Hoe zien dieren?

En hoe beleven zij de wereld?

Eerst hoe zien wij als mens.

Opbouw van de ogen

Netvlies centraal en perifeer zicht  

Hoe ziet een hond?

Hoe zien vleermuizen?

Een vos ‘ziet’ het magnetisch veld

Navigatie van sommige vogels

De wereld van de insecten

De Honingbij

Het Bijenvolk

Vlinders en libellen

Paringsdrift bij vlinders

Libellen

Mieren

Termietenheuvels

Vissen

Bioluminescentie

Reptielen

Bezoek ook m’n andere website mijn-verdiepingen.nl

De nectar geproduceerd door bloemen wordt op bepaalde delen van de dag afgescheiden om zo ook specifieke bestuivers aan te trekken zoals deze honingbij.
Bijen weten precies waar en wanneer er nectar en stuifmeel te halen is: edepot.wur.nl

Hoe dieren zien vraagt volgens mij iedereen zich wel eens af. De vraag komt bij mij in ieder geval binnen als ik een honingbij nectar zie oogsten of een libel met subtiele vleugeltjes zie fladderen boven een bloemenzee. En als een vogel feilloos een tak weet te vinden als rust of uitkijkpunt. Wat ziet een pony starend voor zich uit en hoe weet een hond of een kat dat jij het bent? Waarom vliegt een mug razendsnel weg als ik wil meppen? En je hoeft ’n flinterdun spindraadje maar nauwelijks te raken en het spinnetje sprint weg…..alsof het leven, dit keer letterlijk, aan een zijden draadje hangt. Overigens zijn spinnenwebben wel 5x sterker dan een stalen draad van dezelfde dikte!

Opbouw van de ogen

Maar ik wil beginnen met hoe wijzelf de wereld zien met onze eigen ogen.De opbouw van de ogen is in z’n grondvorm voor alle zoogdieren hetzelfde. De functie en de werking van de ogen van alle zoogdieren komt zodoende ook in grote lijnen met elkaar overeen.

Aan de buitenkant van de oogbol bevinden zich drie lagen:

  • De buitenste laag is de harde oogrok. Deze laag geeft het oog zijn stevigheid en beschermt het. Je ziet het als het wit van je ogen.
  • Aan de voorkant van het oog gaat deze oogrok over in het doorzichtige hoornvlies. Deze heeft de vorm van een bolle lens en is voor het grootste deel verantwoordelijk voor het breken van de lichtstralen van buitenaf.
  • De middenlaag wordt gevormd door het vaatvlies. Zoals de naam al aangeeft, liggen hierin veel bloedvaten die het oog – en vooral het netvlies – voorzien van voedingsstoffen en zuurstof. Het vaatvlies gaat aan de voorkant over in het ciliaire lichaam (interne oogspier)dat de ooglens omvat. Hierin liggen kringspieren die door zich samen te trekken en te ontspannen de vorm van de lens beïnvloeden.

De binnenste laag is het netvlies, oftewel retina.. Dit bekleedt de binnenkant van de oogbol.

De lens is doorzichtig en bol, en is verantwoordelijk voor 20% van de breking van de stralen op het netvlies. De lens zit d.m.v. dunne draadjes (de zonulavezels) vast aan de interne oogspier.

  • Als de spieren van dit ciliaire lichaam samentrekken, wordt de lens boller waardoor je iets op korte afstand scherp kan zien.
  • Als deze spieren verslappen wordt de lens juist platter waardoor je in de verte scherp ziet.

Vóór de lens ligt de iris oftewel het regenboogvlies die de kleur van je ogen bepaalt. De pupil is een opening in de iris waardoor het licht het oog binnenkomt.

  • De iris regelt de grootte van die opening: bij erg weinig licht is de opening groot, bij zeer fel licht juist klein.

De voorste oogkamer bevat een waterige vloeistof met voedingsstoffen voor het hoornvlies en de lens. De grote oogkamer, het glasachtig lichaam, ligt achter de lens en is gevuld met een geleiachtige heldere vloeistof. Deze vloeistof houdt de oogbol in vorm en het netvlies op z’n plek.

De oogzenuwen zijn de op één na grootste zenuwen van het menselijk lichaam. Zij geven de signalen van de miljoenen lichtgevoelige cellen in het netvlies door naar de hersenen.

De blinde vlek is een deel van het netvlies achterin het oog waar de oogzenuwen samenkomen en het oog verlaat. Hier zit geen netvlies en er zijn hier ook geen lichtgevoelige cellen. Met andere woorden: op deze plaats is ieder mens virtueel blind. De lichtstralen van iets wat je wilt zien, worden hier niet opgevangen door de hersenen en je zult het dus niet kunnen zien.

Blinde vlek proef: Kijk naar de stip, terwijl je je linkeroog dicht houdt. Zorg dat de afstand tussen de oog en het beeld ongeveer 50 cm is. Blijf goed naar de stip kijken, terwijl je langzaam dichterbij het scherm komt. Op een gegeven moment zul je merken dat je vanuit je ooghoeken geen kruisje meer ziet. Dit is het moment dat de lichtstralen van het kruisje precies op de blinde vlek vallen.

De gele vlek of macula is je centrale zicht. Het zit recht achter de pupil, in het midden van het netvlies, bevindt zich de ‘gele vlek’. Omdat in de gele vlek extreem veel kegeltjes zitten, is dat het enige gebied waarmee je echt scherp kunt zien. Je merkt dat vooral als je naar een klein detail kijkt. Dat zie je scherper dan iets wat ernaast ligt. Kijk je rechtstreeks naar iets, dan gebruik je dit gedeelte van je retina (netvlies) in het midden zie je scherp, je centrale blikveld erom heen zie je nét iets minder scherp. Dat komt doordat in de rest van de retina meer staafjes zitten en minder kegeltjes. De gele vlek is ongeveer 2,5 mm in doorsnede.

Netvlies, centraal en perifeer zicht   

Opbouw van het netvlies
Bron: Natuurlijk Zien

Het netvlies (of retina) is een uiterst dun vlies, samengesteld uit 8 laagjes cellen. In dit vlies bevinden zich de lichtgevoelige uiteinden van zenuwcellen die er voor zorgen dat de stralen die het oog binnenvallen doorgestuurd worden naar de hersenen.

Ons oog vangt licht en kleuren op via receptoren op het netvlies. Deze receptoren worden kegeltjes en staafjes genoemd.

Kegeltjes hebben veel licht nodig.

De kegeltjes kunnen:

  • Kleur zien
  • Scherp zien
  • Details waarnemen

Staafjes hebben niet veel licht nodig, en zijn dus lichtgevoeliger om in het donker te kunnen zien. Ze werken zelfs beter als ze een poosje aan het donker gewend zijn.

De staafjes kunnen:

  • Contrasten zien in grijstinten
  • Niet scherp zien
  • Heel goed beweging opmerken

’s Nachts, in het donker, is er te weinig licht voor je kegeltjes en zie je dus alleen met je staafjes. Vandaar dat je dan geen kleur ziet en ook niet scherp kan zien.

Kleuren zien heeft eigenlijk niet veel te maken met de waarneming van licht. Licht is niets meer dan een deel van het elektromagnetisch spectrum dat ligt tussen 380 en 740 nanometer. Een nanometer is een miljoenste van een millimeter.

Het waarnemen van kleuren berust eigenlijk op het vermogen van onze ogen om licht in verschillende golflengtes waar te nemen en ook om die golflengtes te filteren. Dat filteren gebeurt door lichtgevoelige pigmenten in onze ogen. Zij splitsen het licht uit in rood, groen en blauw. Maar voor het zien van kleur heb je niet perse licht nodig. Je kunt bijvoorbeeld ook kleuren waarnemen door ze je met de ogen dicht voor te stellen. Er komt dan geen licht binnen. Veel mensen kunnen door op hun ogen te drukken ook ‘kleuren’ waarnemen.

In ons oog zitten ongeveer 130 miljoen cellen waarvan maar 7 miljoen kegeltjes. Die kegeltjes functioneren dus alleen bij daglicht en maken het ons dus mogelijk om kleuren waar te nemen. De staafjes zorgen voor zicht in lage lichtomstandigheden. Staafjes vormen dus als het ware onze nachtkijker. Als de staafjes niet werken zijn we ‘nachtblind’.

Je perifere blikveld

Alles wat buiten je centrale blikveld ligt noem je het perifere blikveld. Kijk je recht vooruit, dan zie je ook nog veel opzij van je. Maar omdat je die stralen bijna uitsluitend opvangt met staafjes zal je daar niet scherpzien en zie je ook veel minder kleur. Bewegingen merk je daar juist wel makkelijk op. Veel mensen sluiten hun perifere blikveld af, vooral als ze geconcentreerd ergens mee bezig zijn. Denk maar aan computeren of op je mobiel kijken. Maar perifeer zicht is minstens zo belangrijk als je centrale zicht.

Dieren zien de wereld gewoon zoals ze die zien met hun eigen specifieke gewaarwording. Wij kunnen dit zicht alleen maar benaderen met bepaalde technieken die mensen ervoor hebben ontwikkeld. Dieren zelf zullen het zicht mogelijk nét iets anders waarnemen en beleven.

How-animals-see-the-world

How-animals-see-the-world-in-360°

Nachtdieren hebben bolle ogen om meer licht te kunnen opnemen. Bovendien hebben ze een reflecterende laag achter het netvlies, het tapetum lucidum.

Het invallende licht wordt door dit ‘lichtend tapijt’ teruggekaatst op de lichtgevoelige staafjes, die zodoende nóg ’n keer licht kunnen opvangen en weergeven. Het oog van een nachtdier heeft meer staafjes dan kegeltjes, daarom kunnen deze dieren ’s nachts minder scherp zien en ook weinig kleuren waarnemen. 

Night-vision-animals

How-do-animals-see-in-the-dark

Hoe ziet een hond en andere zoogdieren?

‘Als je een licht/donkere zonnebril opzet en op je knieën kruipt, zie je ongeveer wat een hond ziet. Je kunt iets zien liggen wat op tafel ligt, maar alles heeft heel weinig kleur’ 

Honden hebben ook het licht reflecterende tapetum lucidum in hun ogen, en zien ze ’s avond beter dan wij. Ze hebben echter geen scherp zicht op verre afstand en zijn ’n beetje bijziend. Daarom is het reukorgaan bijzonder goed ontwikkeld. Een hond herkent je allereerst aan je geur en merkt je gedrag op. Honden zien wel degelijk kleuren, maar wél iets anders dan wij.

Het oog van de hond heeft twee verschillende types kegeltjes, de mens heeft er drie: rood, blauw en geel/groen. Die voor de rode kleur ontbreekt bij honden. Een hond ziet dus geen rood en ervaart rode dingen als (donker)groen. Een rode bal in het gras is dus voor een hond lastig te vinden!

 

De ogen van honden staan iets meer opzij, dus er is minder dieptezicht dan de mens.
Hun zicht is er vooral op voorzien om beweging waar te nemen.

Hoe ziet een kat?

Katten hebben betere ogen dan honden. Ze zien ’s nachts evenmin als wij, alleen hun ogen zijn goed aangepast om met heel weinig licht te kunnen kijken: het netvlies van een kat heeft meer staafjes, en maar weinig kegeltjes waardoor ze geen kleuren kunnen zien, dus ze zien alles in zwart/wit. Hun pupillen gaan zo ver mogelijk open om zoveel mogelijk licht binnen te laten.

Door hun grote pupillen ‘s nachts is het alsof de ogen licht geven, als reflectors. Terwijl de pupillen overdag in het zonlicht ‘n smal spleetje vormen. En ook katachtigen hebben een tapetum lucidum achter op en in hun netvlies, waardoor hun ogen oplichten in het donker.

Lichtgevende tapetum
Gezichtsveld kat

Konijnen.

Hun ogen zijn niet ontworpen om efficiënt voedsel te kunnen vinden, maar om heel snel roofdieren te zien aankomen vanuit bijna alle kanten. Elk bewegend object zou een roofdier zijn, en vanwege hun lange oren kunnen konijnen hun roofdieren goed ontlopen door pijlsnel en zigzaggend het hazenpad te kiezen.

De ogen zijn hoog aan de zijkant van de kop te vinden, waardoor het konijn bijna 360 graden in de rondte en ver omhoog kan kijken, zonder z’n kop te hoeven draaien. Het nadeel van deze oogstand is, dat ze niet goed recht vooruit kunnen kijken: dat is hun blinde vlek!

Gezichtsveld konijn

Het voedsel vlak vóór ze, kunnen ze niet daardoor niet snel vinden, of schrikken ze van een hand, die het konijn van voren benadert. De blinde vlek wordt overigens gecompenseerd door hun snorharen en lange oren, waardoor ze het voedsel kunnen voelen. Konijnen kunnen, ook door hun oogstand, geen diepte zien: als een konijn je van de zijkant aankijkt met het hoofd schuin, dan kijkt die je in feite zo recht mogelijk aan! Konijnen zijn ook zo goed als kleurenblind. Ze kunnen enkel ’n ‘soort groen en blauw’ van elkaar onderscheiden.

Kuddedieren.

Deze grazers leven in groepen en beschermen zich  met hun grote ogen, die in groothoek van ongeveer 360 graden goed kunnen zien. Als ze rechtop vooruit kijken, kunnen deze dieren hun ogen dusdanig draaien, dat ze bijna het puntje van hun staart zien! Vanwege hun eveneens grote pupillen is het zicht van kuddedieren in het donker redelijk. Gedragsonderzoek heeft bevestigd, dat ze niet helemaal kleurenblind zijn. Een stier komt dus niet op de rode kleur af van de vlag, maar door de beweging denkt de stier, dat de vlag hem bedreigt. Een varken kan ruim rondom zich heen zien met z’n kraaloogjes, zo’n 310 graden en ziet dan vooral contrasten op een beperkte afstand. Varkens houden van schemering. Als ze ergens rondlopen waar ze nog nooit geweest zijn, houden ze hun kop omlaag. Zo kunnen ze voelen, ruiken en proeven wat er op de grond ligt. Dat verkennend gedrag zou je kunnen vergelijken met dat van een blind mens met een geleidestok.

Koeien

Koeien zien maar zo’n 30 procent van wat de meeste mensen zien. Ze hebben wel een blikveld van 330 graden. Het verschil tussen licht en donker nemen de herkauwers extremer waar. Hun ogen hebben meer tijd nodig om te wennen aan andere lichtverhoudingen. Al met al leidt het ertoe dat runderen situaties die voor mensen volledig probleemloos zijn als stressvol kunnen ervaren.

Het centrale deel van het gezichtsveld dat beide ogen bereikt heet binoculaire zone.
In de monoculaire zone wordt niet met beide ogen, maar met één oog waargenomen.

Paarden.

Van alle zoogdieren op de wereld, heeft het paard de grootste ogen.  Paarden hebben ook een heel ander zicht dan wij, de mens. De ogen van een mens naast elkaar, vooraan in het gezicht, bij paarden staan de ogen aan de zijkant. Het is belangrijk dat je je daar bewust van bent, want het verklaart vele reacties die paarden soms hebben.

Op de tekening hiernaast zie je ook waar het paard “blinde vlekken” heeft als hij zijn hoofd recht voor zich houdt. Blinde vlekken zijn de plaatsen dat een paard niets kan zien. Wanneer een paard zijn hoofd recht voor zich houdt, dan ziet het paard de blauwe velden niet. Als hij zijn hoofd echter draait naar links of naar rechts (zonder zijn voeten te verplaatsten), ziet hij wél de blauwe velden.

De rode vlek kan het paard niet zien, ook niet als het hoofd wat gedraaid wordt. Daarvoor moeten de voeten verplaatst worden. Onder hun hoofd zien paarden ook niets. Als een paard bv, door een put of door een waterplas moet, dan kunnen ze wat terughoudend zijn op het moment dat ze er effectief door moeten gaan. Ze zien immers niet waar ze hun voeten neerzetten.

Monoculair en binoculair zien kunnen paarden niet combineren. Als ze bv grazen kijken ze monoculair, ze scannen de omgeving. Dit is nodig als je een prooidier bent: overzicht! Moeten ze een voorwerp/sprong/mens/ inschatten: dan kijken ze binoculair, want dan kunnen ze diepte inschatten.

Paarden zien scherp, maar wel op een andere manier scherp dan wij. Als wij voor ons uit kijken zien we enkel dat punt scherp waar we effectief naar kijken. Alles daarrond vervaagt geleidelijk aan (test het maar: kijk naar een punt dichtbij of in de verte, houd je ogen daar strak op gericht en bemerk hoe alles daarrond vager wordt hoe verder de afstand van dat punt is). Het beeld van een paard is minder hoog, maar wel veel breder (aangezien ze bijna volledig rondom zich kunnen kijken).  In het midden van die brede strook ziet het paard scherp. Als hij iets wil scherp zien dat laag bij de grond is, zal hij zijn hoofd lager brengen, om op die manier de “strook” waarin hij scherp ziet, naar omlaag te brengen.

Paarden zien veel beter in het donker dan de mens. Paarden hebben wel een langere aanpassingstijd nodig dan wij bij verandering van licht naar donker en omgekeerd.

Men denkt dat een paard het best blauw-geel-groen tinten ziet. Op de tekening zie je het verschil tussen welke kleuren een mens ziet en welke kleuren een paard ziet.

kleurenzicht bij paarden

Paarden zien dus vooral grijs, blauw, groen en gele tinten, en ook wit kunnen ze onderscheiden. Rood zien paarden geel-groenig, maar er zijn ook beweringen dat een paard wél perfect rood kan zien, omdat dit de kleur is van bloed. Bloed kan betekenen dat een dier aangevallen is geweest door een roofdier en dat er dus roofdieren in de buurt zijn. Anderen zeggen dan weer dat een paard bloed kan ruiken, en dat het dus geen rol speelt of ze de kleur ervan zien of niet. 

Mollen.

Onder de grond, in het donker, is een mol dag en nacht bijna zonder rust bezig om insecten te vangen. Hun zicht en gehoor zijn slecht ontwikkeld, maar stekeblind zijn mollen zeker niet. Met hun reuk en tastzin, samen met uiterst gevoelige snorharen zijn ze prima in staat zich in het donker ‘blindelings’ hun weg te vinden. De huid is bedekt met korte fluwelen haartjes, die achterwaarts gericht zijn, die hen daardoor niet hinderen in de smalle ondergrondse mollengangen.

Hoe zien vleermuizen?

Vleermuizen leven uitsluitend van insecten, behalve de vampiervleermuis: een kleine beet op slapend vee. Alleen wanneer deze soort geen kleine dieren vindt in hun leefomgeving……kan de mens wel ‘ns het bloedslachtoffer worden….

In zekere zin is de mens anno 2020 een virusslachtoffer van een vleermuis.

Hoefijzerneusvleermuizen
Waar vermoedelijk de coronavirussen vandaan komen…….

Vleermuizen  “zien met hun oren”. Maar dit heeft wel een grens: in het pikdonker zien ze helemaal niks! Uilen en andere nachtdieren hebben nog altijd een beetje (maan)licht nodig om te kunnen jagen. Vleermuizen bezitten een uniek systeem van echolocatie om dit probleem te omzeilen. Een ander woord is SONAR Sound Navigation And Ranging (navigatie en plaatsbepaling)

Een vos ‘ziet’ het magnetisch veld

Hoewel zijn verwanten de wolf en de jakhals in roedels leven, is de vos liever alleen. Ook jagen en slapen doen ze het liefst alleen. Wanneer er jongen zijn, leeft een vos wel in een groep. Ze graven dan holen onder de grond waarin ze hun jongen grootbrengen. Als de jongen het nest verlaten, blijven ze nog een tijdje bij de ouders. Daarna gaan ook zij hun eigen weg.

Een vos ‘ziet’ het magnetisch veld, neemt het magnetisch veld waar als een soort ring van schaduw in zijn ogen. Er bevindt zich proteïne Cryptochroom(oogeiwit Cry4) in het netvlies. De vos gaat eerst op z’n gehoor af en voelt daarna met de bewegingen van z’n kop het aardmagnetisch veld. Op die manier ‘ziet’ de vos een prooi de magnetische veldlijnen passeren. Tijdens het jagen gebruikt de vos deze veldlijnen om zijn prooi te besluipen en te bespringen vanuit het noordoosten.

Magnetische veldlijnen

Meerdere dieren kunnen magnetische velden waarnemen: haaien, roggen, schildpadden, mieren, kreeften, kevers, vleermuizen en molratten, maar ook koeien en herten. In 2008 ontdekte de groep van Červený, geleid door de Tsjechische Hynek Burda, dat kuddes koeien en herten ook neigen uit te lijnen in een noord-zuidlijn als ‘levende kompasnaalden’. Het team van Burda bekeek de dieren met Google Earth-satellieten en liet zien dat ze de neiging hebben om naar het magnetische noorden te kijken, ongeacht de windsterkte, het tijdstip van de dag of de stand van de zon. Een jaar later vonden ze meer bewijs dat deze dieren worden beïnvloed door een magnetisch gevoel: hun nette lijnen zouden kunnen worden verstoord door hoogspanningslijnen, die sterke magnetische velden produceren. Hoe dichter de kuddes bij de lijnen komen, hoe chaotischer hun posities.

Wolven.

De wolf, nu ook weer terug in Nederland

Hoe zien vogels.

De ogen van een vogel zijn in verhouding tot de kop zeer groot en opzij geplaatst, waardoor ze bijna alles kunnen overzien. Het oog is zo groot dat het perfect in de oogkas past zodat er weinig ruimte overblijft voor spiertjes. Hierdoor kunnen ze hun ogen dus niet zo makkelijk draaien, hun kop echter wel. Een merel draait zijn kop opzij naar de grond, alsof hij aan het luisteren is. Maar hij doet dit om de bodem goed te kunnen bekijken. Door de plaatsing van zijn ogen ziet hij namelijk bijna niks aan de voorkant, maar wel opzij. Er zijn overigens ook vogels die de ogen wel kunnen bewegen, zoals de roerdomp en de koekoek.

Gezichtsveld van de meeste vogels.

Aan de buitenzijde van het oog is het zogenaamde derde ooglid of knipvlies zichtbaar. Dit membraan ligt onder de oogleden aan de neuszijde en beweegt horizontaal over de oogbol. Het knipvlies houdt het oog schoon en vochtig.

Knipvlies

Met de staafjes in het netvlies zien vogels licht en donker. De kegeltjes zorgen ervoor dat vogels kleuren waarnemen en een scherp beeld hebben. Bij vogels komen 4 soorten kegeltjes voor: rood, groen, blauw en ook ultraviolet: muizenurine licht op door de reflectie van UV-licht. Ook wordt UV-licht gebruikt voor navigatie.

Kijk maar ‘ns hoe deze kraai door een scherpe en intelligente blik een noot weet te kraken: Tokyo-crows-smartest-birds-in-the-world

Er zijn ook vogels die zich oriënteren op aardmagnetische velden. We weten dat vogels alleen magnetische velden kunnen detecteren als bepaalde golflengten van licht beschikbaar zijn – specifiek hebben onderzoeken aangetoond dat magnetische magnetoreceptie van vogels afhankelijk is van blauw licht. Dit lijkt te bevestigen dat het mechanisme visueel is, gebaseerd op de cryptochromen, die de velden mogelijk kunnen detecteren vanwege de quantumsamenhang. Bron Science Alert.

Birds-can-navigate-earths-magnetic-field.
Zie ook: De mechanismen van het quantum, fysica op het allerkleinste niveau …

Het mysterie achter de manier waarop vogels navigeren, is nu eindelijk opgelost: het is niet het ijzer in hun snavel dat een magnetisch kompas levert dat eerder vermoed werd, maar een eiwit in hun ogen waarmee vogels de magnetische velden van de aarde kunnen ‘zien’. Het al eerder genoemde oogeiwit Cry4 maakt deel uit van een klasse proteïnen genaamd cryptochromen. Dit zijn fotoreceptoren die gevoelig zijn voor blauw licht, die zowel in planten als in dieren voorkomen. Deze eiwitten spelen een rol bij het ritme van de schommeling in de biochemische, fysiologische en gedragsfuncties om zich te oriënteren door magnetische velden te detecteren, een gevoel dat magnetoreceptie wordt genoemd. Magnetoreceptie is de mogelijkheid om het aardmagnetisch veld te voelen in richting en intensiteit.

Het meest goed bestudeerde voorbeeld van magnetoreceptie het geval van trekvogels zoals Europese roodborstjes (Erithacus rubecula), die het magnetische veld van de aarde gebruiken om hun weg te vinden tijdens migratie.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is roodborstje.png

Duiding weergave afbeelding hierboven.

a. Het netvlies zet beelden van het optische systeem van het oog om in elektrische signalen die worden verzonden langs de lichtgevoelige ganglioncellen die de optische zenuw naar de hersenen vormen.

b. en c. retina-segment (netvlies-segment) en uitvergroting Retinal Layers. Het netvlies bestaat uit verschillende cellagen. De primaire signalen die ontstaan ​​in de buitenste segmenten van de staafjes en de kegeltjes worden doorgegeven aan de horizontale, de bipolaire, de amacrine en de ganglioncellen.  

d. e. f. Het primaire signaal wordt gegenereerd in het receptor-eiwit rhodopsine, schematisch weergegeven. De rhodopsine bevattende membranen vormen schijven (discs) met een dikte van ± 20 nm, die ± 20 nm ook weer van elkaar verwijderd zijn.

Een vogel navigeert door het luchtruim

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is magnetic_vision1.jpg
Wanneer de vogel zijn kop beweegt, verandert de hoek tussen zijn kop en het magnetische veld van de aarde, het patroon van donkere vlekken zou over zijn gezichtsveld bewegen en het zou dat patroon kunnen gebruiken om zich ten opzichte van het magnetische veld te oriënteren. Bron: Cryptochrome and Magnetic Sensing

Duiven

Onderzoekers hebben in het duivenbrein zenuwcellen ontdekt die het magnetisch veld van de aarde omzetten in een soort GPS-signaal. De haast bovennatuurlijke vaardigheid van postduiven om hun weg te vinden, is een populair onderwerp voor biologen. Eerder was al ontdekt dat enkele soorten duiven ook magnetische velden kunnen waarnemen: bepaalde zenuwcellen in het brein van een postduif zetten signalen van de magnetisch gevoelige zintuigen om in bruikbare richting aanwijzingen.

Van de roofvogels kies ik voor de Condor.

De Andescondor, koning van de Andes.
De grootste vogel te wereld met een spanwijdte van meer dan 3 meter

Roofvogels hebben een zeer hoge dichtheid van receptoren (kegeltjes en staafjes) en andere aanpassingen die de gezichtsscherpte maximaliseren. Hun netvliezen hebben twee gele vlekken per oog. Op één van deze plekken kan de roofvogel objecten aan de zijkant ook goed waarnemen, terwijl de mens zich moet focussen op het gebied, bijna in het midden van het netvlies. Roofvogels hebben 5 soorten kegeltjes (mensen maar 3) en kunnen dus veel meer kleuren zien. Het aantal staafjes is 2 x zo veel en zijn gelijkmatiger verdeeld. Roofvogels kunnen hun ogen onafhankelijk van elkaar gebruiken en door de stand van de ogen twee naast elkaar gelegen punten beter onderscheiden. Verder kunnen ze hun ogen sneller en over een groter bereik scherpstellen. Het interpreteren van bewegingen gaat bij roofvogels vanzelfsprekend goed: ze kunnen tot wel 150 beelden per seconde thuisbrengen!! Dit is vooral belangrijk bij het herkennen van prooien tijdens snelle jachtvluchten en voor het ontwijken van aanvallers.

Uilen.

In de platte uilenkop staan de naar voren gerichte ogen ver uiteen. Beide blikvelden overlappen elkaar onder een hoek van 70 graden. Daardoor beschikt de bosuil over een stereozicht waarmee hij de verblijfplaats van prooien tot op de centimeter nauwkeurig kan inschatten. Wat vooral opvalt in het grote bosuilenoog is de enorme pupil. Voeg daarbij het netvlies, dat is opgebouwd uit zeer lichtgevoelige staafjes, en je zult begrijpen waarom een uilenoog honderd keer sensibeler is dan dat van een mens. Proeven tonen aan dat de bosuil bij een verlichtingsniveau van 0,0000073 lux (ongeveer het licht van een kaars op vierhonderd meter afstand) toch nog een muis weet te vinden. Met zijn haarscherpe ogen en geluiddempende veren slaat de bosuil midden in de nacht genadeloos toe.

Een uil is eigenlijk een kat met vleugels: bijna geluidloos. Toch is het beter om zijn jachttalent te vergelijken met dat van soortgenoten, met dagjagers als de buizerd en de havik. Maar zijn ogen tonen opmerkelijke verschillen.

…..bijna geluidloos…….

De wereld van de insecten

Overzicht-Nederlandse-insecten


De ogen van alle insecten zijn samengestelde ogen, facet-ogen genoemd. Deze bestaan uit een heleboel losse deeloogjes, de ommatidia. Dat zijn er soms wel dertigduizend! Ieder deeloogje heeft een eigen lens en ziet een heel klein stukje van de wereld. Al deze deeloogjes samen vormen, als een soort mozaïek, een groter beeld van de wereld.

Facet-oog en roltong vlinder.
Losse deel-oogjes facet-oog.

Bovenop de kop van alle insecten bevinden zich drie kleine enkelvoudige punt-ogen, de ocelli. Ze kunnen licht en donker onderscheiden, worden gebruikt om zich op de zon te oriënteren en spelen een rol bij het handhaven van een stabiele vlucht.

De hele omgeving zien.

Wij mensen kijken met onze ogen altijd maar één kant op. Als wij willen weten wat er achter ons gebeurt, moeten we ons hoofd omdraaien. Insecten zien dankzij hun bolle ogen vol deeloogjes, die alle richtingen opstaan, hun hele omgeving. Daarom ziet een vlieg je bijna altijd aankomen, van welke kant je hem ook besluipt.

Kleuren zien

De meeste insecten zien kleur en ook UV-licht. Bij sommige bloemen die voor ons helemaal geel zijn, zien insecten een vlek in het midden die wij dus niet kunnen zien. Dankzij deze vlek weten de insecten snel waar ze moeten landen voor een lekker hapje nectar.

Rechts dezelfde bloem in UV-licht.

De Honingbij.

Dit licht ik uitgebreid toe, want het is buitengewoon indrukwekkend hoe een bijenkolonie hun wereld inricht en beleeft! Hier is sprake van een bovennatuurlijk intellect, wat voor de honingbij een vanzelfsprekende manier van leven is! Ze hebben een eigen Universum

Bijen hebben 2 facetogen aan de zijkant en 3 puntogen bovenop de kop.     

  • Een bij kan wel 200 beelden per seconde afzonderlijk waarnemen, waardoor tijdens een snelle vlucht laag over de grond, bloemen als ‘stilstaande objecten’ gezien kunnen worden.
  • Bijen zien geen rood licht van het spectrum en zien deze kleur als zwart.
  • Het voor ons onzichtbare UV-licht is voor bijen waarneembaar.
  • Met de puntogen van insecten wordt de lichtintensiteit waargenomen i.v.m. daglengte en een eventuele naderende regenbui.
  • Bijen zien met hun facetogen gepolariseerd licht d.w.z. voor een bij trilt licht in een bepaalde richting.
Bijen kunnen met de facetogen ook gepolariseerd licht waarnemen. Het zonlicht wordt in de atmosfeer gepolariseerd volgens bepaalde patronen. Door analyse hiervan is de plaats van de zon aan de hemel vast te stellen, zelfs als de zon zelf onzichtbaar is. De zon richting weten is belangrijk, deze wordt immers gebruikt als kompas om een positie via de bijendans aan de andere bijen door te geven.
De ogen van de dar zijn met ongeveer 13.000 facetten het grootst. De werkbij heeft zo’n 6000 facetten en de koningin ‘maar’ ongeveer 5000. Zij hoeft dan ook het minst te zien.
Met de puntogen kan de lichtintensiteit worden waargenomen (dit i.v.m. daglengte en bijvoorbeeld naderende bui).
Zonnestralen worden door de atmosfeer gepolariseerd d.w.z. deze krijgen door de atmosfeer een bepaalde richting in een welbepaalde hoek met de voedselbron en de bijenkast of korf.

Speurbijen, ook wel haalbijen genoemd, zijn voortdurend op pad, om voedselbronnen te ontdekken. Wanneer deze speurbijen een interessante bron gevonden hebben, onthouden ze de locatie, en vliegen terug naar de kolonie. In de bijenkast communiceren ze met de andere bijen waar er wat te vinden is door specifieke waggel-dansjes op de raten. Vervolgens worden dan de andere bijen gemobiliseerd om te gaan foerageren. Onderzoekers hebben geconstateerd dat ’n zogenoemde waggeldans van de speurbijen gebruiken om de andere werksters te mobiliseren, eigenlijk gebaseerd is op de patronen van gepolariseerd licht. Aangezien de polarisatie van het licht aangeeft uit welke richting het komt, wordt dit vertolkt in de dansjes die de bij uitvoert op het verticale vlak van de honingraten.

The-waggle-dance-of-the-honeybee
Hoe maken bijen was?
Hoe produceert een honingbij perfecte zeshoekige raatcellen?
Bronnen: Bijenclub en Scientias

Bijen hebben speciale klieren, waarmee ze honing omzetten in was. Dit wordt het zweten van de bij genoemd. Dit zweten gebeurt in groepsvorm en kost de bij erg veel energie. Om 1 kg was te zweten, is er maar liefst 7 kilogram honing nodig!! De omgezette honing is niet direct een bruikbare bijenwas, er moet eerst flink op de samengebrachte was schilfertjes gekauwd worden om het zacht te maken. De zachte was is bruikbaar om honingraat van te maken. De raten bestaan uit zeshoekige cellen.

De honingraatcellen beginnen als perfecte cirkels. Vervolgens verhitten honingbijen de was. Doordat de cellen verhit worden, smelt de was en stroomt deze stroperige substantie als lava. Wanneer de was begint te stromen, worden de celwanden platter, waardoor ze de vorm gaan aannemen van een zeshoek. Dit zien we ook gebeuren met zeepbellen in bad.

De honingraat wordt gebruikt voor opslag van honing, stuifmeel en als broedkamer. Nieuwe was heeft een witte kleur, maar wordt onder invloed van licht snel geel. Dit kan zelfs verder verkleuren naar een bruine en zwarte kleur als de raten veel gebruikt worden. Bronnen: Bijenclub en Scientias

Onderzoekers schrijven in het blad Science Express, dat bijen (en ook hommels en libellen) en communiceren met bloemen en planten door gebruik te maken van elektrische velden. Dit is te danken aan de isolerende waslaag op de bladeren van planten en bloemen, waardoor een elektrische lading aangetrokken wordt en vastgehouden. Door verdamping na een regenbui, brengen de bladeren negatief geladen deeltjes in de lucht. Wanneer bijen, hommels en libellen door de lucht vliegen, genereren ze een positieve lading. Zodra zo’n geladen insect een geladen bloem aanraakt, ontstaat er een zwakke elektrische aantrekkingskracht.

Het Bijenvolk.

Ik spreek liever van een ‘volk’, dan de benaming ‘kolonie’ te gebruiken. Verdieping in deze bijzondere wezentjes dient respect af! Bijen zijn, volgens mij naast vele andere insecten, sociale en zelfs intelligent te noemen, levend in een eigen universum met eigen vanzelfsprekende regels, wetten, plichten en rangordes.

Honingbijen hebben een strikte rangorde waar ieder zich vanzelfsprekend aan houdt, dus niet van ‘bovenaf opgelegd’.

Werksters: Het merendeel van de bijen zijn werksters. In de zomermaanden leven er tussen de 40.000 en 60.000 bijen in een volk. In de winter zijn er uitsluitend werksters en dat er dan tussen de 5.000 en 20.000.

Darren: In de zomer leven er een paar honderd darren in het bijenvolk. Ze vallen op door hun forsere lichaamsbouw en hun grote facetogen. Darren moeten door de werksters gevoed worden. Zodra er in de natuur voldoende nectar aanwezig is, wordt darrenbroed aangelegd. Darren ontwikkelen zich uit onbevruchte eitjes en hebben 24 dagen nodig om tot ontwikkeling te komen. Hun voornaamste taak is het bevruchten van de koningin. Darren kunnen niet steken. Zodra de werksters aan het einde van de zomer ophouden de darren te voeden, moeten ze het volk verlaten en sterven ze.

De koningin: Ze is groter dan de andere bijen en heeft slechts 16 dagen nodig om tot een volle ontwikkeling te komen. De koningin verlaat de korf slechts eenmaal in haar leven voor de bruidsvlucht. Ze vliegt dan zo hoog mogelijk de lucht in, waar ze bevrucht wordt door 10 tot 15 darren die dezelfde hoogte bereikt hebben: voor haar als teken dat het ‘perfecte werksters en darren zullen worden’. Hierna bestaat haar voornaamste taak uit het leggen van eitjes en het regelen van het leven in het volk. In het hoofdseizoen kan de koningin tot wel 2000 eitjes per dag leggen, wat meer is dan haar eigen lichaamsgewicht! Deze enorme voortplantingskracht dankt ze aan het speciale voer wat ze krijgt: koninginnegelei. Bron: Bee-healthy-apitherapie.nl/bijen

Het ontstaan van de angel 
Van alle bijen zijn het alleen de vrouwtjes die een angel hebben. Ze steken alleen als ze zich bedreigd of beknelt voelen uit verdediging.


Honingbijen kunnen echter maar één keertje steken. Dit is zo omdat hun angel bezet is met fijne weerhaakjes die ervoor zorgen dat de angel blijft zitten wanneer de bij zich wil terugtrekken. Hierdoor komt een gedeelte van haar ingewanden mee naar buiten en zal de bij dus sterven.

Hommels zijn vriendelijke insecten.

Uit de eerste eieren komen alleen werksters. Die nemen de bouw van het nest en het verzamelen van voedsel over van de koningin, zodat die zich alleen nog hoeft te richten op het leggen van eieren.
Wat later in de zomer komen er mannetjes en nieuwe koninginnen uit de eitjes. Deze verlaten het nest, op zoek naar een partner om zich mee voort te planten. De oude koningin zal sterven en zo begint de cyclus weer opnieuw. Bron: Bijenclub

Wespen veroorzaken in de tweede helft van de zomer overlast. Net als bijen hebben alleen de vrouwtjes-wespen een angel, en kunnen ons dus steken…….

In de cellen van de raat legt de koningin haar eitjes. De daaruit komende larven worden door haar verzorgd. Na de verpopping komen hier de werksters uit voort. Het zijn allen vrouwtjes en ze zijn onvruchtbaar. Zij nemen de zorg van de koningin over en zorgen voor de verdere uitbouw van het nest en de verzorging van het broed. De koningin gaat het nest nu niet meer uit en blijft bezig met eitjes leggen. In de tweede helft van de zomer worden er mannelijke wespen geboren en korte tijd daarna nieuwe, doch nu wel vruchtbare vrouwtjes. Zij verlaten het nest om te gaan paren. Vrijwel direct daarna sterven de mannelijke wespen; in de loop van het najaar volgen alle inwoners van het nest, zowel de koningin als de werksters. Niemand overleeft en het oude nest wordt niet meer bewoond. De jonge, bevruchte vrouwtjes zoeken een beschutte plaats op voor de overwintering en gaan pas in het voorjaar een nieuwe kolonie stichten. De tamelijk grote wespen die we in het vroege voorjaar zien, zijn dus altijd jonge koninginnen.

Waarom-zwermen-bijen

Video: Bijenzwerm
Gezamenlijk overleg: waar gaan we heen met z’n allen?
Video: Stertselende-bijen

Wildebijen

De Paardenbloembij is één van de 350 soorten
Wilde-bijen-die-worden-bedreigd.

Vlinders en libellen.

Video van-eitje-tot-vlinder
Rupsen doen niets anders dan eten en nog ‘ns eten
Een volwassen vlinder heeft eigenlijk maar één taak: voortplanten en opnieuw eitjes leggen!

Paringsdrift bij vlinders.

In de wereld van de vlinders zijn het meestal de mannetjes die op zoek gaan naar een vrouwtje om daarmee te paren (maar bij sommige soorten is het andersom). Ze doen dit door af te gaan op seks-geurstoffen (feromonen) die paringsbereide vrouwtjes verspreiden. Vaak herkennen ze een vrouwtje pas op het gezicht als ze haar tot dichtbij genaderd zijn. De voortplantingsorganen van een vlinder bevinden zich in het achterlijf. Parende vlinders kan je dan ook gemakkelijk herkennen, ze zitten met de achterlijven aan elkaar ‘vastgeplakt’. 

De paring vindt soms al plaats voordat de vleugels van het vrouwtje zijn uitgehard. Er zijn ook soorten waarbij het mannetje de cocon van het vrouwtje opzoekt en gewoon gaat zitten wachten tot ze uitkomt; ook de cocon vindt het mannetje door af te gaan op feromonen, die dus al voor het uitkomen verspreid worden. Andere vlinders komen uit terwijl de geslachtsorganen nog niet volgroeid zijn en moeten eerst eten of een periode van rust ondergaan voordat de paring kan plaatsvinden. Bron: vlinderstichting

Geboorte-van-een-atlas-vlinder
’s werelds grootste vlinder.

Maar net als bij de vleermuizen, heeft ook de vlinderpopulatie een storende zender in haar bevolking: letterlijk, met vele miljoenen brandharen per rupsband om uit te zenden….

Eikenprocessievlinder

Libellen

De Vlinderstichting | Alle libellen
Libelle
Als ze ontspannen zijn, worden de vleugels helemaal gespreid gehouden, of soms zelfs schuin naar beneden.
Waterjuffer
Juffers hebben een lang, dun achterlijf. Als ze ontspannen zijn, worden de vleugels langs het bovenlijf samengeklapt.

Libellen paren meestal terwijl ze vliegen. Het mannetje vliegt tijdens het leggen van de eitjes mee, hij houdt het vrouwtje vast met de tang van zijn achterlijf. Samen vormen ze dan een soort wiel (paringswiel of -rad). Na de bevruchting worden de eitjes meteen gelegd. Libellarven ruimen grote hoeveelheden muggenlarven op.

Libellen  kunnen de vleugels onafhankelijk van elkaar bewegen. Ze kunnen net als een helikopter op een plek stil te staan, achteruit of opzij vliegen, loodrecht omhoog of naar beneden vliegen.
De vleugelslag is in vergelijking met sommige andere insecten betrekkelijk laag (20 tot 40 slagen per seconde). Sommige muskieten halen bijvoorbeeld wel 1000 slagen per seconde.

Grote libellen kunnen een snelheid halen van ruim 50 km per uur. Dit maakt ze tot de snelst vliegende insecten ter wereld. Libellen jagen vooral op het “gezicht” (met hun ogen) en grijpen tijdens de vlucht hun prooi. Een libel kan op 12 m afstand een bewegende prooi zien.
Waterjuffers vliegen veel langzamer en rusten vaker uit. Waterjuffers worden daarom makkelijker door vogels gevangen. Vooral de mannetjes verdedigen een eigen territorium tijdens de jacht.

Mieren

Alles over mieren: mierensoorten, leefwijze en het nut
Let ook op de bij alle insecten voorkomende facet- en puntogen!

Wat is een mier?

  • Mieren zijn vliesvleugelige, sociaal levende insecten: ze leven in kolonies die, net als bijen en wespen, bestaan uit vrouwtjes (werksters), mannetjes en een koningin.
  • Mieren zie je vooral in de zomer. Hoe warmer het is, hoe actiever ze zijn!
  • Mierennesten zie je op vele plekken en mieren zijn altijd op zoek naar voedsel.
  • In Nederland vinden we bosmieren, tuinmieren en ‘rode’ steekmieren.
  • Steekmieren zoeken vooral vochtige plekken op waar ook veel vegetatie aanwezig is. Ze komen vrijwel nooit in woningen voor.

Wat doen mieren en hoe leven ze?

Mieren hebben het druk! Ze verzamelen voedsel en bouwen aan het nest. Daarnaast verdedigen ze hun nest tot aan hun dood, want ze hebben veel belagers! Intussen zorgt hun koningin voor meer eitjes, want hoe meer miertjes……Hoe ontdekken mieren hun voedsel? Als ze lopen, laten ze een geurspoor achter voor andere mieren, dus kan elke mier hetzelfde pad bewandelen om bij voedsel te komen!

Faraomier
Deze mierensoort is warmteminnend, en je ziet hun nesten vaak in de buurt van een warmtebron.

Natuurinformatie – Termiet
Net als bijen en mieren kennen termieten enkel onvruchtbare vrouwtjes, behalve de koningin.
Er zijn ook een groot aantal mannetjes, die echter zeer spoedig sterven. Sommige koninginnen kunnen waarschijnlijk tussen de twintig en vijftig jaar oud worden en daarmee is de termiet verreweg het langstlevende insect.

Termietenheuvels

Rick-fietst-de-wereld-rond-97-Mega-termietenheuvels.
Een nieuwe kolonie termieten wordt gesticht door een mannetje én een vrouwtje samen, in tegenstelling tot bijvoorbeeld mieren, waar het vrouwtje – de koningin – dit alleen doet.
Bron afbeelding: Docukit
Met aarde en speeksel gebouwde woonplek van een kolonie termieten.

De heuvels hebben uitgesproken vormen, zoals die van de kompastermiet, die lange wigvormige hopen met een noord-zuid-georiënteerde as bouwen: de felle zon heeft op deze manier geen vat op de ‘koelplaat’. Kompastermieten zijn zich instinctief, bijna intuïtief bewust van de kompasrichting!! Deze richting werkt een efficiëntere warmteregeling in de hand. De kolom van hete lucht die in de grondhopen toeneemt, drijft luchtcirculatiestromen binnen in het ondergrondse netwerk. De temperatuurcontrole (van zo’n 35°C) is essentieel voor de soorten die schimmeltuinen cultiveren en ook voor het verzorgen van de jonge insecten .

Termiet bedrijft landbouw met schimmels

Uit DNA-onderzoek is vast komen te staan dat ca. 30 miljoen jaar geleden een termietensoort op het Afrikaanse continent evolueerde die een symbiotische vorm van landbouw ging bedrijven met schimmels. De termieten zijn voor hun voedselvoorziening volledig afhankelijk van de schimmel. Zonder de schimmel gaat de termietenkolonie op den duur ten gronde.

De oudere werkers verzamelen buiten dood plantenmateriaal dat het nest in gebracht wordt en door de jongere werkers wordt opgegeten. De jongeren eten óók de bolvormige vruchtlichamen van de schimmel, met de verse sporen. De poep dient als ’n substantie waarin de sporen goed kunnen ontkiemen en groeien. Vervolgens eten de oudere termieten na ongeveer twee weken dit goedje – het verteerde plantenmateriaal met de schimmel – weer op,

Spinnen

Kruisspin in z’n web
A = poten B = achterlijf
C = kopborststuk D = ogen
E = kaak F = kaaktaster
De kaaktaster wordt ook een palpen genoemd, deze zijn ontstaan uit de kaken.

De meeste spinnen hebben meerdere ogen waarmee ze hun prooi (letterlijk) goed in de gaten kunnen houden. Spinnen hebben twee soorten kijkers: hoofd-ogen en bij-ogen. Met de hoofd-ogen zien ze vormen. En de bij-ogen zien het verschil tussen licht en donker. Sommige spinnen hebben trouwens helemaal geen goede ogen, maar ‘kijken’ met hun poten. Vliegt er een lekker hapje in hun web, dan voelen ze dat meteen. Grotspinnen hebben helemaal geen ogen. Een spin heeft dus meerdere ogen maar geen oren! Ze hebben zeer gevoelige haartjes op hun poten.

Spinnen behoren tot de klasse van spinachtigen, waartoe ook hooiwagens, schorpioenen, mijten en teken behoren. Alle spinachtigen hebben 8 poten, terwijl insecten er maar 6 hebben. Enkele bekende spinnensoorten in Nederland zijn de huisspin en de trilspin binnenshuis, en de kruisspin en huiszebraspin buitenshuis.

Huisspin, die overigens niet uit de riolering kroop…..
Huiszebra-spin
Trilspin
Springspin

Bij springspinnen is vaak tenminste 1 ogenpaar (meestal de voor-middenogen) zeer goed ontwikkeld, kan diepte zien, verschillende kleuren en gepolariseerd licht waarnemen, en heeft een beweeglijk netvlies om het blikveld te kunnen vergroten. In het netvlies van deze spin zitten namelijk 4 lagen. Wetenschappers hebben ontdekt dat in één van die lagen een pigment aanwezig is, dat gevoelig is voor groen licht. In daglicht produceert deze laag altijd een onscherp beeld. De andere lagen produceren wél een scherp beeld.

De spin krijgt aldus een scherp en een minder scherp beeld binnen. Dat onscherpe beeld is sterk afhankelijk van de afstand tot de prooi. Hoe dichterbij de prooi, hoe onscherper het beeld. Op basis van die informatie en het andere wél scherpe beeld, kan de spin de perfecte sprong maken. Onderzoekers “plaagden” de spin. Ze zetten de springspin in rood licht. Dit licht heeft lange golflengten, en ook het groen was afwezig. In dit licht sprong de spin steeds naast de prooi……

Video: Holding-a-wild-goliath-tarantula-deadly-60-earth-
De allergrootste en gevaarlijkste spin op Aarde.

Vissen

Fish eyes
Meerval

Vissenogen zijn in verhouding best wel groot en ze stralen door het glanzende regenboogvlies. Wij mensen kunnen de ooglens bol maken, door onze oogspieren samen te trekken om dichtbij te kunnen zien of hol maken, door de oogspieren te ontspannen om in de verte te kunnen turen. Vissen kunnen scherpstellen door met spierbewegingen de ooglens naar voor of achter te bewegen.

De lens van een vissenoog is veel groter dan de lans in een mensenoog. In het vissenoog zit een spiertje dat de lens naar achteren en naar voren kan trekken. Zo kan de vis het beeld scherpstellen. In ruststand is het vissenoog op dichtbij ingesteld. Voor de vis is het niet zinvol ver weg te kunnen zien. Het belangrijkste dat de vis moet zien, zijn bewegingen en verschillen tussen licht en donker. Doordat de gezichtsvelden van beide ogen elkaar overlappen, is de vis in staat afstanden te schatten. De meeste vissen kunnen kleuren en vormen onderscheiden.

Het zicht bij vissen is afhankelijk van de leefomgeving van de vissoort. Het zicht moet namelijk aangepast zijn aan de omgeving om de vis goed te laten functioneren. Wateren worden onderverdeeld in verschillende zones:

Het meest oppervlakkige niveauis de epipelagische zone. Deze reikt van het wateroppervlak tot op 200 m diepte. Er is volop (zon)licht en biedt een thuis aan een grote verscheidenheid aan organismen. Het leven hier is de basis voor alle leven dieper in het water door een constante neerwaartse stroom van organisch materiaal.

Pelagische zone is de zone in zeeën en oceanen die bestaat uit “open water”. Deze zone bestaat uit verschillende diepteniveaus. Daglicht is er maar tot 1000 m diepte, terwijl er maar tot 200 m diepte genoeg daglicht is om fotosynthese toe te laten: de fotische zone.

Dieper dan 200 m begint de diepzee. Op deze diepte begint de mesopelagische zone, die reikt tot 1000 m. De eerste 650 m is de schemerzone, het overige deel, tot op 1 km diepte, is veel donkerder en schaarser aan voedsel.

De bathypelagische zone begint wanneer al het licht verdwenen is. Hoe dieper, hoe minder soorten er aanwezig zijn.

Ten slotte is er een benthische zone, de zone rond de zeebodem. Deze is zeer rijk aan voedingsstoffen door de continue stroom van organisch materiaal van het (duizenden meters) erboven gelegen water, ook wel ‘marine snow’ genoemd.

Elke zone heeft dus zijn eigen kenmerken waaronder de intensiteit van het licht, de temperatuur, het zoutgehalte en de waterdruk. De verschillende omstandigheden in de verschillende zones zorgen ervoor dat in elke zone de vissen aanpassingen vertonen op hun soorteigen ogen. Naast de aanpassingen aan de visuele omstandigheden onder water is het zicht ook aangepast aan zijn soortgenoten. Het zicht vertoont onder andere een correlatie met eventuele camouflage, met het vormen van scholen en met de jacht.

Een bodem die te diep is gelegen om verlicht te worden door de zon lijkt dan weer op een luchthaven tijdens de nacht omdat ze bewoond wordt door een enorme variëteit aan bioluminescente organismen. Bron: Nanopdf.com Het zicht bij vissen

Bioluminescentie

Diepzeevissen, en ook andere dieren, die licht produceren door middel van bioluminescentie hebben hiervoor speciale organen waarin zich het lichtproducerende luciferine (kleurstof) en het bijbehorend enzym (luciferase) bevindt. Wanneer de kleurstof oxideert onder invloed van het enzym komt licht vrij. De kleur van het licht is hierbij afhankelijk van het luciferase-enzym en de golflengte die uitgezonden wordt. Het licht wordt gebruikt om prooi mee te lokken, en ook elkaar: om te kunnen paren of om te zwemmen in scholen. Een lichtflits gebruiken ze vermoedelijk om vijanden af te schikken of af te leiden.

Kikkers hebben net als sommige vogels ook een knipvlies. De kikker kan dit vlies sluiten zodat het oog beschermd is maar het dier nog wel kan zien. Het wordt onder water gebruikt zodat de ogen niet beschadigd raken. De ogen van kikkers hebben verder nog een opmerkelijke functie: als een kikker zijn prooi doorslikt helpen de ogen hierbij. De kikker kan zijn ogen door een opening in het gehemelte de bek in laten zakken, hierdoor duwen de ogen het voedsel de slokdarm in. Bron: Wilma’s kikkersite.

Reptielen:

De slang

De groene anaconda is de grootste slang ter wereld. Die kan wel 9 meter worden, maar is daarmee niet de langste. Dat is de netpython in Azië, die wel 14 meter kan worden. De anaconda leeft voornamelijk in het water, maar wordt ook op het land gezien.

Verschillende reptielsoorten, vogels en haaien beschikken over een derde ooglid: het knipvlies, dat het hoornvlies schoon en vochtig houdt. Bij mensen is een restant zichtbaar als een paars klontje in de ooghoeken.

Knipvlies havik

Bij slangen en verschillende hagedissen zijn de oogleden versmolten tot 1 geheel. Dit geheel vormt een doorzichtige oogkapje, ’n transparant vlies en wordt spectaculum genoemd. De spectaculum bedekt en beschermt de cornea en er hoeft niet met de ogen geknipperd te worden. Het vermindert weliswaar de bewegelijkheid van het oog, maar zorgt wel voor de starre hypnotiserende blik van slangen! Nacht-actieve slangen hebben grote ogen en een verticale pupil. De dag-actieve dieren hebben in de regel kleinere ogen en een ronde pupil.

Spectaculum ratelslang

Slangen kunnen hun zicht optimaliseren door de bloedtoevoer in hun ogen te variëren. De verbeterde visie komt vooral van pas wanneer ze een bedreiging waarnemen. Onderzoekers ontdekten dat het oogvlies een netwerk van bloedvaten bevat, wat een vergelijkbaar effect heeft met jaloezieën voor een raam. Bij een slang in rust wordt de bloedtoevoer in een ritmisch patroon verhoogt en verlaagt. Maar wanneer het beest zich bedreigd voelt en de fight-or-flight-respons in werking wordt gezet, verandert er iets. De bloedvaten vernauwen zich en verlagen de bloedtoevoer nog verder dan in rusttoestand. Dat kunnen ze enkele minuten volhouden. Door de afwezigheid van bloedcellen in het transparante vlies kunnen slangen hun zicht optimaliseren. Bron: NewScientist.

Naast de “normale” paar ogen hebben reptielen nog een zogenaamd derde oog. Dit mediane oog of pijnappeloog is een uitgroei van de tussenhersenen dat wij kennen als de epifyse, de Pijnappelklier.


Het bevindt zich onder een delletje op de mediaanlijn van het schedeldak. Onder dit delletje zitten achtereenvolgens een lens, oogvocht en primitieve fotoreceptoren. Deze receptoren nemen de lichtintensiteit waar en spelen een belangrijke rol in het dag- en nachtritme. Hier wordt in de praktijk veel gebruik van gemaakt, al dan niet onbewust, door het derde oog af te dekken. Hierdoor wordt het dier rustiger, omdat het denkt dat het donker is/wordt.

Slangen kunnen slechts een beperkt kleurenspectrum waarnemen, maar dankzij ’n bepaalde hersenzenuw, de n. trigeminus kunnen ze wel infrarood zien. Het is het groeforgaan dat bestaat uit een opening tussen de schubben aan iedere zijde van de kop. De opening zit iets onder het midden tussen het oog en het neusgat. Aan de binnenzijde is weefsel aanwezig met warmtegevoelige receptoren, die infraroodstraling kunnen waarnemen. Hierdoor kan een slang in het totale duister warmbloedige prooien waarnemen.

Rode pijlen geven de groeforganen aan en de zwarte pijl het neusgat. filmpje-hoe-slangen-gebruik-maken-van-ir-stralen
Slangen gebruiken hun tong om geurdeeltjes op te vangen.

In de lucht zweven allemaal geurmoleculen. Alles heeft zijn eigen, unieke geur. Als een slang zijn tong uitsteekt, vangt hij deze geurdeeltjes op. Door zijn tong weer in z’n bek te trekken, brengt hij de geurmoleculen naar een speciaal orgaan, bovenin z’n bek: het orgaan van Jacobsen. Dit orgaan geeft de deeltjes door aan de hersenen. En die sturen weer informatie aan de slang.

Een slang kan dankzij het orgaan van Jacobsen ‘ruiken’ waar een prooi is en waar hij zelf is. Doordat de tong gespleten is, ruikt de slang precies of de geur van links of van rechts komt. Met zijn gespleten tong maakt de slang dus eigenlijk een stereoplaatje van z’n omgeving.

Slangen in Nederland

Ringslang

De ringslang is de grootste slang die we in Nederland aan kunnen treffen en kan 1.30 m lang worden. Deze slang heeft een tekening van een ring in de nek. Voor ringslangen hoef je niet bang te zijn: ze bijten (bijna) nooit en zijn niet giftig. Ze hebben wel andere trucjes waarmee ze vijanden probeert af te leiden of weg te jagen: ze kunnen erg vies ruikende vloeistof uitscheiden en wat “onschuldiger”: ze kunnen doen alsof ze dood zijn……

Zonnende adders in de vroege ochtend. Foto Georg Mol
Adder

De adder is de enige giftige, wilde slang in Nederland en is te herkennen aan de zigzaglijn. Voor mensen is een beet zeer pijnlijk, maar bijna nooit dodelijk. Wel oppassen waar je loopt in de vrije natuur want adders zigzaggen ’t liefst onder het gras….

Gladde slang
Een jong exemplaar met duidelijke kopvlek en streep van neusgat tot nek.
Gladde slang

De gladde slang is niet giftig en is herkenbaar aan een donker vlekje op z’n kop als een plat kroontje. Gladde slangetjes zie je niet vaak in Nederland: niet alleen omdat die hier zeldzaam is, maar is door de schutskleur moeilijk te vinden in het gebladerte waar ie zich graag verstopt.

Slangenparing


Mannetjesslangen hebben twee seksorganen die hemipenis worden genoemd. Ze functioneren als testikels en laten het sperma vrij in de vrouwtjesslang. Het vrouwtje kan het sperma zeker een jaar opslaan en later pas zwanger worden. Ook kan ze met meerdere mannetjes de liefde bedrijven en kiezen van wie ze een baby wil. Zo krijgt ze dus kinderen van allemaal verschillende vaders. Ook heeft ze niet per se eerst seks nodig om zwanger te worden. Ze slaat het sperma immers een hele tijd op. Slangenseks kan een hele dag duren, maar meestal is het in een uurtje klaar.

Snake-giving-birth-wildlife-documentory Vrouwtjesslangen produceren een of twee keer per jaar nageslacht. Afhankelijk van de soort leggen ze eitjes of bevallen ze van levende slangen.

Voor meerdere verdiepingen: mijn-verdiepingen.nl

Wat zijn virussen?

Bouw van een virus.

Hoe gedragen virussen zich?

Kans op infectie hangt af van intensiteit sociaal contact.

Immuunsysteem is het afweersysteem.

Macrofagen en lymfocyten (witte bloedcellen).

Het coronavirus dat de ziekte COVID-19 veroorzaakt.

Elektronenmicroscopische beelden van het coronavirus.

Er zijn meer virussen dan sterren in het heelal.

Virussen zijn minuscule micro-organismen met een afmeting van slechts ’n tienduizendste mm. In een druppel zeewater kunnen er al meer dan 10 miljoen……..Het zijn de meest voorkomende biologische of misschien zelfs wel niet-biologische wezentjes op Aarde. Het enige doel dat ze hebben is, zich te vermenigvuldigen, maar daar hebben ze een slachtoffercel voor nodig…..

Gemiddeld zijn virussen 20 tot 30 nanometer groot, ongeveer 100 maal kleiner dan een bacterie.

1nm = ’n miljoenste mm      1μm = 1 micrometer = ’n duizendste millimeter.

Mould = schimmel       Yeast = gist           grootte van ’n virus = 10 duizendste mm 

Een virus is niets meer dan een eiwit pakketje met daarin wat genetisch materiaal. Soms zit er nog een membraan omheen, een zogenoemde envelop. Verder heeft een virus geen organellen, geen eigen stofwisseling en kunnen zich niet zelfstandig voortplanten. Doordat ze al deze eigenschappen missen, worden virussen door veel wetenschappers niet als levend organisme gezien.


Wat is een virus?

Bron: Maaike Borst. Journalist. Columnist. Dagblad van het Noorden.

Virussen zijn onlosmakelijk verbonden met het leven. En het enige doel dat virussen hebben is het verspreiden van het eigen erfelijk materiaal. Klinkt bekend? Inderdaad, alle levende organismen op aarde zijn voornamelijk hard bezig om hun erfelijk materiaal door te geven, om nakomelingen voort te brengen die zijn zoals zij zelf.

Bouw van een virus

Envelop is een extra buitenwand.
Spikes zijn uitsteeksels bestaande uit koolhydraat-eiwitcomplexen, die alleen passen op receptor-eiwitten van hun gastheercel.
Capside is de eiwitmantel
De Matrix bevat virale eiwitten

Er bestaan DNA- én RNA-virussen

DNA staat voor ‘deoxyribonucleic acid’, oftewel ‘desoxyribonucleïnezuur’
RNA staat voor ‘ribonucleic acid’, oftewel ‘ribonucleinezuur’
In cellen vind je verschillende typen RNA, met verschillende functies: mRNA (messenger) tRNA (transcript) en rRNA (ribosomaal, om een ​​ribosoom te vormen). Al deze verschillende typen hebben een rol in de productie van eiwitten op basis van informatie uit het DNA.

Virussen worden op basis van hun erfelijk materiaal ingedeeld en hoe dit is samengesteld: enkelstrengs RNA of dubbelstrengs DNA. Deze kenmerken bepalen ook hoe het virus zich vermeerdert in de gastheercel én of er aangrijpingspunten zijn voor de ontwikkeling van medicijnen.

DNA-virussen
Hierbij bestaat het erfelijk materiaal uit DNA. Na binnendringen gaat dit DNA naar de kern van de cel en vindt transcriptie van DNA naar mRNA plaats en kunnen er virale eiwitten gemaakt worden door translatie. Video Genetica-DNA-transcriptie-en-translatie. De cel schrijft vooral het virale DNA af en nauwelijks zijn eigen DNA. Behalve als dat DNA codeert voor eiwitten die het virus zelf nodig heeft bij het maken van het virale DNA. De meeste DNA-virussen zijn dubbelstrengs. Voorbeelden: adenovirussen, pokken, herpesvirussen (koortslip), Hepatitis B, Epstein-Barr (virus bekend van de ziekte van Pfeiffer).

RNA-virussen
Dit zijn de enige organismen waarbij het erfelijk materiaal uit RNA bestaat.
Bij de meeste RNA virussen wordt een kopie van het RNA gemaakt wat in een normale cel nooit gebeurt. Dit wordt  mogelijk gemaakt door een viraal enzym: RNA polymerase (RdRp), dat
bij het kopiëren van het RNA erg veel fouten maakt. De vraag is of dit erg is: het resultaat is dat alle nieuw gevormde virussen een andere mutatie hebben d.w.z. veranderd zijn dus verschillend. De meeste mutaties hebben echter geen invloed op de werking van het virus, en kunnen zelfs gunstig zijn voor het virus! Een verbeterde versie zoals beter bestand tegen de afweer van de gastheer of resistent tegen een antiviraal geneesmiddel. Deze voordelen wegen helaas ruimschoots op tegen de mislukte versies van het RNA-virus.

Retrovirussen
Dit zijn virussen die zich op ’n andere manier voortplanten: eerst dringt viraal RNA de gastheercel binnen. Naast het RNA wordt een DNA-keten gevormd, het RNA wordt afgebroken en het virale DNA wordt gerepliceerd, vaak met de nodige kopieerfouten. Het virale DNA, vaak met kopieerfouten, wordt ingebouwd in het DNA van de gastheercel. Bij transcriptie wordt viraal RNA gevormd en bij translatie ook virale eiwitten. Er komen dan vele virussen vrij uit de gastheercel.

DNA-virussen zijn waarschijnlijk ontstaan doordat een viruseiwit de halffabricaten van RNA kon omzetten naar die van DNA. Doordat DNA veel stabieler was dan RNA, waren de DNA-virussen in het voordeel in vergelijking tot RNA-virussen. Deze virussen hebben waarschijnlijk het RNA van een gastheer ‘per ongeluk’ omgezet in DNA. DNA was hierna een back-up voor de genetische informatie. Dit gaf die gastheer een evolutionair voordeel, want als zijn onstabiele RNA uit elkaar was gevallen, maakte hij gewoon nieuwe met zijn DNA-backup. Bron: Natuurinformatie

LUCA en virussen | Op zoek naar de klepel
Onze laatste gemeenschappelijke voorouder (LUCA: last universal common ancestor) zou niet een bacterie zijn, maar een protoeukaryote cel. Deze hypothetische cel bevatte een kern met RNA.

Er bestaat dus een zogenoemde RNA-wereld hypothese, waarin er ooit zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA.

  • Een polymeer is een organische verbinding waarvan de moleculen bestaan uit een opeenvolging van identieke, of soortgelijke, delen die chemisch aan elkaar zijn gekoppeld.
  • Ribozymen zijn RNA-moleculen die een katalytische (versnellende) rol speelt in een biochemische reactie.

De RNA-wereld lijkt weer een stukje waarschijnlijker

RNA is enkelstrenging, maar kan, net als DNA, informatie opslaan. Daarnaast is RNA ook in staat als enzym te fungeren. Die functies hebben nu de eiwitten. Daarnaast ontdekten onderzoekers dat RNA de kern is van verschillende moderne enzymen die wezenlijk zijn voor het leven, zoals het ribosoom dat de eiwitten produceert. In de RNA-wereld regelde RNA zowel de genetica (in feite de overdracht van informatie) als de biochemie in cellen.
Als dat klopt dan moet RNA zichzelf kunnen kopiëren om nieuwe cellen van de informatie te kunnen voorzien
. Bron: Alles over synbio

Maar : RNA-wereld-hypothese-klopt-niet bron: Visionair

Aanhangers van de RNA-wereld hypothese namen een aantal dingen aan over de evolutionaire oorsprong van het ribosoom. Deze aannames bleken niet te kloppen, bleek uit het onderzoek van zijn groep. De belangrijkste foutieve aanname: het deel van het ribosoom dat verantwoordelijk is voor het opbouwen van eiwitten,  het peptidyl transferase centrum (PTC), is helemaal niet het oudste deel van het ribosoom, zoals gedacht. Transferasen zijn eiwitten (enzymen) die delen van chemische verbindingen overgedragen. Evolutionair gezien bleek het PTC zich pas gevormd te hebben, vlak nadat de twee primaire subonderdelen van het ribosoom aan elkaar waren gaan zitten (met RNA-ketens ertussen). Dit was een sterke aanwijzing dat eiwitten al bestonden voor ribosomale RNA’s actief werden

Hoe gedragen virussen zich?

Virussen-vriend-of-vijand

A-virus-attacks-a-cell.

Virussen hebben een “gastheer-cel” nodig om zich te kunnen voortplanten. Ze zijn in feite op zoek naar een slachtoffer-cel. Zich vermenigvuldigen doet een virus namelijk door een bacteriële, plantaardige of dierlijke cel te kapen om te kunnen penetreren oftewel de cel met hun eigen RNA te infecteren. In dit RNA bevinden zich alle ­instructies die nodig zijn om nieuwe viruseiwitten te ­produceren. Een virus heeft een aantal heel grote uitsteeksels – S-eiwitten of spikes, waarmee het virus zich kan binden aan eiwitten op de “gastheer-cel”. Het coronavirus hecht – net als het SARS-virus – aan ACE2, een eiwit dat voorkomt op de cellen van de luchtwegen.

Eiwitten op het oppervlak van een “gastheer-cel” werken ongeveer hetzelfde als een slot: zonder sleutel gebeurt er niets en blijft de cel dicht. Het S-eiwit, een spike, van het coronavirus past precies op het ACE2-eiwit. Door deze connectie tussen de spikes van het virus en de receptoren van de cel, accepteert de cel het genetisch materiaal van de virus. Hierdoor kan het RNA van de kaper rechtstreeks geïnjecteerd worden. De meeste virussen gaan letterlijk een stapje verder: door de connectie gaat de cel open en het virus kan in z’n geheel naar binnen.

How-do-viruses-reproduce.

Eenmaal in de cel gedraagt een virus zich als een computervirus. Het erfelijk materiaal van het virus werkt als een kwaadaardige boodschap die de cel herprogrammeert. Het maakt vervolgens misbruik van de aanwezige ‘kopieermechanismen’ om zijn eigen genetisch materiaal te kopiëren. Nadat het virus zich meerdere malen heeft verdubbeld, valt de slachtoffercel uiteen en komen er vele tientallen verdubbelde virussen vrij. Nieuwe virusdeeltjes verlaten de oorspronkelijke cel om op zoek te gaan naar een eigen slachtoffer. De oorspronkelijke cel sterft en dat zorgt voor schade. Bij luchtweg­virussen, zoals het coronavirus, is die schade vaak te herstellen. Cellen in de luchtwegen delen zich en dus kunnen nieuwe cellen de functie van de gedode cellen overnemen.

De ernst van een virusinfectie wordt bepaald door verschillende factoren in het lichaam. De beschikbaarheid van de receptor waaraan het virus moet binden, speelt daarbij letterlijk een sleutelrol. Maar ook de omgeving waarin het ­virus terecht komt is cruciaal. De bovenste lucht­wegen (neus en keel) zijn echt een andere omgeving dan de onderste luchtwegen (longen). In de ­bovenste luchtwegen is de temperatuur ’n paar graden lager dan in de longen. Sommige virussen, zoals het griepvirus, kunnen zich goed vermeerderen bij een lagere temperatuur.

Kans op infectie hangt af van intensiteit sociaal contact.

De kans op een influenza-infectie (van “gewone” griepvirus) is sterk afhankelijk van de intensiteit van sociale contacten. De kans op besmetting is het grootst in besloten, drukbezochte ruimten, zoals kantoor, openbaar vervoer, school en kinderdagverblijven. Mensen die in een groot huishouden wonen hebben meer kans met het virus in aanraking te komen dan mensen in een klein huishouden.

Het overbrengen van het influenzavirus (transmissie) loopt via druppels of vernevelde deeltjes in de lucht én via lichamelijk contact. De druppels kunnen zich op de slijmvliezen van de mond en de neus afzetten als ze worden ingeademd, hoewel ze te groot zijn om de longen te bereiken. De vernevelde deeltjes zijn kleinere deeltjes die ook de onderste luchtwegen kunnen bereiken. Bij transmissie via direct contact wordt het virus via een besmet voorwerp of persoon overgebracht op de slijmvliezen van de bovenste luchtwegen. Influenzavirus kan enkele uren tot meerdere dagen op oppervlakken buiten het lichaam overleven. De incubatietijd voor influenza is 1 tot 5 dagen, met een gemiddelde van 3-4 dagen.

Een goede fysieke weerstand verkleint de kans om geïnfecteerd te worden. Met andere woorden zorg dat je immuunsysteem op peil blijft.

Immuunsysteem is het afweersysteem

Het immuunsysteem is het systeem van het lichaam dat ervoor zorgt dat bacteriën, virussen, parasieten en andere micro-organismen geen schade kunnen toebrengen aan organen en weefsels. Het immuunsysteem kan worden onderverdeeld in een aspecifiek (aangeboren) en adaptief (verworven) deel.

  • Het aspecifieke deel is snel werkzaam, maar minder specifiek voor de ziekteverwekker (pathogeen).
  • Het adaptieve deel daarentegen past zich aan het pathogeen aan; dit kost tijd, maar zal uiteindelijk een sterkere afweer worden. Bovendien is het lichaam daarna vaak langdurig beschermd tegen dit pathogeen.
Hoe-werkt-mijn-immuunsysteem?

Het immuunsysteem kan worden onderverdeeld in een adaptief (verworven) en een aspecifiek (aangeboren) deel. Het adaptieve, trage deel past zich aan de pathogeen (ziekteverwekker) aan, maar zal uiteindelijk een sterke afweer worden. Als je besmet bent met een pathogeen en je overleeft het, dan ben je de rest van je leven meestal immuun voor deze specifieke pathogeen. Dit gegeven ligt ten grondslag aan vaccineren. Het aspecifieke, aangeboren deel is direct werkzaam, maar minder specifiek voor de ziekteverwekker en kan de afweer soms maar weinig op  gang brengen.  Het lichaam heeft een aantal middelen paraat staan om bacteriën en andere boosdoeners buiten de deur te houden:

Als eerste is de huid hier een belangrijk onderdeel van. Dit komt doordat de huid een sterke barrière voor ziekmakers die het lichaam in willen dringen. De huid houdt dus de meeste ziekmakers tegen. Een aantal plaatsen zijn echter niet afgeschermd: mond, neus, ogen,… maar daar zorgen trilhaartjes of traanvocht voor de nodige hindernissen.

Ook onze darmen zijn belangrijk in het immuunsysteem. Voor het optimaal functioneren van het immuunsysteem is een goede darmflora noodzakelijk. De darmflora heeft veel verschillende functies in ons lichaam. Het biedt bescherming tegen pathogenen (ziektekiemen). De darmflora creëert een milieu waarin pathogenen zich niet thuis voelen. Ook voedselvertering is een belangrijke functie van de darmflora. Wanneer de darmflora optimaal is vormt deze een laag in de darmen die optimale bescherming biedt voor het binnendringen van pathogenen.

Darmen: de-werking-van-het-immuunsysteem
Hierin is ook te zien wanneer het immuunsysteem overactief is en er een auto-immuunziekte kan ontstaan. Dit betekent dat het immuunsysteem zich tegen het lichaam zelf keert.

Symptomen voor een mogelijk verzwakt immuunsysteem:

  • Vermoeidheid
  • Allergieën, astma en eczeem
  • Vatbaar voor infecties
  • Wondjes genezen langzaam
  • Vaak verkouden
  • Kans op auto-immuunziekten
  • Veel stress
  • Droge slijmvliezen zoals een droge neus en droge ogen
  • Geen goede ontlasting
  • Verhoging, maar geen koorts
  • Huidproblemen en uitslag

Door goed voor jezelf te zorgen kan het immuunsysteem versterkt worden:

  • Verse dierlijke vetten uit vlees en vis (zelf ben ik vegetariër)
  • Koudgeperste oliën: olijf-, noten- of zadenolie 
  • Uien en knoflook
  • Koud geperste groentesappen of het vocht na het koken van groenten
  • Verse kruiden, bijvoorbeeld peterselie, dille, koriander, lente-ui en bieslook
  • Zwemmen in schone en natuurlijk wateren zoals meren, rivieren en de zee
  • Buiten bewegen in de frisse lucht
  • Verstandig genieten van de zon

Om je immuunsysteem tegen te werken moet je vooral deze 10 dingen doen:

  1. Suiker eten en zelfs alles waar suiker in zit
  2. Bewerkte koolhydraten eten, zoals koek, suikers in ontbijtgranen en veel pasta
  3. Bewerkte vetten, zoals margarine en vloeibare bakvetten gebruiken
  4. Vooral geen goede eiwitten gebruiken uit vis, eieren, noten en zaden
  5. Niet bang zijn van chemicaliën zoals pesticiden
  6. Je veel blootstellen aan straling van computers, wifi, tv en telefoon
  7. Medicijnen gebruiken zoals antibiotica, antidepressiva en pijnstillers
  8. Niet of nauwelijks in de frisse lucht zijn en niet teveel bewegen
  9. Zonlicht mijden
  10. In een steriele omgeving leven waardoor je te weinig contact hebt met micro-organismen

Macrofagen en lymfocyten (witte bloedcellen)

macrophage-cytokine-release.
Cytokinen zijn signaalmoleculen

Ondanks alle fysieke belemmeringen, slagen micro-organismen er soms toch in ons lichaam binnen te dringen. Gelukkig beschikken we over een bijzonder agressief korps aan cellulaire verdedigers om indringers aan te vallen en te vernietigen. De belangrijkste componenten daarvan zijn macrofagen en witte bloedcellen (lymfocyten). Macrofagen vernietigen lichaamsvreemde micro-organismen. Ze stormen af op elke indringer en vernietigen hem onmiddellijk. Witte bloedcellen werken specifieker.

De bescherming tegen één micro-organisme werkt uitsluitend voor dat micro-organisme, niet voor een ander. Ons immuunsysteem heeft ook een geheugen. Eén enkele blootstelling aan een ziekteverwekker kan leiden tot een bescherming voor enkele maanden of zelfs jaren. Na een eerste blootstelling wordt de bescherming versterkt tegen een tweede infectie van hetzelfde micro-organisme. Tegen dit lichaamsvreemd deeltje worden specifieke antilichamen (bepaalde eiwitten) aangemaakt. Het antilichaam herkent de indringer en gaat een specifieke binding vormen. Op één antigen past één soort antilichaam (antistof). Een antigen is een lichaamsvreemd, niet-eigen, macromolecuul. Het kan alleen een reactie van het afweersysteem opwekken als het of zelf voldoende groot is of als het door binding aan een ander molecuul, bijvoorbeeld een eiwit, groot genoeg wordt om een antistof-reactie op te wekken.

Deze binding kan enerzijds de levenscyclus van een vreemde indringer, zoals een virus, blokkeren waardoor het zich niet meer kan vermenigvuldigen. Anderzijds geeft de binding ook een signaal aan de macrofagen om de indringer op te ruimen en te vernietigen.

Auto-immuunziekte.

Als je immuunsysteem infecties opruimt, krijg je ontstekingsverschijnselen zoals koorts, zwellingen, roodheid en een pijnlijk gevoel. Koorts betekent meestal dat je afweersysteem een ziekteverwekker aan het bestrijden is. Het opruimen van lichaamseigen overbodig geworden celresten gebeurt voortdurend. Wanneer het immuunsysteem zich tegen het lichaam keert, is er sprake van een auto-immuunziekte: bij het opruimen van lichaamseigen celresten gaat er iets verkeerd. Dit gebeurt bijvoorbeeld als goed werkende cellen worden opgeruimd.

Het coronavirus dat de ziekte COVID-19 veroorzaakt.

Coronavirus-breakthrough-scientists-grow-virus-in-lab-paving-way-for-vaccine.
Alle zwarte stippen zijn coronavirussen. Vele duizenden malen uitvergroot, want er passen zo’n 10.000 virussen in een millimeter! (zie verderop)
Zo-ging-het-corona-virus-de-wereld-over.
Zijn-wij-wel-goed-voorbereid-op-een-pandemie-zoals-het-coronavirus?

Symptomen corona

Koorts, droge hoest en kortademigheid zijn verreweg de meest voorkomende symptomen bij een besmetting van het COVID-19 virus. Corona zonder koorts komt ook wel voor, maar gemiddeld in slechts iets meer dan 10 procent van de gevallen. De klachten bij het coronavirus beginnen gemiddeld 5 tot 6 dagen na besmetting, maar soms ook wel tussen de 2 en 14 dagen.

Hoe loop je een besmetting op?

Je loopt een besmetting in de meeste gevallen op door rechtstreeks contact met een besmette persoon. Wanneer die hoest en niest, kunnen grote druppels of nevels beladen met virusdeeltjes in je neus, mond en slijmvliezen belanden. Je kan ook een infectie oplopen wanneer je een besmet persoon de hand schudt of wanneer je voorwerpen aanraakt waarop druppeltjes van die besmette persoon met het virus zijn beland.

Hoe beperk je het risico? 

De beste manier om een besmetting te voorkomen is vooral zorgen dat je immuunsysteem op peil is!!!! Zorg voor schone handen en was die regelmatig én houdt 1.50 meter afstand. Echter o.a. in verpleeg- en verzorgingscentra, is het onmogelijk deze afstand tot de bewoners in acht te nemen. Ofschoon je er eigenlijk van uit moet gaan, dat jezelf en iedereen die je tegenkomt potentieel besmet is.  Want niet iedereen die besmet is wordt ziek, maar wie besmet is kan wel het virus doorgeven. 

Heeft een masker dragen zin? 

Voor wie niet besmet is, heeft het dragen van een gewoon masker weinig zin. Alleen specifieke hoogfiltratiemaskers – type FFP2 of FFP3 – filteren de lucht die je inademt en beschermen de dragers. Maar door een internationaal tekort aan deze maskers worden ze voorbehouden aan artsen en verzorgend personeel, die rechtstreeks contact hebben met positief geteste personen. Wie besmet is moet wél een masker dragen om zijn omgeving niet te besmetten. Belangrijk daarbij is dat er geen uitblaasventiel op zit, want dan blaas je het virus net uit.

Wie loopt het grootste risico ernstig ziek te worden?

  • Zoals zo vaak bij infectieziekten bepaalt de mate waarin je immuunsysteem reageert op de besmetting hoe ziek je wordt.
  • Belangrijk om daarbij in het achterhoofd te houden, is dat in meer dan 80 procent van de infecties de gevolgen beperkt blijven tot milde symptomen. 

Ouderen en in het bijzonder tachtigplussers behoren tot de risicogroepen waarbij de ziekte ernstiger verloopt. Vanaf de leeftijd van 80 is ook het risico op overlijden het hoogst.

Naast ouderen behoren patiënten die belast zijn met bepaalde andere ziektes tot de risicogroepen. Uit een groot aantal epidemiologische gegevens blijkt dat een derde van de patiënten cardiovasculaire problemen (hart en vaatziekten) heeft , diabetes en/of een hoge bloeddruk. Op basis van wat onderzoekers tot op heden weten, lijken kinderen geen echte risicogroep te vormen. Kinderen kunnen echter het virus wél oplopen en ook doorgeven zonder zelf symptomen te vertonen.

In tegenstelling tot de gewone griep zijn er nog geen aanwijzingen dat zwangere vrouwen een ernstiger verloop kennen. Maar omdat een zwangerschap gepaard gaat met een relatieve onderdrukking van het immuunsysteem, krijgen zwangere vrouwen wel de raad om extra waakzaam te zijn voor een besmetting en zich na contact met een bevestigde patiënt te laten testen.

Hoe-voorkom-je-verspreiding-van-virussen-als-griep-en-het-coronavirus.
Ga ervan uit, dat jezelf besmet kunt zijn. Bij een hoest- of niesbui kunnen wel 10 miljard virusdeeltjes verspreid worden.

Handen wassen en/of desinfecterende handgel
Hierom-werken-mondkapjes-niet-tegen-corona.

Elektronenmicroscopische beelden van het coronavirus.

What-the-coronavirus-looks-like-up-close
Deze elektronenmicroscopische opname toont de COVID-19-virus(geel) – geïsoleerd van een patiënt in de VS, dat tevoorschijn komt uit het oppervlak van in labortorium gekweekte cellen (blauw / roze) . Credit NIAID-RML

Er zijn meer virussen dan sterren in het heelal.

Zo’n 70% van alle virussen die mensen ziek maken, is afkomstig uit het dierenrijk.
Mazelen, een virusinfectie, wordt veroorzaakt door een luchtwegvirus, dat vooral kinderen treft. Het uit zich als een lichaamsbedekkende laag van wondjes en blaren. Als je de mazelen al eens doorstaan hebt, kun je de mazelen niet nog eens krijgen. Als je gevaccineerd bent tegen de mazelen, is er een kleine kans dat je alsnog mazelen krijgt. Toch zijn er nog regelmatig uitbraken, ook in Nederland, met name in regio’s met een lage vaccinatiegraad. Dit zijn vooral regio’s waar mensen vanwege religie of overtuiging geen vaccinatie wensen. Dit geldt ook voor de jaarlijkse griepvaccinatie.

Waterpokken zijn ook het gevolg van een virusinfectie. Wat veel mensen niet weten, is dat je dit virus de rest van je leven met je meedraagt. Op oudere leeftijd kan dit virus weer de kop opsteken in de vorm van gordelroos.  Spaanse griep (1918-1920), ­veroorzaakt door influenza A/H1N1. Wereldwijd 500 miljoen besmettingen en 50 tot 100 miljoen doden.
Sars (2002-2003), veroorzaakt door een andere soort coronavirus. Wereldwijd ruim 8000 besmettingen en bijna 800 doden.
Mexicaanse griep (2009-2010), ­veroorzaakt door influenza A/H1N1. Naar schatting raakte 11 tot 21 procent van de wereldbevolking besmet en vielen er bijna 300.000 doden.
Ebola (2013-2016), veroorzaakt door het ebolavirus. Bijna 30.000 besmettingen (vooral in West-Afrika) en ruim 11.000 doden. Het hiv-virus (humaan immunodeficiëntievirus) veroorzaakt aids.

Jenner en de koepok-inenting (1798)
Duizenden jaren teisterden pokken de mensheid. Waarschijnlijk dook de ziekte zo’n 10.000 jaar voor Christus op, toen de eerste nederzettingen in het noordoosten van Afrika werden gebouwd. De Britse arts Edward Jenner maakte met een wonderlijke uitvinding een einde aan de kwelling: een vaccin.
Middeleeuwse oorzaken en behandelingen van de pest
In 1347 kwam een besmettelijke ziekte naar West-Europa. Toen de ziekte was uitgeraasd in 1351 waren 25 miljoen mensen in West-Europa gestorven.

In oktober 1347 arriveerden Genuese schepen op Sicilië. De schepen kwamen uit De Krim en tijdens de tocht was een groot deel van de bemanning en de passagiers slachtoffer geworden van een dodelijke ziekte: de pest. Via het Middellandse Zeegebied bestormde de pest, later ook de Zwarte Dood genoemd, het Europese continent om in minder dan vijf jaar een derde tot de helft van de bevolking weg te vagen. Niemand was veilig voor deze ziekte, ongeacht maatschappelijke positie of genomen voorzorgsmaatregelen. Wereldwijd maakte de pest een geschatte 75 tot 100 miljoen dodelijke slachtoffers. In Europa duurde het tot ongeveer het jaar 1600 voordat het bevolkingspeil van begin veertiende eeuw weer bereikt was.

De pest inspireerde wél tot daden van medemenselijkheid en heroïek. En uiteindelijk werd in deze periode de basis gelegd voor de Renaissance, voor het nieuwe Europa.

De Zwarte Dood in Vlaanderen en Europa……Epiloog: Het onderzoek naar de economische gevolgen van de Zwarte Dood, en de politieke reactie daarop, openbaarde ons een wereld die soms akelig dichtbij lijkt. De economische dynamiek die de Zwarte Dood op Europa los liet, en de verwoede pogingen van politici om haar in te dijken, kent immers tal van raakvlakken met kwesties die brandend actueel zijn. Net zoals vandaag werden ook toen al de lonen van werknemers door de overheid bevroren. Ook toen al ging een gestage inflatie met de koopkracht van de burger aan de haal. Ook toen al was er sprake van ongecontroleerde migratie, die een onvoorziene impact zou hebben op de arbeidsmarkt en op de lonen. Ook toen al werd massaal geld bijgedrukt, waardoor de inflatie nog werd aangewakkerd. Er is niets nieuws onder de zon. De meest opvallende parallel is ongetwijfeld het inherente onvermogen van de politieke macht om de ‘invisible hand’ van de economie fundamenteel bij te sturen. De elitaire pogingen om ‘de staat van oorlog aan de pest’ te herstellen bleken immers bij voorbaat futiel. Het primaat van de economie wordt daardoor eens te meer bevestigd als historische wetmatigheid door de tijd heen, of, zoals een Amerikaans president het ooit plastisch verwoordde: “It’s the economy, stupid” Ook nu weer door ene Amerikaanse president….

Ontstaan-Renaissance.pdf……..de veertiende eeuw werd ook geplaagd door pestepidemieën. Tussen 1347 en 1351 stierven in Europa circa 25 miljoen mensen aan de pest. Door deze sterfte ontstond er in veel ambachten een te kort aan arbeiders. Dit leidde tot de invoering van veel nieuwe technieken. Rond 1450 ontdekte men , de kunst om met losse letters boeken te drukken. De uitvinding van de boekdrukkunst maakte het mogelijk om nieuwe denkbeelden snel te verspreiden. Kunstenaars en geleerden elders in Europa konden nu eenvoudig kennisnemen van de Renaissance. Vanaf de 16e eeuw verschoof het centrum van kunst en wetenschap zich naar West-Europa.

Wat een geniale roman uit 1929 ons leert over corona
van de Zwitserse schrijver Charles-Ferdinand Ramuz
‘De Pest’ van Albert Camus.
Het verhaal speelt zich af in de Algerijnse stad Oran. Op zeker moment wordt de stad van de buitenwereld afgesloten. Camus beschrijft de evolutie van de menselijke reacties bij het voortschrijdende onheil: van aanvankelijke onverschilligheid, over ontkenning naar wanhopige bestrijding en ten slotte berusting. Als eindelijk, na bijna een jaar, hulp komt vanuit Parijs, loopt het aantal doden terug en wordt de quarantaine (van 40 dagen….quarante jours) opgeheven. Ondanks het verschrikkelijke drama eindigt het verhaal met een zekere opluchting en feeststemming.

De geschiedenis schijnt zich te herhalen. Ook nu weer, met het uitbreken en de pandemieverschijnselen ten gevolge van het Coronavirus zien we in 2020 opnieuw daden van medemenselijkheid en heroïek. Deze pandemie zal verstrekkende gevolgen (kunnen) hebben. Er zal op vele terreinen een verandering plaatsvinden. Allereerst in de tot voor kort ondergewaardeerde zorg en het onderwijs. Verder in diverse takken van cultuur, theater, horeca, de hele reisbranche als gevolg van de ‘anderhalve meter afstand’.

Voor meerdere verdiepingen: mijn-verdiepingen.nl

Mechanismen van het quantum.

Inhoudsopgave

Fotosynthese.

Cyanobacteriën.

Annalen de Physik.

Foto-elektrisch effect

Zijn het nou golven of deeltjes?

Superpositie

Golffunctie

Onzekerheidsprincipe

Schrödingervergelijking.

Quantumtunneling.

De Kopenhagen-interpretatie en de kat van Schrödinger.

Verstrengeling.

Spin.

Quantumprocessen in biologische systemen.

Vogels vossen en trekvogels oriënteren zich op aardmagnetische velden.

In plaats van quantummechanica hanteer ik zelf liever de term quantumfysica, omdat het de fysica is, dat het mechanisme verklaart hoe alles op de allerkleinste schaal werkt! Het is de beste beschrijving die we hebben voor de aard van deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten waarmee ze wisselwerken.

  • Kwantumfysica ligt er ten grondslag aan hoe atomen werken, en dus waarom chemie en biologie werken zoals zij werken.
  • Maar aangezien het quantum mechanisme in hoge mate een wiskundige benadering kent, kan ik dit niet wiskundig verdiepen, omdat ik er de opleiding niet voor heb. Ik ga deze microscopische wereld van atomen en elektronen benaderen vanuit mijn eigen wetenschappelijke interesse. De bronnen die ik hiervoor raadpleeg zijn voornamelijk de wetenschappelijke en educatieve website quantumuniverse.nl/dossier-quantumfysica. Quantummechanica is een onderliggende theorie, terwijl quantumfysica de toepassing in de natuurkunde is. Beide termen worden in de praktijk nogal eens door elkaar gebruikt, echter natuurwetenschappers hebben een sterke voorkeur voor de term quantummechanica…..okey ik ben geen natuurwetenschapper….
  • Quantummechanisme is nauwelijks goed uit te leggen zonder uitgebreide voorbeelden. Die voorbeelden worden gewoonlijk aan de natuurkunde ontleend, waardoor het verschil tussen quantummechanica en quantumfysica in de praktijk soms wat vervaagt.

De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman zei ooit: “Ik denk dat ik rustig kan zeggen dat niemand de quantummechanica écht begrijpt. Als je denkt dat je de quantummechanica begrijpt, dan heb je het niet begrepen.” Deze stelling daagt me uit! Want ook de natuur maakt gebruik van de gekke regels van de quantumfysica. Het allermooiste en ’t meest indrukwekkende voorbeeld van een quantum-fysisch proces is fotosynthese. Het zou op een ‘klassieke manier’ niet te verklaren zijn, hoe lichtenergie in bladgroenkorrels van planten wordt omgezet in bruikbare bouwstoffen. Wie het mechanisme van fotosynthese écht wil begrijpen, vindt antwoord in de quantumfysica!!

Fotosynthese

De reacties die gebeuren tijdens de fotosynthese zijn te onderscheiden in twee opvolgende fasen: -de-lichtreactie-en-de-donkerreactie. Tijdens de lichtreacties wordt lichtenergie omgezet in chemische energie in de vorm van de energiedragende stoffen ATP en NADPH. Hierbij komt zuurstof vrij als afvalproduct. Tijdens de donkerreacties worden deze stoffen gebruikt om van koolstofdioxide (CO2) de energierijke stof glucose te maken.

ATP (adenosinetrifosfaat) wordt in cellen gebruikt voor de opslag van energie. NADPH (Nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) is de belangrijkste reductor in cellen (waarbij elektronen afgestaan worden) en levert een bron van elektronen voor diverse andere reacties.

Hoe werkt fotosynthese? De fotosynthese in detail
Pi is een anorganisch fosfaat
Thylakoïde membraanorganisatie en samenstelling in cyanobacteriën en planten. Cyanobacteriële thylakoïde membranen bevinden zich direct in het cytosol, zijn in lagen gerangschikt, maken contact met het plasmamembraan en hebben aangehechte phycobilisomen (eiwitcomplexen). Thylakoïde membranen in landplanten bevinden zich in de chloroplast, zijn georganiseerd in grana-stapels die onderling verbonden zijn door stroma-blootgestelde lamellen en bevatten chlorofyl-eiwitcomplexen.

Cyanobacteriën

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 6b45c080-8d00-41cb-8bc3-e0099f82563e_eenanabaenaketenentweeworonichinianaegelianakoloni_6cec12fa_490x3301.jpg
Cyanobacteriën zijn minuscule organismen. Ze zijn eencellig, kolonievormig of komen voor als meercellige filamenten.

Cyanobacteriën worden ook wel misleidend blauwalgen genoemd vanwege de blauw/groene pigmenten, maar ze hebben geen relatie met algen omdat dit eukaryote organismen zijn. Deze synthetiserende bacteriën kunnen zich alleen asexueel voortplanten door celdeling. Een ronde kolonie wordt gevormd door celdelingen in meerdere richtingen; een filament door celdeling in één bepaalde richting. De aldus gevormde keten van cellen wordt een trichoom genoemd. Een trichoom kan recht zijn, gedraaid of vertakt. Van filamenteuze vormen kunnen kleine fragmenten uitgroeien tot een nieuwe lange keten van cellen. De endosymbiosetheorie verklaart, dat cyanobacteriën zijn opgenomen in plantencellen en zijn ontwikkeld tot chloroplasten: bladgroenkorrels.

Waarom zijn cyanobacteriën belangrijk?
Cyanobacteriën zijn één van de oudste bekende organismen op Aarde en dateren van meer dan 2 miljard jaar geleden. Vóór deze bacteriën, toen de atmosfeer nog erg zuur was, bestonden er verschillende microben op onze planeet. Deze organismen bloeiden in afwezigheid van zuurstof. Ongeveer 2,4 miljard jaar geleden begon de aardatmosfeer te oxideren en in ruil daarvoor ontstond de 21% zuurstofatmosfeer die we momenteel kennen. Cyanobacteriën creëerden de atmosfeer die het leven ondersteunde en het leven zou anders niet hebben kunnen bestaan.

Uit de elementen CHONSP: koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (P) halen cyanobacteriën de koolstof uit lucht en water in de vorm van CO2 en H2O. Hier maken ze organische stoffen van door fotosynthese, waarbij vervolgens stikstof (N) het meest nodig is voor het maken van eiwitten en fosfor (P), hun eigen DNA en voor de opslag van energie (ATP). Daarnaast zijn ook de metalen ijzer, koper en magnesium in zeer lage concentraties noodzakelijk voor hun groei.

Voor de vorming van één glucosemolecuul (C6H12O6) moet de Calvincyclus zesmaal worden doorlopen. Calvincyclus is de donkerreactie, gebruikt de energie om koolstofdioxide om te zetten in glucose.

Fotosynthese is voor ons mensen een extreem ingewikkeld quantummechanisch systeem, maar voor planten al vele miljoenen jaren en voor de eenvoudigste microben al 2,5 miljard jaar een vanzelfsprekend groei- en samenwerking-systeem in een indrukwekkend fenomeen, dus ontdek/microbiologie/endosymbiose/

Video: Quantum-theory-full-documentary-
Van de Amerikaanse natuurkundige Brian Greene, geeft een breed beeld van Quantummechanica.

Annalen der Physik

Een eerste aanzet tot de ontwikkeling van de theorie werd gegeven door Max Planck in het jaar 1900. Hij ontwikkelde en publiceerde zijn bevindingen in het toonaangevende natuurkundetijdschrift Annalen der Physik. Planck ontdekte dat de energie van elektromagnetische golven (waar bijvoorbeeld het zichtbare licht een vorm van is) niet continu is, maar discreet. Dit betekent dat die energie niet elke willekeurige waarde kan aannemen, zoals de uurwijzer op je horloge, maar dat ze zich stapsgewijs gedraagt, zoals de meeste secondewijzers: ze is altijd een veelvoud van een vaste hoeveelheid. Deze vaste hoeveelheid energie in pakketjes noemde Planck ‘quanta’ naar het Latijnse woord voor ‘hoeveel’. Planck gaf ook aan hoe groot die pakketjes precies waren: voor licht met een bepaalde golflengte λ, en een bijbehorende frequentie ν, was de hoeveelheid energie (E) in één pakketje gelijk aan E = h ν. In woorden: de energie van één pakketje kon eenvoudig berekend worden door de frequentie met een bepaald getal h te vermenigvuldigen. Die verhoudingsfactor, h, was een nieuwe, door Planck voorspelde natuurconstante (zie verderop).

Albert Einstein haakte hier op in en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen. Deze deeltjes noemde hij fotonen. Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op (spreek uit de Bruie), dat deeltjes soms golfeigenschappen hebben. Er zal nou eenmaal aanvulling en verbetering blijven op ons bekende macroniveau over de microstructuren op allerkleinste schaal: quantum-versus-klassiek.

Het volgende is terug te vinden in m’n vorige blog: Het denkende bewustzijn, dus ik citeer:In de laatste decennia van zijn leven behandelde Planck vooral filosofische vragen van zijn fysieke wereldbeeld. Hij bevestigde stevig het bestaan ​​van God en zag in de wetenschap een zoektocht naar zijn empirische kennis, maar zonder ooit in staat te zijn om dat doel op deze manier volledig te bereiken.

“Als een mens die zijn hele leven gewijd heeft aan de meest helderhoofdige wetenschap, aan de studie van de materie, kan ik u als een resultaat van mijn onderzoek over atomen zo veel zeggen: er bestaat geen materie op zichzelf. Alle materie ontstaat en bestaat alleen door een kracht die de atoomdeeltjes vibreert en ze samenhoudt. Maar omdat er geen intelligente kracht of eeuwige kracht in het hele universum bestaat, moeten we achter deze kracht een bewuste intelligente geest accepteren. Deze geest is de oorsprong van alle materie. Niet de zichtbare maar de onzichtbare ‘geestelijke’ materie is het echte, het ware, want materie bestaat helemaal niet zonder de geest. Het onzichtbare, onsterfelijke geestelijke is de waarheid! Maar aangezien geesten er niet van zichzelf kunnen zijn, maar gecreëerd moeten worden, ben ik niet bang om deze mysterieuze schepper een naam te geven, zoals alle volkeren op aarde die al duizenden jaren noemen: God!” 

Hiermee komt de natuurkundige, die z’n hele leven met de aard en het wezen van materie te maken had, van het rijk der materie naar het rijk van de geest…..en hiermee op het terrein van de filosofie?

Zwarte stralers

Max Planck begon aan de Universiteit van Berlijn en verrichtte onderzoek naar de wetten van de thermodynamica en de uitstraling van energie door zwarte lichamen (black body radiation). Hij zocht naar de oplossing voor het probleem waar de klassieke natuurkunde niet uit kwam: hoe luidt de formule die het continue energieverloop beschrijft van een energie-uitstralend lichaam. Een zwart lichaam, ook wel zwarte straler genoemd, is een voorwerp dat alle invallende elektromagnetische straling volledig in zich opneemt. Het is tevens een ideale straler. De straling die een zwart lichaam uitzendt is thermische straling.

H.Bruning › applets. Met deze applet kun je stralingskrommen van een zwarte straler bestuderen: grafieken met de intensiteit van de uitgestraalde thermische straling als functie van de golflengten.

Een zwart lichaam zendt dus, afhankelijk van zijn temperatuur, straling van verschillende golflengten uit. De verdeling van de intensiteit van die verschillende golflengten heeft een karakteristieke vorm en wordt ook wel een Planck-kromme genoemd.

planckkromme – Natuurkunde uitleg
De werking van een zwarte straler is te vergelijken met een heel klein gaatje in een dichte doos. Het licht wat hier in valt, weerkaatst een aantal keren tegen de wanden, maar het komt  de doos niet meer uit.
Alle straling die op dit voorwerp valt, wordt geabsorbeerd. Doordat het alle straling absorbeert, stijgt de temperatuur en gaat het zelf straling uitzenden. Een zwart gat is volgens de berekeningen van Hawking een perfecte zwarte straler.

Foto-elektrisch effect

Albert Einstein werkte dit idee verder uit, en stelde dat je die quanta als deeltjes kunt beschouwen en noemde deze deeltjes fotonen. Wanneer fotonen met hogere energie op een metalen plaat vallen, kunnen vanaf het metaal elektronen vrijgemaakt worden. Dit wordt het foto-elektrisch-effect genoemd.

Bijna twintig jaar later merkte Louis de Broglie op, dat deeltjes soms ook golfeigenschappen hebben. Dit verschijnsel, dat deeltjes en golven soms erg veel van elkaar weg hebben, wordt de golf-deeltje-dualiteit genoemd en kan gezien worden als één van de peilers van de quantumfysica.

Zijn het nou golven of deeltjes?

Om de golf-deeltje-dualiteit aan te tonen: het tweespletenexperiment
wave-particle-duality.

Bron van het nu volgende: Quantum Universe. Niet alleen blijken “klassieke golven” (zoals licht) óók deeltjeseigenschappen te hebben, maar “klassieke deeltjes” (zoals elektronen) blijken óók golfeigenschappen te hebben. Daarmee stonden natuurkundigen voor een raadsel. Is licht nu een golf of een deeltje? Zijn elektronen deeltjes of golven?

Het antwoord kwam in 1924 van de Duitse natuurkundige Max Born: licht en elektronen zijn geen golven of deeltjes: licht en elektronen zijn ’t allebei.

Superpositie

Maar……quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Zo kan een deeltje bijvoorbeeld voor 50% op positie A zijn, en voor 50% op positie B. Een dergelijke toestand noemen we een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie in” tot een positiebepaling die ofwel aan positie A 100% kans toekent, ofwel aan positie B. Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dát moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Eén enkele elektron kan zich op twee plekken tegelijkertijd bevinden. Onderin botst het deeltje met zichzelf en zorgt voor interferentie.
Interferentie

Een enkele elektron kan op één en hetzelfde moment jouw kamer binnenkomen, én in de kamer naast je. Dit klinkt raar, maar het is een eigenschap die alle golven met elkaar gemeen hebben. Als je hard op tafel slaat gebeurt precies hetzelfde: je hoort het geluid in de kamer waar je bent, en tegelijkertijd in de kamer naast je. De helft van de geluidsgolf die je gemaakt hebt bevindt zich dan in de ene kamer, en de helft in de andere. Als we zeggen dat een elektron zich in een superpositie bevindt, bedoelen we daarmee precies hetzelfde. De helft van de elektron-golf bevindt zich dan op één plek, en de helft op een andere.

Golffunctie.

De golffunctie van een deeltje is gerelateerd aan de waarschijnlijkheid voor het vinden van een deeltje. De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje. Waar de golf het grootst is, is de kans om een deeltje aan te treffen het grootst.

Het gedeelte over het ‘kwadraat van de golflengte en complexe getallen’ is vrij ingewikkeld en zou te ver voeren. Het is belangrijk dat we beseffen dat het kansbegrip, dat in de quantummechanica een rol speelt, een fundamenteel kansbegrip is. Het is een totaal ander kansbegrip dan bij het gooien van de alledaagse dobbelsteen. Bij quantumkansen ligt dat heel anders. Om dat te begrijpen is het raadzaam het tweespletenexperiment ui te leggen.

Om het interferentiepatroon op het scherm te kunnen verklaren, moeten we aannemen dat de lichtgolf door allebei de spleten gaat. In zekere zin gaat de golf/het lichtdeeltje dus door allebei de spleten: het is op een gegeven moment voor bijvoorbeeld 50% in de ene spleet, en voor 50% in de andere, zoals ze zijn in superpositie. Als we bij de spleten een meting zouden doen, zouden we het deeltje in één van de spleten aantreffen, maar als we die meting niet doen, is het deeltje echt “op beide plaatsen tegelijk”. Quantumgrootheden worden om die reden ook wel ‘vaag’ genoemd: die grootheden hebben niet één specifieke waarde, maar allerlei verschillende waardes tegelijk met allerlei verschillende kansen.

In het dagelijks leven ervaren we de wereld namelijk niet als ‘vaag‘. We zien voorwerpen op duidelijk bepaalde plaatsen, zien ze bewegen met duidelijk bepaalde snelheden, enzovoort. Hoe kan het dat we de quantumonzekerheden in ons dagelijks leven helemaal niet zien? Dit blijkt een erg diepgaande vraag te zijn, en natuurkundigen zijn het nog altijd niet allemaal eens over het exacte antwoord. De reden is, dat deze vraag deels tot het domein van de filosofie hoort, en niet tot dat van de natuurkunde.

Onzekerheidsprincipe van snelheid / positie en van positie / impuls

Deze theorie stelt dat men óf de snelheid óf de positie van een subatomair deeltje op een bepaald moment kan kennen (meten) maar niet allebei tegelijkertijd. De reden hiervoor is dat door de manier van snelheid meten de positiemeting van het deeltje onzeker wordt. Andersom geldt dat het meten van de positie van het deeltje, de snelheid van het deeltje beïnvloedt en de snelheidsmeting onnauwkeurig maakt.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 141007-quantumfysica-40-6381.jpg
Wanneer Heisenberg tegelijkertijd de positie en de snelheid (impuls) van een deeltje wilde berekenen was de uitkomst onzeker of onnauwkeurig. Hij meende dat deze onzekerheid niet het gevolg was van een tekortkoming in de vergelijkingen, maar van de aard van de subatomaire wereld.
Δx = onzekerheid plaats
Δp = onzekerheid impuls (snelheid)

Als je van een Quantumdeeltje weet hoe snel het beweegt, kun je onmogelijk weten waar het is.  Sterker nog: een Quantumdeeltje waarvan je de snelheid of preciezer gezegd: de impuls kent, heeft geen exact te bepalen positie, en bevindt zich in een superpositie van alle mogelijke locaties. Het tegenovergestelde is trouwens ook waar. Als je weet waar een Quantumdeeltje is, is zijn impuls volkomen onbepaald. Dit klinkt allemaal weer erg mysterieus, maar het is wederom een algemene eigenschap van alle golven.

  • Impuls is een van de meest centrale natuurkundige grootheden. Het is zelfs een fundamenteler begrip dan het alledaagse begrip snelheid.

Impuls en snelheid hebben veel met elkaar te maken. Als we van een voorwerp de massa en de snelheid weten, dan is de impuls gemakkelijk te berekenen.

  •  impuls (p) is massa maal snelheid: p = m.v

Als ik tegen een voetbal aan schop, zal die bal met een veel grotere snelheid wegvliegen dan de snelheid waarmee mijn been bewoog. Als een meteoriet met 10 km/s op het aardoppervlak neerstort, betekent dat (gelukkig!) niet dat de hele Aarde daardoor met 10 km/s gaat bewegen. In beide gevallen komt dat door het grote massaverschil: de massa van mijn been is groter dan die van de voetbal / de massa van de Aarde is veel groter dan die van de meteoriet. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Wat behouden is, is de impuls: massa maal snelheid. Als mijn been tien keer zo zwaar zou zijn als de bal, zal de bal tien keer de snelheid van mijn been krijgen. Doordat de Aarde een gigantisch aantal malen zwaarder is dan de meteoriet, zal de Aarde een even gigantisch kleine fractie van de snelheid van de meteoriet overnemen.

Voor planeten, biljartballen en puntdeeltjes is de impuls gelijk aan de massa maal de snelheid. Als je van een bal met een bepaalde massa de snelheid kent, weet je dus ook zijn impuls: p = m.v

Voor watergolven in een meer of geluidsgolven in de kamer om je heen, is het niet zozeer de snelheid als wel de golflengte die bepaalt wat de impuls van de golf is. De snelheid van het geluid ligt immers vast, en is voor alle geluidsgolven hetzelfde. De golflengte hangt echter ook af van de frequentie, en is voor iedere golf anders. De relatie tussen golflengte, snelheid en frequentie wordt gegeven door de formule:  

λ= v/f

λ de golflengte, v de snelheid, en f de frequentie.

Voor Quantumdeeltjes is het de golflengte die de impuls bepaalt, volgens de formule:    

 p= h/λ
Hier is p de impuls, en de letter h is de constante van Planck = h ≈ 6,62606957 10-34 J/Hz.

De constante van Planck is zoals we zien enorm klein: in niet-wetenschappelijke notatie zouden we schrijven: 0,000000000000000000000000000000000662606957 Watt. Deze constante is een getal dat je kunt meten, en dat nooit verandert (net zoals de lichtsnelheid nooit verandert).

Voor golven is de onzekerheidsrelatie tussen positie en impuls, een verband tussen positie en golflengte.

Onzekerheidsrelatie voor gewone watergolven. Je bent pas zeker over een golflengte als de golf zich onafgebroken herhaalt. Is dit niet het geval, dan kun je nooit zeker zijn over wat de golflengte precies is, maar word je wel steeds zekerder van de positie van de golf.

De golflengte is de afstand waarover de vorm van een golf iedere keer exact herhaald wordt. Van de golf aan de linkerkant in afbeelding kunnen we dus niet goed zeggen wat de golflengte is. Er is wel een patroon dat een beetje herhaalt wordt, maar na twee golfjes houdt het op. Om een echt goed gedefinieerde golflengte te hebben moeten we een golf beschouwen zoals in het midden van de afbeelding. Deze golf herhaalt dezelfde vorm van het begin van het water tot het eind, en we kunnen dus duidelijk zeggen wat de lengte van het zich herhalend patroon is. Van deze golf kunnen we echter onmogelijk zeggen waar hij zich bevindt. De golf strekt zich uit over de gehele wateroppervlakte, en de positie is dus volkomen onbepaald. Om de positie goed te kunnen bepalen, hebben we een golf nodig die lijkt op degene aan de rechterkant in het onderstaande afbeelding. Van deze golf kunnen we duidelijk zeggen waar hij is.

In de quantummechanica ziet de analogie met de watergolven er als volgt uit: Als ik de kansverdeling (en dus ook de golffuncties) van de plaats en snelheid van een systeem op een bepaald moment ken, hoe veranderen de bijbehorende kansen (en dus de golffuncties) dan in de loop van de tijd? Het zal duidelijk zijn dat er, om deze vraag te kunnen beantwoorden, geheel nieuwe natuurwetten nodig zijn. Het vinden van de natuurwetten waaraan de golffuncties uit de quantummechanica voldoen, was een belangrijke zoektocht aan het begin van de 20e eeuw.

Schrödingervergelijking

De meest beroemde formulering is afkomstig van de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, die het antwoord in 1925 weergaf in zijn befaamde Schrödingervergelijking:

Schrödingervergelijking
Hiervoor is een volledig eerstejaars universiteitscollege quantummechanica nodig. Voor een niet-wiskundige uitleg: Quantumfysica (5): De Schrödingervergelijking
We zien dat de vergelijking iets zegt over golffuncties: zowel links als rechts staat de golffunctie Ψ. Hoe deze golffunctie in de toekomst gaat veranderen, hangt af van wat die golffunctie op dit moment is.
De golf heeft als het ware de functie van het onvindbaar zijn van een deeltje.
Zie afbeelding hieronder.
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is golffunctie1.png

Quantum tunneling

Een ander indrukwekkend fenomeen is Quantum Tunneling, net als Superpositie, besproken door Leo Kouwenhoven in de video: de-wondere-wereld-van-kwantummechanica-leo-kouwenhoven-nwo-spinoza-te-paard
Wat is het quantum-tunnel-effect? Een deeltje, dat te weinig energie heeft om over de berg heen te komen, gaat dan door een tunnel naar de andere zijde.
Een deeltje, dat te weinig energie heeft probeert aanvankelijk over de muur te komen.
Gaat dat niet, dan er maar dwars doorheen.
tunnel-effect
Een ander voorbeeld van tunneling is radioactief verval: als we lang genoeg wachten zullen bepaalde atomen door exact dit proces een aantal van hun kerndeeltjes verliezen, ondanks dat dat proces klassiek gezien onmogelijk is. Als de energiebarrière die overwonnen moet worden groot is, kan dit nog steeds heel lang duren.

Ik vond overigens nóg een tunneling van deeltjes: scanning-tunneling-microscope……alsof je gedachten op papier zet.

De Kopenhagen-interpretatie

Slechts 25 jaar nadat Planck het eerste gezicht van een nieuwe fysica liet zien, waren er niet één, maar twee concurrerende versies van de quantummechanica: die van Heisenberg en de golftheorie van Schrödinger. De twee versies schenen volkomen verschillend: dit is een pure wetenschappelijke kwestie: wie had er gelijk??? Erwin Schrödinger had bewezen dat de twee theorieën, hoewel ze zeer verschillend leken, altijd dezelfde uitkomst opleverden.

Kopenhagen-interpretatie was vastgesteld in 1927 (te Kopenhagen) door Niels Bohr en Werner Heisenberg. Volgens deze interpretatie beschrijft de quantummechanica alleen kansen en waarschijnlijkheden. Sterker nog, de wereld zou écht zo in elkaar zitten. Deeltjes hebben geen bepaalde plaats of impuls. In deze interpretatie speelt de waarnemer (iemand of iets die de metingen uitvoert) een cruciale rol – de meting verstoort het systeem en dwingt het om één van de mogelijke toestanden aan te nemen. Bijvoorbeeld bij de interferentie van elektronen in het tweespletenexperiment: Het elektron komt op álle mogelijke plaatsen van het scherm aan – maar kan op alleen maar één plaats gedetecteerd worden. Het scherm dwingt het elektron om één de van de mogelijke plaatsen te kiezen. Deze interpretatie is het meest gangbare, die door de meeste natuurkundigen gevolgd wordt.

Stel je meet de positie van een deeltje, en het bevindt zich op punt A. Waar was het deeltje net (ultra kort) vóór dat de meting gedaan werd? Hierop zijn verschillende antwoorden: Een realist zegt: Het deeltje moet al op C geweest zijn. Dit klinkt logisch, een deeltje zou toch nooit zomaar op een plek kunnen verschijnen? Dit houdt in dat de quantummechanica dan een onvolledige theorie zou zijn. Die streng de regels van het quantummechanisme navolgt zou zeggen: Het deeltje was helemaal nérgens. Pas toen het gemeten werd, nam het deeltje een bepaalde plaats in. De meting observeert niet de huidige toestand, maar veroorzaakt deze. Dit is de zogenaamde Kopenhagen interpretatie. Het ingewikkelde van Quantummechanica zit hem in het feit dat de Kopenhagen interpretatie bewezen is. Dus: is de maan er wel, ook als niemand kijkt?

Bohr’s Kopenhagen-interpretatie van quantummechanica werd theoretisch bewezen door wat een beroemd gedachte-experiment is geworden met een kat en een doos. Het wordt de kat van Schrödinger genoemd en werd voor het eerst geïntroduceerd door de Weense natuurkundige Erwin Schrödinger in 1935.

De Kopenhagen-interpretatie stelt dus in wezen dat een object in een fysiek systeem tegelijkertijd in alle mogelijke toestanden kan bestaan, maar het observeren van het systeem dwingt het systeem in te storten en dwingt het object in slechts één van die mogelijke toestanden. Schrödinger was het niet eens met deze interpretatie.

Schrödinger wilde dat mensen zich konden voorstellen dat een kat, een flesje gif, een geigerteller, radioactief materiaal en een hamer zich in een verzegelde container bevonden. De hoeveelheid radioactiviteit was echter zó klein dat het slechts een opname van 50% tegen 50% in de loop van een uur zou hebben. Als de geigerteller straling waarnam, zou de hamer de het flesje gif breken en de kat doden. Tot het moment dat iemand de container zou openen en het systeem zou observeren, was het onmogelijk om te voorspellen over de toestand van de kat. Dus totdat het systeem ineen zou storten, zou de kat in een superpositie-zombie-toestand verkeren, zowel levend als dood.

“Natuurlijk”, beweerde Schrödinger, “dat was belachelijk, quantumsuperpositie zou niet kunnen werken met grote objecten zoals katten, omdat het onmogelijk is voor een organisme om tegelijkertijd levend en dood te zijn”. Daarom beredeneerde hij dat de interpretatie van Kopenhagen niet klopte. Hoewel veel mensen ten onrechte aannemen dat Schrödinger het uitgangspunt achter het gedachte-experiment ondersteunde, deed hij dat echt niet! Zijn standpunt was juist dat het onmogelijk was. Hoewel het waar is dat moderne experimenten hebben aangetoond dat quantumsuperpositie werkt voor quantumdeeltjes zoals elektronen, dat het voor grotere objecten anders moeten worden beschouwd.

Delftse-wetenschappers-kijken-stiekem-naar-schrödingers-katten en zien verstrengeling.

Verstrengeling van deeltjes.

Deeltjes hebben voor 50% kans om op positie A zijn, en voor 50% kans op positie B: een superpositie. Pas wanneer we de positie van het deeltje meten, verandert deze situatie en “stort de golffunctie ineen” tot een functie die ofwel aan positie A voor 100% kans toekent, ofwel aan positie B.

Met andere woorden: door het doen van de meting “dwingen we het deeltje te kiezen”, en pas op dat moment is het deeltje niet meer in een superpositie, maar ofwel op plaats A, ofwel op plaats B.

Maar zodra we het hebben over paren van deeltjes wordt het nog veel interessanter. Om dit te begrijpen is het goed het elektron nader te bekijken, dat maar in een klein aantal toestanden kan zijn. Een elektron blijkt namelijk niet alleen eigenschappen zoals een plaats en een snelheid te hebben, maar ook een eigenschap die we spin noemen.

Voor ik verder ga eerst iets over een quantummechanisch principe ‘Spin’.

Spin

Een elektron kan op maar twee manieren “rondtollen”. Spin ½ is a ‘double-rotation’. Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje.

undefined ‘Spin’ betekent eigenlijk rotatie, maar heeft in deze betekenis niets te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as. Een enkel punt in de ruimte kan continu draaien zonder verstrikt te raken. Merk op dat na een rotatie van 360 ° de spiraal tussen de wijzers van de klok mee en tegen de klok in draait. Het keert terug naar zijn oorspronkelijke configuratie na het draaien van een volledige 720 °

In de kwantummechanica is spin een intrinsieke eigenschap van alle elementaire deeltjes. Alle bekende fermionen, de deeltjes die gewone materie vormen: protonen, neutronen, elektronen, neutrino’s en quarks hebben een spin van ½

Spin is een magnetische richting van een elementair deeltje. Het is een kwantummechanische eigenschap, die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica is te beschrijven. Voor deeltjes is de richting van de spin een belangrijke beschrijving van het impulsmoment.

Impulsmoment (draai-impuls) is de “hoeveelheid draaiing” van een voorwerp. Impuls is de “hoeveelheid beweging”, gerelateerd aan de snelheid en de massa (in het Engels momentum).

Behoud van impulsmoment bij kunstschaatsers: Als een kunstschaatser een pirouette maakt, zie je vaak dat de draaiing wordt ingezet met wijd uitgestrekte armen. Als de schaatser de armen intrekt wordt de draaiing enorm versneld. Dat is een direct gevolg van het behoud van impulsmoment: de afstand van de armen tot het midden wordt steeds kleiner, dus de snelheid wordt groter.

Vervolg verstrengeling

Uitleg Bell-test in New Scientist Dutch article: Hanson en collega’s deden dat door te bewijzen dat twee deeltjes die 1,3 kilometer uit elkaar zaten, elkaars eigenschappen deelden. Nature News doet hier verslag van.

De onderzoekers begonnen met twee niet-verstrengelde elektronen die in diamantkristallen zaten in verschillende laboratoria op de campus van Delft, 1,3 kilometer uit elkaar. De basis van het Delftse experiment bestaat uit een paar van verstrengelde elektronen, opgesloten in de twee diamanten, die zich op een ruime kilometer afstand van elkaar bevinden. Aan het begin van het experiment zijn beide elektronen, die zich al op de ver verwijderde locaties bevinden, elk afzonderlijk in een superpositie van ‘rechtsom draaien’ en ‘linksom draaien’. De elektronen weten echter nog niets van elkaar, dus elke combinatie van spins is mogelijk. Beide elektronen zenden echter licht uit – in de vorm van lichtdeeltjes: fotonen – en dit licht bevat informatie over de draairichting van het elektron. Het zijn vervolgens de fotonen die, via ondergrondse glasvezelkabels, bij elkaar worden gebracht in het Delftse experiment.

Diamantkristallen hebben niet altijd een perfect kristalrooster van koolstofatomen….

Dit was bekent bij de onderzoekers!
V = ‘defect’ in rooster

Soms bevat dit rooster ‘ergens ineens’ een stikstofatoom, met vlak ernaast een ontbrekend koolstofstoom. Een ‘nitrogen vacancy’….een defect in een kristalrooster. Wat een val blijkt te zijn voor elektronen! Dit was dus de truc en daarom werden diamanten gebruikt! Delftse groep meet magneetvelden met diamant

Elk elektron werd individueel bestraald door een laser waardoor als reactie een foton uitgestraald werd. Beide fotonen reisden vervolgens naar een derde locatie met ’n spiegeltje. Daar werden de twee fotonen met elkaar verstrengeld – en dit zorgde ervoor dat beide partnerelektronen ook verstrengeld raakten.

Dit werkte niet elke keer. In totaal wist het team in negen dagen 245 verstrengelde elektronenparen te genereren. De metingen van het team overschreden de grens van Bell en ondersteunden opnieuw de standaard kwantumweergave. Het experiment rekende met beide mazen tegelijkertijd af: omdat de elektronen gemakkelijk te volgen waren, was de detectielus geen probleem en werden ze ver genoeg van elkaar gescheiden om ook de communicatie-mazen te sluiten. Licht doet er net geen 4,3 µs (4,3 microseconden = 4,3 miljoenste seconde) over om die afstand af te leggen. Dat is meer dan de tijd die de Delftse onderzoekers nodig hadden om de staat van de deeltjes op beide plekken te meten….licht kan niet sneller dan de lichtsnelheid…….

We hebben geen andere keus, dan gewoon te accepteren dat de kwantumfysica de materiële wereld verklaart in termen die we onmogelijk kunnen combineren met onze ervaring in de grotere, ‘klassieke’ wereld. Maar misschien is er een nóg betere, meer intuïtieve theorie in aantocht, die we nog moeten ontdekken.

Ik zou richting “Quantumfysica van het bewustzijn” kunnen opgaan: Bewustzijn uit een buisje: microtubili. Maar ik ben het eens met wat er in het artikel staat: quantumfysica speelt zich af op het allerkleinste niveau, terwijl onze hersencellen zich op een ander niveau bevinden: factor véél groter, warmer en natter…..De video van Stuart Hameroff is terug te vinden in mijn andere blog Het denkende bewustzijn.

Quantumprocessen in biologische systemen

In 1925 beschreef Schrödinger vergelijkingen, om de bewegingen van atomen, fotonen en elektronen te kunnen berekenen. In de afgelopen jaren is gebleken dat het mogelijk van toepassing is op grotere systemen en biologische processen die afhankelijk zijn van quantum effecten, zoals bij fotosynthese of bij oriëntatie en navigatie bij trekvogels.

Afbeelding toont het mechanisme van fotosynthese
Video How-quantum-biology-might-explain-lifes-biggest-questions.

Quantumbiologische aspecten in de plantenwereld

Fotosynthese
The Magical Leaf

Elke seconde straalt de zon duizenden biljoenen lichtdeeltjes uit. Zonlicht landt op het blad in quantumpakketjes: fotonen. Deze lichtdeeltjes zijn elektromagnetische golfjes met een welbepaalde energie. Allereerst komt deze energie aan bij een zogeheten ‘antenne’, ’n verzameling van honderdduizenden chloroplasten (bladgroenkorrels)

Planten hebben een plantaardige celcyclus. In plantencellen bevinden zich bladgroenkorrels of chloroplasten. Bladgroenkorrels kennen ook een membraan, de thylakoid, die is opgebouwd uit eiwitten en vetten. Hierin liggen verzamelingen van enkele honderden chlorofyl-moleculen ingebed, de zogeheten fotosystemen, dit zijn eiwitten en moleculen die samen de energietoelevering verzorgen voor de fotosynthese. Ze functioneren als ‘antennes’, die lichtdeeltjes van de zon opvangen. Fotosystemen absorberen vooral blauw en rood licht; groen licht wordt juist verstrooid. Daarom zijn planten groen.

Als het fotosysteem een lichtdeeltje (foton) opvangt, wordt de lichtenergie overgenomen door een electron, dat daardoor in een hogere baan komt. Dit verschijnsel heet excitatie. Het electron, in deze toestand wordt daarom ook exciton genoemd. Het exciton kan door trillingen van molecuul naar molecuul springen en zo door het fotosysteem bewegen.

Thylakoïden liggen in chloroplasten als stapels munten op elkaar

De membranen van thylakoïden bevatten moleculaire complexen die gebruikt worden bij de lichtreacties van de fotosynthese. Het vangen van de lichtenergie leidt in de thylakoïden tot een aantal complexe reactieketens waaruit het organisme zelf voedingsstoffen kan vormen. Aan één zijde van de thylakoïde-membraan bevindt zich een gespecialiseerd molecuul, dat het reactiecentrum wordt genoemd. Het reactiecentrum kan het exciton binden en daardoor ontstaat een elektrische spanning over de membraan. Het fotosysteem functioneert dus als een foto-elektrische cel, die met behulp van licht een elektronenstroom genereert.

De verzameling chlorofylmoleculen die het antennecomplex vormen en het reactiecentrum.

De elektronen worden toegeleverd aan de fotosynthese reactie. Een elektron binnen deze bladgroenkorrels worden door het zonlichtdeeltje aangeslagen en in een hoger baan gezet…..

Zonlicht (UV) botst op electron, zo ontstaat licht

…..en krijgt daardoor meer energie die wordt gebruikt om door het fotosysteem heen te ‘springen’ opzoek naar een overbrugging. Dit is voor te stellen als een “doolhof van touwbruggen” die, als de exciton de weg weten te vinden, leiden tot het zogeheten ‘reactiecentrum’. In dit reactiecentrum vindt uiteindelijk een reactie plaats waardoor de energie van het foton wordt omgezet in chemische energie. Het reactiecentrum is te vergelijken met een batterij dat wordt opgeladen. De reacties zijn besproken aan het begin van dit blog (overigens is deze hele beschrijving ook terug te vinden in mijn blog over de Celcyclus).

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want “je moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen”.  De sprongen nemen alle energie op uit de lichtfotonen van de zon. De antennecomplexen vangen energie van de zon op en geven deze door aan het reactiecentrum. Zo’n energiepakketje dat wordt doorgegeven wordt een exciton genoemd. Het fotoactieve molecuul dat hierbij betrokken is, is het chlorofyl = bladgroen. Het exciton combineert met en wordt aangetrokken door een elektronengat om het op te vullen. QUANTUMEFFICIËNTIE: Zoals aangeslagen atomen na korte tijd weer terugvallen naar de grondtoestand, zo doen ook chlorofylmoleculen dat. Daarbij zenden ze een foton uit met een golflengte tussen de 670 en 720 nm. Dit wordt fluorescentie genoemd. Als dit gebeurt, kan de plant deze energie dus niet gebruiken voor een fotosynthese-reactie, en dus ook niet voor andere levensprocessen. Hoe meer fluorescentie je ziet, hoe inefficiënter de energieoverdracht dus is.

Het overbruggingsgebied is een ware nachtmerrie, want het exciton (het energiepakketje) moet zo snel mogelijk door het doolhof heen zien te springen om in het reactiecentrum te komen. 
Puzzel die de mobiliteit van gaten in een atoomrooster illustreert. De tegels zijn analoog aan elektronen, terwijl de ontbrekende tegel (rechter benedenhoek) analoog is aan een elektronengat.
Wanneer een elektron een heliumatoom verlaat, laat het een elektronengat achter. Hierdoor wordt het heliumatoom positief geladen. Er zal dus extreem snel een elektron ingevangen moeten worden om het atoom weer neutraal te maken.

Als het namelijk te lang duurt om het reactiecentrum te bereiken heeft het exciton te weinig tijd om op tijd te komen en is al de energie reeds opgenomen. Slechts 1 nanoseconde heeft het aangeslagen electron hier de tijd voor, dit is ’n miljardste seconde. Fotosynthese is een uiterst nauwkeurig, bijna uitgekiend biologisch quantumproces op ultra kleine schaal in ’n extreem kort tijdbestek.

Vogels oriënteren zich op aardmagnetische velden met behulp van quantumcoherentie d.w.z. dat alle deeltjes in dit systeem op één of andere manier met elkaar zijn verstrengeld.

Birds-can-navigate-earths-magnetic-field.

Het mysterie achter de manier waarop vogels navigeren, kan eindelijk worden opgelost: het is niet het ijzer in hun snavel dat een magnetisch kompas levert, maar een eiwit in hun ogen waarmee vogels de magnetische velden van de aarde kunnen ‘zien’. Het oogeiwit wordt Cry4 genoemd en het maakt deel uit van een klasse eiwitten: cryptochromen – fotoreceptoren die gevoelig zijn voor blauw licht, die zowel in planten als dieren voorkomen. Deze eiwitten spelen een rol bij het ritme van de schommeling in de biochemische, fysiologische en gedragsfuncties om zich te oriënteren door magnetische velden te detecteren, een gevoel dat magnetoreceptie wordt genoemd.

We weten dat vogels alleen magnetische velden kunnen detecteren als bepaalde golflengten van licht beschikbaar zijn – specifiek hebben onderzoeken aangetoond dat magnetische magnetoreceptie van vogels afhankelijk is van blauw licht. Dit lijkt te bevestigen dat het mechanisme visueel is, gebaseerd op de cryptochromen, die de velden mogelijk kunnen detecteren vanwege de quantumsamenhang. Bron Science Alert

Maar misschien is het meest goed bestudeerde voorbeeld van magnetoreceptie het geval van trekvogels zoals Europese roodborstjes (Erithacus rubecula), die het magnetische veld van de aarde gebruiken om hun weg te vinden tijdens migratie.

Cryptochrome and Magnetic Sensing Zéér indrukwekkend!
Bron: Home van deze Biophysics Group.
De quantum mechanische fysica van magnetische detectie is vergelijkbaar met de fysica van fotosynthese. Voor ons moeilijk te begrijpen terwijl vogels en planten dit proces al 400 miljoen jaar toepassen!

Schematische weergave van een vogel-oog afbeelding hierboven.

a. Het netvlies zet beelden van het optische systeem van het oog om in elektrische signalen die worden verzonden langs de lichtgevoelige ganglioncellen die de optische zenuw naar de hersenen vormen.

b. en c. retina-segment (netvlies-segment) en uitvergroting Retinal Layers. Het netvlies bestaat uit verschillende cellagen. De primaire signalen die ontstaan ​​in de buitenste segmenten van de staafjes en de kegeltjes worden doorgegeven aan de horizontale, de bipolaire, de amacrine en de ganglioncellen.  

d. e. f. Het primaire signaal wordt gegenereerd in het receptor-eiwit rhodopsine, schematisch weergegeven. De rhodopsine bevattende membranen vormen schijven (discs) met een dikte van ± 20 nm, die ± 20 nm ook weer van elkaar verwijderd zijn.

Het vermeende magnetisch-veld-gevoelige eiwit cryptochroom kan op een specifiek georiënteerde wijze tussen de schijven van het buitenste segment van de fotoreceptorcel worden gelokaliseerd, zoals schematisch weergegeven in paneel d. De cryptochromen (f) zouden ook op een specifiek georiënteerde wijze bevestigd kunnen zijn aan het membraan van het binnenste segment van de fotoreceptorcel (f).

Wanneer de vogel zijn kop beweegt, verandert de hoek tussen zijn kop en het magnetische veld van de aarde, het patroon van donkere vlekken zou over zijn gezichtsveld bewegen en het zou dat patroon kunnen gebruiken om zich ten opzichte van het magnetische veld te oriënteren. Bron: Cryptochrome and Magnetic Sensing

De proteïne cryptochroom (Cry) bevindt zich ook in het netvlies van de vos. Die eerst op z’n gehoor afgaat en daarna ook met de bewegingen van z’n kop het aardmagnetisch veld voelt. Op die manier ‘ziet’ de vos een prooi de magnetische veldlijnen passeren.

Trekvogels en quantummechanica | The Quantum Universe
Hierin wordt de werking van het radicaalpaarmechanisme uitgelegd dat gebaseerd is op de spins van elektronen en protonen.

Men weet nu dat het vogelkompas kan worden samengesteld tijdens een chemische reactie in het oog van de vogel, waarbij het radicaalpaarmechanisme in werking treedt, dat is gebaseerd op de spins van elektronen. Een radicaal, ook wel vrije radicaal genoemd, is een atoom dat één ongepaard elektron heeft. Een ongepaard elektron behoort niet tot een elektronenpaar en gaat daardoor gemakkelijk een binding aan. Een elektronenpaar is een paar van twee elektronen in de buitenste schil van een atoom die geen binding aangaan.

Maar het is nog niet helemáál zeker dat het radicaalpaarmechanisme in het Cryptochrome-molecule ook daadwerkelijk aan de basis ligt van hun kompas. Er zijn inmiddels wel uitgebreide computermodellen gemaakt van het gedrag van cryptochroom, en op natuurkundig niveau lijkt alles goed te werken. Gebeurt wat de computermodellen ons vertellen ook écht in het oog van vogels? Daarnaar wordt op dit moment nog uitgebreid onderzoek gedaan.

Deze onzekerheid voldoet dus trefzeker aan de strenge regels van de quantummechanica en de quantumfysica op het allerkleinste niveau van atomaire en subatomaire deeltjes. Diezelfde regels en wetten bepalen ook, dat het quantummechanisme alleen kan plaatsvinden bij de allerlaagste temperatuur van 0° Kelvin, dit is – 273,15°C. Bij die extreem lage temperatuur staan de atomen namelijk zo goed als stil, en zou je in principe precies kunnen weten waar de subatomaire deeltjes zijn, hoe “snel” ze bewegen en waar ze naartoe gaan.

Deze wonderlijke quantumwereld maakt het ook mogelijk een sprong vooruit te maken: Waar houdt de quantumwereld op en begint de wereld die wij kunnen zien, horen en voelen.

Waarom werkt de quantummechanica voor microscopische objecten, maar wordt het gedrag van macroscopische objecten beschreven door de ‘klassieke fysica’? Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Wenen hebben nu een macroscopisch systeem ontworpen dat verstrengeling vertoont tussen mechanische fononen (elastisch golvende trillingen) en optische fotonen (lichtdeeltjes).

TU Delft: Quantumfysica op macroscopische schaal
Megamolecuul-van-2-000-atomen-is-op-twee-plekken-tegelijkertijd
Deze quantummechanische eigenschap is nog nooit eerder bij zulke grote objecten waargenomen.

Symmetrie

Inhoudsopgave

M.C. Escher en het Alhambra van Granada in Zuid-Spanje

Symmetrietransformaties Symmetriegroep

Symmetriebreking

Magnetisme

Spontane Symmetriebreking

Higgsdeeltjes

Ontstaan van licht

Een absoluut vacuüm bestaat niet

CP-schending wel

Elementaire deeltjes en antideeltjes

Asymmetrie tussen materie en antimaterie

Radioactief verval

Symmetrie

Voor de meesten is symmetrie iets wat meteen opvalt. Onze hersenen zijn namelijk goed in het herkennen van patronen, en we kunnen snel zien wanneer iets symmetrisch is of niet. Bron afbeelding Zoda Przygoda Mahanna.

Symmetrie gaat over invarianten, over wat onveranderd blijft na verschuiving, draaiing of spiegeling van een figuur of object. Je verschuift, draait of spiegelt een object en je ziet geen verschil. Het is een transformatie, die het object op zichzelf invariant laat en daarbij isometrisch de afstanden behoudt. Om symmetrie van figuren te bestuderen, is kennis over meetkundige-transformaties nodig.

  • Invariantie onder een bepaalde verschuiving: translatiesymmetrie, wanneer het in een bepaalde richting verschoven wordt
  • Invariantie onder een bepaalde draaiing: draaisymmetrie,  als een object na draaiing over een bepaalde hoek identiek blijft.
  • Invariantie onder een bepaalde spiegeling: spiegelsymmetrie, een figuur die van zijn gespiegeld beeld niet te onderscheiden is. Het is de meest gebruikelijke soort symmetrie.
  • In de wiskunde kent symmetrie een meer abstractere benadering: om te verwijzen naar een object dat onder bepaalde transformaties onveranderd blijft. Een transformatie is een partiëlefunctie f die een set X aan zichzelf toewijst, d.w.z. f : X → X. Partiële functie

Let op: bepaalde terminologie heeft een wiskundige betekenis. Wikipedia is hierin een doolhof, dus ik omschrijf zo veel mogelijk termen.

  • Een functie geeft de afhankelijkheid aan van één element met betrekking tot een ander element oftewel een afhankelijk verband tussen bepaalde elementen. Een functie f  is een relatie tussen twee verzamelingen X en Y met de eigenschap dat aan ieder element x  uit X precies één element  y uit Y is gekoppeld. Meestal wordt het begrip gebruikt in de context waarin deze elementen getallen zijn d.w.z. aanduidingen voor ’n bepaalde hoeveelheid. 
  • Een element is een onderdeel van een verzameling. Alle elementen samen vormen de verzameling.
  • Een set een goed gedefinieerde verzameling van verschillende objecten, beschouwd als een (wiskundig) object op zichzelf.
  • Afbeelding: in de wiskunde is het begrip afbeelding de verzamelingtheoretische interpretatie van het begrip functie (de afhankelijkheid aan van één element met betrekking tot een ander element)
  • Verzameling: is een collectie van verschillende elementen

Een object of een figuur dat niet door een bepaalde verschuiving of spiegeling op zichzelf kan worden afgebeeld, wordt dat mogelijk wél door de combinatie ervan, zoals bij isometrie in de euclidische ruimte (de vlakke ruimte die niet is gekromd).

Een isometrie of isometrische afbeelding is een functie (afhankelijke verband) die twee metrische ruimten (een verzameling) op elkaar afbeeldt en die daarbij de afstanden bewaart.

Een wiskundig object is een abstract object dat ontstaat in de wiskunde. Voorbeelden van wiskundige objecten zijn o.a. getallen, verzamelingen, functies en bepaalde verbanden (relaties). De meetkunde kent ook wiskundige objecten, zoals punten, lijnen, driehoeken, veelvlakken, cirkels, bollen en variëteiten.

In de gehele Arabische wereld, vanaf Marokko, langs geheel noordelijk Afrika, via Turkije tot in Iran en zelfs India, is ornamentale kunst overvloedig aanwezig: sierlijk gekalligrafeerde Arabische teksten, rijkelijk bewerkte plafonds en mozaïekvloeren en intrigerende veelkleurige wandversieringen in de vorm van regelmatige patronen. Deze ornamentale kunst is ook terug te vinden in Zuid-Spanje, Andalusië om precies te zijn, en de Mezquita, de kathedraal van Córdoba. In het jaar 711 waren namelijk de Moren, Noord-Afrikaanse berbers, het Iberische schiereiland binnen gevallen, vandaar de verspreiding van deze ornamentale kunst.

Het Alhambra, het rode Paleis in Andalusië.
granadas-alhambra-palace.

M.C. Escher

De Nederlandse kunstenaar M.C. Escher is bekend om zijn vlakke geometrische patronen en ruimtelijke onmogelijke bouwconstructies. Zijn grafisch werk maakte hem wereldbekend, maar de invloed van islamitische kunst op zijn werk is maar bij weinig personen bekend.

Eshers fascinatie voor vlakverdelingen in de islamitische kunst ontstond tijdens twee reizen naar Zuid-Spanje, in 1922 en 1936, waar hij het Alhambra van Granada en de Mezquita van Córdoba bezocht. De eindeloze herhalingen en regelmaat waarmee patronen gehele vlakken vullen, intrigeerden hem. Al snel maakte hij patronen met herkenbare dierenfiguren met de unieke veranderingen in de kunstwerken. Ook verdiepte hij zich in wiskundige benaderingen naar patroonvorming.

Hoe komt het dat deze abstracte kunstvorm zich juist in noordelijk Afrika, Egypte, Turkije en het oude Perzische rijk had ontwikkeld? De verspreiding van de islam over deze gebieden speelde hierbij een cruciale rol. Omdat deze religie afbeeldingen van mensen en dieren op religieuze gebouwen niet toestaat, werd gezocht naar andere vormen van decoratie. Maar er was ook nog iets anders waardoor het ontwerpen van geometrische patronen gestimuleerd werd.

In de culturele centra van de islamitische regio bloeide de wetenschap tijdens de middeleeuwen. Niet alleen de theologie en geneeskunde, maar ook astronomie, meetkunde en algebra ontwikkelden zich sterk. Er werden bijeenkomsten georganiseerd tussen wiskundigen en mozaïekontwerpers. Tijdens deze bijeenkomsten werden meetkundige problemen besproken. De ontwerpers gebruikten de informatie die ze kregen van de wiskundigen om nog mooiere patronen te ontwerpen.

Het ontstaan van de prachtige mozaïeken is dus te danken aan de samenwerking tussen ontwerpers en wiskundigen. Verder wijzen velen op het idee dat men juist met de abstracte, meetkundige ontwerpen wilde verwijzen naar de wijsheid en grootsheid van Allah. Zoals in het westen alle wijsheid toebedeeld werd aan God en in de oosterse religie aan Boeddha.

Wat bij die patronen vooral opvalt is de eindeloze variatie in de keuze van de motieven en kleuren. Maar ook de aard van de symmetrieën vertoont allerlei variaties. Je ziet vierkanten, zeshoeken, stervormige achthoeken, twaalfhoeken, zestienhoeken en allerlei andere motieven die kunstig ineen gevlochten zijn en zich tot aan de randen toe steeds weer blijven herhalen.

Sommige motieven zijn spiegelsymmetrisch

Andere vertonen draaiingsymmetrie en als je zulke patronen met wiskundige ogen bekijkt, zie je abstracte onderliggende structuren van symmetrietransformaties. Zoals bij alle abstracties, ontzie je de werkelijkheid: je dringt de specifieke vormen van de motieven in het patroon naar de achtergrond, en concentreert je op de rotaties en spiegelingen die het patroon als geheel in zichzelf overvoeren. Wanneer de motieven van een patroon zich in een of meer richtingen herhalen, zal de wiskundige het patroon in gedachten onbeperkt periodiek voortzetten, ook al is het in werkelijkheid begrensd. We denken ons in dat die begrenzing een soort ‘venster’ vormt waarachter het patroon zich onbeperkt voortzet. In dat geval heeft dat onbegrensde patroon ook translaties (verschuivingen) als symmetrieën.

Het is vrijwel zeker dat men destijds mozaïeken ontwierp door één of een paar zogenaamde cellen te tekenen met behulp van pen, passer en liniaal. Hierdoor ontstonden bepaalde patronen.

Een ‘cel’ is ’n deel van een mozaïek waarmee, samen met zijn spiegelbeeld, het gehele mozaïek opgebouwd kan worden. Als je van een cel en zijn spiegelbeeld stempels zou maken, dan zou je een compleet mozaïek kunnen stempelen! Meestal liggen de randen van een cel op symmetrieassen van het gehele mozaïek. Een cel is vaak vierkant of wat gebogen, maar kan ook een rechthoekige vorm hebben.

We zien hier een samenstelling van cirkels en sterpatronen binnen een rechthoekige begrenzing. Wanneer we dit samenspel in gedachten naar alle kanten onbeperkt voortzetten, zijn er tal van translaties (verschuivingen) die het patroon in zichzelf vermeerderen.

Ook onder een rotatie over 120° rond het middelpunt van zo’n samenstelling, gaat het patroon als geheel in zichzelf over. Er zijn verder rotaties over 180° en over 60° die het patroon in zichzelf vermeerderen. Zulke translaties en rotaties noemen we symmetrieën van het patroon. Ze brengen een groep voort, de symmetriegroep van het patroon. Alle transformaties die een zelfde figuur invariant (onveranderd) laten, horen samen. Ze vormen een groep. Als je ze omkeert of met elkaar samenstelt, blijf je altijd in die groep. Ook het begrip groep is één van de sleutelbegrippen van de wis- en natuurkunde.

Symmetriegroep

Definitie symmetriegroep:
De verzameling van alle symmetrieën van een bepaalde figuur wordt de symmetriegroep van die figuur genoemd.

De symmetriegroep van een object in één, twee of drie dimensies is de groep verzamelingen van al zijn mogelijke symmetrieën. In de wiskunde is een groep ’n bepaalde algebraïsche structuur (verzameling), waarop een of meer bewerkingen (operaties) gedefinieerd zijn die aan bepaalde wetmatigheden voldoen. Met andere woorden: een groep bestaat uit een verzameling (bijvoorbeeld G) en een operatie (groepsbewerking) die altijd op twee elementen van G werkt

Een verzameling G is een collectie van verschillende objecten, elementen (onderdelen ván die verzameling) genoemd, die zelf als een wiskundig object wordt beschouwd.

De doorsnede van de verzamelingen A en B wordt genoteerd als A B

Een operatie: In de simpelste vorm van zijn betekenis staat de term operatie of bewerking in de wiskunde en de logica voor een actie of procedure die uit een of meer invoerwaarden een nieuwe waarde produceert. Voorbeelden van operatie:machtsverheffen, plus-, min-, deel- en maalteken.

Symmetriebreking

Symmetriebreking kan worden onderscheiden in twee soorten, expliciete symmetriebreking en spontane symmetriebreking, gekenmerkt door het feit of de grondtoestand niet invariant (onveranderlijk) is. Als een symmetrie expliciet gebroken wordt is er geen enkele symmetrie meer. Spontane symmetriebreking is wat subtieler, het betekent niet dat de symmetrie helemaal verdwenen is, maar dat alleen in bepaalde toestanden, zoals het vacuüm, de symmetrie gebroken is. Grondtoestand is de laagst mogelijke energie toestand. De energie van de grondtoestand is bekend als nulpunt-energie van het systeem. Een aangeslagen toestand is een staat waar de energie groter is dan in de grondtoestand. In het quantumveld wordt de grondtoestand gewoonlijk het vacuüm genoemd.

Expliciete symmetriebreking.
Een natrium atoom in keukenzout (NaCl) verspringt van plaats en breekt zo de symmetrie van het kristal. Bron: Quantum Universe

Spontane symmetriebreking komt veelvuldig voor in de natuur en vormt o.a. de verklaring voor het Higgs-deeltje! 

Voorbeeld van een spontane symmetriebreking. Een potlood op zijn punt laten balanceren.

Het principe van spontane symmetriebreking is gemakkelijk te begrijpen door een scherp potlood te nemen, en te proberen dit op zijn punt te balanceren. Als je een mooi rond potlood hebt, dat symmetrisch is omdat het er van alle kanten hetzelfde uitziet, zou het in principe mogelijk moeten zijn om het potlood rechtop op zijn punt te laten staan. Het zou daarbij in principe niet uit moeten maken hoe scherp het potlood is. Maar een potlood kun je onmogelijk op zijn punt laten balanceren, dus het potlood zal spontaan omvallen.

De symmetrie wordt daarbij spontaan gebroken, en het potlood valt slechts één wél bepaalde kant op. Bij objecten die bestaan uit miljarden quantumdeeltjes, kunnen spontaan symmetrieën breken. Dit is ook de reden dat een magneet een noord- en een zuidpool kan hebben.

Het in het dagelijks leven meest bekende, en misschien wel meest voorkomende, voorbeeld van spontane symmetriebreking is de faseovergang van water van vloeibare naar vaste toestand. De ongeordende toestand van vloeibaar water heeft hier een continue translatiesymmetrie: in welke richting je ook kijkt, het is in alle richtingen ongeordend symmetrisch. We gaan echter naar een toestand waarbij deze symmetrie niet meer bestaat. Vloeibaar water is homogeen, wat betekent dat het in alle richtingen en op alle plekken hetzelfde is. Het ene molecuul is in deze toestand niet van het andere molecuul te onderscheiden. Bij ijs is het echter zo dat de moleculen in een vast rooster terechtkomen waardoor we opeens wel moleculen zouden kunnen onderscheiden; ijs is niet meer homogeen. Door het rooster van de ijskristallen maakt het opeens wel uit in welke richting je kijkt. De oneindig symmetrische toestand gaat dus verloren, oftewel de symmetrie is gebroken. Dit is een simpele schets van een voorbeeld van symmetriebreking in het dagelijks leven.

Magnetisme

We gaan nu kijken naar een ander voorbeeld van symmetriebreking, die optreedt bij ferromagnetisme, een verschijnsel waarvan het resulterende effect veel in het dagelijks leven wordt gebruikt, maar de symmetriebreking zelf is niet zo zichtbaar als bij het bevriezen van water. Een ferromagneet kun je beschrijven met behulp van magnetische dipooltjes die de spins van de ongepaarde elektronen in het metaal representeren. In principe kunnen deze dipooltjes in iedere willekeurige richting wijzen en bij een voldoende hoge temperatuur doen ze dit ook. Het metaal is in dat geval niet gemagnetiseerd, omdat alle dipooltjes in een andere richting wijzen, er is dus geen resulterend magnetisch veld.

Dit is overigens ook de reden dat een magneet een noord- en een zuidpool kan hebben.

Bij ferromagnetische materialen kunnen onder invloed van temperatuursveranderingen magnetische eigenschappen verdwijnen en weer terugkomen. Wanneer ferromagnetisch materiaal een temperatuur aanneemt die boven een bepaalde kritische waarde ligt, de Curie-temperatuur ( 770 °C en vernoemd naar de Franse natuurkundige Pierre Curie), dan houdt dat materiaal op magnetisch te zijn. Beneden deze temperatuur neemt bij het dalen van de temperatuur de omvang van de magnetisatie toe. Het fenomeen ferromagnetisme is een quantum effect dat niet beschreven kan worden door de klassieke fysica.

Hier volgt tóch een korte beschrijving van het fenomeen ferromagnetisme in relatie tot symmetriebrekingen:

Bij een bepaalde temperatuur is de oriëntatie van de weissgebiedjes willekeurig en symmetrisch verdeeld, in dit geval wil dat zeggen: invariant. De neiging van de verzamelingen atomen om zich in een specifieke richting te oriënteren wordt onderdrukt door de sterke thermische bewegingen.

Wanneer een extern magnetisch veld in de buurt is, komt er een specifieke oriëntatie van deze gebiedjes opgang, die verantwoordelijk is voor het ontstaan van een noord- en een zuidpool. Het is dus een asymmetrische situatie in een magneet, m.a.w. de symmetrie is gebroken!!!

Ferromagneten blijven gemagnetiseerd nadat ze bloot zijn gesteld aan een extern magnetisch veld. Wanneer een object magnetisch is, zijn vrijwel alle atomen waaruit het object is opgebouwd in een bepaalde richting georiënteerd. Feitelijk zijn er in een ferromagnetisch object magnetische domeinen of magnetische gebieden aanwezig als gevolg van de aanwezigheid van verzamelingen atomen met een zekere oriëntatie.

Uitleg van dit kwantummechanisch proces.
Als het ferromagnetische materiaal niet gemagnetiseerd is, zijn de weissgebiedjes willekeurig gericht en netto is er geen magnetische werking , dus is er sprake van ’n zekere symmetrie. Gebieden van Weiss zijn microscopisch kleine gemagnetiseerde gebiedjes in kristallen van magnetische materialen. Ferromagnetisme treedt op in materialen die ongepaarde spins bevatten waartussen een wisselwerking bestaat die ertoe leidt dat de atomaire magnetische momenten zich evenwijdig aan elkaar richten.
Dit leidt tot spontane of permanente magnetische velden rond een voorwerp dat uit een ferromagnetisch materiaal vervaardigd is. Wanneer ferromagnetisch materiaal permanent magnetisch blijft, wordt gesproken van remanentie.
Natuurkunde.nl – waarom is ijzer wél magnetiseerbaar?
Kwantummechanisch goed te begrijpen, wiskundig heel ingewikkeld.
Verklaring Weissgebiedjes-magneten

Bij een verdere verhoging van de temperatuur, boven de 770 °C, verliest een magneet zijn magnetische krachtwerking en verdwijnt het onderscheid tussen de noord- en de zuidpool. De willekeur in de oriëntatie van de atomen kan ook verloren gaan door het opgewarmde object weer te laten afkoelen. Bij het afkoelen neemt de intensiteit van de thermische bewegingen af. De thermische bewegingen werken de ordening van de domeinen steeds minder tegen. Ze vormen een steeds kleinere belemmering om de quantummechanische banden tussen de elektronenspins te herstellen. Er zal een einde komen aan de willekeurige of symmetrische verdeeldheid van de oriëntatie van de verzamelingen atomen. De omvang van de magnetisatie is een dalende functie van de temperatuur.

De bron van magnetisme is een elektrische stroom, dat wil zeggen lading die zich in een bepaalde richting beweegt. In magnetische materialen komt de magnetische krachtwerking tot stand door negatieve elektronen die rond de positieve kern van een atoom in een bepaalde richting draaien. Daarnaast brengt het ‘rondtollen’ van het elektron rond zijn eigen as ook een magnetisch veld met zich mee.

Spontane Symmetriebreking komt veelvuldig voor en vormt ook de verklaring voor de Higgsdeeltjes in het Higgsveld.

Mijn voorstelling van het Higgsveld dat ’t hele universum vult, waarin Higgsdeeltjes massa overdragen aan andere elementaire deeltjes die er doorheen bewegen.
De afbeelding leende ik van
Pixabay.

Zodra we aannemen dat quantumdeeltjes bestaan uit golven, en niet uit puntdeeltjes, blijken veel van hetgeen we in eerste instantie raar en paradoxaal vinden, eigenlijk heel gewoon te zijn. Hetzelfde geldt voor het Higgsveld dat alom in het universum aanwezig is.

Higgsdeeltjes (Higgsbosonen) zijn ‘als klontjes in een dikke soep’, het Higgsveld, waar alle elementaire deeltjes zoals elektronen en quarks doorheen bewegen. Hoe meer Higgsdeeltjes er aan een deeltje ‘blijven plakken’, hoe moeilijker het beweegt en hoe meer massa het deeltje krijgt dat erdoorheen beweegt. Hoe sterker de interactie met de Higgsdeeltjes, hoe trager de deeltjes, m.a.w. hoe zwaarder ze zijn. Overigens, lichtdeeltjes/lichtgolfjes (fotonen) merken niks van het Higgsveld en hebben geen interactie met Higgsdeeltjes.

Het is voor te stellen, dat het voor de deeltjes het gevoel is, alsof ze onderwater bewegen en het omringende water een stroperige omgeving wordt, waardoor het bewegen vertraagt.

Het quantumveld heeft een “voorkeur” voor symmetrie waarin alle massa’s nul zijn, net als die van het foton. IJkdeeltjes met massa (deeltjes die een bepaalde kracht overdragen, zoals een foton de elektromagnetische kracht overdraagt) zijn uitgesloten van symmetriebreking’, maar ook hier kunnen wiskundige oplossingen geconstrueerd worden waarin de symmetrie toch gebroken is en de deeltjes wél massa hebben!

Yōichirō Nambu een Japans Amerikaans natuurkundige, één van de grondleggers van de snaartheorie, bedacht de kleurlading van quarks en deed pionierswerk op het gebied van de spontane symmetriebreking.

Nambu bracht het concept van spontane symmetrie naar voren. Hij kwam op dit idee terwijl hij de theorie van supergeleiding probeerde te begrijpen: proef-supergeleiding een magneet kan blijven zweven. Supergeleiding is een quantummechanische racebaan, ontdekt door Heike Kamerlingh Onnes in 1911. Elektronen in een supergeleidend materiaal bewegen zo effectief dat ze geen weerstand voelen, met als gevolg dat er ook geen vermogen verloren gaat. Bovendien zijn ze ook niet meer te stoppen: ze zouden jarenlang door blijven bewegen.

Het was Nambu in 1959, en onafhankelijk Philip Anderson iets eerder in 1958, die begreep wat er aan de hand was. Ze beseften dat, in afwezigheid van elektromagnetische interacties, de supergeleidende toestand de symmetrie spontaan verbrak. Het is een symmetrie geassocieerd met het feit dat elektrische lading behouden is. Deze symmetrie is anders dan de rotatiesymmetrie die spontaan wordt verbroken in magneten of kristallen. Nobelprijswinnaar Yoichiro Nambu. Wat deed hij precies …

Van symmetrie naar deeltjes

Nambu-Goldstonebosonen zijn massaloze deeltjes die ontstaan als een continue symmetrie spontaan gebroken wordt. We beginnen met het concept ‘continue symmetrie’: bijvoorbeeld  translaties (verschuivingen): bij een oneindig lang touw is er geen verschil tussen het rechte touw zoals wij dat hebben neergelegd, en het touw nadat eraan getrokken is (een translatie): het maakt niet uit hoeveel er precies aan het touw getrokken wordt, alle translaties laten de toestand (het touw als geheel) ‘invariant’. 

Zo’n translatiesymmetrie is ook aanwezig in bijvoorbeeld vloeistoffen. In het linker plaatje van de afbeelding zien we een vloeistof: de moleculen bewegen vrijelijk door elkaar heen in willekeurige richtingen: er is een volledige continue translatiesymmetrie. Als we met een microscoop naar deze vloeistof kijken, en de vloeistof in willekeurig welke richting willekeurig veel opschuiven onder de microscoop, dan zien we nog steeds eenzelfde, ongeordende toestand.

Na het balancerend en vallend potlood nog een voorbeeld van spontane symmetriebreking.
Fase-overgang naar een kristal.
In de rechter toestand is de continue translatiesymmetrie ‘spontaan’ gebroken.

Stel nu dat we de vloeistof afkoelen. Onder een zekere temperatuur zal die stollen en een kristalstructuur aannemen. Deze faseovergang is te zien in de afbeelding.

De grondtoestand, de toestand met de laagste energie, in dit geval de kristal-toestand aan de rechter kant, is niet meer invariant onder alle translaties, maar alleen nog onder discrete translaties. De linker toestand in de afbeelding is natuurlijk ook niet exact invariant onder translaties, maar alle meetbare natuurkundige eigenschappen van de vloeistof die daar is afgebeeld zijn dat wel. Het gaat erom dat een grondtoestand niet langer invariant is onder de (volledige) symmetrie. 

Nambu realiseerde zich dat de eigenschappen van de grondtoestand belangrijk zijn bij het bestuderen van spontane symmetriebreking. Bij de faseovergang naar een kristal was de grondtoestand bijvoorbeeld niet meer invariant onder continue translaties, maar wel nog onder discrete, beperkte translaties.

Een dergelijke symmetriebreking leidt volgens Goldstone en Nambu tot het bestaan van massaloze deeltjes (of quasideeltjes), de Nambu-Goldstonebosonen……

…….die je kunt zien als excitaties (tijdelijk verhuizen) van de grondtoestand, zoals de excitatie van een elektron en licht wordt uitgezonden.

Ontstaan van licht

Excitatie van een elektron door opname van de energie van een foton
Door excitatie ontstaat licht.

Licht ontstaat doordat atomen aangeslagen worden. In het simpelste geval, bij een waterstofatoom, gaat dit als volgt: Het enkele elektron van het waterstofatoom cirkelt in een baan dicht om de kern (1). Als het atoom botst met een vrij bewegend elektron, in dit geval afkomstig van een magnetische storm van de zon (2 en 3), dan schiet het elektron van het waterstofatoom in een hogere baan rondom de kern: het atoom is aangeslagen (4). De energie die bij de botsing wordt overgedragen bepaalt in welke baan het elektron schiet; hoe meer energieoverdracht, hoe hoger de baan.
De aangeslagen toestand duurt zeer kort, in de orde van een honderdmiljoenste seconde. Het atoom ‘valt’ daarna terug naar de grondtoestand. De energie die vrijkomt bij dit terugvallen wordt uitgezonden in de vorm van een foton, een lichtdeeltje (5). De golflengte van dit licht (en dus de kleur) is afhankelijk van de hoeveelheid energie die vrijkomt. Hoe meer energie, hoe korter de golflengte van het uitgezonden licht.

In het geval van ons kristal zijn die trillingen de zogeheten fononen: trillingen in de uitwijking van de deeltjes in het kristal, die zich als golven verplaatsen (en daarmee overigens verantwoordelijk zijn voor het doorgeven van geluid). Als zo’n golf gelokaliseerd is rond een bepaalde plek gedraagt die zich als een deeltje, maar wel een deeltje ‘zonder traagheid’ –  zonder massa, dus.

Fononen zijn collectieve uitwijkingen van moleculen die zich als golven door een kristal kunnen verplaatsen.

De Goldstone-Nambu-theorie voorspelt ook hoeveel types van dit soort deeltjes er ontstaan. Dat heeft te maken met het verschil tussen de oorspronkelijke symmetrie, en de symmetrie die na breking overblijft. Dat is nogal een wiskundig verhaal, maar met nog een voorbeeld komen we een heel eind. Denk daarvoor aan een ferromagneet: een materiaal dat zelf geen magneetveld opwekt, maar wel reageert op een extern magneetveld – het bekendste voorbeeld is waarschijnlijk ijzer.

Kompasnaaldjes van ijzer reageren op een extern magneetveld.

De Britse fysicus Jeffrey Goldstone, toonde aan dat in een dergelijk geval van symmetriebreking meestal extra deeltjes in de theorie voorkwamen, en dat die deeltjes vervolgens wél weer massaloos waren… het probleem van de (ontbrekende) massa kwam via een achterdeur dus weer terug. Goldstone onderzocht de ‘continue symmetriebrekingen’, de continue kleine vervormingen d.w.z. dat de grondtoestand niet onveranderlijk blijft. Grondtoestand is, zoals gezegd, de laagst mogelijke energie toestand. De energie van de grondtoestand is bekend als nulpunt-energie van het systeem. Uitleg: Volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is de onzekerheid in plaats en impuls altijd groter dan een bepaalde waarde. Er blijft dus altijd een bepaalde onzekerheid over in zowel plaats als impuls. Een aangeslagen toestand is een staat waar die groter is dan de grondtoestand. In het quantumveld wordt de grondtoestand gewoonlijk het vacuüm genoemd.

Een absoluut vacuüm bestaat niet

Het Zwangere Niets – For the Joy of Science
Het vacuüm bestaat uit kwantumfluctuaties die korter duren dan de kleinste eenheid van tijd en daardoor geen tijd kennen en ook geen ruimte.

Volgens de quantumtheorie kan een absoluut vacuüm, in de zin van een ruimte zonder deeltjes, theoretisch niet bestaan. Het vacuüm, dat wordt gedefinieerd als de toestand met de laagste energie, bevat een veelheid aan virtuele deeltjes, die onder meer verantwoordelijk zijn voor het Casimir-effect en het Higgsveld. Virtual Particles Can Have Real, Observable Effects // Licht uit het niets: Dynamisch Casimir-effect aangetoond – Visionair

Door een nieuw vacuüm te creëren omschrijft het Higgs-mechanisme exact datgene wat ‘spontane symmetriebreking’ wordt genoemd. Deeltjes krijgen via dit mechanisme massa, proportioneel aan de vacuümwaarde van het Higgsveld.

In dat geval verschijnen noodzakelijkerwijs nieuwe massaloze deeltjes in het spectrum van mogelijke excitaties, of lichte deeltjes als de symmetrie niet exact is. Het voorspelde deeltje bleek een boson met spin nul, wat betekent dat het geen richting heeft, geen snelheid kan hebben en dat de effecten van het Higgsveld niet afhangen van plaats of snelheid.

De artikelen uit 1964 vonden de mazen in het door Goldstone opgespannen wiskundige net, en beschreven hoe ijkdeeltjes (bosonen) tóch spontane symmetriebreking konden vertonen, zonder dat de extra deeltjes zelf weer massaloos zouden zijn. Een mooie prestatie, die natuurlijk extra glans kreeg toen bleek dat de natuur ook daadwerkelijk van deze mogelijkheid gebruik maakt.

Dat werd volledig duidelijk in 2012, toen op het CERN het deeltje werkelijk werd ontdekt – het door Nambu en Goldstone en Englert en Brout en Higgs voorspelde deeltje – dat inderdaad verre van massaloos was: dit “nieuwe” maar eigenlijk oeroude deeltje is zelfs één van de zwaarste elementaire deeltjes die we op dit moment kennen!

Aan Peter Higgs kwam de eer toe dat dit deeltje én het hele veld aan zijn naam verbonden werd.
Higgs-boson-discovery-wins-nobel-prize-for-physics

Het standaardmodel en het Higgsboson (Higgsdeeltje)

Door te kijken naar de symmetrieën die in de natuur aanwezig zijn, kan op een relatief eenvoudige manier het gedrag van deeltjes worden beschreven. Het standaardmodel beschrijft drie van de vier fundamentele krachten:

  • De sterke wisselwerking (die ervoor zorgt dat atomen bij elkaar blijven)
  • De zwakke wisselwerking (verantwoordelijk voor radioactiviteit) 
  • De elektromagnetische wisselwerking (beschrijving van licht en lading).

De enige kracht die ontbreekt is de zwaartekracht, omdat het nog niemand gelukt is om ook de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die het effect van massa’s op ruimte-tijd beschrijft, en de Quantumtheorie te verenigen in een toetsbare wetenschappelijke theorie: de theorie ‘van alles’.

  • In het Standaard Model worden de symmetrieën van de natuur verklaard door ze om te zetten in vergelijkingen van vrije deeltjes zonder massa’s en zonder interacties.
  • De strategie van het Standaard Model is om vervolgens, om alles wat er gebeurt wat “verboden is”. wat volgens ‘de standaardregels niet kan of niet mag geschonden worden’ te beschrijven als een kleine verstoring van de situatie…….

Een andere schending is de CP-schending.

CP-schending (Charge and Parity violation)

CP-schending op quantumniveau bewerkstelligt ’n omkering van de ruimte-assen en maakt tevens door een ladings-omkering, van een deeltje z’n antideeltje.

Het eenvoudigst uitgelegd wil het zeggen, dat materie zich anders gedraagt dan antimaterie.   Normaal zou je verwachten dat lading en ‘draairichting’ (pariteit) altijd hetzelfde zijn, zich ’t zelfde gedragen en behouden blijven, ook bij omkering.

De schending van CP symmetrie speelt een essentiële rol in de verklaring waarom na de inflatie van het heelal (beter bekend als de “oerknal”) wel materie is overgebleven en geen anti-materie.

Elementaire deeltjes en antideeltjes

CP-schending was de allereerste ‘elementair bewuste’ symmetriebreking: ieder deeltje dat gevormd wordt krijgt tegelijkertijd een antideeltje. Dat antideeltje is precies hetzelfde als het deeltje, behalve dat het een tegengestelde lading heeft.

Als een deeltje en zijn antideeltje elkaar tegenkomen heffen ze elkaar op: annihilatie, hierbij komt energie vrij.

Maar met die symmetriebreking duikt één van de grootste problemen op uit de kosmologie. Tijdens het ontstaan van het heelal moet immers alle nu bestaande materie gevormd zijn uit energie. Maar als dat zo is, waarom is er dan niet evenveel materie als antimaterie in het heelal? Sterker nog: waarom hebben alle nieuw gevormde materie- en antimateriedeeltjes elkaar niet geheel geannihileerd? Als deze deeltjes elkaar tegenkomen, op elkaar bosten, vernietigen ze elkaar onder uitzending van ’n lichtflits.

Blijkbaar is er een onderliggende regel bij de interactie tussen deeltjes die ervoor zorgt dat materie en antimaterie toch niet precies elkaars tegengestelde zijn. Vandaar dat wetenschappers de praktische weg hebben gekozen om het verstoorde evenwicht te leren begrijpen: net zolang experimenteren totdat de verschillen tussen materie en antimaterie zich laten zien.

Wanneer CP-symmetrie in bepaalde deeltjes geschonden wordt, blijven die ’n fractie van een miljoenste seconde langer bestaan.

Wetenschappers van het Fermilab lieten in hun deeltjesversneller, protonen en antiprotonen op elkaar botsen. Bij die botsingen komen, naast energie, zoals hierboven beschreven, ook nieuwe deeltjes vrij. In dit geval waren die deeltjes muonen, een soort extra zware elektronen.

Je zou verwachten dat er bij de botsingen even vaak muonen als hun antideeltjes, de antimuonen, gemaakt worden. Dat is de enige manier waarop de energie van de botsing behouden kan blijven. Maar na heel lang en nauwkeurig meten kwamen de onderzoekers erachter dat er toch écht meer muonen dan antimuonen ontstaan. Aan het einde van het experiment was er zelfs 1% meer materie dan antimaterie gevormd. Een klein verschil, zou je zeggen, maar als je er maar lang genoeg mee doorgaat raakt zo alle antimaterie op!!!

Asymmetrie tussen materie en antimaterie

Deze asymmetrie tussen materie en antimaterie is dus aangetoond, maar waar het effect vandaan komt blijft onduidelijk. De belangrijkste theorie die de voorkeur van het heelal voor materie probeert te verklaren werd door Andrei Sakharov ontwikkeld. Deze theorie, CP schending, gaat er vanuit dat deeltjes waarvan de spin (pariteit / richting) en lading wordt omgedraaid nét iets meer veranderen dan dat je op die basis zou verwachten.

Toch is de theorie niet genoeg om alles te kunnen verklaren: de voorkeur van het heelal voor materie is namelijk veel groter dan zijn theorie uitlegt. De wetenschappers wijzen daarom op een ander mechanisme dat voor de eigenaardige vondst verantwoordelijk kan zijn!

Bij een proton-antiprotonbotsing worden namelijk niet onmiddelijk muonen gevormd. Daarvóór ontstaan er namelijk andere deeltjes: B-mesonen. Vreemde, zware samengestelde deeltjes, die bestaan uit een ‘bodem’ antiquark en een ‘vreemd’ quark en die voortdurend heen en weer oscilleren (schommelen)  tussen z’n materie en antimaterie staat van zijn! Deze deeltjes zijn berucht om hun vreemde gedrag: ze veranderen aan de lopende band van materie naar antimaterie en terug.

Maar, nu komt het:

Het is voor B-mesonen net iets makkelijker van anti-B-meson naar B-meson om te schakelen dan andersom. Vandaar dat ze zich gemiddeld iets langer als materie gedragen dan antimaterie, en dus ook iets vaker naar gewone muonen dan naar antimuonen vervallen. Die B-mesonen moeten ook in de eerste momenten na de inflatie hebben bestaan en men vermoedt dat onderzoek van de B-mesonen het werkelijke geheim van de baryon asymmetrie kan onthullen. (baryonen zijn protonen en neutronen)

Kortom, het Standaardmodel moet nog eens goed tegen het licht worden gehouden om de Baryon Asymmetrie goed te kunnen verklaren! In Japan en de VS zijn natuurkundigen met experimenten bezig, om B-mesonen en anti-B-mesonen te produceren. Uit de resultaten daarvan blijkt dat in het verval van deze deeltjes andere dingen gebeuren dan het Standaardmodel op grond van de CP-schending voorspelt. In de VS is dit het BaBar experiment. Zie ook dit proefschrift van de Vrije Universiteit van Amsterdam: research.vu.nl

Radioactief verval

Uit het bovengenoemde proefschrift: …..Protonen en neutronen zijn allebei opgebouwd uit twee verschillende soorten quarks, ‘up en down quarks’. Eigenlijk bestaat alles wat we op aarde hebben uit elektronen en op en neer quarks…….

Bij quarks spelen de twee kernkrachten een cruciale rol. Er is de sterke kernkracht, die quarks bij elkaar houdt en ze tot protonen en neutronen vormt. De zwakke kernkracht kan ervoor zorgen dat een neutron wordt omgezet in een proton: het Bètaverval β−-verval. Tegelijkertijd wordt dan ook nog een elementair (geladen) deeltje uitgezonden: een zogeheten W-boson. Dit boson is niet stabiel en vervalt naar bijvoorbeeld een elektron met een antineutrino deeltje.

Bètastraling β-verval: protonen worden aangeduid in het rood, neutronen in het blauw; het intermediaire W-boson werd voor de eenvoud weggelaten

Bij bètaverval treedt er een CP-schending op!!

Bètaverval is een radioactief verval.

Radioactiviteit

  • Als een atoomkern instabiel is bestaat de kans dat die vervalt. De kern wordt radioactief en zendt straling uit: Alfastraling / Beta-straling / Gammastraling. Het zijn deeltjes/golfstralingen d.w.z. dat er een deeltje of meerdere deeltjes (of golfjes) worden weggeschoten. Er ontstaat dan een andere atoomkern.
  • Is die nieuwe kern stabiel dan is het vervalproces afgelopen. Zo niet, dan vervalt die ook en kan er een hele vervalreeks volgen, tot er uiteindelijk een stabiele kern is gevormd.
Alfastraling is een ioniserende straling die voldoende energetisch is om een elektron uit de buitenste schil van een atoom weg te slaan.
Gammastraling is de sterkste vorm van straling die we kennen. Het zijn geen deeltjes maar golven die worden weggeschoten.
Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is 1024px-beta-minus_decay.svg1_.png
Bètaverval is radioactief verval. Bij bètaverval treedt er een CP-schending op.
CP-schending is dus symmetriebreking!!
Nikhef.nl › quantum › breking

Kosmische straling en neutrino’s.

Een superzwaar actief zwart gat in de kern van het verre sterrenstelsel PKS 1441, een blazar, versnelt protonen (de gele p) naar de zeer hoge energieniveaus van kosmische straling. Door de NASA is deze blazar een Bonanza genoemd, een ‘goudmijn’ op een afstand van 7 miljard lichtjaar.
Video: NASA-blazar-bonanza. Hierdoor wordt een complexe cascade gecreëerd, die gammastralen (magenta) en ook de ‘geheimzinnige’ neutrino’s (blauw) afgeeft, die rechte paden door de ruimte volgen.
De gekoppelde detectie van deze twee deeltjes stelde astronomen in staat om de blazar te identificeren als één van de vele bronnen van kosmische straling.

Voor het eerst hebben wetenschappers hierdoor sporen van hoogenergetisch neutrino’s uit de ruimte kunnen herleiden tot hun bron.

Eerste ontdekking bron van hoogenergetische neutrino’s, die de richting aangeven waar kosmische straling vandaan komt.
Neutrino’s zouden tegelijk met kosmische straling geproduceerd worden.
Brusselaars sporen bron van kosmische neutrino’s op. Van een kubieke kilometer Antarctisch ijs wordt gebruik gemaakt om neutrino’s op te sporen.
Het Laatste Continent – IceCube
 

Uit het verre heelal hamert energierijke straling in op onze atmosfeer. Uit de deeltjeslawines die de straling vervolgens opwekt, kunnen natuurkundigen de energie van de straling meten. Terwijl materie op miljarden lichtjaren afstand, een superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel binnenvalt, wordt een deel ervan naar buiten versneld met bijna de lichtsnelheid langs twee jets. Wanneer één van de jets toevallig in de richting van de Aarde is gericht, kan deze binnen onze atmosfeer gedetecteerd worden in een complexe cascade.

Extensive Air Showers
Een deeltje (proton) dat door de atmosfeer beweegt,
botst op andere deeltjes en breekt in nóg kleinere deeltjes uiteen. Het hele proces blijft zich herhalen, waardoor er een lawine aan deeltjes ontstaat. Zo creëert één enkel proton uit het heelal miljoenen deeltjes die op de aarde terecht komen.

Kosmische straling is eigenlijk geen straling, maar niets anders dan losse atoomkernen die met een gigantische snelheid door de ruimte vliegen en terecht kunnen komen op Aarde. Wanneer hoogenergetische deeltjes (kosmische “stralen”) de atmosfeer binnenkomen, verliezen zij hun energie via interacties met luchtmoleculen (zuurstof en stikstof). Daarna treedt een kernreactie op, die secundaire deeltjes produceert (vooral pionen en muonen), die vervallen of gaan opnieuw kernreacties aan met andere atoomkernen in de lucht. Deze nieuwe deeltjes maken vervolgens weer andere deeltjes, enz. Dit vermenigvuldigingsproces staat bekend als een deeltjescascade.

Er zijn 2 soorten kosmische straling: secundaire en primaire stralen. De primaire stralen zijn de oorspronkelijke stralen die uit de ruimte komen en de bovenkant van onze atmosfeer raken. De secundaire stralen worden gevormd door de botsing van de primaire stralen met de atomen van onze atmosfeer. Het grootste deel van de kosmische stralen die de Aarde bereiken zijn secundaire stralen.

Primaire stralen

De primaire stralen dringen normaal gezien door tot een hoogte van 15 kilometer en daar worden ze omgezet in secundaire stralen. Primaire stralen bestaan voornamelijk uit waterstofkernen (86%) en heliumkernen (13%), de overblijvende procent bestaat uit koolstof, calcium en ijzer. De meesten ervan bewegen zich voort met de snelheid van het licht. De atoomkernen botsen met een gigantische snelheid tegen atoomkernen in onze atmosfeer. Deze kunnen tot diep in het atoom doordringen om die volledig uit elkaar doen spatten. Daarbij kunnen wederom zeer energierijke deeltjes worden uitgezonden. Een primaire kosmische straal kan een stroom van secundaire stralen produceren, waarvan de banen zigzaggend, als een soort bliksem, naar beneden lopen.

Secundaire stralen

Slechts weinig van de primaire stralen kunnen doordringen tot het aardoppervlak. De secundaire straling bestaat uit een verzameling bonte deeltjes, die het resultaat is van een eindeloze schakering van wisselwerkingen. Ze bestaan deels uit protonen en neutronen, maar ook positronen.


Wanneer de deeltjescascade de grond bereikt, is die ongeveer 100 meter breed en 1-2 meter dik. Als het primaire kosmische deeltje een foton was, bevat de cascade elektronen, positronen en gammastralen. Als het primaire kosmische deeltje een atoomkern was, bevat de deeltjesregen ook muonen, neutrino’s en hadronen (protonen, neutronen en pionen). Het aantal deeltjes in de cascade hangt af van de energie van de primaire kosmische deeltjes, de observatiehoogte en schommelingen in de ontwikkeling van de ‘shower’. Deze deeltjesregen staat bekend als Extensive Air Shower, een uitgebreide luchtdouche. Bron: Pierre Auger Observatorium en Kennisklink

Development-of-a-cosmic-ray-shower-over-the-pierre-auger-observatory

Deeltjesdetector Pierre Auger – Radboud Universiteit

Artist impression van de reis van een kosmisch deeltje van een ver sterrenstelsel in de richting van het Pierre Auger Observatorium in Argentinië. Dit observatorium is speciaal gebouwd om zulke showers te detecteren. Het bestaat uit een netwerk van detectors en telescopen over een oppervlakte van drieduizend vierkante kilometer, op een onbewoond stuk pampa in Argentinië. Het detectornetwerk moet zo groot zijn omdat deze deeltjes uitermate zeldzaam zijn: er komt ongeveer één ultrahoog energiedeeltje neer per jaar per vierkante kilometer aardoppervlak

Hun oorsprong is te vinden ver van de Aarde zoals bij Supernovae en, zoals hierboven vermeld, bij Blazars, Quasars en Pulsars.

Deeeltjeslawines worden ook wel ‘extensive air-showers’ genoemd.
Video Waarom-is-kosmische-straling-levensgevaarlijk-voor-astronauten, maar niet voor gewone stervelingen die liever niet de ruimte willen verkennen….

Kosmische straling kan voor wolkenvorming zorgen!

Het grootste deel, de galactische straling, komt van bronnen buiten ons eigen Melkwegstelsel. De galactische straling bestaat voor 90% uit protonen en elektronen, voor de rest uit lichte heliumkernen en kernen van koolstof en stikstof. Zoals gezegd is ook de Zon een bron van deze deeltjesstraling weliswaar met zeer lage energie. Als deze deeltjes de aardatmosfeer binnendringen, kunnen ze met daarin aanwezige vluchtige stofjes botsen, zoals roet van het verkeer en andere aerosolen, waardoor deze tot minuscule druppeltjes condenseren. En rond deze druppeltjes kunnen vervolgens wolken ontstaan.

Als de Zon actief is, weert het zonne-magnetisch veld meer kosmische straling af dan tijdens rustige perioden en er is dan minder bewolking. Sterke zonne-activiteit verhoogt de bijdrage van solaire straling. Het magnetisch veld rond de aarde wordt door de zonne-activiteit zodanig beïnvloed dat de bijdrage van galactische straling afneemt. De Deense fysicus Henrik Svensmark over kosmische-straling

Maar wat zijn nou die ‘geheimzinnige’ neutrinos?

Neutrino’s zijn elektrisch ongeladen subatomaire deeltjes. De voornaamste interactie die neutrino’s vertonen is de zwakke kernkracht. Neutrino’s zijn niet gevoelig voor de sterke kernkracht en ook niet voor elektromagnetische interacties. Doordat het neutrino zo weinig wisselwerking vertoont met materie, gaat het bijna ongehinderd door gewone materie heen. Een blok lood zou een lichtjaar (circa 9,5 biljoen km) dik moeten zijn om de helft van de neutrino’s die erdoorheen gaan tegen te houden.

Video juni 2018: Secrets of the universe may lie in an old gold mine in South Dakota The-international-hunt-for-the-ghost-particle.

Wetenschappers geloven dat gelijke delen gewone materie en antimaterie hadden moeten worden gecreëerd tijdens de vorming van het universum. Maar dat gebeurde niet en niemand weet waarom. In plaats daarvan wordt het zichtbare universum gedomineerd door gewone materie.

Neutrino’s kunnen de reden zijn waarom – natuurkundigen hebben er de komende 10 jaar alles voor over om uit te vinden.

Neutrino’s zijn lastige kleine dingetjes, die behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het universum. Ze hebben nauwelijks interactie met wat dan ook en reizen met een gigantische vaart dat grenst aan de lichtsnelheid. Drie biljoen neutrino’s vlogen gewoon door je lichaam terwijl je de laatste twee zinnen las – en dát is de grote uitdaging voor de onderzoekers. Misschien zou het beter zijn als ze je gewoon passeren, maar als je ze probeert te meten, betekent dit dat je gigantische detectoren nodig hebt om slechts een paar interacties te zien en ze dan te kunnen meten.

The Super-Kamiokande neutrino detector in Japan

Om de kleinste dingen te meten, moet alles groter zijn: wetenschappers willen meer neutrino’s vangen met grotere detectoren. Want hoe groter de detector, hoe meer reacties er per jaar voorkomen. En alles moet diep onder de grond worden geplaatst om het tegen kosmische stralen te beschermen. In het komende decennium zullen geavanceerde, ultramoderne technologie gebruikt worden om de detector te bouwen en data-verzamelsystemen creëren die vastleggen en analyseren wat er binnenin gebeurt. Het ingewikkelde proces omvat een reeks taken, waaronder het maken van elektronica die kan werken bij temperaturen rond -150 graden Celsius. Voor de ‘grootste ijskist ter wereld’, is vloeibaar argon nodig, dat de koele omgeving vereist.

Vloeibaar argon, een edelgas, is wat neutrino’s – en antineutrino’s, hun tegenhanger, net als materie en antimaterie – in de detector tegenkomen, waardoor wetenschappers kunnen zien wat er gebeurt bij de zeldzame gelegenheid dat de mysterieuze deeltjes interageren met atomen. Verschillen in het aantal en de eigenschappen van neutrino’s versus antineutrino’s zouden kunnen aangeven waarom materie in ons universum domineert boven antimaterie en kunnen wellicht laten zien of neutrino’s een rol hebben gespeeld bij de vorming van het universum.

Even iets dichter bij huis:

De meeste neutrino’s die de aarde bereiken, zijn afkomstig van de Zon. Per seconde wordt elke vierkante centimeter van de ruimte in de nabijheid van de Aarde, die loodrecht op de richting van de zonnestralen staat, gepasseerd door 65 miljard zonneneutrino’s.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie. Het elektron-neutrino ontstaat bij bètaverval.

Bij het β+ verval (ook positron-emissie of positron-verval genoemd), wordt via de zwakke kernkracht een proton omgezet in een neutron, waarbij een positron (het antideeltje van een elektron) en een neutrino vrijkomen.

Bij het β− verval wordt door de zwakke kernkracht een neutron omgezet in een proton, waarbij een elektron en een antineutrino vrijkomen.

Zonneneutrino’s worden in de Zon geproduceerd als een product van kernfusie.

In lichte sterren als de Zon verloopt de kernfusie van waterstof, volgens de proton-protoncyclus tot helium.

Waterstof heeft 3 isotopen: protium (1H), deuterium (2H) en tritium (3H).

  • Protium is een stabiel isotoop
  • Deuterium is een stabiele isotoop
  • Tritium is radioactief en vervalt door bètaverval naar Helium-3

Helium-3 of 3He is een stabiele isotoop van helium

Helium-4 of 4He is een stabiele isotoop van helium

Vervalprocessen.

Bètaverval is een radioactief verval, waarbij een bètadeeltje, namelijk een elektron (of een positron), wordt uitgestraald (bètastraling). Het is een symmetriebreking

Bètastraling. β− verval: een neutron wordt omgezet in een proton, waarbij een elektron en een elektron-antineutrino vrijkomen.

Hiermee is aangetoond dat bètaverval het eerste natuurkundige bewijs gaf voor het bestaan van neutrino’s en dus ook van anti-neutrino’s.

Neutrino’s breng ik nu nóg dichterbij!

Ze vliegen voortdurend om én zelfs door ons heen! Neutrino’s zijn ongeladen en, naast fotonen (lichtdeeltjes/lichtgolfjes), de meest voorkomende deeltjes in het universum. Op dit moment….en dit is onvoorstelbaar….gaan er elke tel meer dan tien miljard dwars door je lichaam!!! Neutrino’s gaan overal dwars doorheen, en toch merken we er niks van. Dit komt doordat zwaartekracht geen enkele invloed op ze heeft: je voelt hun aanwezigheid niet. Ze zijn niet elektrisch geladen en worden dus niet beïnvloed door elektromagnetische krachten.

Een neutrino-detector ziet er uit als een futuristische kunstinstallatie of een vijfsterrenhotel uit een toekomstige menselijke beschaving op Mars. De duizenden glazen bollen zorgen ervoor dat de detector er zo cool uit ziet, maar ze zijn er niet voor de sier: het doel van deze bollen is om de lichtgevende golven van deeltjes die door de botsing tussen de neutrino en een ander deeltje ontstaan op te vangen en te verstreken. Hierdoor kan informatie worden verkregen over onder andere de energie en stuwkracht van de neutrino.

Natuurkundigen zien neutrino’s van gedaante veranderen

Neutrino-oscillatie (fluctuatie/schommeling) is een quantummechanisch fenomeen. Het blijkt, dat wanneer een neutrino van een specifiek lepton-variant gemeten wordt  (elektron-, muon- of tau-neutrino) en later nog ‘ns, het een ​​ander neutrino-variant geworden is. De waarschijnlijkheid van het meten van een bepaalde variant van een neutrino varieert tussen de 3 bekende toestanden..
Neutrino-oscillatie is van groot theoretisch en experimenteel belang, omdat de precieze eigenschappen van het proces licht kunnen werpen op verschillende eigenschappen van de neutrino. In het bijzonder impliceert dit dat de neutrino een massa heeft.

Theorie
Neutrino-oscillatie is de wisseling tussen de varianten en massa-eigenschappen van neutrino’s. Dat wil zeggen dat de drie neutrinotoestanden (elektron-, muon- of tau-neutrino) die in wisselwerking staan ​​met elektronen (de geladen leptonen) elk een andere superpositie zijn van de drie neutrinotoestanden met een bepaalde massa.

Terwijl een neutrino-superpositie zich door de ruimte verplaatst, gaan de quantummechanische fasen van de drie massastadia met miniem verschillende snelheden voort, vanwege de minieme verschillen in hun respectievelijke neutrinomassa’s. Dus als een neutrino bijvoorbeeld ‘begon’ als een elektronenneutrino, zal een mengsel van elektron-, mu- en tau-neutrino enige afstand afleggen. Omdat de quantummechanische fase op een periodieke manier voortschrijdt, zal de toestand na die afstand terugkeren naar de oorspronkelijke variant en zal de neutrino weer voornamelijk een elektronenneutrino zijn. Het soortgehalte van de neutrino zal echter blijven oscilleren – zolang het de quantummechanische samenhang behoudt.

Superpositie

Quantummechanica gaat over kansen. Een quantummechanisch systeem hoeft niet in één specifieke toestand te zijn: het kan in zekere zin in verschillende toestanden tegelijk zijn. Door het doen van de meting “dwingen we (in dit geval) de toestand van de neutrino te kiezen”, en pas op dát moment is de neutrinotoestand niet meer in een superpositie, maar ofwel een elektro- muon- of tau-neutrino.

Waar-zouden-we-zijn-zonder-quantummechanica. In een volgende blog ga ik me verdiepen in de quantummechanica en quantumfysica.

Paleoklimatologie

Inhoudsopgave:

De geschiedenis en de veranderingen van het klimaat. De atmosfeer 4 miljard jaar geleden. Milanković Cycli. Een kleine planeet kwam in botsing met de Aarde. The Late Heavy Bombardment. Eerst even wat grillen van de Zon. Klimaatveranderingen in de opeenvolgende tijdperken. Precambrium en de eerste ijstijd 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden. Pangea, Jura en Krijt. Oceanische stromingen en de aanzet tot het huidige klimaat. El Niño van 350.000 jaar geleden terug te vinden in koralen. Intertropische Convergentiezone.

De geschiedenis en de veranderingen van het klimaat.

Zo’n 2,5 miljard jaar geleden waren er al klimaatveranderingen. Aardwetenschappers van de Universiteit Utrecht en de Universiteit van Genève hebben voor het eerst aangetoond dat het klimaat op Aarde 2,5 miljard jaar geleden regelmatige veranderingen onderging. Lees het hele artikel op de website van de Faculteit Geowetenschappen van de Universiteit Utrecht.

  • Klimaten in alle tijden streven een evenwicht na, in de verdeling van warmte en afkoeling van onze planeet. Dit zijn processen die vele miljoenen jaren in beslag nemen. Wijzelf streven er een heel mensenleven na om in evenwicht te zijn.
  • Nog maar 10.000 jaar geleden begon het Holoceen, dat nog niet is beëindigd, omdat de Noord- en Zuidpool nog bevroren zijn.

Enorme ijsberg breekt af in het zuiden van Antarctica

Een enorme ijsberg van 1.636 vierkante kilometer groot drijft rond op de Zuidpool. De ijsberg is afgebroken van de Amery ijsvlakte. Het maakt deel uit van de natuurlijke cyclus en is dus niet het gevolg van de opwarming van de aarde. Het is echter wel een bijzonder fenomeen dat slecht om 60 à 70 jaar plaatsvindt. Smelten is een ander proces

IJs op Antarctica smelt toch minder snel dan gedacht. Relatief warm oceaanwater doet de ijsplaten van onderaf verwarmen. Door het dunner worden van de ijslaag vermindert de druk op de bodem waardoor de ondergrond de mogelijkheid krijgt om ‘op te veren’ (= omhoog komen). Het ‘opveereffect’ van de ondergrond zorgt ervoor dat het relatief warme oceaanwater minder de kans krijgt om het ijs van onderaf te laten smelten. Bron:geowijs1

Het klimaat heeft al 2 miljard jaar een golvend karakter van warme interglacialen, afgewisseld met koude glaciale perioden. Interglacialen werden bovendien afgewisseld met korte koude intervallen, terwijl glacialen korte warme tussentijden kende. Ook het interglaciale Holoceen van dit moment, na het Kwartaire glaciaal, kent een koude interval: een kortstondig ‘ijstijdje” van slechts 300 jaar.

In het verre verleden zijn er vaak hele warme perioden geweest met veel en soms wel zeer veel CO2 in de atmosfeer. Hoe verhoudt zich dat tot de huidige opwarming van de Aarde? De wetmatigheid van de natuur stelt nou eenmaal, dat een toename van CO2 in de atmosfeer leidt tot een toename van temperatuur. Dit gaat uiteraard ook op voor tijden, vóórdat er mensen waren!

Ik ga nu heel ver terug in het verleden.

De atmosfeer in het Hadeïcum 4,7 tot 3,7 miljard jaar geleden

Uit het binnenste van de jonge aarde ontsnapten gassen door de immense hitte. Zij vormden de Oeratmosfeer die bestond uit grote hoeveelheden waterdamp, stikstof, ammonia, waterstof, methaan, zwavelwaterstof en koolmonoxide. Een vergelijkbaar gasmengsel dat vrijkomt bij vulkaanuitbarstingen. Uit de Oer-atmosferische wolken regende het duizenden jaren lang en brachten talloze kometen grote hoeveelheden water op de jonge Aarde.

Het water van de inslaande kometen vormde de eerste oceanen: origins-of-oceans.

De aanblik van de aarde in het Archaeïcum van 3,7 tot 2,5 miljard jaar geleden

Aan het eind van het Hadeïcum, zo’n 4 miljard jaar geleden, waren de meteorietregens afgenomen, waarna de aardkorst afkoelde. Ook de waterdamp koelde af en werd vloeibaar water. De eerste oceanen werden gevormd. Onderzeese vulkaanuitbarstingen kwamen vaak voor. De hete lava stolde in zee en werd gesteente. De gesteenten klonterden samen en vormden de eerste kleine continenten, die hier en daar boven water uitstaken.

De atmosfeer in het Archaeïcum

De aarde was omgeven door een dikke laag gas met veel kooldioxide, stikstof en water. De samenstelling van deze oeratmosfeer zou voor het meeste huidige leven giftig zijn. Er zat nog geen zuurstof in de atmosfeer. Het was in zeer kleine hoeveelheden aanwezig, doordat het slechts werd geproduceerd bij de afbraak van waterdamp door UV-straling in de hogere delen van de atmosfeer. Dit zuurstofgas verspreidde zich in zeer lage concentraties in de atmosfeer, maar zodra het in aanraking kwam met gesteente aan het aardoppervlak reageerde het direct daarmee. Deze kleine concentratie zuurstof in de atmosfeer zorgde er bovendien voor, dat organische verbindingen door allerlei oxidatiereacties meteen afgebroken werden. Leven op het land was niet mogelijk, want er was nog geen ozonlaag, die de schadelijke UV-straling tegenhield.

Aan het begin van het Archeïcum bedroeg de lichtkracht van de Zon slechts 75% van de huidige waarde. De Aarde zou te koud zijn geweest voor vloeibaar water, terwijl het sedimentair gesteente uit deze tijd erop wijst, dat dit er wel degelijk al was. Het afzetten van sediment is namelijk een proces waarbij (koolstof)deeltjes bezinken of neerslaan in water.

  • Vermoed wordt daarom dat er heel veel koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer aanwezig moet zijn geweest, waardoor de Aarde warmte kon vasthouden! Mooi toch?

Het leven in het Archeïcum was slechts beperkt tot eenvoudige eencelligen, die nog niet ‘aan fotosynthese deden’. Dit is overigens wat we ons dienen voor te stellen als we denken aan buitenaards leven op miljarden planeten in het universum…..

Een miljard jaar later, aan het begin van het Proterozoïcum, ‘brak er een zuurstof-revolutie uit’ en de eerste generaties meercelligen hadden mogelijk het aardse licht al miljoenen jaren eerder gezien. De opkomst van de meercellige eukaryoten hield echter de verdere verspreiding van de cyanobacteriën niet tegen. Deze konden wél foto-synthetiseren, en zij waren het die de zuurstof-revolutie op wereldschaal hadden ontketend! Aanvankelijk reageerde al het zuurstof met zwavel, koolstof en ijzer: zwaveldioxide bij het nog steeds voortdurende vulkanisme / koolstofdioxide CO2 / ijzeroxide in Banded Iron Formaties zoals in Isua, West-Groenland .

Afbeeldingsresultaat voor banded iron formations isua
Het oudste rotsgesteente op Aarde
is gevonden op
isua, greenland

Toen de ‘afzetgebieden’ van zuurstof zowat allemaal bezet waren, en door het verschijnen van meerdere organismen de fotosynthese toenam, begon de zuurstofconcentratie in de atmosfeer te stijgen. Het organisme dat afstierf, werd in lagen ondergraven waardoor niet-geoxideerd koolstof verdween. Mogelijk de aanzet tot het kunnen ontstaan van het eerste methaangas?

Tijdens het Proterozoïcum groeide de gezamenlijke continentale massa sterk aan door de samenvoeging van microcontinenten (kratons). Ook kwamen gedurende het Proterozoïcum de eerste gebergtevormingen voor, die zorgden voor verplaatsende atmosferische variaties.

Het is met zekerheid vastgesteld, dat de eerste ijstijd heeft plaatsgevonden kort na het begin van het Proterozoïcum, zo’n 2,5 miljard jaar geleden. Tijdens het Neoproterozoïcum (1 miljard – 500 miljoen jaar geleden) waren er minstens vier ijstijden.

IJstijden en klimaatveranderingen werden toen ook al voornamelijk aangezet door de Milanković Cycli.

Milanković Cycli

Milutin Milanković beschrijft in 1941 dat de variaties in de baan van de Aarde rond de Zon (excentriciteit), de variaties in de aardashoek (obliquiteit) en de tolbeweging van de aardas (precessie) van invloed zijn op de temperatuur op Aarde. Als gevolg van deze variaties varieert de temperatuur op aarde en zijn de laatste ijstijden gedurende 2,5 miljoen jaar tot heden te verklaren.

Excentriciteit, obliquiteit en precessie beschrijven de effecten van de aardse bewegingen op het wereldklimaat. Wanneer de drie cycli samenkomen, kan dit een aanwijzing zijn voor een ijstijd.

IJstijden en interglacialen worden primair in gang gezet door variaties in de baan van de aarde om de zon en de stand van de aardas ten opzichte van die baan. Als deze veranderingen ervoor zorgen dat de seizoenverschillen op het noordelijk halfrond klein zijn, treedt er een ijstijd op. Broeikasgassen zijn niet de oorzaak van de ijstijden, maar zij versterken de temperatuurveranderingen wel. Vulkanisme en meteorietinslagen zijn eerder oorzaken van plotselinge afkoeling, wat een naderend glaciaal zou kunnen gaan inleiden.

Het verloop van de temperatuur en CO2-concentratie in de laatste 420 duizend jaar laat zien dat beide met elkaar samenhangen. Een cyclus van een ijstijd en een interglaciaal (warme tijd tussen twee ijstijden) beslaat ongeveer honderdduizend jaar. Op die tijdschaal wordt klimaatverandering gestuurd door veranderingen in de baan van de aarde om de zon en de stand van de aardas ten opzichte van die baan. De ligging van de continenten en de mate waarin het land is ‘opgeveerd’ na beëindiging van de vorige ijstijd zijn mede bepalend of een volgende ijstijd mogelijk is.  

Excentriciteit.
De baan van de aarde rond de zon is een ellips. De excentriciteit is de mate waarin deze ellips afwijkt van een cirkel. De periodiciteit van de excentriciteit is 100.000 jaar.

Deze excentriciteit varieert in de tijd van bijna cirkel (excentriciteit van 0,005) tot licht elliptisch (excentriciteit 0,028). De huidige excentriciteit bedraagt 0,017. Deze variaties in excentriciteit ontstaan door de invloed van de zwaartekracht van de planeten Saturnus en Jupiter.

Obliquiteit.
De hoek die de aardas maakt met de loodlijn op het vlak waarin de aarde rond de zon draait varieert van 22,1° tot 24,5°, met een periodiciteit van 41.000 jaar.

Bij een grotere hoek nemen de verschillen tussen de seizoenen voor wat betreft de instraling van de zon toe. Zowel op het noordelijk als het zuidelijk halfrond worden de zomers dan warmer en de winters kouder. Momenteel neemt de obliquiteit af en is 23,44°

Precessie is de tolbeweging van de aardas en heeft een periodiciteit van ongeveer 26.000 jaar.

Precessie is het gevolg van de getijdenkrachten die zowel de zon als de maan op de aarde uitoefenen, versterkt door het feit dat de aarde niet perfect rond is.

Precessie is de beweging die de draai-as van een roterend voorwerp maakt onder invloed van een uitwendige kracht. Het eenvoudigste voorbeeld van precessie kan men zien aan een draaiende draaitol. Als de tol niet precies rechtop staat, zal de zwaartekracht proberen om de rotatieas ‘om te laten vallen’. Dat gebeurt echter niet: in plaats daarvan draait de rotatieas rond om de verticaal.

Deze afbeelding heeft een leeg alt-atribuut; de bestandsnaam is ap-figuur-21.png
Precessie is vergelijkbaar met de beweging van een tol.
R= rotatie
P= precessie
N= nutatie

Gedurende de geologische geschiedenis schommelt de hoek die de Aarde maakt t.o.v. de ecliptica tussen de 21,5 en 24,5 graad. De Aarde is platter aan de polen dan aan de evenaar dus is er geen perfecte bolvorm. De Zon zal daarom door de aantrekkingskracht proberen de aardas loodrecht op de ecliptica te krijgen. Doordat de Aarde om haar as draait, is het resultaat dat de aardas zelf een kegel rondom de pool van de ecliptica beschrijft: nutatie. Dit uit zich in een cirkel rondom de hemelpool, momenteel een cirkel van 23,5 graden. De rotatie-as wijst momenteel in de richting van Polaris, de Poolster. Doordat de aardas in een 14.000-jarige cyclus ronddraait, wordt Vega op een bepaald moment in de toekomst de Poolster.

Er zijn echter meerdere processen die klimaatverandering aan kunnen zetten zoals CO2 en het zeer krachtige methaan. Beide broeikasgassen zijn zeer effectief voor opwarming, zowel na een ijstijd als de huidige opwarming. Grote hoeveelheden methaan uit het permafrost rond de arctische gebieden komen op dit moment (2020) vrij. Wat we ook steeds terugzien na een glaciale periode is fotosynthese, zowel cyanobacteriën als door planten en bomen.

Einde van een ijstijd.

De overgang van ijstijd naar interglaciaal gaat veel sneller dan andersom. De volgende processen dragen bij aan het einde van een ijstijd:

  • Door een lager broeikasgehalte en het aangroeien van de ijskap dalen de temperaturen in principe steeds verder, maar valt er ook steeds minder neerslag waardoor de ijsgroei steeds minder wordt.
  • De zeespiegeldaling en de uitbreiding van het zeeijs leiden ertoe dat het wateroppervlak kleiner wordt, waardoor ook de CO2 opname afneemt.
  • Het landoppervlak daalt een paar honderd meter door het gewicht van de ijskap, waardoor de sneeuwgrens naar het noorden opschuift. Dit is geen doorslaggevende factor, maar draagt wel bij aan de beëindiging van een ijstijd.
  • Als uiteindelijk ook door veranderingen in de baan van de aarde om de zon de seizoensverschillen groter worden, leidt dat in de polaire zomer tot meer afsmelting en in de winter tot minder neerslag en dus tot minder aangroei van de ijskap.
  • Het lichtweerkaatsend vermogen van de ijskappen neemt sterk af zodra sneeuw en ijs aan de oppervlakte nat worden. Meer warmte vroeger in het jaar leidt dus direct tot een zeer snelle afname van de weerkaatsing van het licht en veroorzaakt een verder slinken van de ijskap.
  • Door de slinkende ijskap wordt het warmer en smelten op termijn grote partijen zeeijs. Zonne-energie wordt daardoor in de poolgebieden beter geabsorbeerd, waardoor de temperatuur nog verder stijgt.
  • De oceanen warmen op waardoor het opgeslagen CO2 weer vrijkomt uit de diepzee en de temperatuurstijging wordt versterkt. Bron: Klimaat voor Ruimte

Ik ga nu verder nadat de Aarde al is ontstaan.

Ten tijde van het Hadeïcum was de aardkorst vloeibaar en zeer heet. Vanuit de hete kern van de aarde ontstond er stroming van gesmolten gesteente naar de buitenste delen van de aarde. De aan het aardoppervlak afgekoelde gesteenten zakten naar beneden. Deze zogenoemde convectiestroming is vandaag de dag nog steeds aan de gang in de mantel van de aarde. Het zorgt ervoor dat het aardoppervlak in beweging blijft, waardoor ook de aardplaten bewegen.

Behalve de convectiestroming moet er ook al heel vroeg een magnetische veld zijn geweest, dat berust op de dynamowerking vanwege de vaste nikkel-ijzeren kern, met eromheen ’n buitenkern bestaande uit vloeibare ijzer en nikkel.

Mantelconvectie

Meteorietinslagen veranderden zowel het oppervlak als de temperatuur van de Aarde.

Afbeeldingsresultaat voor meteorietinslagen
Meteorietinslagen veranderden zowel het oppervlak als de temperatuur van de Aarde. Er kwam echter ’n zeer cruciale inslag aan:

Een kleine planeet kwam in botsing met de Aarde.

Ongeveer 150 miljoen jaar na het ontstaan van het Zonnestelsel, zo’n 4,5 miljard jaar geleden, botste ’n kleine planeet ter grootte van Mars op de jonge Aarde. Het aardoppervlak veranderde door de inslag in één grote lavasoep. Een deel van het puin van de kleine planeet Theia, belandde op de Aarde, maar een groot deel verzamelde zich in een stofwolk om onze planet en klonterde samen om de Maan te vormen.

De kleine planeet Theia botst op de jonge Aarde.
Het aardoppervlak veranderde door de inslag in één grote lavasoep.

The Late Heavy Bombardment

Deze duurde ongeveer 2 miljoen jaar. Sommige kraters van dit gigantische bombardement zijn zo groot als Aardse continenten.

EerstIk vind het vanzelfsprekend, dat de inslag van de ‘planeet Theia’ en het heftige bombardement, dat zo’n 2 miljoen jaar duurde (!!), de jonge planeet Aarde de nodige tikken hebben gegeven, dat de obliquiteit (de hoek die de aard-as maakt) vanaf die periode eigenlijk al is bepaald. Deze heeft, zoals al verteld, een periodiciteit van 41.000 jaar. Momenteel neemt die af en is 23,44°. Zou dat ’n tiende graad meer of minder zijn, dan is er al ’n andere instraling van de grillige Zon, vooral op de beide polen…..

Eerst even wat grillen van de Zon…..

…..omdat die al 5 miljard jaar lang de allesbepalende factor is van het aardse klimaat……….

De Zonnecyclus is een proces van zonneactiviteit in een kortdurende cyclische variëteit van slechts 11 jaar. Samenhangend met deze periode, die ook wel ‘ns 14 jaar kan duren, is het aantal zonnevlekken dat varieert…..

zon
Actuele Zon
Met een klik op de Zon zie je de zonnevlekken van dit moment!

Wat zijn Zonnevlekken?

Zonnevlek umbra and penumbra
Umbra is het donkerste deel van de schaduw, waar de lichtbron volledig wordt geblokkeerd.
Penumbra is het gebied waarin slechts een deel van de lichtbron zichtbaar is.

Zonnevlekken kunnen soms vele malen groter worden dan de Aarde zelf. Ze zijn donker van kleur aangezien dit “koudere” gebieden zijn op het zonneoppervlak. Een grote zonnevlek kan een temperatuur hebben van 3700°C, als we dit vergelijken met de temperatuur van de fotosfeer, het ‘Zonne-oppervlak’, die is 5500°C…..

Zonnevlekken ontstaan waar magnetische veldlijnen vanuit het binnenste van de Zon naar buiten komen. Elke vlek heeft z’n eigen magnetische polariteit. Rond het zonneminimum zullen er weinig tot geen zonnevlekken te vinden zijn. Zonneactiviteit zal tot 2040 blijven afnemen – Alles over …sterrenkunde. Later, in het hoofdstuk over de Magnetosfeer, kom ik terug op de zonneactiviteit

Klimaatveranderingen in de opeenvolgende tijdperken.

We zien hierin duidelijk dat er sprake is van een cyclische, dus golvende klimaatstructuur. Glacialen en interglacialen gaan in elkaar over, in een geleidelijk proces van soms wel honderden miljoenen jaren…..

Klimaatveranderingen werden in het verleden voor een groot deel bepaald door plaattektoniek en de samenstelling van de daaraan onderhevige veranderende atmosfeer. Natuurlijke factoren en grote natuurrampen hebben in dit verleden vrijwel zeker, klimaatveranderingen veroorzaakt of in gang gezet.

De snelheid waarmee klimaatveranderingen zich voltrekken varieert sterk. Deze veranderingen kunnen traag en geleidelijk verlopen maar ook snel en schoksgewijs. Bovendien verlopen klimaatveranderingen niet overal even snel en op dezelfde manier. Over de oorzaak van klimaatveranderingen in het verleden is niet altijd veel bekend. Hoe verder men teruggaat in het verleden, hoe moeilijker het onderzoek naar klimaatveranderingen wordt.

Het Hadeïcum is het begin van het Precambrium (4,5 – 3,8 miljard jaar geleden) wordt in de geologische tijdsschaal gebruikt om de periode aan te duiden tussen het ontstaan van de Aarde en het voorkomen van de eerste sedimentaire (vaste) gesteenten. Zoals eerder is gezegd had dit tijdperk een oeratmosfeer die bestond uit grote hoeveelheden waterdamp, stikstof, ammonia, waterstof, methaan, zwavelwaterstof en koolmonoxide

Het Archaeïcum (3,8 miljard tot 2,5 miljard jaar geleden), had inmiddels een klimaat dat zeer heet moet zijn geweest. De atmosfeer bestond waarschijnlijk uit een mengsel van gassen waaronder waterdamp, stikstof, waterstof, methaan, ammoniak, koolstofdioxide en koolstofmonoxide.

Continenten waren nog niet aanwezig en de dunne instabiele aardkorst bestond uit kratons (continentale aardkorst) die grotendeels onder water stonden. De oceaan was bezaaid met kleine eilandjes. Het klimaat was daardoor gelijkmatig verdeeld over de aardbol. De atmosfeer bevatte hoge concentraties broeikasgassen zoals koolstofdioxide, methaan en ammoniak. De activiteit van de Zon was nog gering, maar mede door de aanwezigheid van deze broeikasgassen was het zeer heet.

De eerste vormen van leven zijn waarschijnlijk al rond 3,6 miljard jaar geleden, halverwege het Archeïcum, ontstaan. Het betrof de eerste extremofiele soorten bacteriën.

Het Precambrium bevat alle tijd tussen het ontstaan van de Aarde 4,5 miljard jaar geleden en 542 miljoen jaar geleden.

Terwijl de Panthalassic Ocean altijd een ondiepe zee was met een diepte van niet meer dan twee kilometer, is de Panafrican Ocean een afgrond van mysterieuze wezens geweest. Op een diepte van vijf kilometer wemelde het van leven. Verschillende basale geschelpte weekdieren bewoonden alle rotsen, niet bedreigd door roofdieren, hun schelpen zijn een voldoende verdediging tegen de overlevenden van het begin van de eerste ijstijd. Roofkwallen zwommen vrij rond in de open zee.

De Precambriaanse tijd is ook bekend als de “Age of Early Life”. Het vroege leven trotseerde ijzige koude, die toen al afgewisseld werden met warme periodes. Er waren uitgebreide gletsjers in de buurt van de polen. Al met al was er in de precambrische tijd niet ’n stabiel klimaat.

Z540_zonef.jpg (61851 bytes)
540 miljoen jaar geleden

Het zout in oceanen.

Oceanen waren 3,5 miljard jaar geleden zouter. Het merendeel van de zout-ionen in oceanen bestaat uit natrium en chloor (die samen het ons bekende keukenzout vormen: Natriumchloride). Het chloor in de vroege oceanen moet grotendeels afkomstig zijn geweest van vulkanisme waarbij veel zoutzuur (Waterstofchloride) vrijkwam. Het natrium moet door uitloging van verweerde gesteenten in de oceanen terecht zijn gekomen. In de loop van de geschiedenis zijn er op tal van momenten en op tal van plaatsen grote hoeveelheden zout in oceanen neergeslagen, bijvoorbeeld door verdamping van water in ondiepe zeeën. Veel van die zoutafzettingen zijn later door andere gesteenten bedekt, maar ooit moeten ze deel van het in de vroegere oceanen voorkomende zout hebben uitgemaakt. Zouden al die ‘begraven’ zoutvoorkomens weer in oceanen oplossen, dan zou het zoutgehalte in oceaanwater met circa 30 procent toenemen. Daarnaast bevat al het grondwater bij elkaar nog eens zoveel zout dat, als dat ook in zee terecht zou komen, het zoutgehalte zelfs ongeveer zou verdubbelen.

Tussen 3,2 en 2 miljard jaar geleden nam het zoutgehalte in de toenmalige oceanen geleidelijk af, op het eind zó vlug, dat binnen zo’n 100 miljoen jaar de helft van alle bekende zoutlagen werden gevormd. Pas in de laatste half miljard jaar, bereikte het zoutgehalte in zee waarden die vergelijkbaar zijn met nu

Eerste IJstijd in het Precambrium.

  • De Huronische ijstijd is de oudste bekende ijstijd die duurde van 2,4 tot 2,1 miljard jaar geleden, aan het begin van het Paleoproterozoïcum.
  • Deze ijstijd was het gevolg van de eerste ‘zuurstofrevolutie’ veroorzaakt door krioelende legers van cyanobacteriën. De archeïsche atmosfeer werd fotosynthetiserend omgevormd tot een stikstof-zuurstofatmosfeer. De globale ‘vergiftiging’ van de atmosfeer met zuurstof leidde tot een ongekende massaextinctie van het anaerobe leven.
  • Aanvankelijk werd alle door cyanobacteriën geproduceerde zuurstof aan al het ijzer gebonden dat tijdens deze periode aan het aardoppervlak aanwezig was. Nadat alle ijzer aan het aardoppervlak was geoxideerd, steeg de zuurstofconcentratie in de atmosfeer
  • Vrijwel alle methaan, dat een sterk broeikasgas is, verdween uit de atmosfeer, waardoor de atmosfeer sterk afkoelde en geleidelijk deze ijstijd begon

Op het einde van het Precambrium traden nóg ‘ns twee ijstijdvakken op, resp. ongeveer 710 en 635 miljoen jaar geleden. Zowel de oudste (Sturtian) als de jongste (Marinoan) van deze twee ijstijdvakken worden ervan ‘verdacht’ zo koud te zijn geweest dat zelfs de oceanen bij de evenaar bevroren waren. Daarom wordt wel van ‘sneeuwbal aarde’ gesproken. Aan die volledige ijsbedekking wordt echter ook door veel deskundigen getwijfeld: sneeuwbal-aarde-verrassend-vriendelijk-voor-leven…

Cambrium 540 tot 500 miljoen jaar geleden

Na de eerste ijstijden was door het smeltende ijs was het zeeniveau tot grote hoogten gestegen: aan het einde van het Cambrium lag het enkele honderden meters hoger dan tegenwoordig. Zodra het ijs op de oceanen was weggesmolten nam de fotosynthese-activiteit van de cyanobacteriën en de eerste plantaardige cellen weer sterk toe. Deze levensvormen kregen weer voldoende zonlicht en er hadden zich bovendien veel voedingsstoffen in het water  opgehoopt.

Het leven zou een explosieve impuls hebben gekregen, dus was er sprake van een “Cambrische explosie”. Maar het leven onderging eigenlijk helemáál geen ‘explosieve groei’ in het Cambrium:

“De ‘Cambrische explosie’ blijkt eigenlijk een gestage evolutie te zijn geweest, die ongeveer 100 miljoen jaar duurde” Bron:Kennislink en Nature ecology

In de daaropvolgende 50 miljoen jaar die het Ordovicium omspande, verplaatsten Baltica en Siberië zich naar het noorden. Baltica ontstond bij het uiteenvallen van het supercontinent Rodinia. Tegen het eind van het Ordovicium, 460 miljoen jaar geleden, begon de ene oerzee zich te sluiten, terwijl de andere zich begon te openen. Delen van Gondwana splitsten zich af van dit supercontinent. De resterende delen verplaatsten zich naar het zuiden, waardoor het huidige Noord-Afrika boven de Zuidpool kwam te liggen.

Door tektonische krachten waren er perioden met grote vulkanische activiteit, die land toevoegden aan de oostkust van Australië, delen van Antarctica en Zuid-Amerika. Veel van wat we weten over de veranderingen in het klimaat en de positie van de continenten is afgeleid aan de hand van fossielen van kleine diertjes die leefden in de zeeën.

Veel wetenschappers denken dat de hoeveelheid koolstofdioxide in het Ordovicium zeer hoog was. Meer dan twintig keer zo hoog dan nu het geval is. Maar het is moeilijk om de nauwkeurige hoeveelheid koolstofdioxide uit oude gesteenten af te leiden. In de loop van het Ordovicium werd de temperatuur op aarde lager, en in het late Ordovicium was er zelfs sprake van een “korte” ijstijd.….dit is moeilijk voor te stellen in een wereld met veel broeikasgassen.…..

Iedereen is bekend met de massa-extinctie waardoor de dinosaurussen stierven, in het Krijt 60 miljoen jaar geleden. Maar ongeveer vierhonderd miljoen jaar daarvóór vond er een nog grotere massa-extinctie plaats: de Laat-Ordovicische massa-extinctie. Het klimaat zou vrij plotseling omgeslagen zijn naar ’n periode van nog geen 3 miljoen jaar, waardoor bijna alle zeedieren uitstierven. De oorzaak van de wereldwijde extinctie wordt gekoppeld aan de ijstijd die toen plaatsvond: Het Hirnantien. Een groot deel van de zeedieren heeft zich in de volgende miljoenen jaren kunnen herstellen of heeft zich verder ontwikkeld tot nieuwe soorten.

In het patroon waarmee de Aarde op veranderingen reageert, is dus in al die miljoenen jaren nog niets veranderd. Daaruit blijkt wel hoe stabiel de Aarde en haar atmosfeer zijn. Men zou denken dat deze conclusie de wetenschappers optimistisch maakt: toen heeft de Aarde het ondanks de broeikasgassen gered, dus dan moet dat nu toch ook lukken? Toch zijn de wetenschappers niet overtuigd. De Aarde weet natuurlijke broeikasgassen prima te verwerken, maar hoe zit dat met de gassen die door toedoen van de mens in de atmosfeer belanden, zo vragen ze zich af. (Bron:Scientias)

Na de ijstijd aan het eind van het Ordovicium werd het in het Siluur opnieuw warmer. Doordat het zuurstofgehalte in de atmosfeer verder steeg, kon een beschermende ozonlaag ontstaan.

Nadat in de nieuw gevormde oceanen primitieve vormen van leven mogelijk werden, was de zuurstofproductie op gang gekomen (….als een bijproduct van de fotosynthese). Door de opbouw van zuurstof kon er ook ozon gevormd worden.

Nadat er voldoende ozon gevormd was werd het aardoppervlak beschermd tegen ultraviolette straling. Deze bescherming zorgde ervoor dat ook buiten de oceanen leven tot ontwikkeling kon komen.

De meeste ozon in de atmosfeer bevindt zich tussen 15 en 40 km hoog. Ozon is een uit 3 zuurstofatomen bestaand gas dat de meeste schadelijke ultraviolette stralen van de zon absorbeert en ook warmteverlies van de aarde voorkomt. Ozon op leefniveau is schadelijk omdat het smog vormt. Zomersmog ontstaat door chemische reacties in de lucht onder de invloed van zonneschijn waarbij ozon en andere stoffen (zoals deeltjesvormige luchtverontreiniging herkenbaar aan de heiigheid tijdens zomersmogdagen) worden gevormd.

In de stratosfeer, tussen 10 en 40 km boven het aardoppervlak, ontmoet het licht van de zon de eerste moleculen van de aardse atmosfeer. Een molecuul overleeft een botsing met energierijk licht meestal niet. Licht heeft vaak zoveel energie dat elke atoombinding in een molecuul stuk gaat. Dat kost steeds een molecuul, maar zo komt dit energierijke licht niet op aarde.
Als een zuurstofmolecuul door dit soort licht getroffen wordt, splitst het zich in twee losse atomen, die op hun beurt met andere zuurstofmoleculen kunnen reageren tot ozon. De totale hoeveelheid ozon tussen ons en de ruimte komt overeen met een laag van maar ongeveer 3 mm dik die rond de aarde draait, al is deze ozon in werkelijkheid gelijkmatig verspreid in de atmosfeer.

Tijdens het erop volgende tijdperk, het Devoon, werden extreem droge periodes afgewisseld met periodes van zware regenval. De Aarde werd steeds warmer, waardoor het meeste landijs smolt en het zeeniveau steeg. Laurentia,  Baltica en Avalonia vormden op de evenaar Euramerica: het Old Red Sandstonecontinent. Dit continent dankt zijn naam aan de rode kleur van de bodem. Daar vormde zich het Caledonische gebergte: caledonische_orogenese door het naar elkaar toe bewegen van de platen (de gebergtevorming was al in het Siluur begonnen).

Tijdens het Devoon kwamen voor het eerst op ruime schaal landplanten en landdieren voor, zoals amfibieën en oervarens. In zee bleven de algen van grote betekenis en er ontstond een grote verscheidenheid aan vissen, vooral kaakloze vissen. Daarna traden de vissen met kaken op de voorgrond, zoals kraakbeenvissen (haaien) en longvissen. Ook  ongewervelden, zoals bijvoorbeeld ammonieten en koralen, kwamen tot bloei.

De vorming van Pangea nam ruim 50 miljoen jaar in beslag. Het zeer trage proces van het aaneengroeien van continentale platen.

306.jpg (127699 bytes)
255.jpg (119462 bytes)

Er waren weelderige moerasbossen rond de evenaar, dus de grondstof voor steenkool was in grote hoeveelheden aanwezig. Ook de warmere omstandigheden voor de vorming van steenkool waren in deze periode het meest gunstig. Ongeveer de helft van alle bekende steenkoolvoorraden op aarde is afkomstig uit het Carboon.

Halverwege dit tijdperk begon er op Gondwana een ijstijd. Met het periodieke afsmelten en weer aangroeien van de zuidelijke landijskappen steeg en daalde de zeespiegel vele malen sterk, waarbij de Tethys Zee ontstond. De Middellandse Zee is hier een overblijfsel van.

De twee gebeurtenissen hielden verband met elkaar. Door de enorme hoeveelheid planten was er veel fotosynthese, waarbij CO2 aan de atmosfeer werd onttrokken en zuurstof aan de atmosfeer werd toegevoegd. Omdat kooldioxide een belangrijk broeikasgas is, moet de gemiddelde temperatuur zijn gedaald waardoor de ijskap op de Zuidpool kon groeien. Tegelijkertijd moet het klimaat rond de evenaar warm zijn gebleven. Het Carboon was dus een tijdperk waarin grote klimaatverschillen bestonden, vergelijkbaar met de huidige situatie.

Jura 210 tot 140 miljoen jaar geleden

195.jpg (117442 bytes)
Dinosauriërs vormden de overheersende groep reptielen. Ze vertoonden veel verschillende vormen en levenswijzen. Dinosaurussoorten- Lees er alles over op Dinosaurus.nl

Tijdens het late Jura begon het w