De oorsprong van alles (in het kort)

In Onderzoek by hiq-redactie

Josko de Boer zet chronologisch en beknopt de wetenschappelijke theorieën van ‘de oorsprong van alles’ uiteen.

De wetenschap is een zoektocht naar kennis over hoe de natuur werkt. De wetenschap onderscheidt zich van de filosofie door het rigoureuze experiment. Experimenten zijn primair in deze zoektocht. Vaak wordt er gebruik gemaakt van wiskunde, omdat wiskunde als deductief gereedschap ervoor zorgt dat we onze uitleg kunnen omvormen tot een voorspelling, om deze met het rigoureuze experiment te bevestigen.

Sir Isaac Newton formuleerde de vier regels van het wetenschappelijk redeneren in zijn Principia Mathematica. De vierde luidt dat een bewering welke uit observatie stamt als accuraat moet worden beschouwd totdat het tegendeel geobserveerd is. Een wetenschappelijke theorie is een groep beweringen die uitleg geeft aan een verschijnsel. Daarnaast zijn de voorspellingen van deze theorie bevestigd in een experiment en zijn deze te onderscheiden van andere theorieën, veelal door een ‘cruciaal’ experiment. Het woord ’wet’ wordt meestal gebruikt om een trend in de data aan te duiden; zo is de ideale gaswet in de meeste omstandigheden een accurate relatie tussen druk, volume en temperatuur.

Van oerknal tot zwaartekrachtgolven
Ik zal chronologisch en beknopt de wetenschappelijke theorieën van ‘de oorsprong van alles’ uiteenzetten. Van de oerknal2 tot de formatie van sterren5] en planeten, de oorsprong van leven4 en de gemeenschappelijke afstamming van alle huidige soorten3. Een van de bekendste wetenschappers was Albert Einstein. Een van zijn grote bijdragen is de algemene relativiteitstheorie (AR), die zwaartekracht verklaart als de kromming van ruimte-tijd, zoals recent gevierd en verder bewezen door de observatie van zwaartekrachtgolven1.

Het universum kan grootschalig beschreven worden met deze theorieën. Het kosmologisch principe is de aanname dat materie gelijk verdeeld is over het universum. Gecombineerd met AR leidt dat tot de Friedmann-vergelijkingen, die drie mogelijke vormen van het universum beschrijven.
Met de verschuivingswet van Wien kunnen we de golflengte (kleur) waarop het meeste licht wordt uitgezonden door een ster relateren aan zijn temperatuur. Andere metingen gaven echter voor de temperatuur van een ster een ander antwoord. Het verschil heet roodverschuiving en wordt verklaard doordat het universum uitdijt. De snelheid waarmee dit gebeurt heet de Hubbleconstante. Een universum dat uitdijt is een van drie mogelijke vormen van Friedmann.

Toen wetenschappers terug in de tijd redeneerden ontstond het inzicht dat het kleinere volume van het vroege universum zal leiden tot een veel hogere temperatuur. Zoals een explosie zal de uitzetting in eerste instantie veel sneller zijn. Hiervan stamt de naam van het model: de oerknal. Dit leidt ook tot de bevestigde voorspelling van kosmische achtergrondstraling. Andere voorbeelden van bewijs voor dit model zijn de ratio’s van helium, deuterium en lithium, de vormen en de verdeling van galactische stelsels en het bestaan van primordiale gaswolken.

De oorsprong van sterren en planeten
Primordiale gaswolken bestaan met name uit waterstofatomen. Deze trekken elkaar aan door zwaartekracht. De atomen botsen, wat hitte genereert. In zo’n gaswolk zijn zoveel atomen dat deze blijft krimpen. Uiteindelijk is de zwaartekracht zo hoog dat de elektronen van de atomen afgebroken worden, wat wederom hitte produceert. Zelfs nu zal zwaartekracht de protonen bij elkaar trekken in een proces van nucleaire fusie, waarbij twee waterstofatomen een enkel heliumatoom vormen en een grote hoeveelheid energie creëren. Deze energie lekt langzaam weer weg; het beschreven object is namelijk een zon.

Over zo’n vijf miljard jaar zal onze zon radicaal veranderen. Wanneer de waterstofkern compleet gefuseerd is tot helium, zal de kern geen hitte meer produceren en daardoor krimpen. Hierdoor worden lagen verder naar buiten dichter, en zal hier ook fusie optreden. De hitte die hierbij vrijkomt laat de zon opzwellen tot een Rode Reus, een gigantische rode zon die waarschijnlijk groot genoeg is om de aarde op te slokken.
De levenscyclus van sterren bevat vele fasen waarin zwaartekracht het uiteindelijk wint van de hitte-opwekkende processen. Hierdoor verschijnen de scheikundige elementen. Bij primordiale gaswolken die draaien zullen zwaardere elementen naar de buitenkant gecentrifugeerd worden. Het geheel ziet eruit als een schijf.

Deze protoplanetaire schijf bevat de ingrediënten voor een sterrenstelsel zoals het onze. Door een proces waarbij de materie in de schijf elkaar ook aantrekt en langzaam klompen vormt ⎼ die botsen waarbij soms twee klompen één worden ⎼ worden uiteindelijk de planeten gevormd. Energiebehoud dicteert dat de planeten beginnen te draaien zoals de eerdere schijf. Voor een planeet kan dit een magnetisch veld opleveren, wat vervolgens geladen deeltjes uit de schijf naar binnen trekt. Tel daarbij op het wegzakken van de zwaardere delen van de protoplaneet en de kern zal opwarmen. De planeet kan tektonische platen en vulkanisme ontwikkelen.

De oorsprong van leven
De oorsprong van leven is innig verbonden met de scheikunde van koolwaterstoffen. Koolwaterstoffen kunnen lange ketens vormen van koolstof- en waterstofatomen. Dit gebeurt ook zonder het toevoegen van enzymen, zoals de Miller-Urey experimenten lieten zien. Inmiddels is hier meer onderzoek naar gedaan, bijvoorbeeld door het lab van Nobelprijswinnaar Dr. Jack Szostak.

De meest gangbare hypothese naar de oorsprong van leven wordt de RNA-wereld genoemd. Centraal in de RNA-wereld staan twee simpele molecuulsoorten, welke in een wereld zonder leven geproduceerd kunnen worden. De eerste zijn amfifiele moleculen. Die zien eruit als een soort kikkervisje; de staart houdt van water, maar de kop niet. Opgelost in water steken deze stoffen de koppen bij elkaar. Afhankelijk van de zuurtegraad (pH) vormen ze bolletjes of holle bollen (vesikels). De andere molecuulsoort is een simpelere vorm van DNA, genaamd RNA. De vorm van een (lang) molecuul heeft een elektrisch veld; rondzwevende kleinere moleculen reageren hierop. RNA is redelijk speciaal omdat deze vaak kleine moleculen ’goed’ draait, zodat ze makkelijker met elkaar reageren. Dit heet katalyse, het versnellen van een scheikundige reactie.

Evenals DNA bestaat RNA uit een suiker dat als schakel werkt en daarnaast een soort markering per schakel. DNA zit meestal in de beroemde dubbele helix. RNA zit dit normaliter niet, maar kan dit wel. Het tweede molecuul van de dubbele helix kan zich spontaan schakel voor schakel vormen. RNA kan ook dit proces versnellen door schakels en markeringen ‘goed’ te draaien, wat zelf-katalyse wordt genoemd. Een vesikel met daarin RNA vormt een soort protocel. Door verhitting splitst de RNA helix zich weer, maar de vesikel kan dan ook in tweeën delen. Hierdoor ontstaat er een niet-levende replicatiecyclus.

Belangrijk is dat RNA-moleculen afhankelijk van hun letterreeks een vorm aannemen. De katalytische activiteiten zijn dan ook afhankelijk van de letterreeks. Deze reeks wordt gekopieërd door het zelf-katalyseproces, maar met fouten. Dit geeft erfbaarheid van activiteit en een zekere natuurlijke variatie. Dit zijn de twee ingrediënten van het verhaal van Charles Darwin.

Charles Darwin publiceerde in 1859 het boek The Origin of Species: By Means of Natural Selection. Het combineerde de twee ingrediënten met het strijden om gelimiteerde grondstoffen, zeker binnen een ‘soort’. Omdat sommige individuen simpelweg beter aangepast zijn, zullen deze zich vaker voortplanten. Hun nakomelingen zullen meestal deze eigenschappen erven. Hierdoor zal de soort langzaam beter worden in zo’n aspect ⎼ dit loopt door totdat een ander aspect een groter effect zal hebben. Zo zullen antilopes niet harder gaan rennen; er is een fragiele balans tussen de huidige snelheid en het oplopen van verwondingen.

De voorspellingen van deze theorie zijn gevarieerd en geobserveerd, niet alleen door fossielen maar ook door experimenten in het laboratorium. Het verklaart de differentiatie van verschillende soorten. Uiteindelijk zullen groepen niet meer met elkaar in contact komen, wat meestal resulteert in dat groepen niet meer gezamenlijk kunnen voortplanten. Dit soort groepen noemen wij dan ook meestal ‘soorten’.
We kunnen bewijs voor deze theorie traceren tot zeker de eerste soorten met een skelet. Voor eerdere soorten is simpelweg te weinig bewijs dat honderden miljoenen jaren heeft overleefd. Door de verschillende vormen van bewijs hebben wij een redelijk beeld van de evolutie, en de verwachting is dat dit alleen maar toe zal nemen.

Tot slot
Vanaf de oerknal, de formatie van sterren, planeten en uiteindelijk leven tot de weelde aan biodiversiteit die we nu kennen. In dit artikel heb ik ieder onderdeel kort beschreven en een minuscule hoeveelheid van het bewijs aangestipt.
Vele onderzoekers hebben zich aan dit onderwerp gewaagd. Bijvoorbeeld bioloog Richard Dawkins met The Greatest Show on Earth: The Evidence of Revolution of Stephen Hawking met A Brief History of Time. De meeste werken zijn uitgebreider dan dit artikel, met een sterkere nadruk op de expertise van de onderzoeker.

Josko de Boer is opgeleid als theoretisch kwantumnatuurkundige. Momenteel is hij niet-onderzoeker in het laboratorium van prof. dr. Nynke Dekker, waar hij zich bemoeit met de data-analyse van de onderzoekers.

Voetnoten
1. [B. P. Abbott. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. Phys. Rev. Lett. 116, 061102; (februari 2016)]
2. [S. Carroll; Spacetime and Geometry: An introduction to General Relativity. Pearson Educated Limited (2003)]
3. [C. Darwin; On the Origin of Species: By Means of Natural Selection, or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life. (1859)]
4. [P. L. Luisi; The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology. Cambridge University Press (2010)]
5. [S.W. Stahler and F. Palla; The Formation of Stars. Wiley-VCH (2004)]