vraag zeker gerechtvaardigd of wij op een goed moment niet ook zelf het heft in handen zullen nemen bij de verdere biologische evolutie van de mens.

Hoe dan ook, de fysische condities die leven mogelijk maken op aarde, kunnen niet tot in de eeuwigheid voortduren . De dag dat de zon al zijn nucleaire brandstof verstookt heeft zal immers de laatste zijn. Wellicht behoort een massale emigratie naar een ander zonnestelsel tegen die tijd tot de mogelijkheden.

Tenslotte kunnen we ook vragen naar het ultieme lot van het heelal als geheel. Hierover geeft de relativiteitstheorie tot op zekere hoogte uitsluitsel. Wanneer er veel materie in het heelal is noemen we het heelal gesloten, d.w.z. dat het op een goede dag weer zal gaan inkrimpen en opwarmen. We gaan dan de omgekeerde weg: alles zal verbranden en gedoemd zijn in een finale Big Crunch. Wanneer er te weinig materie is om het heelal te sluiten zal het verder uitdijen, en is het mogelijk dat alle materie uiteindelijk zal vervallen in de lichtstdenkbare vorm van materie en lading. Tenslotte is er de interessante mogelijkheid dat er een critische hoeveelheid materie is die er voor zorgt dat ons heelal uiteindelijk precies op de grens tussen uitdijing en inkrimping balanceert. Schattingen van de totale massa in de vorm van zichtbare materie (sterren e.d.) suggereert dat er te weinig materie is om het heelal te sluiten. Daar staat tegenover dat er evidentie is dat niet alle materie ``zichtbaar'' is, de massa in ons heelal bestaat wellicht

voor het merendeel uit zogenaamde ``donkere materie'' die wel gevoelig is voor de zwaartekracht maar niet voor de electromagnetische wisselwerking.

Er zijn al met al dus sterke aanwijzingen dat de Kosmos terug zal keren tot Chaos. Zonde eigenlijk.

Conclusies

We zijn ingegaan op de lange geschiedenis van het begrip chaos in de fysica. Wanorde en onzekerheid kunnen tot op zekere hoogte onschadelijk gemaakt worden en hebben het formuleren van preciese vergelijkingen nooit echt in de weg gestaan. Het daarbij ontstane begrippenkader heeft ook buiten de fysica zijn nut bewezen, maar heeft ook zijn begrenzingen. De vraag of er aspecten van de werkelijkheid zijn, die zich niet lenen voor een wetenschappelijke analyse blijft gerechtvaardigd. We mogen ons echter ook verbazen over hoe ver de grenzen van ons begrip in de loop van luttele eeuwen zijn verlegd, en dat schept natuurlijk nieuwe verwachtingen.

Kristallisaties NAALDJES VAN KRISTALLEN(Dirk Draulans)

Als water bevriest, vormt het prachtige kristallen: sneeuw en ijs. 쨉

Polymeren en legeringen van metalen doen hetzelfde: als ze afgekoeld worden kristalliseren ze uit in vaak schitterende structuren.

Lang niet alles is bekend over de manier waarop de natuur deze kristallen organiseert, maar er wordt wel veel onderzoek naar verricht.

Natuurkundigen presenteren in het vakblad Nature Materials nu de resultaten van simulatieoefeningen in verband met de vorming van kristallen. Daaruit blijkt onder meer dat hoe meer onzuiverheden er in een vloeistof zitten, hoe ingewikkelder het kristalpatroon is dat bij afkoeling ontstaat.

Zelfs de incorporatie van die ongewenste deeltjes in de structuur volgt ijzeren wetmatigheden. Kristalvorming begint met piepkleine naaldjes die allemaal in dezelfde richting wijzen. Maar als zo'n kristalnaaldje op een onzuiverheid botst, moet het daar iets mee doen. En omdat de weg vooruit soms geblokkeerd is, moet het naaldje een andere richting kiezen, wat dan een vertakking oplevert. Die vervolgens evolueert volgens dezelfde wetten als het origineel voor de vervuiler in het spel kwam.

Ook het afkoelen van de vloeistof tot een eind beneden zijn normale vriespunt levert extra vertakkingen op, zelfs in afwezigheid van onzuiverheden. Dat komt omdat de snelheid waarmee kristallen zich in een bepaalde richting draaien, in zulke omstandigheden lager is dan normaal. Waardoor er meer afwijkingen ontstaan.

Sneeuwvlokken onder de microscoop

Sneeuwvlok onder een microscoop. Foto: akirathedon.com

door Peter Zantingh

Wetenschap

Dat geen sneeuwvlok hetzelfde is, is inmiddels een weetje dat elke winter wel door iemand aangehaald wordt. Toch is het erg bijzonder dat veelbesproken onderwerp eens van heel erg dichtbij te bekijken.

Foto’s van akirathedon.com.

Sneeuwkristallen betrapt

-erbehttp://www.kennislink.nl/publicaties/sneeuwkristallen-betrapt

SAMENVATTING Wat wit uit de winterhemel dwarrelt, is vaak het onderwerp van intensief speurwerk geweest. Hoe worden sneeuwkristallen gevormd en hoe komt het dat ze zo vaak verschillen? Om dergelijke vragen op te lossen, was het eerst nodig een methode te vinden om ze te vangen. Carl KoppeschaarKennislink (ism Carl Koppeschaar)09 januari 2003

Wat wit uit de winterhemel dwarrelt, is vaak het onderwerp van intensief speurwerk geweest. Hoe worden sneeuwkristallen gevormd en hoe komt het dat ze zo vaak verschillen? Om dergelijke vragen op te lossen, was het eerst nodig een methode te vinden om ze te vangen.

Als hij ze voor het eerst ziet vallen, springt Charles Knight een gat in de lucht. Wat aanvankelijk heel aarzelend begint als het neerdwarrelen van een fijn, wit poeder, groeit al snel uit tot een echte, gierende sneeuwstorm. De winter is in de Rocky Mountains al een maand geleden begonnen. Maar tot nog toe was er geen sneeuwvlok gevallen. Knight aarzelt dan ook geen moment. Hij rent naar zijn laboratorium, grijpt onderweg naar een dikke jas en bereikt hijgend het vreemde gebouw met een gat in het dak.

“Dat gat zit er niet voor niets, maar dat zul je straks wel zien,” merkt Knight buiten adem op. In de tussentijd zet hij een bivakmuts op en is druk in de weer ondiepe, glazen schaaltjes te vullen met hexaan. Dat is een vloeistof die zich niet met water mengt en die bovendien bij zeer lage temperatuur bevriest. Pas dan valt het op hoe koud het in het laboratorium eigenlijk is. Het is niets anders dan een reusachtige koelcel, waarin de temperatuur constant op -15oC wordt gehouden! Als Knight de schaaltjes voorzichtig onder het gat in het dak plaatst, wacht hij vol spanning tot er een sneeuwvlok in valt. Daarna labelt hij de schaaltjes met datum en tijdstip, en vervangt ze stuk voor stuk. “Zo bewaar is sneeuwvlokken dagenlang,” legt hij – nog steeds minutieus naar de schaaltjes turend – uit. “Op een later tijdstip haal ik ze voorzichtig uit elkaar. Kristal voor kristal, en

die fotografeer ik onder een microscoop. Nog vóórdat zo’n sneeuwkristal smelt, is zijn structuur dan voor altijd vastgelegd.”

Charles Knight is meteoroloog, verbonden aan het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado.

Al jarenlang probeert hij een verband te zoeken tussen de vorm van een sneeuwkristal, het type weer en het tijdstip van de val uit de wolk. Dat hij daarbij maar stukje bij beetje, winter voor winter, verder komt, deert hem niet.

“Uit de structuur van een sneeuwkristal is al voor een groot deel af te leiden onder welke condities de sneeuw is ontstaan,” zegt Knight.

“Ook kunnen we ons een tamelijk goede voorstelling maken van de manier waarop het basistype sneeuwwolk zich ontwikkelt. Voor het ontstaan van sneeuw zijn in ieder geval vrieskernen nodig: kernen, waar zich sneeuwkristallen omheen vormen. Dat zijn meestal kleideeltjes of stofjes. Maar het kunnen ook minuscule zoutkristallen uit een woelige branding zijn. Of roet en teer, en zwaveldioxide uit industriële vervuiling of afkomstig van een bosbrand. Zelfs bacteriën kunnen – zo ontdekte Steven Lindow van de Universiteit van Wisconsin eind vorige eeuw – sneeuwbuien veroorzaken. Zo vullen we langzaam maar zeker de hiaten van onze kennis in.”

Sneeuwbuien, ontstaan door het toedoen van bacteri 챘 n?

E 챕 n van de praktische toepassingen van het onderzoek van sneeuwkundigen als Lindow en Knight is het maken van kunstmatige sneeuw met behulp van bacteri 챘 n. Op skipistes gebeurde dat normaal met samengeperste lucht en sterk onderkoelde waterdruppels. Het nadeel daarvan is dat het mengsel eerst tot -10oC moet worden gekoeld voordat de sneeuw zich uitkristalliseert. Maar sinds is ontdekt dat de bacterie Pseudomonas syringae in zijn buitenste membraan een eiwit aanmaakt dat de kristalvorming van ijs bevordert, worden tegenwoordig ook gevriesdroogde bacteri 챘 n aan de sneeuwkanonnen toegevoegd.

De temperatuur waarbij de kunstmatig opgewekte sneeuw kan worden gemaakt, is daardoor toegenomen tot -3oC.

De bacteri 챘 n worden onder de handelsnaam Snomax op de markt gebracht. Een gemiddeld wintersportgebied heeft 100 tot 500 kg bacteri 챘 n nodig heeft om in 챕챕 n seizoen 400 miljoen liter water om te zetten in kunstmatige sneeuw.

Zijn er ook gevaren verbonden aan het gebruik van bacteri 챘 le sneeuw?

Bacteriologen zeggen van niet. Pseudomonas syringae komt zo veelvuldig voor dat gemiddeld 40 organismen van worden aangetroffen in elke kubieke meter lucht op de wereld. Een enkel tomatenblad huisvest soms wel 10 miljard van deze bacteri 챘 n. Een studie verricht in opdracht van de Canadese regering wees uit dat als alle Canadese ski resorts gebruik zouden maken van Snomax, het aantal levende bacteri 챘 n dat zou vrijkomen niet meer zou zijn dan het gewone aantal op 100 blaadjes van een tomatenveld. Het product wordt daarom nu overal ter wereld toegepast.

Maar nu terug naar de sneeuwkristallen zelf. Want daarvan bestaan zeer veel vormen, waarvan een groot aantal inmiddels fotografisch is vastgelegd.

Het leeuwendeel daarvan is zespuntig of zeshoekig, zoals al in de winter van 1610 door de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler werd opgemerkt.

Floculi sexanguli villosis radiis noemde hij ze: zeshoekige vlokjes, met van haartjes voorziene stralen. Kepler liep in die tijd door de straten van Praag en werd gekweld door de gedachte nog geen passend nieuwjaarsgeschenk voor de keizer, zijn opdrachtgever, te hebben gevonden. Het sneeuwde, en de sneeuwvlokken vielen op Keplers jas. Die zag nu een ideale mogelijkheid zijn verplichting tegenover de keizer na te komen door het aanbieden van een verhandeling over de zeshoekige sneeuwvlok.

Keplers idee was dat de regelmatige, zeshoekige vorm van sneeuwkristallen misschien iets te maken kon hebben met andere regelmatige zeshoeken die in de natuur voorkomen. Dat was nog niet eens zo slecht bedacht, want tegenwoordig is bekend dat inderdaad veel kristallen zeshoekige vormen kennen, waaraan de hexagonale (zeshoekige) bolstapeling ten grondslag ligt. Leg in een vlak immers zeven bollen zo dicht mogelijk, en symmetrisch tegen elkaar. Dan is er één bol in het midden, en zijn er zes omheen. Sneeuw heeft echter weinig met bolstapeling te maken. Watermoleculen (H2O) zijn geen bollen. Het zijn eerder driehoekige lichaampjes. Bovendien bestaat er ook sneeuw in de vorm van rechthoekige prisma’s. Al vallen die door hun eenvoudige vorm veel minder op dan het prachtige, zespuntige kristal.

“Zijt gij doordrongen tot de schatkamers van de sneeuw, en hebt gij de schatkamers van de hagel gezien?” vraagt de Bijbel zich af in Job 38:22.

In 1885 was het de Amerikaan Wilson A. Bentley die daadwerkelijk de schatkamers van sneeuw en ijs binnentrad.

Hij koppelde zijn camera via een rekbare balg aan een microscoop met een kleine vergrotingsfactor (sneeuwkristallen zijn 챕챕 n tot tien millimeter in doorsnede), en die hele opstelling bracht hij buiten op een beschutte plek. Op een stuk zwart karton ving hij wat vlokken op. Die bracht hij zo snel mogelijk in veiligheid, buiten het bereik van de wind. Met een vergrootglas bekeek hij of er interessante kristallen tussen zaten. Als dat het geval was, peuterde hij met een splinter een exemplaar los, en bracht dat over op een stuk microscopeerglas. Dit werd voor de cameraopstelling geplaatst, met de wolkenlucht als achtergrond. De cameralens werd ongeveer twintig seconden opengezet (in die tijd was de filmgevoeligheid nog minimaal). Zo ontstonden 챕챕 n voor 챕챕 n de fotografische indrukken. Na 45 winters van onafgebroken fotograferen publiceerde Bentley in 1931 zijn klassiek geworden Snow Crystals. In dat boek staan bijna 2500 verschillende sneeuwkristallen.

Wilson A. Bentley bij zijn camera-opstelling voor het fotograferen van sneeuwkristallen.

Bentley was verre van een theoreticus. Maar aan de hand van zijn werk konden sneeuwkristallen eindelijk in soorten en groepen worden gerubriceerd.

Zo blijken bij wolkentemperaturen van 0oC tot -3oC bijna uitsluitend dunne, zeshoekige plaatjes te ontstaan. Bij -3oC tot -5 oC dwarrelen fijne naaldjes op het aardoppervlak neer. Bij -8oC tot -12oC zien we weer zeshoekige plaatjes.

Alleen de sneeuw die geboren wordt bij -12oC tot -16oC is veel uitbundiger van vorm.

Zoiets speelt zich meestal af in het voorste front van een sneeuwbui, en dan vallen de prachtigste, langs zes punten vertakte sterren naar beneden.

Bij nog lagere temperaturen wordt de relatieve luchtvochtigheid te laag en is er nog maar weinig waterdamp voorhanden om de kristallen te versieren.

Van -16oC tot -25oC zien we daarom weer zeshoekige plaatjes, en van -25oC tot -50oC eenvoudige, holle prisma’s.

Op Antarctica, waar de temperatuur aan het oppervlak vaak beneden –50oC daalt, zweven in de winter voortdurend ijskolommetjes en – naaldjes door de lucht.

Zuidpoolonderzoekers noemen dit gewoonlijk ‘diamantstof’ vanwege de glinstering en vanwege het striemende karakter van de kristalletjes als plotseling de wind opsteekt.

Indeling van de belangrijkste typen sneeuw en hun meteorologisch symbool. klik op afbeelding voor vergroting

Het sterk vertakte kristal hierboven maakte een geleidelijke val en kon daardoor uitgroeien tot een prachtige boomstructuur of dendriet.

Een dun, zeshoekig sneeuwplaatje, onstaan bij een wolkentemperatuur van 0oC tot –3oC.

Elk sneeuwkristal verraadt zijn herkomst door zijn typische structuur.Dit puntige kristal viel door een zeer koude wolk met een sterke thermiek. De vorm veranderde telkens van afgeplat tot naaldachtig.

Elke sneeuwvlok bestaat uit tientallen kristallen. Een sneeuwvlok van 4 cm in doorsnede bevat er zo’n tienduizend. En dan hebben we het nog niet eens over de reuzenvlokken die soms in Siberië vallen.

Die hebben doorsneden van zo’n 12 cm!

Het wereldrecord staat op naam een vlok die in 1971 in het Siberische Bratsk viel.

De vlok had een afmeting van 20 bij 30 centimeter en was dus ongeveer zo groot als een stuk briefpapier van A4-formaat. Vermoedelijk kwam hij die vlok met een plof op de grond.

Kan iedereen sneeuwkristallen uit vlokken halen en die bestuderen?

Sneeuwkristallen zijn heel gevoelig voor warmte en smelten bij de geringste aanraking of verkeerde richting van de adem.

Vincent J. Schaefer van het Atmospheric Sciences Research Center in Albany, New York, had daar al in 1941 iets op gevonden. Hij gebruikte een 챕챕 n- tot tweeprocents oplossing van polyvinylformal in 1,2 dichloorethyleen en kreeg zo een vloeibare, maar snel uithardende plastic.

Sneeuwkristallen die op een microscopeerglaasje met het mengsel werden gelegd en nog met een klein druppeltje ervan werden bedekt, gaven zo een perfecte afdruk. “Gesandwiched tussen de dunne laagjes plastic smolten de kristallen en verdampten toen totaal,” schreef Schaefer. “Zo bleef er een permanente afdruk van hun structuur bewaard. Vanaf dat moment waren de kristallen voor altijd van mij.” Tegenwoordig wordt door sneeuwfotografen ook wel haarlak op aërosolbasis gebruikt, die (afgekoeld op buitentemperatuur) op het glas van een diaraampje wordt gespoten. Als daarop een

sneeuwkristal wordt gelegd en vervolgens met nog een laagje haarlak wordt bespoten, krijgen zij eenzelfde resultaat.

Rest nog steeds de vraag

waarom sneeuwkristallen voor het merendeel zeshoekig zijn.

Daarover zijn de meningen verdeeld. Sommigen wijten het aan de zesvoudige structuur die ontstaat onder invloed van de zuurstofatomen in de watermoleculen. Anderen wijzen erop dat er ook driehoekige kristallen bestaan en dat het sneeuwkristal als gevolg van de drie-atomige opbouw van het watermolecuul in het diepst van zijn wezen drietallig is. In dat geval zouden de zeshoeken en zespunters opgebouwd zijn uit tw 챕챕 vrieskernen die in een vroeg stadium aan elkaar zijn verkleefd en gezamenlijk verder zijn uitgegroeid. Elke winter weer dwarrelen ze als Siamese tweelingen naar beneden.

Eric Erbe en W.P. Wergin van het Amerikaanse Henry A. WallaceBeltsville Agricultural Research Center-East, Plant Sciences Institute, fotografeerden sneeuwkristallen met een elektronenmicroscoop. Zij legden sneeuwkristallen in hun

meest fantastische vormen vast.

Foto van een sneeuwkristal (dendriet) gemaakt met een elektronenmicroscoop (vergroting 450×). Rechtsboven in de afbeelding is een lichtmicroscoopopname van eenzelfde soort kristal te zien. Courtesy: Eric F. Erbe / www.anri.barc.usda.gov/emusnow/

Foto van een sneeuwkristal (zeshoekig plaatje) gemaakt met een elektronenmicroscoop.Courtesy: Eric F. Erbe / www.anri.barc.usda.gov/emusnow/

Sneeuwkristallen:

Snow CrystalsFascination of Snow CrystalsElectron Microscope Unit ShowObservations of Snow Cover from the Ground and SpaceSnow FlakesSnow ScienceThe Science of SnowPhoto’s of Snow Crystals

Kunstmatige maken van sneeuwkristallen:

Making snow crystals in the class roomCharged-Up Ice Crystals

Bewaren van sneeuwkristallen:

Preserving Snow Crystals

Sneeuwval:

Sneeuwkenners aan de bal - waarom sneeuw soms wel, soms niet plakt (Kennislink artikel)Het vallen van sneeuwHet weer nader verklaard: sneeuw

Sneeuwkristallen op Mars:

Structure of Carbon Dioxide Crystals (Martian Frost)

From Earth to Mars: Carbon Dioxide Crystals help Interplanetary StudiesCO2 Crystals on Mars //

http://www.atoptics.co.uk/halo/owco2xt.htm

Sneeuwvlokken en kunstenaars

http://whyevolutionistrue.wordpress.com/2009/12/29/christmas-science-corrective-stop-designer-snowflakes/

Sneeuwvlokken bomvol schadelijke bacterieën

29 februari 2008

De bacterie die vriesschade op planten veroorzaakt, speelt een belangrijke rol bij de vorming van druppels en sneeuwkristallen in wolken. Een onderzoek naar verse sneeuw doet vermoeden dat 'bio-neerslag' veel gewoner is dan werd aangenomen.

Bij de vorming van sneeuw spelen bacteri 챘 n een belangrijke rol

Dat schrijven microbiologen aan de Louisiana State University in Baton Rouge in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

De groep onderzoekers onder leiding van Brent Christner is erin geslaagd de bacterie te ontdekken in sneeuwmonsters die genomen zijn op diverse locaties in Noord-Amerika, Europa en Antarctica.

TemperatuurVan twintig verschillende, gefilterde sneeuwmonsters is onderzocht bij welke temperatuur de deeltjes die in het filter achterbleven, zuiver water konden laten bevriezen. Die temperatuur zegt iets over de neerslag: sneeuw die levende organismen bevat kan water bij een hogere temperatuur laten bevriezen dan sneeuw die minerale stoffen bevat.

Het resultaat van de analyse is dat in sommige monsters 85 procent van de deeltjes waarschijnlijk biologisch van oorsprong is. Zelfs op Antarctica werden bacteri 챘 n in de sneeuw aangetroffen, al waren het er minder dan in bijvoorbeeld Frankrijk.

Droogte of plantenziektes?De bacterieën zijn in staat om ijskristallen te vormen bij temperaturen dichtbij het vriespunt. Dat micro-organismen in wolken werken als kiem, werd al langer vermoed. Het is echter nooit gelukt om ze in een wolk zichbaar te maken.

Vervelend is dat een meerderheid van die bacterieën blijkt te behoren tot de soort Pseudomonas syringae, die ziektes veroorzaakt in verschillende gewassen. De vraag dringt zich nu wat het verstandigste is: de bacterie bestrijden en droogte riskeren, of hem koesteren en plantenziektes riskeren?

ZELFORGANISATIE Scheikundigen verdringen zich rond het raadsel

van het levenKatalyse/Henk Klomp

Illustraties/Engel VrielingFoto's/Bart van Overbeeke

Overgenomen uit Cursor TU/e d.d. 7 december 2001

http://www.fractal.org/Fractal-Research-and-Products/Levenselixer.htm

Stop mineralen in een reageerbuis en wacht ... Het duurt misschien wel even -om precies te zijn al snel miljarden jaren- maar waarschijnlijk ontstaat dan iets dat je leven kunt noemen. Ooit vormden zich immers slimme clusters van moleculen uit

'dode' materie die zichzelf leerden vermenigvuldigen: de cel. Zelforganisatie en zelfreplicatie van moleculen in de reageerbuis zijn dan ook al een tijdje de heilige

graal voor scheikundigen.

"Onze huidige chemische industrie", zegt prof.dr. Rutger van Santen, rector magnificus van de TU/e en initiator van de top-onderzoekschool Katalyse, "is primitief als je ziet wat de allersimpelste cel kan. De industrie maakt al snel tien keer zoveel afval als het product waar het om te doen is, de cel nauwelijks. Sommige katalysatoren in de cel werken een miljoen keer preciezer dan de allerbeste kunstmatige. En in de fabriek moet vaak bij hoge temperatuur, druk en zuurgraad worden gewerkt, terwijl de cel al werkt bij kamertemperatuur, normale druk en in neutraal water."Daarom moeten de Nederlandse scheikundigen volgens Van Santen

vaker meekijken over de schouders van de moleculair biologen. Sterker nog, de toponderzoekschool Katalyse, goed voor 43 miljoen en een samenwerkingsverband tussen zes universiteiten naast de TU/e, moet terug naar de natuur. Recent kozen de scheikundigen eensgezind voor meer biologisch ge 챦 nspireerde chemie. In de school werken zowel organische scheikundigen, ontwerpers van homogene katalysatoren (katalysatoren die gewoon tussen de deeltjes in de gassen en vloeistoffen zitten) als bedenkers van heterogene katalysatoren (katalysatoren in een poeder of op een oppervlakte waaraan deeltjes adsorberen) samen."Onze droom is een kunstmatige cel", zegt Van Santen. "Belangrijk daarvoor is een 'mal' die zichzelf kan vermenigvuldigen. De mal bepaalt de structuur van kristallen met hele kleine pori 챘 n."Bij die kristallen denkt Van Santen vooral aan de poreuze poeders van kiezel (silica) die soms metaaldeeltjes bevatten, de zogeheten zeolieten. Zeolieten -Grieks voor kokende steen- ontlenen hun naam aan het verschijnsel dat ze gaan stomen als je ze opwarmt. Het water dat erin zit, verdampt dan. Zeolieten zijn een soort moleculaire zeven. Ze kunnen alcohol in benzine omzetten, water ontharden, zuurstof en stikstof uit lucht vangen en het octaangetal van benzine opvoeren. "Ze zijn keihard en tegen hitte, hoge druk en zuurgraad bestand", zegt Van Santen. "Daarom zijn ze bruikbaar in fabrieken, maar zitten ze ook in waspoeder. Met goede zeolieten kan de 'stofwisseling' van de maatschappij steeds meer gaan lijken op die van een cel: zuinig en minder vervuilend."

VoorsprongOndertussen hebben scheikundigen en biologen in Eindhoven en Groningen al een voorsprong genomen op de nieuwe wending van de scheikundigen. Ze laten zich inspireren door de natuur bij het maken van mallen. Hard materiaal dat 'zeeft' en vanuit het piepkleine groeit op een mal, maakt de natuur namelijk in overvloed. Botten en schelpen zijn hier voorbeelden van. "Vooral natuurlijk silica is zeer bruikbaar voor de industrie", vertelt dr. Engel Vrieling van de Rijksuniversiteit Groningen. "Dat lijkt veel op nieuwe zeolieten van het zogeheten MCM-type. Het natuurlijke silica is superieur aan wat de mens kan maken: de pori 챘 n, groeven en kanalen zijn veel regelmatiger. Bovendien maakt de natuur 'zeven' met pori 챘 n uiteenlopend van enkele nanometers tot micrometers. De industrie komt met een ingewikkeld geheim recept niet verder dan 챕챕n type met pori 챘 n tussen 챕챕 n en acht nanometer."Silica (chemische formule SiO2) is het hoofdbestanddeel van kwarts, zand, zandsteen, klei en graniet. Ook verf, rubber, glas, tandpasta en wasmiddel zit vol met silica. Goede silica-zeven kunnen tot veel betere katalysatoren in de chemische industrie leiden. Bij Antarctica ligt een honderd meter dikke laag silica op de bodem, een hoeveelheid waarvan de chemische industrie alleen zou durven dromen. Erg bruikbaar is dit echter voor de industrie niet door de tand des tijds: andere mineralen hebben zich er mee vermengd en een deel loste weer in het zeewater op.De natuurlijke fabriekjes van silica zijn zogeheten diatomee 챘 n, eencelligen die in meren, rivieren, zee 챘 n en oceanen onder de zon groeien (het 'gras van de zee'). Ze vormen een vreemde 'eend' in de evolutie-bijt. Kozen bijna alle andere organismes voor kalk als 'skeletstof', de diatomee 챘 n schermen zich van hun omgeving af in een doosje van silica. De algjes maken het silica uit in water opgeloste monomeren die door de cel worden opgenomen."We willen de mallen van de algjes vinden en kunstmatig namaken", zegt dr.ir. Theo Beelen van de Technische Universiteit Eindhoven. "Je zou natuurlijk ook gewoon massa's diatomee 챘 n kunnen kweken en daaruit het silicapoeder kunnen zuiveren. Echter, doe je het zo, dan kost het al snel tienduizend gulden per gram; de industrie heeft kilogrammen nodig voor een paar gulden."

BouwstenenMet röntgenstraling uit de synchroton in Grenoble ontdekten de onderzoekers al hoe een aantal cruciale stoffen uit de algencel werkt. Deze stoffen werden gedestilleerd uit de celwand. "Je moet je bij de 'mal' geen plaat voorstellen met gaatjes en bobbels, waar silica geordend op gaat zitten", vertelt TU/e-onderzoeker Qianyao Sun. "Dat is ook wel logisch, want de verantwoordelijke organische stoffen zijn al snel honderd keer zo klein als de bouwstenen van het silica. De diatomee 챘 n gebruiken een soort micellen, conglomeraten van macromoleculen, waarop het silica mineraliseert. Ten dele lossen

deze in water op, ten dele zijn ze vast. We ontdekten twee delen in het micel waar zulke scheiding van fase optreedt."Beelen bootste het proces ondertussen in het laboratorium na. Dat heeft al het een en ander opgeleverd. "De geheime recepten uit de industrie lijken toch een beetje op 'bij volle maan drie rondjes om de kerk maken en vervolgens bidden'", vindt Beelen. "We bootsen die fase-scheiding na met het goedkope plastic PEG -het centrale bestanddeel van bind-weefsel- gemengd met een waterafstotende stof. Stoppen we dit bij opgelost silica, dan ontstaan een soort geldruppels met daarin het harde silica. Zo krijgen we al een vari 챘 teit aan silicapoeders die verschillen in poriestructuur. Stel je de concentraties iets anders in, dan krijg je hele andere structuren.""Zo maakten we bijvoorbeeld holle kogels van silica waar precies een geneesmiddel in past", gaat Sun verder. "Allemaal even groot en in 챕챕 n processtap. De kogels kun je op een bepaalde plek in het lichaam laten openspringen, zodat je bijwerkingen voorkomt en het geneesmiddel effectiever maakt."

OngrijpbaarToch blijft de exacte 'blauwdruk' van silicazeven nog ongrijpbaar. "Een cel kan immers geen potje polymeer bestellen", zegt Beelen. In die biologische blauwdruk ligt het geheim voor de exacte aanmaak van silicastructuren besloten. De reden bijvoorbeeld waarom alle tienduizend verschillende soorten diatomee 챘 n tienduizend verschillende silicazeven maken.Prof. Dani 챘 l Morse in de Verenigde Staten lijkt wel wat op het spoor te zijn. Zijn groep ontdekte recent eiwitten in de stekels van een andere silicamaker, een spons. Deze eiwitten bevatten waarschijnlijk ook ergens tussen hun honderdduizenden aminozuren de blauwdruk voor de silicastructuur. Ook is er een plek op het eiwit die ervoor blijkt te zorgen dat silica inderdaad gaat polymeriseren. Morse ontdekte tevens waar op de eiwitten de actieve delen zitten: sommige net iets gemodificeerde varianten brengen de mineralisatie niet meer tot een goed eind.De Eindhovenaren en Groningers willen die kostbare eiwitten -챕챕 n gram kost al snel vijfduizend gulden- van Morse gebruiken bij hun metingen in Grenoble. "Wellicht verzorgen die actieve plekken precies de fasescheiding die we hebben gezien. Als dit klopt, weten we welke structuren we moeten nabootsen. Dit najaar gaan we bij Morse op bezoek."Hebben de scheikundigen dadelijk de goede mal te pakken, dan kunnen ze betere zeolieten maken. "In de bestaande zeolieten gaan de omzettingen namelijk traag en onder hoge druk", zegt Beelen. "Alle pori 챘 n zijn heel erg nauw, in de orde van nanometers. Het duurt daarom erg lang voordat een stof door de zeef heen is: hij moet steeds van het ene vrije plekje naar het andere springen. Dat lukt alleen als de stoffen als het ware door de zeef heen geperst worden. In silica met grotere pori 챘 n kun je stukjes zeoliet z 처 inbouwen dat elk stofje snel in de miniporie van het zeoliet zit en er ook weer snel uit is."

Maar zelfs met de goede mal kunnen scheikundigen nog lang niet wat de natuur kan. In de natuur vermenigvuldigen cellen zich namelijk en schroeven zo de productie van silica op tot gigatonnen per jaar. Wil iedereen straks betere zeolieten in zijn waspoeder dan moet de chemische industrie dat ook kunnen.Iets dergelijks zou wel lukken bij een 'mal' die zich in de reageerbuis vermenigvuldigt. Maar wie kloont als eerste een macromolecuul?Genen kunnen biotechnologen al lang klonen. Met behulp van de zogeheten PCR-techniek stellen rechercheurs uit een haar, bloedspoor of stukje bot de identiteit van een slachtoffer of van een dader vast. In het forensisch laboratorium vermenigvuldigen onderzoekers hiervoor genen miljoenen keren. Een bacterie-enzym doet het plakwerk. Elke ronde van vermenigvuldiging van strengen komt neer op het verhitten en afkoelen van de reageerbuis. Doe je dit goed, dan groeit het aantal kopie 챘 n exponentieel per ronde, van 2 naar 4, van 4 naar 16, van 16 naar 256, enzovoort."Ik heb wel een voorstel voor PCR met moleculen", zegt TU/e-hoogleraar prof.dr. Bert Meijer. "Maar dat is nog niet meer dan een project dat nog moet gebeuren. De onderzoeker die het gaat doen, moet zich namelijk nog aanmelden." "Als ik niet per se na mijn promotie naar het buitenland had gewild", zo vertelt oud-Eindhovenaar dr.ir. Luc Brunsveld vanuit Duitsland, "dan had ik dat wel willen doen. Het is namelijk een ijzersterk

idee."Vorig jaar maakten Brunsveld en dr.ir. Ky Hirschberg een kunstmatig deeltje dat in vorm sterk op een DNA-streng lijkt. "In water richt dat namaak-DNA zich als een helix op, linksomdraaiend of rechtsomdraaiend. We haalden toen Nature."E 챕 n DNA-streng bestaat uit een keten van bouwstenen, zogeheten monomeren. Deze zitten met chemische bindingen aan elkaar. In de celkern hechten twee DNA-strengen zich aan elkaar die precies op elkaar passen. Deze strengen vormen samen een wenteltrap. Deze strengen zitten niet met chemische bindingen, maar met waterstofbruggen aan elkaar. Het spelen met waterstofbruggen is 챕챕 n van de belangrijkste trucs van de cel. De chemie met waterstofbruggen is namelijk omkeerbaar: alles wat zo vastklikt, kan ook weer worden losgeklikt. Kortom: ideaal voor een molecuul als DNA dat steeds moet worden afgelezen.

WisselgeldHet namaak-DNA lijkt eerder op een rol wisselgeld dan op een wenteltrap. Elk monomeer bestaat namelijk uit twee door het midden gesneden dubbeltjes, die met een touwtje aan elkaar vastzitten. De halve dubbeltjes zijn vast te klikken met waterstofbruggen, waarna ze een 'heel dubbeltje' vormen. Dat vastklikken gebeurt als je de monomeren in chloroform stopt. Stop je ze hierna in water dan gaan alle dubbeltjes recht boven elkaar hangen, zoals een rol wisselgeld. Het aantal dubbeltjes boven elkaar is te regelen door goede concentraties oplossingen te kiezen. "De kunst is nu", vertelt Brunsveld, "de 'vaste' touwtjes als het ware los te knippen en ze te vervangen door twee touwtjes die op commando razendsnel aan elkaar gaan kleven. Dat moet gebeuren als de dubbeltjes in water recht boven elkaar hangen."Dit vastlijmen, in vaktermen polymeriseren, kan met een chemische staart met een snel reagerend elektrisch deeltje (een radicaal). Lukt dit, dan vormen ze de touwtjes tussen de dubbeltjes. Zo zorgt de polymerisatie ervoor dat er twee moleculen ontstaan, die net als twee DNA-strengen aan elkaar vastzitten met waterstofbruggen."Daarna kun je net als bij het klonen van DNA het molecuul verhitten en koelen", zegt Brunsveld. "Bij verhitting springen de waterstofbruggen los en gaan de strengen uit elkaar. Daarnaast gaan losse halve dubbeltjes uit de vloeistof op de vrije plaatsen zitten. Vervolgens koel je weer af en start opnieuw de polymerisatie. Zo heb je van twee moleculen vier identieke moleculen gemaakt."Polymeernatuurkundigen in Eindhoven hebben deze zomer doorgerekend dat het op deze manier klonen van moleculen volgens de regels van de warmteleer zou moeten kunnen. "We hopen natuurlijk dat het zal werken, maar tot nu toe is het alleen maar een 'proof of principle'", zegt Meijer.

Het zal er de komende jaren dus om gaan spannen bij de toponderzoekschool Katalyse. Voeg een werkende mal van de anorganici voor silicazeven bij de kloontechniek van de organici en je krijgt iets dat begint te lijken op de 'algenfabrieken' voor silica. Het is kortom een stap op weg naar de kunstmatige cel. "In ieder geval", zo voorspelt Brunsveld, "zou PEG -'bind-weefselmateriaal via onze techniek te klonen moeten zijn." Dat PEG is hetzelfde materiaal dat de anorganici nu gebruiken om de mal van de algen mee na te bootsen

Het "vouwen" van eiweiten --->Peptide folding in non-aqueous environmentsspontane zelforganisatie van .... peptide etc ... https://dspace.ub.rug.nl/retrieve/30339/samenvat.pdf

HELIX in polymeren De onderzoeksresultaten van ir. Ky Hirschberg, AIO bij de vakgroep Macromoleculaire en Organische Chemie,

Hirschberg ontwikkelde een molecuul met een helix-structuur zoals die van DNA.Het is de eerste keer dat dit gesynthetiseerde molecuul ook in water zijn structuur behoudt. Het onderzoek begon in 1997 en werd geleid door prof.dr. Bert Meijer. De molecuul die Hirschberg creÎerde door middel van synthese heeft een structuur die lijkt op die van DNA. --->DNA bestaat uit twee ketens van polymeren. --->Polymeren zijn grote moleculen die zijn opgebouwd uit veel moleculaire eenheden (monomeren) die zichzelf telkens herhalen in een macromoleculairestructuur. ---> Doordat de zijgroepen aan de twee ketens aan elkaar hechten, zijn de polymeerketens om elkaar heen gewonden.Op deze manier ontstaat een wenteltrapachtige structuur die dubbele helix wordt genoemd.

Hirschberg heeft voor het eerst een structuur gesynthetiseerd die zichzelf opvouwt als een wenteltrap en deze vorm blijft ook behouden in water.

Bijzonder Waterstofbruggen vormen de verbinding in de moleculen. ----> Door de hydrofobe interactie die plaatsvindt op het moment dat de moleculen in het water komen, ontstaat een structuur die zich opvouwt in een helix. Het systeem is bijzonder, omdat zowel de lengte van de trap als de draairichting van de helix ingesteld kunnen worden. Door synthese kunnen deskundigen de natuur nabootsen. Daar houdt ook Hirschberg zich mee bezig.Momenteel worden in het laboratorium moleculen ontwikkeld die dezelfde structuur hebben als kraakbeen.

De onderzoeksresultaten vormen een soort basis voor onderzoekers die kijken hoe er in de praktijk gebruik gemaakt kan worden van de synthetische systemen en bij de ontwikkeling van "smart materials "

2000 Nature Publishing Group Nature 407, 167 - 170 (14 September 2000); Helical self-assembled polymers from cooperative stacking of hydrogen-bonded pairsJ. H. K. KY HIRSCHBERG, LUC BRUNSVELD, AISSA RAMZI, JEF A. J. M. VEKEMANS, RINT P. SIJBESMA & E. W. MEIJERLaboratory of Macromolecular and Organic Chemistry and Dutch Polymer Institute, Eindhoven University of Technology, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven, The NetherlandsCorrespondence and requests for materials should be addressed to E.W.M. (e-mail: E.W.Meijer@tue.nl).

The double helix of DNA epitomizes this molecule's ability to self-assemble in aqueous solutions into a complex chiral structure using hydrogen bonding and hydrophobic interactions. Non-covalently interacting molecules in organic solvents are used to design systems that similarly form controlled architectures. Peripheral chiral centres in assemblies and chiral side chains attached to a polymer backbone have been shown to induce chirality at the supramolecular level, and highly ordered structures stable in water are also known. However, it remains difficult to rationally exploit non-covalent interactions for the formation of chiral assemblies that are stable in water, where solvent molecules can compete effectively for hydrogen bonds.

Here we describe a general strategy for the design of functionalized monomer units and their association in either water or alkanes into non-covalently linked polymeric structures with controlled helicity and chain length. The monomers consist of bifunctionalized ureidotriazine units connected by a spacer and carrying solubilizing chains at the periphery. This design allows for dimerization through self-complementary quadruple hydrogen bonding between the units and solvophobically induced stacking of the dimers into columnar polymeric architectures, whose structure and helicity can be adjusted by tuning the nature of the solubilizing side chains.---> ( PNAS )

Full text http://www.pnas.org/cgi/content/full/99/8/4977pdf http://www.pnas.org/cgi/reprint/99/8/4977

 

Complexiteit en Evolutie Prof. Dr. Francis Heylighen http://pespmc1.vub.ac.be/CLEA/CompEvCursus.html 

Complexe Adaptieve Systemenhttp://www.complexesystemen.nl/index.html

Chaotische systemenComplexe Adaptieve Systemen 

de big bangde catastrofe theoriecultuurde economiede evolutietheorieGaia(kunstmatige) intelligentiekunstmanagementmeteorologiede quantummechanicade thermodynamica

De theorie van Complexe Adaptieve Systemen en de Chaostheorie overlappen elkaar voor een groot deel. Complexe adaptieve systemen (complexiteit) zijn niet-lineaire dynamische processen in het grensgebied tussen orde en Chaos.Vanuit complexiteit gezien is het vormen van sneeuwkristallen in de atmosfeer hetzelfde als het opbloeien van een groot rijk zoals dat van de Inca's. Door het niet-lineaire gedrag van complexe systemen kunnen zowel kleine als grote wijzigingen in het systeem kleine of grote gevolgen hebben. Nog erger: dezelfde oorzaak kan steeds verschillende gevolgen hebben.Voorwaarde is dat de theorie van Complexe Adaptieve Systemen de tweede hoofdwet van de Thermodynamica niet mag schenden.

Over cybernetica, systeemtheorie , zelforganizatie,Complexiteit, evolutieComplexiteit, en de richting van evolutie,http://evodisku.multiply.com/journal/item/153 

Over een groot misverstand Arjan Kop http://evodisku.multiply.com/journal/item/639

Cybernetica systeemtheorie zelforgzanisatie Complexiteit , evolutie

http://tsjok45.multiply.com/photos/album/1155/Chaos_complexity_self_organisation_evolution_ Bij wijze van INLEIDING  : Tjeerdo :(2004)  

 (wat volgt  is )een enorme lap tekst.  Waarin diverse elementen om voorrang strijden.  Catastrofe-theorieen die door theistische evolutionisten worden gemarkeerd als de "onzichtbare helpende hand" die de evolutie een gewenst duwtje in de rug geeft.  Het uitsterven van de dinosauriers om zoogdieren de ruimte te bieden. Het massaalste uitsterven vond plaats aan het Perm, 250 miljoen jaar geleden.  Het luidde een nieuw tijdperk in :  het Trias. : Waarin  de eerste dinosauriers verschenen.  En deze periode werd wederom gevolgd door een meteoriet-inslag in combinatie met veel vulkanische activiteit. Het evolutionaire basisconcept werd na elke catastrofe opnieuw ingevuld.  Convergentie-mechanismen die mijns inziens veelal de "fitste" oplossing implementeren in een gegeven situatie.

Want biedt een vierkante vis tegenwicht aan de vraatzuchtige predatoren die de juiste stroomlijn te pakken hebben. ?  Trial and error. Ooit heb ik een discussie gevolgd tussen een theistische evolutionist en enkele agnostische evolutionisten. 

De hamvraag draaide om het begrip "ontwerp".

De theistische evolutionist begon zich gelijk te roeren.  Een ontwerp betekent dat er een ontwerper bezig is geweest.

De definitie "ontwerp" bleek al voldoende om de gemoederen naar een hoogtepunt te drijven.   Terwijl evolutie zich niet uitlaat over ontwerpen. Het is simpel een spel van het best aangepast zijn aan een bepaalde situatie.   En met een beetje geluk kun je als blinde vis, ergens in een donkere grot,  zonder aanwezigheid van natuurlijke vijanden het heel lang uithouden.

En   convergentie .  Iemand gaf het voorbeeld.  Wat rolt sneller van een berg;  een ronde steen of een vierkante.

 

De theistische evolutionist kon dit voorbeeld niet goed plaatsen.  Het was voor hem het verhaal van erosie etc. Het ging niet op voor de Australische Landslak.   Echter de essentie was wel heel treffend.   Bepaalde concepten bieden meer kans om te overleven dan andere. En een oog wat evolueert uit enkele lichtgevoelige cellen geeft heel veel voordelen. Een orgaan wat op het "verlanglijstje" staat van elk dier wat boven de grond leeft.   En een vis met een aerodynamische stroomlijn zal het in het midden van de oceaan langer uithouden  dan de rechthoekige vis.  Dus langere levensduur, meer nakomelingen etc. Positieve mutaties zullen in de ene omgeving meer profijt opleveren dan in de andere.

Maar, goed morgen dondert er een uit zijn koers geraakte meteoriet op aarde.  En de kakkerlakken zijn heer en meester.

En bestaat er gerede kans dat er over vijfhonderd miljoen jaar een kakkerlak met een koffertje met geheime codes rondloopt.  Die corresponderen met massavernietigingswapens.  Of lopen er dan weer hominiden rond met pak en stropdas? 

  

Het evolutionair-systemische wereldbeeld Volgende fundamentele filosofische vragen Het eeuwige waarom?- Waarom is het universum zoals het is?- Waar komt alles vandaan?- Waar komen wij vandaan?- Wat is de zin van het leven?Samengevat: hoe en waarom ontstaan complexe, doelgerichte systemen?enAfgeleide vragen- Waar gaan wij naartoe? (futurologie)- Wat is? (ontologie)- Wat is waar en wat is onwaar? (epistemologie, kennistheorie)- Wat is goed en wat is kwaad? (ethiek, axiologie) De antwoorden op al deze vragen tezamen bepalen een wereldbeeld, d.w.z. een allesomvattend filosofisch system, een samenhangende visie op het geheel .  Een wereldbeeld geeft betekenis aan onze handelingen, en biedt ons een leidraad om de wereld rondom ons te begrijpen.( AGM Van Melsen ---> "Mentaal vast te houden en te "grijpen " ) Al deze vragen kunnen herleid worden tot vragen over het ontstaan en de verdere evolutie van systemen: atomen, moleculen, sterrenstelsels, cellen, planten, dieren, mensen, hersenen, maatschappijen, beschavingen, enz.

Een aantal min of meer recent ontwikkelde wetenschappelijke inzichten laten ons toe antwoorden op deze vragen te geven.

--->Deze antwoorden zijn soms zeer abstract en algemeen, soms meer gedetailleerd.---->Ze kunnen in principe in wiskundige vorm geformuleerd worden, hoewel dat in de praktijk niet altijd zinvol is. Deze         wetenschappelijke fundering maakt ze tot meer dan alleen filosofische bespiegelingen: ze leiden immers ook tot concrete waar-nemingen (bvb. van levende wezens of maatschappelijke ontwikkelingen) en toepassingen (bvb. computersystemen voor complexe probleemoplossing, ontwerp en management van organisaties). 

    

Nieuw wereldbeeld ? Sinds het midden van de 19e eeuw met de evolutietheorie, maar vooral sinds het midden van de 20e eeuw met de cybernetica, systeemtheorie en zelforganizatie, zien we de eerste tekenen verschijnen van een nieuw wereldbeeld, dat de tekortkomingen van Newtoniaans mechanistisch  wereldbeeld  opheft.

 

Tekortkomingen mechanistisch wereldbeeld ; Hoewel meer diepgaand dan het religieuze wereldbeeld, biedt het Newtoniaanse nog steeds geen volledige verklaring: ---> de fundamentele elementen (ruimte, tijd, deeltjes, krachten,  wetten)  worden  immers  a priori  gepostuleerd,  zonder  motivatie.  ---->Dit wereldbeeld  biedt  geen  ruimte  voor  doelgerichtheid,  waarde,  of  zin:  alles  wordt herleid tot doelloze mechanismen.Er is ook geen ruimte voor creativiteit, nieuwe fenomenen, of verrassingen. In  de  praktijk  werkt  deze  mechanistische  benadering  alleen  voor  zeer  simpele verschijnselen: kanonskogels, biljartballen, planeetbanen, ...

Meer complexe systemen (levende wezens, mensen, maatschappijen) worden niet verklaard.---> Zoals aangetoond door de quantummechanica, is het zelfs voor de meest eenvoudige fenomenen, zoals atomen en deeltjes, tekort geschoten.

Deze zijn immers onderworpen aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat stelt dat bewegingen van microscopische deeltjes intrinsiek onvoorspelbaar  zijn. In conclusie is het Newtoniaans wereldbeeld totaal onbevredigend om leven, mens, of maatschappij te verklaren, hoewel het ons helpt om bepaalde fysische deelaspecten (bvb. het effect van zwaartekracht op ons lichaam) te begrijpen.     )  

Laat ons in het kort de innovaties van het  evolutionair-systemische wereldbeeld (ESW) op een rijtje zetten, om deze dan  in  meer detail te gaan analyseren en motiveren.--->http://pespmc1.vub.ac.be/Books/CursusHeylighen.pdf  • niet langer nood aan God als schepper van het heelalComplexe organisatie ontstaat immers spontaan, door toevallige combinaties van elementen,  zonder  te  moeten  beroep  doen  op  een  intelligente ontwerper  of uurwerkmaker. Wat telt, is selectie: welke combinaties zullen blijven bestaan en welke niet? Dit is in het algemeen niet bij voorhand vastgelegd, maar afhankelijk van toevallige, onvoorspelbare factoren. De mens is daarom vrij om zijn eigen keuzen te maken: er is immers geen determinisme of voorbeschiktheid.

Er is ook geen sturing, beloning of bestraffing van hogerhand (God). Deze keuzen moeten echter leefbaar zijn, anders wordt ook de mensheid weggeselecteerd. • gedetailleerde ontstaansgeschiedenisDankzij de evolutietheorie kunnen we het ontstaan van alle complexe fenomenen verklaren door evolutie uit vroegere, i.h.a. meer eenvoudige, systemen. Bvb.bacterie-achtige cellen evolueerden uit chemische cycli,complexe cellen uit bactereën,meercellligen uit complexe cellen,complexe dieren uit eenvoudige,

mensen uit dieren,maatschappijen uit groepjes mensen. De postmodernistische filosofen hebben het einde der grote verhalen aangekondigd, waarmee zij bedoelen dat alle verklaringsmodellen, wetenschappelijk of religieus, relatief zijn. Volgens het ESW is er wel degelijk een verhaal of een ontstaansgeschiedenis: het is alleen veel omvattender en ingewikkelder dan de traditionele mythen. 

• samenhangEr zijn geen strikt gescheiden verschijnselen of categorieën,zoals materie en geest,of ruimte en tijd:---> elk fenomeen interageert immers met andere fenomenen, en komt uit andere fenomenen voort.Deze interacties maken het geheel tot meer dan de som van de delen.

(wat niet wil zeggen dat het geheel kan bestaan zonder  onderdelen ;----> er bestaat geen bos zonder  bomen ...elk onderdeel is op zichzelf weer een "systeem  "er bestaat geen boom die niet uit cellen is samengsgteld ---> enzovoort  ) 

Er bestaat ook geen evolutie van één kenmerk ( er is geen evolutie van de vleugel )... alle evolutie vind plaats in onafgebroken kettingen van overlevende en zichzelf duplicerende komplete phenotypes ....( er bestaat derhalve geen "halve vleugel "....    ) of  werkende (en zich voortplantende  of duplicerende ) systemen ...

 Er is continuïteit tussen mens, dier, plant en mineraal.

• optimistische visieDe essentie is zelforganizatie, of spontane ontwikkeling van meer complexe en beter aangepaste systemen. Fouten, slechte ontwikkelingen blijven niet duren, want ze worden geëlimineerd door de natuurlijke selectie.De natuur is creatief en vindt vroeg of laat altijd een oplossing. Zelfs als men de dingen aan hun lot overlaat, komt het vroeg of laat toch goed (hoewel het uiteraard beter is vroeg in te grijpen dan laat).Ook in de maatschappij is er een duidelijke trend naar vooruitgang. Er is echter geen ultiem doel of eindpunt voor deze evolutie: alles kan steeds beter.

• voorkeursrichtingHoewel  evolutie  onvoorspelbaar  is,  heeft  ze  een  voorkeursrichting:  toegenomen fitness(zie verder). Dit kan ons helpen onze toekomst te begrijpen en te sturen, en om keuzen te vermijden die niet leefbaar zijn Fitness is geen doel maar een impliciete waarde van alle leven en materie. Dit geeft in zekere mate zin aan het leven. We zullen nu de historische ontwikkeling van het evolutionair-systemische wereldbeeld kort schetsen, door de kernideeën te introduceren van elk van de complementaire ontwikkelingen die aan de basis liggen van het ESW: - Evolutietheorie- Zelforganizatie en Chaostheorie- Systeemtheorie- Cybernetica- Complexe adaptieve systemen 

zie verder ;http://pespmc1.vub.ac.be/Books/CursusHeylighen.pdfhttp://pcp.vub.ac.be/Default.html 

De   evolutionair Invalshoek http://www.knaw.nl/publicaties/pdf/20041032.pdf 

Darwins briljante inzicht dat de oogverblindende rijkdom aan natuurlijke verschijnselen het product is van een miljarden jaren durend evolutieproces, is even drastisch als eenvoudig.Het toevoegen van de dimensie tijd bracht een buitengewoon verhelderende en duidelijke ordening en hiërarchie aan tussen de levende soorten. Zijn niet-aflatende inspanningen richtten zich in de meest strikte zin op de wetenschappelijke onderbouwing van dit grandioze idee.

Het evolutionaire denken is nu een van de centrale paradigmata   van de moderne natuurwetenschap en vindt niet -verrassend ,in toenemende mate toepassingen  in heel andere gebieden. Het gaat om de idee dat heel simpele, lokale regels of algoritmes zoals het mechanisme van variatie en natuurlijke selectie (die lokaal werkzaam zijn) aanleiding geven tot complexe globale verschijnselen en situaties. Evolutie is gebaseerd op de bevrijdende gedachte dat complexiteit en chaos niet zo ondoorgrondelijk hoeven te zijn als je ze eenmaal leert zien als de ( voorlopige  en huidige ) uitkomst van een proces dat geregeerd wordt door relatief eenvoudige regels. Evolutionair denken biedt een succesvolle benadering van complexe  vraagstukken dat tot inzicht leidt, maar heeft als keerzijde een beperkt voorspellend  vermogen. De kans dat een evolutiebioloog, uitgaande van de gehele evolutieboom tot en met het verschijnsel aap, tot een voorspelling van het verschijnsel mens of  algemener het verschijnsel bewustzijn zou zijn gekomen, lijkt me te verwaarlozen. Een van de mooiste aspecten van het geheel van de moderne evolutiebiologie is natuurlijk dat de macroscopisch waarneembare wereld, de flora,fauna en de wereld van de fossielen, waarop deze theorie oorspronkelijk gebaseerd was, een microscopisch evenbeeld heeft in het dna – een complementaire, zeer machtige toetssteen die het vak een totaal nieuwe dimensie heeft gegeven. Het dna ontpopt zich meer en meer als de universele gebruiksaanwijzing van de levende natuur, maar ook als het meest volledige en accurate geschiedenisboek.

De jacht op de oorsprong van het leven is een realistische onderneming geworden; dna als grotendeels ongelezen bestseller.

De religieuze component in de biologie betreft de mate waarin de uitkomst van de evolutie al dan niet door toevallige gebeurtenissen bepaald is.

Men denke bijvoorbeeld aan het uitsterven van de dinosauriërs zo’n zestig miljoen jaar geleden ten gevolge van de inslag op aarde van een gigantische asteroïde en de enorme gevolgen die dat heeft gehad voor de mogelijkheid van zoogdieren om door te evolueren. Tegenover deze ‘toevalsinterpretatie’, waar  Stephen Jay Gould een fervent voorstander van was, staat de visie dat het uiteindelijke product van een evolutieproces veel minder spreiding vertoont dan  je op grond van toevalsfactoren zou verwachten. Het gaat dan eigenlijk om de volgende vraag: als de aarde weer zou ontstaan met dezelfde fysische omstandigheden, zou een mensachtig wezen – of beter, een vorm van bewustzijn – dan wederom ontstaan?Het beeld, dat er wel degelijk sprake is van een evolutionaire convergentie wordt gepropageerd door Simon Conway Morris.

Convergentie in deze context betekent dat de ontwikkeling van bijvoorbeeld het oog sowieso plaatsvindt omdat het een tamelijk unieke oplossing biedt voor een existentieel probleem, een oplossing die een cruciaal voordeel betekent in de strijd om het bestaan. 

Er is inderdaad evidentie dat zoiets gecompliceerds als het oog op verschillende, onafhankelijke manieren in de evolutie is ontstaan.

Als men bereid is zulke bevindingen te extrapoleren naar het bewustzijn, zou je je kunnen voorstellen dat ook de hogere menselijke vermogens de onvermijdelijke uitkomst zijn van de evolutie. Stel dat de wetenschap uiteindelijk tot de conclusie komt dat leven en bewustzijn zich onder alle omstandigheden moeten ontwikkelen binnen het totaal van de chemische en natuurkundige natuurwetten.--->In dat geval kan men daaraan de interpretatie van een doel a-priori geven en dat als het existentiebewijs van een almachtig Opperwezen propageren.( Theistisch evolutionisme )  Anderzijds kan het ook zijn dat de uitkomst van mens en bewustzijn allesbehalve onvermijdelijk is maar juist uiterst onwaarschijnlijk en toevallig. ----> In dat geval kan men wederom beweren dat het dan wel een heel bijzondere ingreep vereist om dit prachtige resultaat te bewerkstelligen ( Intelligent Design ) en kan men dat dan weer als godsbewijs aan de wereld verkondigen.Hoe zit dit?  Het probleem met dit soort interpretaties is dat ze moeilijk weerlegbaar zijn omdat ze a-priori niet wetenschappelijk – falsifieerbaar – zijn.Ze zijn  logisch niet uitgesloten maar uiterst voorbarig en vervuld van een ongewoon grote component wishfulf- thinking, Dit onderstreept het feit dat wetenschap alleen verder komt met falsifieerbare theorieën en niet met uitspraken die op voorhand niet te weerleggen en daarom leeg zijn. Het is paradoxaal genoeg het verschil tussen kwetsbare en onkwetsbare theorieën en hypotheses; de onkwetsbare zijn vaak zo vaag dat ze niet te falsifiëren zijn en dus stilstandbetekenen.De kwetsbare zijn falsifieerbaar, dus mogelijkerwijs fout, en dat is precies wat ze betekenisvolmaakt; ze bevatten niet-triviale informatie. Ik heb het altijd een twijfelachtig gebaar gevonden dat apologeten  de specifieke, concrete uitspraken uit de heilige boeken die wel falsifieerbaar zijn, als weinig terzake doende terzijde schuift, en daarvoor in de plaats – mag ik zeggen – toevlucht zoekt tot meer en meer symbolische interpretaties.( --->theistische  evolutionisten die nog aan de bijbel vasthouden )

Dit is een keuze die wetenschappelijk gezien eigenlijk de verkeerde is.Het waarheidsgehalte van een symbolische interpretatie is uitermate ongrijpbaar. Een banale analogie ter illustratie: symbolisch gezien kan men de zwaartekrachtstheorie van Newton, die de aantrekkingskracht beschrijft die de hemellichamen op elkaar uitoefenen, van toepassing verklaren op de aantrekkingskracht die mensen op elkaar uitoefenen. De theorie beschrijft dan elliptische oftewel gebonden toestanden, ongebonden hyperbolische toestanden en een interessant parabolisch grensgeval.Symbolisch gezien een prachtige theorie, maar feitelijk baarlijke onzin.

Anders gezegd, als de apologeet  zich afkeert van de historische of tastbare realiteit, en zich meer en meer terugtrekt in een bastion van louter onweerlegbare symbolen en mysteries, dan impliceert dat een keuze waarin haar identiteit zich met die van de kunsten verbindt.

Met een overgave aan de subjectiviteit is op zichzelf niets mis, maar het betekent wel dat zij daarmee afstand moet doen van haar aanspraak op de rol van moreel scheidsrechter op het wereldtoneel. Mijn vermoeden is dat op de lange termijn de theologische  kennis  als wetenschap gedoemd is op te lossen in die ene grote wetenschap  en dat religies anderzijds als kunst en bron van inspiratie, troost en liefde kunnen voortbestaan.

De maatschappelijke functies van religieuze organisaties (waar we het hier niet over hebben) zullen, zoals ook nu al vaak het geval is, opgenomen worden in een niet-confessioneel bouwwerk van sociale structuren. 

 

wetenschap en zingeving In de wetenschap zijn a-priori geen moraal, liefdesboodschap of zingeving voorhanden, desondanks zitten er elementen van hoop en een potentiële zingeving in. De wereld is te kennen,heeft een structurele samenhang die ons aller verbeelding overtreft en voldoet aan een set rigoureuze wetmatigheden. Wat wij nu om ons heen zien is het resultaat van een evolutionair proces dat zo’n 13,6 miljard jaar in beslag genomen heeft. Het gaat om een robuust en precies wereldbeeld dat herkenbaar is voor mensen van alle rassen en culturele achtergronden.

We zijn als mens weliswaar het jongste lootje aan de boom, maar voelen een enorme opwinding als we ons realiseren dat wij( misschien ) de eerste zijn die de ontrafeling van het ons omringende mysterie met zoveel succes ter hand hebben genomen.De toenemende kennis geeft hoop op een betere wereld. De mens kan voortdurend verandering brengen in zijn situatie omdat hij steeds meer kennis tot zijn beschikking heeft die essentieel is voor zijn vooruitgang   c.q. overlevingskansen. Uitzicht op een verbetering van de menselijke situatie biedt troost. Wetenschap drijft op verwondering en integriteit, . Dat laat onverlet dat ook wetenschappers maar mensen zijn en daarom beperkingen hebben.Wetenschappers zijn niet betere mensen, maar het proces waaraan zij actief deelnemen is volstrekt uniek in de geschiedenis van de kosmos, het proces waarin de natuur zichzelf onthult en haar eigen boeken leert lezen en begrijpen.Deze almaar voortschrijdende ontmythologisering is een bevrijding uit de willekeur van een geloof.

Het geeft de geschiedenis een richting en ons leven een positief alternatief.

Het leven op aarde als een gerichte zelfontdekking, de schepping die zich van zichzelf bewust wordt, is iets dat de mensheid als geheel ten deel valt. Dat riekt zowaar naar een soort zingeving, niet ver weg en later, maar hier en nu. Dat unieke proces van kennisverwerving is misschien waar het werkelijk om gaat. Het absolute waarheidaspect waar filosofen ons altijd mee lastigvallen is in dit beeld eigenlijk amper aan de orde.

Het gaat om relatieve stappen waarover geen twijfel bestaat. De Einsteintheorie is beter dan de newtonse mechanica of gravitatietheorie omdat ze meeromvattend is en een groter deel van de werkelijkheid accurater beschrijft. Dit is het mentale analogon van het proces van natuurlijke selectie. Het is niet zo belangrijk of een theorie nu wel of niet het ultieme antwoord geeft, daar valt op dit moment nu eenmaal geen uitspraak over te doen. Een volgende doorbraak zal daar weer meer duidelijkheid over geven.

We moeten benadrukken dat wetenschap niet slechts de verzamelde kennis van dit moment is, maar vooral ook een zinvolle manier van omgaan met de werkelijkheid die gepast is voor wie we zijn en waar we nu staan.

Het feit dat de natuur in onze onmiddellijke nabijheid zo veel informatie bevat die wij nog niet als zodanig hebben herkend en verwerkt tot een samenhangend geheel, vormt een enorme uitdaging. Meer kennis betekent vooruitgang. Integer en zorgvuldig onderzoek, en de kritische, rationele en empirische toetsing van onze denkbeelden is wat ons te doen staat.

Wetenschap biedt uitzicht op een betere wereld omdat het op de lange termijn de belangrijkste drijvende kracht is in de menselijke ontwikkeling.

Zij produceert kennis, kennis die a-priori onschuldig is, die niet te vernietigen is en die zich vermeerdert als hij gedeeld wordt. Wetenschap houdt voortdurend de belofte van een dieper inzicht

in, en meer zit er kennelijk niet in op dit moment. Integer omgaan met kennis betekent ook dat we ons moeten verstaan met onze onwetendheid. 

Tot slot daarom de woorden van de beroemde fysicus Richard Feynman uit zijn laatste bbc-interview dat plaatsvondin 1981: You see, one thing is, I can live with doubt and uncertainty and not knowing. I think it’s much more interesting to live not knowing thanto have answers which might be wrong. I have approximate beliefs and different degrees of certainty about different things, but I’m not absolutely sure of anything and there are many things I don’t know anything about, such as whether it means anything to ask why we are here. I don’t know the answer. I don’t feel frightened by not knowing things, by being lost in a mysterious universe without any purpose, which is the way it really is as far as I can tell, it doesn’t frighten me.    

Evolutie - Filosofie  en obscurantisme Over het historisch karakter van de evolutie, de ontwikkeling van het leven in de tijd, bestaat weinig verschil van mening. ( Tenzij natuurlijk bij de fundamentalistische  YEC ) De meningsverschillen ontstaan pas bij het beoordelen van de werkelijke oorzaken ( of zelfs welke mechanismen )-  die aan het proces der evolutie ten grondslag liggen.

Pierre Teilhard de Chardin (1955) en  AGM Van Melsen (1961) kunnen zich op resp. theologische en wijsgerige gronden niet verenigen met de idee dat de evolutie geleid door een toevalsproces (namelijk het optreden van mutaties) de recente vormenrijkdom zou hebben voortgebracht. Zij zien in de hi 챘 rarchie van levende vormen met haar toenemende innerlijkheid (Van Melsen) of bewustzijn (Teilhard de Chardin), de indicatie van een finaal verlopende ontwikkeling (finalistische theorie). Anderzijds menen bijv. Huxley (1961) en Simpson (1953, 1964) op wetenschappelijke gronden dat juist  dit ongerichte toevalsspel van mutaties en hercombinatie van genen op den duur wel de zeer hoge vorm van organisatie, die zo kenmerkend is voor de levende wezens, heeft kunnen voortbrengen (materialistische theorie).

Men kan dus twee extreme standpunten onderkennen: enerzijds het sci 챘ntisme, een materialistische of mechanische evolutieleer waarin alles verklaarbaar is vanuit het geloof in de overwinning van de wetenschap op de wereld (causalistische theorie); anderzijds het vitalisme,volgens welke opvatting de veranderingen die optreden in de ontwikkeling van het leven, en waaraan latere organismen hun ontstaan danken, hun oorsprong vinden in het organisme zelf. De diepere oorzaak van de evolutie ligt in het leven zelf besloten.Ziet men bovendien een doel dat door de autogene factoren nagestreefd wordt, dan belandt men bij de teleologische school van het finalisme.

Het nagestreefde doel is hier steeds de mens (telefinalisme).Biologen drukken er echter steeds weer  op dat evolutie niet doelgericht is , noch   Intelligent ontworpen 

Theilhard de Charfdin ( Le phenomene  Humain ) bedient zich daarbij van een afgrijselijke taal ; een soort wolligheid , onnodige gekompliceerdheid en obscurantisme , doorspekt met talloze  neologismen ---->Het soort onleesbare brei en woordkramerij die zowel dubieuze verdraaiingen  als klinklare nonsens , doet uitschijnen als diepzinnige  wijsheid ....  

Conway Morris  creato ? "Evolutie is niet gebaseerd op toeval, maar heeft zich ontwikkeld via de besloten wetten der natuur...----> Dawkins / Gould : Wetenschappers die beweren dat alles wordt bepaald door het toeval en, zou je de band terugspoelen en opnieuw afspelen, er van alles mogelijk is, zelfs een planeet zonder intelligent leven, zonder mensen. ...  http://www.stephenjaygould.org/library/conwaymorris_crucible.html Opabinia, Habelia, Marrella, Leanchoilia, Sanctaris en Wiwaxia waren de diersoorten waarvan de lezers van Stephen Jay Gould, Wonderful Life (Penguin 1991)  nooit de fantastische afbeeldingen zullen vergeten, zij het dan ook dat ze voor een zeker deel moeten berusten op de fantasie, althans de interpretatie,  van Marianne Collins. Ze doken plotseling weer op bij een interview met Simon Conway Morris onder de titel De mens is geen ongelukje in de W&O-bijlage van de NRC (30 maart 2002---> http://scholieren.nrc.nl/weekkrant/2002/14/5.shtml). Het interessante van dat interview was voor mij niet dat de vloer werd aangeveegd met de theorie van Gould volgens welke het ontstaan van de menselijke soort het gevolg was van een speling van het lot. Als je de evolutie zou overdoen, aldus Gould, dan zou er niet opnieuw een menselijke intelligentie worden voortgebracht.Dat is een volslagen onzinnige opmerking, omdat er geen enkele manier is om zoiets te critiseren of te testen. Een onwetenschappelijke uitspraak dus en daar hebben we geen Stephen Jay Gould voor nodig. En eigenlijk dus ook geen Simon Conway Morris om het tegen te spreken. Nee, het interessante is gelegen in de voorspelling van Conway Morris dat de evolutie, als die er een millieu voor heeft en 3.5 miljard jaar de tijd, onvermijdelijk zo'n intelligentie zal produceren.Dat is dus wel een testbare uitspraak.Een toetsbare hypothese.Nu moet ik zeggen, dat ik hem ook niet helemaal vertrouw. Een uitspraak bijvoorbeeld als de volgende: "Wat daaruit (die toevals-theorie van Gould JvB) volgt is - omdat wij een ongelukje van de evolutie zijn - dat elk moreel systeem van ons moet zijn gebaseerd op een menselijk construct." Laten we maar zeggen: een menselijk construct moet zijn. Kennelijk heeft Conway Morris daar moeite mee. Dat wil zeggen dat de moraal volgens hem van elders stamt, ik denk van God. Het zal dus zelf ook wel een creationist zijn, al probeert hij zich draaikonterig van zulk volk verre te houden. In het laatste stuk van het interview gaat het over concentratiekampen, over moraliteit die niet kan vastliggen in de genen, over eugenetica waar je bij terecht kunt komen, over opvattingen die stinken. Het blijft allemaal wat onduidelijk, maar ik vrees dat Conway Morris er ook een geheime agenda op na houdt. Wat is nou het belang van zo'n stukje in de wetenschappelijke bijlage van een krant? Niet natuurlijk de verkondiging zelf van de convergentie-theorie, want die staat inhoudelijk net zo zwak als de toevalstheorie van Gould. Het zou pas wetenschappelijk interessant worden als er proeven waren gedaan die die theorie ondersteunen.Iets meer dus dan er bloot op wijzen dat bij voorbeeld het oog evolutionair meerdere malen is uitgevonden. Mijn gedachten gaan in een heel andere richting en ik wil niet nalaten de creationisten met gepaste bescheidenheid een hint daarheen te geven.

 Er is nu dus - zo constateer ik - een wetenschapper die zegt dat de evolutie convergeert. Dat betekent natuurlijk - hoe vreemd Conway Morris onze wereld ook vindt, veel vreemder zegt hij dan wij ons realiseren - dat wat op onze planeet gebeurt ook op andere, vergelijkbare planeten zal gebeuren. Vergelijkbare planeten moeten er in overvloed zijn.Immers: de evolutie convergeert. De conclusie moet zijn dat het in het heelal wemelt van wezens zoals wij.Al die wezens hebben een moraal, want de moraal is niet zomaar een menselijk construct, ofwel ze is wel menselijk van oorsprong en bestaat dan overal waar zoiets als de mensheid bestaat. Immers: de evolutie convergeert. Welnu, als we onder creationisten zijn, lijkt de aanname van een universele verlossing van menselijke zielen, waar dan ook in het universum, noodzakelijk. Overal moet dus de zoon Gods mens geworden zijn en overal moet een kerkelijk geloofsgezag verkondigen dat die menselijke zoon naar zijn persoonlijkheid beoordeeld de goddelijke tweede persoon is.  Dat is nog even wat anders dan beweren dat de theorie over priemgetallen universeel moet zijn. Maar zou dat nou kunnen? Zou het in het universum ook kunnen wemelen van verschijnselen in de vorm van een menselijke natuur die als persoon God zijn?Zoals de kerk dat leert? Daar had ik Conway Morris wel eens over willen horen. Dat lijkt mij eigenlijk de interessantste kant van het interview, die vraag, die gedachte. Ook voor de paus trouwens, denk ik.

Jan van Bakel, 1 april 2002. http://strangedoctrines.typepad.com/strange_doctrines/2003/11/the_necessity_o.htmlhttp://pharyngula.org/index/weblog/curse_you_simon_conway_morris/http://pharyngula.org/index/weblog/comments/simon_conway_morris_and_lifes_solution_its_tea/   Vitalisten zien het leven als aangedreven  door de  "vis vitalis " ----> dat is de anima of de ziel van de platonisten Vooral dit vasthouden aan de ziel door onder ander Conway Morris ( zoals uit onderstaande  artikels blijkt ) doet vermoeden dat Morris wel degelijk vitalist en  "theistisch evolutionist " is .... Over de zielhttp://www.corante.com/loom/archives/002580.htmlhttp://www.carlzimmer.com/soul_reviews_bioscience.html Overigens lijken de  Theististische evolutionisten zich ook  al langs om meer te scharen onder de "big tent " van de  ID-ers .... Volgens mij is Conway Morris alleen maar een  vertegenwoordiger  van de " europees-  intelektuele -artistiekerige "  variant van de ID. schooldie niet zozeer  een ID-er watchmaker   pretendeerd  als wel een teleologische  plannenmaker ( in de grond dus juist hetzelfde ) en vooral zal moeten worden aangepakt  vanuit de hoek der cognitieve en hersenwetenschappen .... want in feite is hun hoofddogma ; het  voortbestaan van de persoonlijke menselijke ziel .... ---->Conway Morris lijkt me bovendien  een   "fine tuner " ID-eren  waarbij de godheid  creert door de omgeving te verschaffen ... -----> En uiteraard is "theologie" ( het laatste hoofdstuk van Conway morris  laatste boek  noemt : " Towards a theology of evolution " )  alleen maar een  theistisch- filosofische  vorm van apologetica  .....Het is gewoon pure nonsens  in de beste obscurantistische stijl waarmee ookde Chardin beroemd is  geworden .... 

  

Ronald PlasterkHet echte wonderhttp://www.madeinmuiden.nl/Plasterk.htm

 Simon Conway Morris, keert zich tegen de stelling die onder anderen door de evolutiebioloog Stephen J. Gould is uitgedragen: de mens is ontstaan door toeval. `Een schitterend ongeluk', zei Gould. Als de band van de evolutie zou worden teruggedraaid, en opnieuw ge ｭ start, dan zou de mens niet opnieuw ontstaan, dan zou het resultaat geheel anders zijn.

De redenering van Gould is deze: de mens en alle andere levensvormen zijn ontstaan door evolutie. Evolutie is het samenspel van toevallige mutaties en natuurlijke selectie. Toeval dus. Als heel lang geleden een toevallige mutatie niet was opgetreden, dan waren we een groen slijm geweest in plaats van vlees en botten.

Nu is Conway Morris geen mysticus. Hij twijfelt niet aan het mechanisme van de evolutie, maar zet in een fraai betoog vraagtekens bij de relatieve rol van de toevallige mutaties.

Ik zal u mijn eigen lezing van het verhaal geven.

Ogen met een netvlies en een ooglens zijn in de evolutie meer dan 챕챕 n keer ontstaan. Wij mensen hebben ze (wij zijn chordaten), maar ook de inktvissen hebben ze (mollusken). De gemeenschappelijke voorouder van de mollusken en de chordaten had geen ogen. Dus dezelfde briljante uitvinding van het oog is minstens twee keer gedaan!

Een ander voorbeeld: de sabeltandtijger en de buidelsabeltandtijger lijken sterk op elkaar. Toch is hun laatste gemeenschappelijke voorouder een klein soort ratje. Kennelijk is die katachtige li ｭ chaamsvorm, met die malle sabel ｭ tanden, meermalen ontstaan.

Hoe kan dat dan? Toch een Intelligent Ontwerp?

Nee, de verklaring moet je zoeken in het beperkte aantal mogelijkheden om een oplossing te vinden. Kennelijk is het oog, het verwerken van beelden via een lichtgevoelige uit ｭ stulping van de hersenen, een Goed Idee, van het soort waarvan er niet veel zijn. Kennelijk zijn er in de levende natuur in de loop van de vele jaren zo ontzettend veel mutaties geweest, dat het toevallig voorkomen van mutaties nauwelijks doorslaggevend is voor het eindresultaat, maar dat de natuurlijke selectie dat is.

Ik zou daar zelf een tweede be ｭ perkende factor aan toe willen voegen die Conway Morris niet noemt, en die komt uit de ontwikkelingsbiologie.

Het DNA bepaalt niet hoe het eindproduct eruit ziet, het DNA bepaalt het assem ｭblageproces vanaf de bevruchte eicel tot het eindresultaat. Het DNA is geen blauwdruk, maar een kookboek: het beschrijft een proces van bouwen en kneden. En dat proces legt beperkingen op aan het eindproduct. Er zijn Goede Idee 챘 n die als eindproduct geslaagd zouden zijn, maar die via de embryonale ontwikkeling niet te fabriceren zijn.

Evolutie is geschiedenis. En ook bij de geschiedenis kun je vragen stellen. lees bijvoorbeeld de roman Making History van Stephen Fry.

Hierin stelt hij de vraag: wat zou er gebeurd zijn als Hitler niet geboren was? Zijn antwoord is dat een andere man, Gruber, dan de Hitler-rol gespeeld zou hebben. Maar dat weet je nooit zeker, want er zijn in de geschiedenis chaotische effecten, kleine effecten met grote gevolgen. En misschien had Gruber Rusland niet aangevallen, en dan waren we nu een provincie van Duitsland.

De evolutie heeft buidelvleermuizen opgeleverd, maar geen buidelvarkens. Niet alles wat kan, gebeurt ook.

Dus ik denk dat Conway Morris zijn zaak overdrijft als hij zegt dat het ontstaan van de mens onver ｭ mijdelijk was.

Naast de onzekerheid in de biologie is er ook nog de onzekere kosmos: de dinosauriërs zijn 65 miljoen jaar geleden abrupt aan hun einde gekomen, nadat ze 200 miljoen jaar de aarde  gedomineerd hadden.

Als de meteoriet van Chicxulub de wereld 65 miljoen jaar geleden gemist had, dan hadden onze geschubde vrienden het 100 miljoen jaar langer uit gehouden. Dan waren wij er niet geweest. Dus toch een groot effect van toeval.

INTERVIEW  publicatiedatum : 29-12-2004 /

Het "creationisme " van Conway Morriss http://scienceblogs.com/pharyngula/2009/02/convergence_schmonvergence.phphttp://whyevolutionistrue.wordpress.com/2009/02/14/simon-conway-morris-becomes-a-creationist/  

Contingentie of Convergentie ?  

Stephen J. Gould,  acht de kans dat de geschiedenis enigszins hetzelfde zou hebben opgeleverd minimaal: Replay the tape a million times from a burgess beginning, and I doubt that anything like Homo sapiens would ever evolve again. It is, indeed, a wonderful life. (Gould 1989, 289) Gould verwijst hier naar de Burgess-schalie, een rotsformatie in Canada waar veel fossielen uit het begin van het Cambrium, zo'n 530 miljoen jaar geleden, zijn gevonden.Volgens Gould waren er destijds veel meer vormen van leven, potenti 챘 le voorouders van phyla zoals de gewervelden of de insecten, dan ooit later; hij telt 25 soorten fossielen die ieder tot een eigen phylum hadden kunnen leiden; slechts 4 daarvan hebben thans nog representanten. Het had, volgens Gould, zeer wel anders kunnen lopen in de ontwikkeling van meercellig leven. De mens, homo sapiens, is`a tiny twig on an improbable branch of a contingent limb on a fortunate tree' (Gould 1989, 291). Als aan het eind van het Krijt, zo'n 65 miljoen jaar geleden, de inslag van een meteoriet of komeet geen einde had gemaakt aan de dinosauriërs,  dan domineerden die misschien nu nog de Aarde; bewustzijn zou dan niet ontstaan zijn.

Niet in astrologische zin maar in biologische zin kan je zeggen dat we ons bestaan danken aan de stand van de sterren (Gould 1989, 318).

Contingentie ;Gould vindt dat de toevalligheid, de kwetsbaarheid van ons bestaan het ook tot iets bijzonders maakt.

Volgens Gould (284) is contingentie ook de basis voor vrijheid, want het bevestigt de rol van kleine, plaatselijke invloeden op het gebeuren; de uitkomst ligt niet vast in een onafwendbaar, alleen door wetten bepaald proces. 

Convergentie ;prof. Simon Conway Morris, hoogleraar Evolutionaire paleobiologie aan de Universiteit van Cambridge.

Volgens prof. Conway Morris is de evolutie voorspelbaar. Het leven regelt zelf zijn zaakjes, zodat de mens de noodzakelijke uitkomst is van de evolutie. Volgens  Stephen J. Gould en Richard Dawkins, is de evolutie bepaald door stom toeval.

 (dit is een stroman argument ; dat zegt ( zeker ) Dawkins  helemaal nietde evolutie is  zowel bepaald door wetten als door  toevallige historische keuzesuiit de toen aanwezige  oplosmogelijkheden  (zie onderaan IMHO  )  De  bioloog Simon Conway Morris trekt  ten strijde tegen deze visie. Speel de band nog eens af, zegt hij, en je ziet grofweg dezelfde patronen ontstaan.Eigenschappen als intelligentie, het vermogen complexe samenlevingen te vormen en werktuigen te vervaardigen, cultuur – ze liggen allemaal besloten in de wetten van de natuur.

 Er is veel minder contingentie in de evolutie dan veel mensen betogen.

Er is vaak sprake van convergentie: meerdere keren is bijv. in de evolutie het oog ge 챘 volueerd. Het verhaal spitst zich toe op de ontwikkeling van de hersenen bij verschillende soorten en wat voor functies het brein heeft. ---> intelligentie bij mensen  en dolfijnen , primaten en zelfs  zwerm-intelligentie bij bijen-zwermen en  trek-mieren   

Ontwikkeling van leven, intelligentie en technologie op een geschikte planeet.   ?  Is het een vrijwel noodzakelijke consequentie van het evolutionaire gebeuren dat wezens zoals wij ontstaan? (3) Of moeten we ons bestaan zien als een gegeven van grote toevalligheid? ( IMHO )  Onderzoekers  naar signalen van buitenaardse beschavingen. : Naar hun mening zullen intelligentie en technologie vrijwel altijd ontstaan indien er een geschikte voedingsbodem is. Als er voldoende tijd is, dan ontwikkelt de boom des levens zich steeds verder; in de loop der miljoenen jaren worden alle goede mogelijkheden van leven bij toeval aangeboord en uitgebuit. (4) 

Bij een dergelijke redenering lijkt verondersteld te worden dat het totale aantal mogelijkheden vergelijkbaar is met het aantal dat in enkele miljarden  jaren geëxploreerd kan worden en dat het uitwerken van de ene mogelijkheid het verwerkelijken van andere levensvormen niet uitsluit;  

Daniel Dennett, benadrukt convergentie.Convergentie betekent dat een praktische oplossing, naar ingenieursstandaarden beschouwd, op verschillende plaatsen en tijden opnieuw tot stand komt. Replay the tape a thousand times, and the Good Tricks will be found again and again, by one lineage or another. (Dennett 1995, 308)

Zo is op Aarde vliegen als vorm van voortbewegen tenminste vier keer uitgevonden in twee verschillende phyla.En in het dierenrijk zijn zo'n veertig keer ogen ( onhafhankelijk ) uitgevonden; verschillend van bouw, maar functioneel in hoge mate equivalent.(1) Dan lijkt het redelijk te verwachten dat dergelijke zintuigen ook bij leven op andere planeten ontstaan zouden zijn.Dit argument pleit volgens Ernst Mayr echter niet voor maar juist tegen de waarschijnlijkheid van intelligent leven elders. Immers, intelligentie, in hogere vorm, is slechts in 챕챕 n van de meer dan een miljard soorten tot stand gekomen (Mayr 1988, 72). En geavanceerde technologie is slechts in 챕챕 n van de vele menselijke culturen ontstaan, dus ook dat is niet vanzelfsprekend.

Het zoeken naar signalen van buitenaards leven acht Mayr dan ook verspilling,

`a deplorable waste of taxpayers' money, money that could be spent more usefully for other purposes' (Mayr 1988, 73). 

intelligentie ?Zowel Gould als Dennett zien de ontwikkeling van intelligentie als een bijprodukt; het evolutionaire proces was niet gericht op de evolutie van intelligentie. 

Anders lijkt de fysicus Paul Davies daarover te denken. Bewustzijn is, volgens hem, g 챕챕 n ongelofelijk toeval, net zo min als bijvoorbeeld materie; =het is een karakteristiek effect van de meest fundamentele natuurwetten. In a re-run, the details would be different.You wouldn't have homo sapiens; you wouldn't even have Earth. But somewhere in the cosmos conscious life would emerge. I want to make it quite clear that I'm not saying that we Homo sapiens are written into the laws of physics in a basic way, but I think the general trend " the tendency from simple to complex to consciousness "  is something that is part of the natural outworkings of the laws of physics. It was `already there', implicitly, in the basic laws of physics. (Davies 1995, 70) Gould en Davies kennen beide waarde aan de mens toe, maar waar waarde in zou bestaan, daarover blijken ze verschillend te denken. Gould denkt in termen van `contingentie', of, platter gezegd, vervangingswaarde; als mensen met al hun culturele en geestelijke vermogens weg zoudenvallen, dan zou er waarschijnlijk niet iets soortgelijks ontstaan, dus de vervangingswaarde is hoog. Voor Davies is bewustzijn, het mentale, juist van waarde omdat het hoort bij het wezenlijke (in plaats van het toevallige, accidentele).

Voor beide auteurs geldt echter dat het inzicht dat de mens is opgekomen in een lang evolutionair proces niet de mens naar beneden haalt maar zou dienen te leiden tot een opwaardering van ons beeld van materie en evolutie. 

Leven, en ook menselijk leven, is een uitkomst van natuurlijke processen. Zoiets kan ook elders ontstaan zijn. Als ik tijdens een donkere, heldere nacht naar boven kijk, dan zie ik zoveel sterren dat ik intu 챦 tief geneigd ben te denken dat er wel enkele met bewoonde planeten bij zullen zijn. Hoeveel trucs zijn ook daar uitgevonden?De vragen zijn zo fascinerend dat enig onderzoek naar aanwijzingen voor buitenaards leven de moeite waard is. Maar resultaat moeten we niet verwachten.

 

( Drees ) Biologen zoals Gould en Mayr hebben, denk ik, gelijk: de ontwikkeling van een wezen als de mens is bijzonder. (2)Het is daarom niet re 챘 el om te verwachten dat intelligent leven zal voorkomen bij een van de sterren die we met het blote oog kunnen zien. Als intelligent leven ver weg is, dan is detectie onwaarschijnlijk; spreken van `communicatie' wordt onzinnig aangezien de tijd tussen vraag en antwoord generaties en culturen overstijgt.Wat zegt de discussie over intelligent leven elders over ons? De mens staat in het kader van een biologische geschiedenis, maar de mogelijkheid van bewustzijn, van reflectie op ons eigen gedrag en op nog niet gerealiseerde mogelijkheden, van spelen met ideeën is ontwikkeld tot een hoogte die elders op

Aarde niet voorkomt. Juist dat geeft ons ook een eigen verantwoordelijkheid; we zijn, soms, een beetje gevoelig voor redenen, voor argumentatie. We kunnen gevolgen op langere termijn enigszins voorzien. Dankzij het vermogen tot reflectie zijn we niet uitgeleverd aan het evolutionaire gebeuren, maar kunnen we de immorele hardheid van het evolutionaire proces bestrijden (Huxley 1894, 83). We zijn biologisch bepaald, maar juist dankzij onze biologische structuur ook vrij, verantwoordelijk (Drees 1995, 213-221).  Referenties en links zie verder ---> Vrijzinnig protestants http://www.drees.nl/inaugurelerede.htmTheistisch evolutionisme  ( sjoerd Bonting ) http://www.xs4all.nl/~bonting/nl-publicatie003.htm    

Noten(1) Echter : Beide  basistypes van ogen ( rhadometrische en cilliaire bouw-principes van de photocellen  ) zijn  afkomstig van dezelfde voorouder ---->(oogevolutie ) http://groups.msn.com/evodisku/glosop.msnw?action=get_message&mview=0&ID_Message=655&LastModified=4675495908525631190 Ook  blijken dierlijke  "ogen " overal  te worden aangestuurd  in hun ontwikkeling  door dezelfde  erfelijke  informatie

---> alhoewel dus "onafhankelijk ontwikkeld"  in verschillende phyla gaan " ogen " steeds terug op dezelfde  homeobox  hox  gen(en ) Er zijn genen ontdekt die  de "ogen " vormen.Fruitvliegjes waarbij dit gen werd weggehaald ontwikkelden dus geen ogen.Toen in deze DNA streng later een gen werd ingebracht dat de ogen van muizen vormt ontwikkelden deze zich tot normale facetogen van een fruitvliegje. Het gen maakte dus een facetoog en geen muizenoog!Er bestaat dus een gen dat de ogen vormt, maar hoe dit oog eruit komt te zien ( het type oog ) wordt blijkbaar door andere genen bepaald. --->Eigenlijk zijn "alle" ogen (camera-ogen, ocelli , samengestelde ogen ) ontwikkeld uit lichtgevoelige cellen lichtgevoelige  cellen komen ook bij planten en  bij microbionten  voor ...  Kommentaar ; Deze   " nieuwe ontdekkingen"   onderstrepen  het belang van de  evo-devo biologie  : iets wat door bovenstaande discutanten ( nog niet of niet konden  )in overweging nemen ...  In feite is deze gehele diskussie hopeloos voorbijgestreefd ...zoals op zovele gebieden van de evolutieleer , word de huidige toon gezet door de theorieeen  over genen-evolutie , de  evo -devo biologie en de ( aan belang winnende )  systeem /chaos theorie .. http://www.kennislink.nl/web/show?id=91405&showframe=content&vensterid=70344&prev=91402. http://home.worldonline.nl/~sttdc/jrg11_nr2_p3744.htm   (2) De mens is  niets speciaals of uitzonderlijks : de mens is niet" bijzonder" in die zin  :  de mens is  wel  bijzonder in de zin dat  hij   uniek is ....

Het is wél zo dat de mens uniek is =  omdat een uniek ( historisch ) ontwikkelingsspoor is gevolgd  en omdat de ( historische en evolutionaire en genetische  en selektieve )antecendenten van de mens uniek zijn : maar dat is zo voor elk organisme  of ding ....en zelfs voor elk individu ; niets "bijzonders" eigenlijkHet komt er tenslotte weer op neer dat men niet wil of kan aanvaarden dat de MENS  " niet de kroon " van de schepping is , maar slechts één onder de velen die hier op deze planeet moeten  "overleven" en uiteindelijk ook een veel grotere kans heeft definitief uit te sterven ( zoals al die anderen ) dan te ontwikkelen tot een "blijvertje " ....    (3)Neen , maar ze zijn dus wel onstaan (4)goede mogelijkheid = een ontwikkelingslijn( evolutionaire pathway of route  binnen de evolutieruimte  ) die ( nog ) niet doodloopt  .... 

IMHO  Het feit dat men een weg kan kiezen uit een onnoememijk aantal ( maar wel eindig aantal )  mogelijkheden aanwezig in de oplosruimte betekent meteen dat een keuze van een weg ( of dat nu  door een vrije wilsdaad of door toeval gebeurt  doet niets ter zake )vele mogelijkheden afsluit( deze die niet worden gekozen )  , en vele nieuwe opvolg-mogelijkheden opent ....---> Er is sprake van zowel gedetermineerdheid als  vrijheid --->Er is zowel toeval als richting   maar er is geen teleologische planning noch een "planner" ... --->Er is zeker sprake van ontwerp maar er is geen intelligente ontwerper ( alleen een "blind watchmaker " ) --->De onzichtbare hand is niet een god = alleen maar "een staal " van een voortdurend proces van een ongelofelijk aantal interakties  waarbij  causale ketens zich voortdurend vertakken , samenvallen en  overlappen ....  

Nov 6, '04

Het grote uitsterven = de P/T lijnhttp://natuurinformatie.nl/ndb.mcp/natuurdatabase.nl/i000305.html

De grootste crisis die het leven op aarde ooit doorstond, was een ramp aan het einde van het Perm (251 miljoen jaar geleden). Veel plant- en diersoorten stierven toen uit en het verlies aan biodiversiteit was enorm.

Geschat wordt dat ongeveer 50 tot 70 procent van alle landsoorten en 70 tot 95 procent van de zeesoorten ophielden te bestaan. Dit massale uitsterven begon in de laatste 20.000 jaar van het Perm.

In deze periode verdwijnen de mariene groepen, terwijl de Permische landplanten nog enkele honderdduizenden jaren wegkwijnen. De omvang van deze crisis blijkt vooral uit de herstelfase, of beter gezegd: uit het lange uitblijven ervan. Het duurde ongeveer vier miljoen jaar voordat complexe ecosystemen, zoals bossen weer geheel hersteld waren.

De meeste Permplanten en dieren hadden plaatsgemaakt voor Triassoorten. Deze crisis was veel omvangrijker dan de Krijt-Tertiairramp en zowel het

uitstervingsproces als de herstelperiode duurden langer.

Denso 챦 sporites neijburgil, een spore van een wolfsklauwachige, gevonden in een boring in de Nederlandse ondergrond. De wolfsklauwachtigen waren 챕챕 n van de weinige plantengroepen die konden floreren in de periode die volgde op de Perm-Triascatastrofe 짤 TNO-NITG

De oorzaak van deze ramp is nog altijd niet met zekerheid te bepalen.

Waarschijnlijk speelde grootschalig vulkanisme in het huidige Siberi 챘 een sleutelrol. Dit had mogelijk grote gevolgen voor het milieu, zoals klimaatverandering, zure regen en verduistering. Dit zou zon vernietigende uitwerking op de ecosystemen hebben gehad, dat deze vrijwel allemaal ten onder gingen.

Studies naar de oorzaken en gevolgen van deze catastrofe kunnen nuttig blijken bij het voorspellen van de huidige menselijke invloed op het milieu.

(Uit NRC Handelsblad)http://scholieren.nrc.nl/vakken/artikelen/0110_uitsterven2.shtml

 Een vulkaaneruptie in Siberie   die een oppervlakte van meer dan 260.000 vierkante kilometer met lava bedekte, heeft mogelijk de klimaatsveranderingen veroorzaakt die leidden tot het uitsterven van bijna al het leven op aarde 250 miljoen jaar geleden.

Dat is de uitkomst van een Amerikaans onderzoek, waarin monsters van het Siberische lavagesteente precies werden gedateerd. De resultaten van dit onderzoek, uitgevoerd door medewerkers van de universiteit van

Rochester en het Institute of Human Origins in Berkeley, worden vandaag gepubliceerd in het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Science.

De massale uitsterving 250 miljoen jaar geleden, waarbij tussen de 75 en de 95 procent van alle diersoorten op aarde verdween, markeerde het einde van het Perm. Het was de zwaarste van een lange reeks uitstervingen gedurende de afgelopen 600 miljoen jaar, zwaarder bijvoorbeeld dan die van 65 miljoen jaar geleden waarbij onder meer de dinosauriers uitstierven.

De extreem grote vulkaanuitbarsting, die in fasen plaatshad over een periode van misschien wel 200.000 jaar, zorgde voor lavagolven die op sommige plaatsen wel 800 meter dik waren. Het totale volume uitgespuwd lava bedroeg naar schatting 1,5 miljoen kubieke kilometer, voldoende om de hele aarde met een laag van 3 meter dik te bedekken.

Hoewel een direct causaal verband tussen de eruptie en het einde van het Perm niet is aangetoond, klopt de radioactieve (argon-)datering van het Siberische lava bijzonder goed met die van het einde van het Perm. De ouderdom van de diverse verzamelde en doorgemeten gesteenten lag tussen de 248,3 en 247,5 miljoen jaar, ruim binnen het onzekerheidsinterval van de datering van de Perm-uitsterving.

Door de ramp werden vooral de zeedieren gedecimeerd, maar ook de reptielen op het land. Hoewel het precieze mechanisme van de uitsterving onzeker is, lijkt het plausibel dat de uitstoot van miljoenen tonnen as, stof en gas in de atmosfeer als gevolg van de vulkaanuitbarsting ervoor verantwoordelijk was. Door de lange verblijfstijd in de atmosfeer kunnen de roet en het stof een temperatuursverlaging en een klimaatsverandering hebben veroorzaakt volgens het nucleaire-winter scenario. Er zijn geen aanwijzingen voor een asterode-inslag zoals die welke, naar men aanneemt, verantwoordelijk was voor het verdwijnen van de dinosauriers 65 miljoen jaar geleden.

478 Aanwijzingen voor grote inslag op grens Perm/TriasEr zijn aanwijzingen gevonden dat de grens tussen Perm en Trias (die ook de grens vormt tussen het Paleozo 챦 cum en het Mesozo 챦 cum, 251 miljoen jaar geleden) net als de grens tussen Krijt en Paleoceen (die ook de grens vormt tussen Mesozo 챦 cum en Tertiair, 64 miljoen jaar geleden) veroorzaakt werd door de inslag van een grote meteoriet. Op de grens tussen Perm en Trias stierven nog meer soorten uit dan op de K/T-grens: ongeveer 80% van de soorten op het land en ongeveer 90% van de soorten in zee verdwenen bij deze massa-uitsterving van de aardbodem

Door hoge druk opgesmolten plagioklaaskristal van ruim 3 km diep.

De aanwijzingen voor een grote inslag op de P/T-grens zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de inmiddels overbekende aanwijzingen voor zo’n inslag op de K/T-grens. In het laatste geval werd, in 1994, dankzij satellietbeelden een enorme (inslag)krater ontdekt op (of liever: onder) het Mexicaanse schiereiland Yucatán; die krater was inmiddels door kilometers dikke pakketten jongere sedimenten bedekt.

Nu is een soortgelijke krater, ook onder kilometersdikke sedimentpakketten, ontdekt in de zee ten noordwesten van Australi 챘.

Ter plaatse bestaat een verhoogde zeebodem, die bekend staat als de ‘Bedout Hoogte’, en waarvan al eerder werd geopperd dat die met een inslag te maken kon hebben. Zwaartekrachtmetingen hebben nu aangetoond dat het mogelijk gaat om een inslagkrater met een doorsnede van zo’n 200 km

 http://www.alphalink.com.au/~dannj/craters.htm

De vage kratervorm is echter niet de belangrijkste aanwijzing. In een boorkern die al jaren geleden ter plaatse door een oliemaatschappij werd opgehaald troffen onderzoekers een type kwarts aan dat alleen bij uitzonderlijk hoge druk (zoals die kan bestaan bij een grote inslag) kan ontstaan. Hoewel er ook twijfel aan die interpretatie bestaat (sommige deskundigen menen dat deze vorm van kwarts ook bij extreme vulkanische processen kan ontstaan), is het echter een sterke aanwijzing. Maar er is meer: op het vasteland van Australi 챘 en op Antarctica (dat ten tijde van de gebeurtenis direct aan Australi 챘 grensde), is in lagen van dezelfde

ouderdom ook dit type kwarts aangetroffen, dat daar terecht moet zijn gekomen toen bij de inslag grote hoeveelheden materiaal hoog in de atmosfeer werden geworpen.

Voorlopige schattingen geven aan dat de meteoriet (als het een meteoriet was ...) ongeveer net zo groot moet zijn geweest als de meteoriet die de aarde op de K/T-grens trof: een diameter van ca. 10 km. Het moet echter wel een ander type hemellichaam zijn geweest. De K/T-grens wordt immers bijna overal ter wereld gekenmerkt door een laagje met een sterk verhoogde concentratie aan het metaal iridium, dat in sommige meteorieten veel rijker voorhanden is dan op aarde het geval is. Een dergelijk iridiumlaagje is van de P/T-grens echter niet bekend. Wel zijn er merkwaardige koolstofmoleculen van bekend (fullerenen, bekend als de voetbalvormige ‘bucky ball’), waarvan eveneens bekend is dat die in sommige hemellichamen relatief veel voorkomen (terwijl ze op aarde zeldzaam zijn).

Over de oorzaak van de massa-uitsterving op de K/T-grens wordt nog volop gediscussieerd. Sommige onderzoekers denken aan een direct gevolg van de inslag (zie het voorgaande artikel van Geonieuws), maar anderen wijzen op de mogelijk rampzalige gevolgen van de enorme uitvloeiingen van lava in India, waardoor honderdduizenden vierkante kilometers met dikke basaltpakketten werden bedekt. Merkwaardig genoeg bestaat er op de P/T-grens een vergelijkbaar verschijnsel: in Siberië vond toen eenzelfde, gigantische uitvloeiing van basalt plaats. Wellicht hebben grote inslagen zo’n invloed op de aarde dat daardoor zulke uitbarstingen van spleetvulkanisme (waarbij honderdduizenden kubieke kilometers basalt uitvloeien) kunnen ontstaan

Referenties

Becker, L., Poreda, R.J., Basu, A.R., Pope, K.O., Harrison, T.M., Nicholson, C. & Iasky, R., 2004. Bedout: a possible end-Permian impact crater offshore ofNorthwestern Australia. Science 304, p. 1469-1476

Kerr, R.A., 2004. Evidence of huge, deadly impact found off Australian coast? Science 304, p. 941

ngv-geonieuws

Krijt-Tertiairgrens :   K/T lijnDe overgang van het Krijt naar het Tertiair, 65 miljoen jaar geleden, is zonder twijfel de meest dramatische en bediscussieerde tijdsgrens in de geologische geschiedenis. Meer dan de helft van alle geslachten en 15 procent van alle families in het dierenrijk stierven toen uit, waaronder de dinosauri 챘 rs en de ammonieten. Een snelle opkomst van de zoogdieren volgde aan het begin van het Tertiair.

Op een groot aantal plaatsen zijn in land- en zeesedimenten uit de overgangsperiode van Krijt naar Tertiair (KT-grens) verhoogde concentraties aangetroffen van het element iridium. Dit element uit de platinagroep kan bij grootschalige vulkaanuitbarstingen vrijkomen, maar is verder op aarde zeer zeldzaam. Inderdaad was er ten tijde van de KT-grens veel vulkanische activiteit, bijvoorbeeld op het Deccan Plateau in India. Maar iridium komt ook in relatief hoge

concentraties voor in meteorieten, in het bijzonder ijzermeteorieten. Bovendien bevatten sedimenten uit die tijd ook de zeldzame mineralen coesiet en stishoviet. Beide mineralen kunnen alleen onder extreem hoge druk ontstaan. Daarnaast vertonen sommige mineralen verschijnselen van schokmetamorfose, lamellen van enkele micrometers breed gevuld met glas. Deze moeten zijn ontstaan als gevolg van krachtige, kortstondige schokgolven. In combinatie met het abrupte massale uitsterven in het dierenrijk, heeft dit geleid tot de hypothese dat de KT-catastrofe is veroorzaakt door een grote meteorietinslag. De meteoriet zou een doorsnede van zo'n tien kilometer hebben gehad en de inslag zou in kracht zijn overeenkomen met die van drie miljard Hiroshima-atoombommen. De inslag zou zoveel stof in de atmosfeer hebben gebracht, dat er langere tijd onvoldoende zonlicht op aarde kon doordringen. De temperatuur daalde op land en in zee. Veel ecosystemen konden zich niet handhaven en de voedselketen voor veel organismen viel weg. Grote reptielen, zoals de dinosauri 챘 rs konden niet overleven. Negentig procent van alle planktonische foraminiferengroepen stierf uit en waarschijnlijk ook meer complexe mariene groepen, zoals ammonieten en belemnieten.

De ontdekking van een enorme fossiele inslagkrater in de ondergrond van de kustzone van Yucatan, Mexico heeft tot vrijwel unanieme acceptatie van deze theorie geleid. De krater met een doorsnede van ongeveer 200 km is gedateerd op de KT-grens.

Door spectaculaire speurtocht naar bewijsmateriaal kreeg veel media-aandacht. Dit gaf de belangstelling voor geologie een stevige impuls.

477   De omstandigheden direct na de inslag op de K/T-grensDe massa-uitsterving na de inslag van een groot hemellichaam, 65 miljoen jaar geleden, op de plaats waar nu de (begraven) Chicxulub-inslagkrater ligt, was enorm, maar niet totaal. Hoe kon het dat sommige plant- en diergroepen overleefden en andere niet? Een belangrijke oorzaak, waaraan tot nu toe weinig aandacht is besteed, betreft de omstandigheden waarin de aarde direct na de inslag verkeerde, en de mogelijkheden voor de diverse typen organismen om die omstandigheden te overleven. Daarnaar is nu een onderzoek uitgevoerd door een team van aardwetenschappers en biologen.

http://www.student.oulu.fi/~jkorteni/space/boundary/

Eerder was opgemerkt dat veel kleine landdieren, inclusief zoogdieren, de inslag overleefden. Dat geldt ook voor reptielen zoals krokodillen en schildpadden. De dinosauriërs daarentegen stierven (bijna) alle direct uit. De vogels, die zich uit de dinosauriërs hadden ontwikkeld, slaagden er echter wel in om te overleven. Dit intrigerende patroon heeft geleid tot tal van hypotheses, maar geen enkele daarvan kon het overlevingspatroon overtuigend verklaren

Volgens het nu uitgevoerde onderzoek moet de oorzaak voor het - op het eerste gezicht onverklaarbare - patroon van uitsterven niet worden gezocht in de gevolgen van de inslag voor de aarde op langere termijn (dagen, jaren) - bijv. in de vorm van een stofwolk die zoveel zonlicht wegnam dat er geen planten meer konden groeien en er dus ook geen voedsel meer was - maar in de omstandigheden direct (dat wil

zeggen: in de eerste uren) na de inslag

Die eerste uren moeten gekenmerkt zijn geweest door een enorme hittepuls, die het gevolg was van de intense infrarode straling die - als gevolg van de wrijving in de atmosfeer - werd uitgezonden door de brokstukken van aarde en meteoriet die na de inslag hoog de ruimte in waren geslingerd. De hittepuls moet zo groot zijn geweest dat alle landdieren die daar niet goed tegen waren afgeschermd - door een leefwijze onder de grond, onder rotsen of in water , of doordat ze in de vorm van sporen, zaden, wortels of als bijv. ‘begraven’ eieren niet erg kwetsbaar waren - direct moeten zijn gedood. Waar voldoende brandstof (in de vorm van planten of anderszins) aanwezig was, moeten grote branden zijn uitgebroken

Berekeningen geven aan dat de terugvallende brokstukken wereldwijd een in warmte omgezette energie vertegenwoordigden die op 70 km hoogte ongeveer duizendmaal groter was dan de energie die nodig is om een droog bos in brand te zetten. De temperatuur op 70 km hoogte moet urenlang zo’n 500-800 graden Celsius hebben bedragen. Hete kleine deeltjes moeten deze energie naar het aardoppervlak hebben overgebracht; de onderzoekers zien in deze ‘regen’ van deze deeltjes de oorzaak van het patroon van uitstervingen voor de dieren die niet in zee leefden. Ze veroorzaakten lokaal bijv. branden, waardoor tijdelijk een tekort aan zuurstof in de lucht kon ontstaan. Alleen diergroepen die voor langere tijd onder water konden blijven zonder adem te halen (zoals krokodillen en schildpadden) zouden zo’n tijdelijk zuurstoftekort hebben kunnen overleven

Zo geven de onderzoekers voor een groot aantal diergroepen aan waarom zij, op basis van de directe en/of indirecte gevolgen van de hittepuls, wel of niet (deels) konden overleven. Ze vergelijken die theoretische benadering met wat er uit de paleontologische praktijk bekend is over de massa-uitsterving. Theorie en praktijk blijken zeer goed met elkaar overeen te komen (al zijn er natuurlijk uitzonderingen). Dat wijst erop dat de kortstondige hittepuls inderdaad gezien kan worden als de belangrijkste oorzaak voor het uitsterven van zoveel planten- en diergroepen. De massa-uitsterving vond dus binnen slechts enkele uren plaats.

Referentie

Robertson, D.S., McKenna, M.C., Toon, O.B., Hope, S. & Lillegraven, J.A., 2004. Survival in the first hours of the Cenozoic. Geologicalo Society of America Bulletin 116, p. 760-768.

ngv-geonieuwsDec 29, '10Het zeer interessante kommentaar van "zeeonderzoeker"op het artikel "Chaos in de natuur" en het interview met jef Huismans is verplaats naar ECOSYSTEMEN 

http://evodisku.multiply.com/journal/compose/209?xurl=http%3A%2F%2Fevodisku.multiply.com%2Fjournal%2Fitem%2F209%2Fecosystemen

Zelforganisatie