Nieuw imago van de scheikunde: Het Ontstaan van Het Leven

Om duidelijk te maken waarom een vakgebied belangrijk is, is het behulpzaam om een “Het Belangrijkste Onopgeloste Probleem” en een “Het Belangrijkste Opgeloste Probleem” te hebben. Die problemen zouden voor iedereen te begrijpen moeten zijn. Ik denk dat het Belangrijkste Onopgeloste in de natuurkunde The Big Bang is (wat gebeurde er de eerste seconde in het heelal?); het Belangrijkste Opgeloste in de biologie is The Origin of Species (hoe differentiëren soorten zich?) en de wiskundigen hebben de priemgetallen.

Het ultieme toonbeeld van de chemie van tegenwoordig is het periodiek systeem der elementen. Je zou kunnen zeggen dat dit het Belangrijkste Opgeloste probleem is. Iedere rechtgeaarde chemicus voelt zich min of meer aangetrokken tot de elementen en het is het ultieme overzicht van de chemie. Maar dat is maar lastig te begrijpen voor niet-chemici. De man op de straat heeft natuurlijk helemaal niks te maken met zuivere elementen. Hoe vaak worden de begrippen ‘lucht’ en ‘zuurstof’ wel niet door elkaar gehaald? En wie weet nou de voordelen van van een periodiek systeem in deze vorm op te noemen, boven andere soorten systemen?

Als Ultiem Probleem zou ik graag het volgende willen promoten: het ontstaan van het leven.

Stanley Miller in 1953, werkt hier aan het Urey--Miller experiment.

Een van de beroemdere pogingen om te begrijpen waar het ontstaan van het leven om draait, is het Urey–Miller experiment. Daarin is gekeken of de bouwstenen die nodig zijn voor leven, spontaan kunnen ontstaan bij bepaalde omstandigheden (zoals luchtvochtigheid, zuurgraad, etc.). Urey en Miller verwarmden water, methaan, ammonia en waterstofgas in een gesloten systeem, leidden dat door een buizensysteempje, lieten bliksem (stroomschokjes) door het gasmengsel en lieten dat weer neerslaan. Na een week werd de “oersoep” bekeken en er werden onder andere aminozuren, suikers, bouwstenen voor nucleïnezuren (DNA en RNA) en glycerine gevonden. Een her-analyse van hun bevindingen in 2008 toonde aan dat ze 22 verschillende aminozuren hebben geproduceerd. Met een vrij simpele scheikundige opstelling zijn de bouwstenen voor leven gemaakt.

Terug naar de Ultieme Vragen. Wat de precieze omstandigheden waren, toen leven ontstond, is natuurlijk praktisch niet te achterhalen. Maar wat wel te achterhalen is, zijn alle mechanismen die nodig zijn om leven te maken. Om aminozuren en suikers te maken uit water, methaan en ammonia (etc.) is nogal wat organische chemie nodig. Om van vetzuren mooie cellen te maken, is veel fysische chemie nodig (zelf-assemblage). En om te begrijpen hoe zoveel elektriciteit zoveel reacties kan laten verlopen, is anorganische chemie nodig. De rol voor biochemici is natuurlijk duidelijk (bijv. hoe vormden de eerste enzymen?). Het onderzoek naar alles wat om dit vraagstuk heen zit, is natuurlijk veel interessanter dan het uiteindelijke antwoord. De reis is belangrijker dan de spreekwoordelijke bestemming.

Natuurlijk zijn er ook nadelen aan dit verhaal. Veel mensen zullen natuurlijk denken dat dit een biologisch probleem is. Ik denk dat de basale vragen in dit Probleem bijna allemaal chemisch van aard zijn. Op het moment dat er cellen gevormd zijn, is er namelijk leven, en dan begint de evolutie. Dat is dan wel weer harde biologie: het ontwikkelen van soorten. Maar totdat de kleinste eenheid van leven (de cel) er niet is, is er geen biologie.

Een ander groot nadeel aan deze promotie heeft ook te maken met de biologie. Niet alle godsdiensten zijn zo gecharmeerd van de evolutietheorie. Zo hoeft — als Het Ontstaan van Het Leven aangenomen wordt als toonbeeld van de chemie — geen steun van een aantal godsdiensten te verwachten. Natuurlijk is het een discussie op zich waard, of kerk en wetenschap zo goed samen gaan, maar misschien kan ik het daar beter een andere keer over hebben.

Ik ben ervan overtuigd dat Het Ontstaan van Het Leven een goed verhaal is, vergelijkbaar met de oerknal en de evolutietheorie. Helaas is de relevantie niet zo duidelijk als in onderzoek naar medicijnen, en blijft Het Ontstaan van Het Leven voor een lange tijd een Onopgelost Probleem, maar in ieder geval is het veel beter te begrijpen het periodiek systeem der elementen.

Meer: de voordelen door The Curious Wavefunction; de nadelen door Everyday Scientist.

Achter de schermen bij wetenschap

De Scheikundejongens zijn een grote fan van de Periodic Table of Videos (PToV) en hun filmpjes komen dan ook vaak langs in onze blogposts. Van PToV bestaat ook een natuurkundig equivalent genaamd Sixty Symbols, gemaakt door dezelfde persoon, Brady Haran. Inmiddels is Haran nog een YouTube-kanaal begonnen: Backstage Science.

Bij Backstage Science krijgt de kijker, zoals de naam al doet vermoeden, een kijkje achter de schermen bij wetenschap. In tegenstelling tot PToV en Sixty Symbols, krijgt de kijker bij Backstage Science te zien wat een wetenschapper nu eigenlijk doet. Zo wordt er een bezoek gebracht aan een deeltjesversneller, aan een lab dat een ruimtecamera voor een telescoop maakt en bij een wetenschapper die in een kelder zoekt naar oude meetgegevens over de ionosfeer van de aarde, om de invloed van de zon op de aarde beter te begrijpen. Bekijk hieronder laatstgenoemde filmpje.

Naast de vele filmpjes zijn er op de site van Backstage Science ook fragmenten met extra scènes en interviews met wetenschappers te vinden. Neem dus snel een kijkje.

Over de Bunsenbrander

Vorige week donderdag was de 200ste geboortedag van de Duitse scheikundige Robert Bunsen (1811–1899). Zelfs Google vierde dat met een speciale Google Doodle. Chemici kennen Bunsen voornamelijk van de brander die zijn labassistent en hij uitvonden. Zelfs nu wordt die soort branders nog op menig laboratorium gebruikt om reactiemengsels te verwarmen, glaswerk te steriliseren of glas zacht genoeg te maken om het te kunnen bewerken.

De bunsenbrander werkt eenvoudig: door een rechtopstaand metalen koker wordt (meestal) methaangas gestuwd, dat bovenaan verbrand. Onderaan de koker zitten een aantal gaatjes waarmee lucht bijgemengd kan worden. Hierdoor komt er meer of minder zuurstof in het gasmengsel en wordt het methaan onvolledig of volledig verbrand. De onvolledige verbranding geeft een gele vlam van gloeiende roetdeeltjes; de volledige verbranding geeft een ruisende blauwe vlam. De blauwe vlam bestaat uit twee delen: een buitenste, lichtblauwe vlam en een binnenste donkerder blauwe vlam. Het heetste gedeelte van de vlam is het topje van de binnenste blauwe vlam, het minst hete gedeelte de rest van de binnenste blauwe vlam.

Iedere rechtgeaarde chemicus kent Bunsen natuurlijk van zijn bunsenbrander, maar wat niet veel mensen weten, is dat hij indrukwekkend onderzoek heeft verricht naar de het licht dat bepaalde elementen uitzenden door verwarming. Als een zuiver element verwarmd wordt, nemen de atomen in het materiaal beetjes warmte op. Na een tijdje kunnen die atomen die warmte weer los laten. Omdat atomen maar hele strikte hoeveelheden warmte op kunnen nemen, kunnen ze ook maar diezelfde hoeveelheden warmte los laten. Die energieën kunnen we zien als uitgezonden licht. Vroeger op de middelbare school had ik een zwart/wit BINAS, met maar een paar kleurenpagina’s. Een aantal van die kleurenpagina’s gingen over de speciale energieën (kleuren licht) die atomen op konden nemen en los konden laten: emissie en absorptie spectra.

Door zijn onderzoek naar die spectra, ontdekte Bunsen samen met zijn collega Gustav Kirchhoff, de elementen rubidium en cesium. Die laatste kennen jullie vast wel. Als je namelijk een brokje cesium in water gooit, reageert het heftig. De video van de Periodic Table of Videos (PToV) hierover is zeker de moeite waard. Een andere video van de PToV gaat over Robert Bunsen:

Tot slot: het verhaal gaat dat Robert bij zijn geboorte 200 gram woog, en dat “zijn luchtpijp dicht zat.”

Mogen mensen een mening hebben over wetenschap?

Wie mag er op welk moment zijn mening geven? Sinds Pim Fortuyn rond 2001 zich met de nationale politiek ging bemoeien, was dit een enorm belangrijke vraag. Het antwoord is ondertussen bijna gelijk aan onze Zeitgeist: iedereen zou alles moeten kunnen zeggen. Ik weet niet of ik het daarmee eens ben.

Laten we onderscheid maken tussen meningen (ik vind chocoladetaart lekker), feitelijkheden (Nederland ligt in Europa) en dingen waarover je in discussie kan gaan omdat ze niet zeker zijn (een achtdaagse week zal op de lange termijn voor wereldvrede zorgen). Over die eerste twee is niet te onderhandelen. Voor de stellingen kunnen argumenten verzameld worden, maar het is onmogelijk om het ermee oneens te zijn. Iedereen die ontkent dat ik chocoladetaart lekker vind, is een leugenaar.

Maar nu de politiek. Politiek is het proces waarbij mensen of een groep mensen een collectieve beslissing maken. In onze democratie is er een groep mensen die voor een veel grotere groep mensen beslissingen maakt. Zij beslissen of we soms 130 in plaats van 120 km/h mogen rijden en of dat nanomaterialen verboden moeten worden. Die kleine groep mensen maakt alle beslissingen, gebaseerd op wat waarheid is. Helaas zijn er een heleboel dingen niet te controleren (zal een achtste dag mensen écht gelukkiger maken), dus worden er maar schattingen gemaakt. En over dat soort inschattingen gaan de meeste discussies in de politiek.

Helaas pindakaas, ik beschrijf hier een ideale wereld. We gaan er namelijk vanuit dat de politici genoeg tijd hebben om zich te informeren, maar belangrijker nog: we gaan ervan uit dat ze slim genoeg zijn om beslissingen af te kunnen wegen. Politici zijn meestal namelijk niet opgeleid in meer dan één vakgebied, sterker nog, het vakgebied waar de meeste politici over beslissen heeft absoluut niks te maken met waar ze voor opgeleid zijn. Dit is een kort-door-de-bocht argument om aan te geven waarom politici meestal geen verstand hebben van hoe ze feiten over een bepaald onderwerp moeten interpreteren.

Laten we er nu vanuit gaan dat politici slimmer zijn dan de meeste mensen. Lijkt me niet een hele onredelijke aanname. Mijn stelling is nu, dat de meeste politici maar matig — niet slecht, maar matig — in staat zijn, de meeste van hun beslissingen goed te maken. Ik vind dat er meer mensen bij politieke beslissingen betrokken moeten worden, die speciaal van maar een klein aantal dingen verstand hebben. Die mensen heten natuurlijk “specialisten”, “deskundigen” of soms zelfs “wetenschappers.” Ik heb er namelijk absoluut geen vertrouwen in dat er tegenwoordig veel mensen in de politiek zitten die erg veel verstand hebben van de gespecialiseerde dingen waarover ze beslissen. Het is namelijk zelfs voor wetenschappers lastig om gevaren en kansen in te schatten, dus mensen die er niet voor hebben geleerd, zullen die inschattingen alleen nog maar slechter doen.

Een extreem voorbeeld ging toevallig deze week viral op Internet. Een Tweede Kamerlid Lilian Helder brak mijn klomp door de volgende domme dingen te zeggen:

Een uitspraak als “ik vind dat je persoon A niet met persoon B mag vergelijken” is belachelijk. Wat jij daarover vindt is natuurlijk volstrekt onafhankelijk van de waarheid. Jij kan best vinden dat ik geen chocoladetaart lust, of dat Nederland niet in Europa ligt, maar de waarheid is de waarheid. Ongeacht je mening. Als er nou zulke domme mensen in de Kamer zitten, wil ik echt Nederland oproepen om eens serieus na te denken over de hoeveelheid deskundigen die beslissingen maken. Ook wil ik de politiek oproepen om misschien eens na te gaan denken over een CITO-toets voor mensen die in de Kamer willen.

Filmpje via Dumpert, comic van DoYouKnowFlo?

Ode aan superlijm

Afgelopen zaterdag, 26 maart, is Harry Coover op 94-jarige leeftijd overleden. Ik had nog nooit van de beste man gehoord, maar hij blijkt een belangrijke ontdekking op zijn naam te hebben staan: superlijm. Coover studeerde en promoveerde aan de Cornell Universiteit (VS) en werkte veertig jaar lang voor Kodak: van 1944 tot 1973 als chemicus en van 1973 tot 1984 als vicepresident van het bedrijf. Na zijn pensioen bleef hij nog bij Kodak betrokken als adviseur en in 2009 kreeg hij de National Medal of Technology and Innovation uitgereikt door president Obama. Na zijn lange carrière had hij welgeteld 460 patenten op zijn naam staan. Één daarvan kennen we allemaal: superlijm. Maar wat is superlijm eigenlijk en hoe werkt het?

Superlijm en varianten zoals secondelijm bestaan uit een verzameling organische stoffen die onder de cyanoacrylaten vallen. Een cyanoacrylaat is een ester van cyanoacrylzuur en een alcohol zoals methanol of ethanol. Verder bevat een cyanoacrylaat nog twee kenmerkende groepen: een dubbele binding tussen twee koolstofatomen (C=C) en een cyano-groep (-C≡N).

De originele superlijm bestaat uit methylcyanoacrylaat (in de figuur hieronder, voor de pijl). De eigenschappen van de lijm zijn te beïnvloeden door de methylgroep (-CH3) te vervangen door iets anders. Voor bijvoorbeeld medische toepassingen wordt butyl– of octylcyanoacrylaat gebruikt. Laatstgenoemde is wat minder sterk, maar tegelijk ook wat flexibeler.

Maar hoe plakt superlijm dan? Methylcyanoacrylaat is een vloeistof, maar als het in contact komt met een beetje vocht (uit de lucht, of van de oppervlakken die je wilt lijmen), gaat het polymeriseren. Daardoor ontstaan hele lange ketens van wat heet poly(methylcyanoacrylaat) (zie figuur hierboven, na de pijl). Hierdoor wordt de lijm hard. De twee oppervlakken die je wilde lijmen, worden nu bij elkaar gehouden door de vanderwaalskrachten tussen het oppervlak en de lijm. Dat werkt vooral goed als de oppervlakken een klein beetje ruw zijn. Aangezien de lijm in het begin een vloeistof was, worden alle kleine oneffenheden in het oppervlak goed opgevuld. Daardoor is er veel contact-oppervlak en dus veel vanderwaalsattractie.

De polymerisatie van superlijm verloopt razendsnel, veelal binnen 10 seconden. Dat is natuurlijk heel handig, maar wel een reden om te zorgen dat je het niet op je vingers krijgt. Je vingers zijn tenslotte ook vochtig, dus die plak je met superlijm binnen enkele seconden aan elkaar.

Coover is helaas niet rijk geworden van zijn uitvinding. Toen superlijm populair werd, was het patent alweer verlopen en mochten ook andere fabrikanten cyanoacrylaten gebruiken als lijm. Meer over de ontdekking van superlijm zie je in de video hieronder, gemaakt door de United States Patent and Trademark Office vanwege het winnen van de eerder genoemde National Medal.