Oerbos is een mythe - Reportage over het woud van Bialowieza in het oosten van Polen

Helaas zijn er plannen om weer te gaan kappen in het unieke Bialowieza-woud in het oosten van Polen. Ik ben daar in de afgelopen 20 jaar een keer of 5 geweest. In 2003 schreef ik een reportage voor het tijdschrift N&T Wetenschapsmagazine, de voorloper van het huidige New Scientist NL.

Het Bialowieza-oerbos in Oost-Polen, op de grens met Wit-Rusland, is het grootste en minst aangetaste oerbos in het West- en Midden-Europese laagland. Het bos is beroemd om zijn grote biodiversiteit, zijn vijfhonderd jaar oude eiken, zijn vijftig meter hoge fijnsparren, en niet in het minst om zo’n driehonderd in het wild rondlopende Europese bizons.

Hoewel het Bialowieza-bos uniek in Europa is, is het idee van een oerbos toch een mythe, zo legde ecoloog Frans Vera in mijn artikel uit.

Lees hieronder mijn reportage in PDF-vorm.

De gek, de vrijer en de kunstenaar

Het brein moet gedrag produceren dat in evolutionaire zin goed is voor het voortbestaan en de voortplanting van het organisme. Geest is niet meer dan wat communicerende hersencellen in dat brein produceren. Die geest (eigenlijk dus het brein) kan gek worden, maar hij kan ook symfonieën, romans of schilderijen creëren.

Deze boekrecensie heb ik oorspronkelijk geschreven voor Natuur & Techniek wetenschapsmagazine, en verscheen in december 2001

Een manisch-depressief componist als Robert Schumann creëerde in zijn manische perioden ongelofelijke hoeveelheden composities. “Ik ben zo fris in ziel en geest dat het leven uit duizend bronnen om me heen opborrelt en bruist”, schreef hij ooit. In depressieve perioden vloeide er geen welluidende notenreeks uit zijn pen.

Vele bekende kunstenaars, waaronder schrijvers als Kafka en Proust, schilders als Van Gogh en Picasso en componisten als Mahler en Chopin, vertoonden allemaal sterke trekken van gekte, of in een wat nettere term: psychose. Aan de relatie tussen gekte en creativiteit kleven vele, vaak onterechte, romantische denkbeelden. Toch bestaat er wel degelijk een verband. Psycholoog Daniel Nettle rafelt in het boek Strong Imagination (2001) de relatie tussen geestesziekten en creativiteit uiteen.

Tussen een normale gemoedstoestand en een ernstig gestoorde geest bestaat een uitgestrekt continuüm, laat Nettle zien. Wanneer we de geest gezond noemen en wanneer ziek, is eerder een kwestie van beslissing dan van objectieve wetenschap. De bekendste geestesziekten zijn schizofrenie en een sterke, langdurige emotionele onbalans zoals bij ernstige depressie, manie en manische-depressie. Het voorkomen van psychosen varieert nogal, al naar gelang de gekozen populatie en meetmethoden. 

Gemiddeld gesproken treffen geestesziekten zo’n twee procent van een samenleving. Schattingen tonen een kans van 1% om tijdens je leven te worden getroffen door manische-depressiviteit, eveneens 1% voor schizofrenie en 8% voor depressie. In samenlevingen met een veel meer traditioneel karakter komen minder geesteszieken voor dan in westerse samenlevingen. Een mogelijke verklaring luidt dat onze genen niet genoeg tijd hebben gehad om zich aan de snel veranderende complexe westerse samenleving aan te passen.

Waarom bestaat gekte en waarom heeft het in de evolutie kunnen voortbestaan? vraagt Nettle zich in Strong Imagination af. Hij laat zien dat de belangrijkste psychosen een genetische oorsprong hebben. Genen coderen voor de biochemie en de anatomie van her brein. Zo is een hoog gehalte van de neurotransmitter dopamine kenmerkend voor mensen met een extravert en naar sensatie zoekend karakter. Depressieve mensen hebben een tekort aan de neurotransmitter serotonine. Voor die mensen is Prozac een uitkomst, omdat het de aanmaak van serotonine stimuleert.

Een van Nettles bewijzen voor de genetische achtergrond van de belangrijkste psychosen, zijn kinderen die van jongs af aan geadopteerd zijn in een gezonde familie, maar de genen hebben van een familie waarin schizofrenie voorkomt. Door hun erfelijke bepaaldheid hebben zij toch een hoge kans op een geestesziekte. De omgeving waarin zij opgroeien is van veel minder belang. Waar een aandoening als taaislijmziekte wordt veroorzaakt door een defect in een gen, spelen bij geestesziekten echter vele genen een rol. Bovendien kunnen omgevingsfactoren de genetische tijdbom inschakelen.

Nettle stelt dat psychosen in de evolutie zijn blijven bestaan omdat de persoonlijkheidskenmerken die bij psychosen horen niet slechts negatieve kanten hebben. De aanleg voor geestesziekten kan ook een positieve kant hebben, namelijk een hoge mate van creativiteit, zoals bij beroemde kunstenaars. Volgens een aantal psychologen is een hoge mate van creativiteit aantrekkelijk voor de andere sekse, zodat de genetische varianten erachter tijdens de evolutie hebben kunnen overleven. Gekte en een hoge mate van creativiteit zijn twee kanten van hetzelfde zwaard, beweert Nettle.

Als bewijzen draagt hij onder andere aan de grote kans die mensen met een zeer creatief beroep hebben om tijdens hun leven een psychose te krijgen (73%), de overeenkomsten in cognitieve stijl bij psychoten en extreme creatievelingen en de overeenkomsten in vorm tussen psychotische waanvoorstellingen en literaire verzinsels.

De vraag is of creativiteit ook in vroege samenlevingen een voordeel bood. Voor een sluitende evolutionaire verklaring zou dat moeten. Ja, zegt Nettle: alle samenlevingen hebben en hadden bezigheden die geen direct praktisch belang kenden, maar wel hogelijk werden gewaardeerd, zoals zingen, dichten en toneelspelen.

In het westen komt een klassieke depressie tweemaal zoveel voor bij vrouwen als hij mannen. In het voorkomen van manisch-depressiviteit, die van de geestesziekten het meest genetisch is bepaald, is er geen verschil tussen mannen en vrouwen. Interessant is dat als je bij de depressieve mannen de alcoholici en de impulsief gewelddadigen optelt, je ruwweg eenzelfde aantal krijgt als het aantal depressieve vrouwen. Het lijkt erop dat mannen voor hun problemen eerder vluchten in alcohol en agressie, en vrouwen eerder ten prooi vallen aan depressie.

Nettle betoogt dat ondanks de creatieve neveneffecten van psychosen, het netto-effect voor de samenleving toch voornamelijk negatief is. We moeten het daarom bestrijden, ook al is een deel genetisch. Des te belangrijker worden omgeving en opvoeding in dat soort gevallen. Zij kunnen een genetische aanleg triggeren. Gezond blijven van geest is nog altijd beter dan het romantische idee van het opzoeken van psychotische ervaringen.

Nettle draagt noodzakelijke argumenten aan voor zijn stelling waarom psychosen in de evolutie zijn blijven bestaan, maar niet voldoende. Hij gaat er zonder goede redenen vanuit dat iets dat tijdens de evolutie blijft bestaan automatisch in voldoende mate positief is. Maar waarom zou dat zo zijn? Gemiddeld gesproken lijkt dat aannemelijk, maar dat wil nog niet zeggen dat het altijd gebeurt. De evolutie maakt ook fouten. Het feit dat de aanleg voor psychosen positieve effecten heeft, is nog onvoldoende voor de bewering dat het daardoor in de evolutie heeft kunnen overleven. Nettle geeft zelf al aan dat het netto-effect van psychosen voor de samenleving negatief is. Psychosen op zich zijn alleen slecht, maar de aanleg voor psychose heeft zowel een goede als een slechte kant.

Bach in de maag

De creativiteit die Nettle onderzoekt, is alleen maar mogelijk dankzij een bewuste geest. Neuroloog Antonio Damasio stelt zich in zijn boek Ik voel dus ik ben (2001) de vragen wat bewustzijn is en hoe en waarom het biologisch gezien tot stand is gekomen. Van essentieel belang voor een antwoord op deze vragen is het onderzoek van mensen met neurologische defecten. Door te onderzoeken wat mensen niet meer kunnen als gevolg van lokale hersenprohlemen, comstrueert Damasio stukje bij beetje zijn theorie voor het bewustzijn.

Aan de basis van het bewustzijn staat de onbewuste neurale signaalverwerking. Daaruit ontstaat wat Damasio het proto-zelf noemt: een samenhangend geheel van neurale patronen waarvan we ons echter niet bewust zijn. Vervolgens ontstaat in zijn theorie het kernzelf door een soort niet-woordelijk verslag van alle dingen die het protozelf veranderen. Van het kernzelf zijn we ons wel bewust. Het vormt de eerste truc op weg naar een volledig bewustzijn.

Een niveau hoger ligt het kernbewustzijn: het zelfgevoel op een moment. Het kernbewustzijn is een relatief eenvoudig biologisch verschijnsel dat in belangrijke mate steunt op zeer oude hersenstructuren. Uitval van kernbewustzijn duidt op ziekte, behalve bij slaap of narcose. Nog hoger in de hiërarchie ligt het geheugen: de herinneringen aan alle individuele ervaringen. Door het geheugen kan een autobiografisch zelf ontstaan.

Het sluitstuk is uiteindelijk het uitgebreide bewustzijn, verantwoordelijk voor de meest essentiële verschillen tussen mens en dier. Het uitgebreide bewustzijn is een voorwaarde vooor intelligentie, taal, creativiteit en geweten. Als het kernbewustzijn uitvalt, valt ook het uitgebreide bewustzijn uit. Als echter het uitgebreide bewustzijn uitvalt, dan gebeurt er niets met het kernbewustzijn. Het uitgebreide bewustzijn raakt bijvoorbeeld verstoord bij de ziekte van Alzheimer.

Voor de prestaties van de menselijke geest is bewustzijn nodig. Dat kan alleen maar bestaan bij de gratie van een lichaam, dat op zijn beurt de spijsvertering en een evenwichtig chemisch milieu nodig heeft. “Om van Bach te kunnen genieten, moet onze spijsvertering in orde zijn”, schrijft Damasio.

Emotie, gevoel en bewustzijn zijn essentieel gerelateerd aan het lichaam. Zonder gevoelens is het volgens Damasio waarschijnlijk onmogelijk bewustzijn tot stand te brengen. Emoties vormen een belangrijk onderdeel bij redeneren en beslissingen nemen. Nieuwe gegevens kunnen we beter onthouden wanneer ze gepaard gaan met emoties. Bij een verstoring van het bewustzijn raakt ook emotie ontregeld.

Een prachtig voorbeeld van de onbewuste rol van emoties geeft Damasio aan de hand van zijn patiënt David. Davids leervermogen en geheugen zijn zwaar aangetast. Mensen kan hij niet herkennen. Des te opmerkelijker is het dat hij wel voorkeuren vertoont voor sommige mensen.

In een experiment wordt de patiënt geconfronteerd met achtereenvolgens drie personen: eentje die hem iets laat doen wat hij niet graag doet, de tweede laat hem iets doen wat hij graag doet, en de derde laat hem iets neutraals doen. De dag erna laten de experimentatoren hem foto’s zien van de drie personen die het experiment hebben uitgevoerd. Voor wie zou hij een voorkeur hebben? David kiest in tachtig procent van de herhaalde experimenten voor de persoon die hem iets positiefs liet doen, terwij1 hij de betreffende personen niet bewust kan herkennen. Damasio concludeert dat de proefpersonen onbewust emoties bij David opwekken en dat die emoties belangrijk zijn bij het nemen van beslissingen, ook al gebeurt dat onbewust. Zijn organisme neigt onbewust naar een bepaald gedrag.

Damasio’s antwoord op de vraag waarom het bewustzijn tot stand is gekomen, is dat het net als emotie gericht is op overleving van het organisme. Bewustzijn en emotie hebben allebei hun wortels in de representatie van het lichaam. Bewustzijn verbetert het leven van een organisme en biedt het organisme meer mogelijkheden. Het stelt kennis in dienst van een enkel organisme.

Damasio’s project om het bewustzijn biologisch te ontrafelen is ambitieus en buitengewoon boeiend. Eindelijk ontstijgt het bewustzijnsonderzoek het zuiver filosofische niveau. Des te spijtiger is het dat hij allerminst een vlot leesbaar boek heeft geschreven. Het taalgebruik is vaak te abstract voor een breed publiek. De praktijkvoorbeelden zijn daarentegen weer zeer verhelderend. Toch moet de lezer, in tegenstelling tot in Nettles boek, wel erg zijn best doen om de rode draad uit het boek te peuteren.

Shakespeare schreef dat de waanvoorstellingen van de gek, de verblindende emoties van de vrijer en de scheppingen van de kunstenaar alle dezelfde oorsprong hebben: een grote verbeeldingskracht. Daniel Nettle heeft Shakespeares intuïtie in Strong imagination wetenschappelijk onderbouwd. Het paradijs waaruit de mens volgens Damasio tegelijk met de ontwikkeling van zijn bewustzijn is verdreven, probeert de mens misschien via een grote verbeeldingskracht opnieuw te zoeken.

Boekinformatie
Daniel Nettle. Strong imagination - madness, creativity and human nature. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0198507062
Antonio Damasio. Ik voel dus ik ben - hoe gevoel en lichaam ons bewustzijn vormen. Amsterdam: Wereldbibliotheek. 2001, ISBN 9028418482

"Reductionisme is dood"

Dit interview met wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin verscheen in Natuur en Techniek, juli/aug 2001. Toulmin overleed in 2009 op 87-jarige leeftijd.

Hij liep nog college bij de natuurkundige Paul Dirac en de legendarische filosoof Ludwig Wittgenstein. Over de laatste: “Zijn colleges waren zowel de beste als de slechtste die ik ooit heb gevolgd. Ze waren zonder methode, maar buitengewoon stimulerend. Als een soort Socrates bestookte hij zijn studenten met vragen”. In de collegebanken bij Wittgenstein zat toen ook Alan Turing, de pionier op computergebied. Het was een bijzonder klasje.

In Nederland en België is wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin bekend van zijn boeken Het Wenen van Wittgenstein en Kosmopolis, maar niet het minst door zijn optreden in Een schitterend ongeluk (VPRO, 1993), een serie spraakmakende tv-interviews die Wim Kayzer maakte met verder Oliver Sacks, Freeman Dyson, Daniel Dennett, Stephen Jay Gould en Rupert Sheldrake.

De Engelse wetenschapsfilosoof Stephen Toulmin werd geboren op 25 maart 1922 in Londen. Hij studeerde wis- en natuurkunde in Cambridge en promoveerde daar in 1948 in de filosofie. In 1959 verhuisde hij naar de Verenigde Staten, waar hij hoogleraarschappen aan diverse universiteiten bekleedde. Hij verwierf wereldwijde bekendheid met boeken als Human understanding (1972), Wittgenstein’s Vienna (1973, samen met Allan Janik) en Cosmopolis – The hidden agenda of modernity (1989). Momenteel is hij hoogleraar aan het Center for Multiethnic Studies aan de universiteit van Zuid-Californië.

Toulmin wordt wel eens ingedeeld bij postmoderne filosofen, maar dat zint hem allerminst. “Die houden zich niet met natuurwetenschap bezig. Dat bezorgt ze een grote achterstand”, luidt zijn korte en duidelijke antwoord. “Hoe kun je nu de wereld proberen te begrijpen zonder een natuurwetenschappelijke interesse?”

Zelf is hij een duizendpoot: natuurwetenschap, ethiek, argumentatieleer, praktische kennis in de geneeskunde, de historische ontwikkeling van de menswetenschappen, wetenschapsgeschiedenis, wetenschapsfilosofie; hij heeft zich er allemaal uitgebreid mee beziggehouden. Op uitnodiging van de Delftse organisatoren van het symposium Heroic Engineering was Toulmin maart 2001 even in Nederland. Ik sprak hem over de inmiddels in juni verschenen Nederlandse vertaling van zijn nieuwe boek: Terug naar de rede.

Meer dan rationaliteit
Het idee dat er één enkele wetenschappelijke methode bestaat, ontstond in de historie tegelijkertijd met het idee dat wetenschap rationaliteit als hoogste doel heeft. Zo begint Toulmin zijn nieuwe boek. Hij verklaart: “Voor mij zijn de functies van het verstand niet uitgeput door rationeel te zijn. Ik heb mijn Nederlandse vrienden geraadpleegd, en die droegen me het Nederlandse woord ‘redelijkheid’ aan. De manier waarop we ons vermogen tot denken in de praktijk moeten gebruiken, vereist dat we redelijk moeten zijn in plaats van alleen rationeel.”

In Terug naar de rede borduurt Toulmin voort op een thema dat hij in het boek Kosmopolis vooral vanuit historisch oogpunt belichtte: waar in de 16e eeuw de nadruk in de wetenschap lag op het humanisme, veranderde dat in de 17e eeuw radicaal naar het rationalisme: een overgang van een nadruk op de mens als geheel naar een nadruk op het verstand. “Dit rationalisme is zeer lang als zaligmakend blijven doordreunen”, zegt Toulmin. “Het is geculmineerd in ideeën waarin uiteindelijk alles in de levende en de levenloze natuur tot de fysica wordt gereduceerd. Reductionisme in deze zin heeft volgens mij al lang zijn kracht verloren.” Hij lacht: “…behalve voor mensen die dat niet in de gaten hebben”

Reductionistisch sprookje
Toulmin vertelt over zijn herinnering aan een prachtige lezing van de bioloog Haldane in de jaren vijftig. “Haldane zette daarin uiteen waarom reductionisme zelfs in één enkele discipline als de biologie niet werkt. Ook daar heb je minstens op vier verschillende niveaus theorieën nodig: op het niveau van macromoleculen, organen, levenscycli en evolutie. Er is geen enkele manier om het ene niveau logisch af te leiden uit de andere”, zegt de filosoof, zichtbaar geïrriteerd over het reductionistische sprookje.

Hij vervolgt zijn tirade: “Ik vind het gevaarlijk dat veel sociale wetenschappen de mechanica van Newton, het klassieke summum van een rationele theorie, gebruiken als het enige juiste prototype van een goed model. Kijk naar de economie. In die discipline nemen wetenschappers, zeker in de VS, aan dat een Newtonachtig model het prototype is van een goed economisch model. En dat terwijl in de natuurkunde zelf niemand Newtons theorie als het laatste woord ziet. Zo’n mechanistische benadering in de economie gaat volledig voorbij aan de toepassingen van de chaostheorie in de wereld van de geldstromen. Economen kunnen niet meer zondermeer uitgaan van stabiele economische modellen, zoals ze dat vroeger deden.”

Toulmin vergelijkt het imperialisme van theoretisch-economen in de sociale wetenschappen met dat van theoretisch-fysici in de natuurwetenschappen. “Veel economen zouden alle sociale fenomenen het liefst reduceren tot hun eigen vak. Je kunt lachen om hun naïviteit, en dat is gezond, maar het is echt zo. Politieke wetenschappers hanteren eenzelfde idee van oorzaak-gevolg als in de klassieke fysica. Maar dat is al lang niet meer het hele verhaal.”

Fietsen zonder Newton
Vijftien jaar lang werkte Toulmin als filosoof een aantal dagen per week in een omgeving van artsen, in een ziekenhuis. De ideale omgeving om wetenschap ook in de praktijk aan het werk te zien.

“Het leert je om wetenschap niet alleen als een mechanisch of wiskundig product te zien. We weten bijvoorbeeld veel beter dát aspirine werkt tegen hoofdpijn dan hóe. Sterker nog: we kunnen alleen maar de waaromvraag stellen omdat we weten dát het stofje werkt. Onze kennis dát het werkt noem ik in mijn boek een vorm van klinische kennis; klinisch in de zin van ingebed in de praktijk van de kliniek. Het is kennis met een sterk praktische kant. We leren ook niet fietsen doordat we de wetten van Newton krijgen aangereikt.”

Die sterk in de praktijk ingebedde klinische ervaring ziet Toulmin als de empirische basis van wetenschap. Die basis bestaat niet alleen uit een verzameling fysische en chemische feiten, maar uit het geheel van waarnemingen van dingen die goed of slecht werken. “In de rationalistische traditie heet het dat wetenschap over feiten gaat en niet over waarden. Het verschil tussen een goed of een slecht werkend hart is echter wel degelijk een kwestie van een waardeoordeel. Het is geen puur feitelijke, zwart-wit-kwestie. Het feit dat een patiënt doodgaat, is nog geen reden voor de dokter om weg te gaan, maar om anders met de patiënt om te gaan.”

Hij vervolgt: "In de eerste helft van de 20e eeuw werd de klinische geneeskunde gezien als toegepaste biologie. Nu heb ik daar niks tegen, maar de geschiedenis van de geneeskunde is veel ouder dan de geschiedenis van de biologie. Het belang van de praktische ervaring die in duizenden jaren zorgvuldig is opgebouwd, moeten we niet onderschatten.

“In de VS krijgen studenten geneeskunde twee jaar lang organische chemie en andere harde vakken. Natuurlijk vormt dit een goede wetenschappelijke basis. Maar pas als een student een diagnose weet te stellen in het licht van de uitgebreide ziektegeschiedenis van een patiënt, is hij echt op weg een dokter te worden. Hetzelfde geldt ook in de psychologie. Alleen door verhalen van mensen te construeren kunnen we tot een begrip komen van hoe dat leven geleefd wordt. Het gaat om die verhalen in een breed perspectief. Een oordeel vormen in zo’n klinische interpretatie heeft meer te maken met het construeren van een roman van iemands leven. We moeten voorbereid zijn om met die verhalen om te gaan.”

Staal of het beest
Volgens Toulmin staan ingenieurs voor dezelfde soort problemen als medici. “Voor veel ingenieurs is alleen wat technisch is echt wetenschappelijk. Het leren wordt voor een ingenieur dan het leren van de technieken. Maar zoals een medisch probleem vaak technische én morele aspecten heeft, zo is het ook met een ingenieursprobleem. De ingenieur moet zich niet alleen afvragen hoeveel beton of staal er nodig is en hoe sterk een constructie moet worden, maar ook wat het effect is op mensen, planten en dieren, op de omgeving van zijn product.”

De wetenschapsfilosoof vertelt over een Japanse vriend, een civiel-ingenieur, die verantwoordelijk was voor de aanleg van het internationale vliegveld in de baai van Osaka. “Het zou een kunstmatig eiland worden. Er werd druk gediscussieerd over hoe de bouw van het kunstmatige eiland de vissen en het werk van de vissers zou verstoren. Wat bleek echter: die vissen waren dol op het vliegveld, vooral op de microniches die bij de peilers van het eiland waren ontstaan. Het eiland had dus een effect op de omgeving, maar vooral een onvoorzien positief effect. Dat leer je niet tijdens een studie civiele techniek, terwijl een bredere kijk van groot belang is bij grootschalige projecten. Kijk ook maar naar het driedammenproject in de Yangtze in China. De Chinese autoriteiten hebben daar anderhalf miljoen mensen gedwongen voor getransporteerd, zonder ze om hun mening te vragen.” Brommend: “Werkelijk tiranniek.”

Het is Toulmins strikte overtuiging dat ingenieurs zowel met het feitenaspect als met het waardenaspect van hun problemen moeten kunnen omgaan. Volgens hem besteden de ingenieursopleidingen daar helaas te weinig aandacht aan. “Natuurlijk is het in het onderwijs en onderzoek belangrijk en zelfs onvermijdelijk om een onderwerp te verdelen in te analyseren onafhankelijke delen. In de praktijk heb je echter nooit te maken met afzonderlijke dingen op afzonderlijke tijden, maar met een complex van zaken tegelijkertijd. Klinische ervaring leert je hoe daarmee om te gaan.”

Toulmins centrale thema in zijn nieuwe boek is dat wetenschap een rijk geschakeerd landschap vormt van disciplines waarin elke wetenschap zijn waarde heeft. "Het is een bevrijding als we ons realiseren dat er niet één enkele wetenschappelijke methode is. Galilei geloofde dat het boek van de natuur is geschreven in één enkele taal: die van de wiskunde. Maar misschien is het boek van de natuur in een boel verschillende talen geschreven.

“Als je evolutie wilt bestuderen, neem je een populatie dieren onder de loep, en niet een individueel dier. In de fysiologie bestudeert de onderzoeker daarentegen wel een enkel dier. Een moleculair-bioloog zou in principe kunnen werken zonder ook maar één keer in zijn leven een dier te zien. We moeten rekening houden met deze veelvoudige niveaus van begrip.”

Tot slot: “Ik vind dat we moeten terugkeren naar de brede basis van een wetenschap ingebed in een humanistische traditie. In bijvoorbeeld de economie en de psychologie zie ik gelukkig al allerlei signalen dat dit proces aan de gang is. Het gaat om een balans tussen rationaliteit en menselijke redelijkheid.”

[Kader:] Filosofische begrippen

Rationalisme: Een denkrichting die het verstand en de logische orde der dingen centraal stelt. Ze gaat ervan uit dat we alleen via de rede tot universele kennis kunnen komen.

Humanisme: Een denkrichting die de mens als geheel centraal stelt, en niet slechts een onderdeel daaruit (zoals het verstand). Menselijke waardigheid, vrijheid en gevoelens horen ook in het denken betrokken te worden.

Reductionisme: Verklaring van verschijnselen door die zoveel mogelijk terug te brengen tot hun meest elementaire componenten (bijvoorbeeld genen of elementaire deeltjes). Dat je een levend organisme uiteindelijk zou kunnen begrijpen uit informatie over alle samenstellende atomen, is bijvoorbeeld een reductionistisch idee.

Boek

Stephen Toulmin. Terug naar de rede. Kampen: Agora & Kapellen: Pelckmans, 2001, ISBN 9039108161

Digitaal – Ook de natuur doet het

De ons omringende wereld van de techniek digitaliseert al ruim twee decennia in rap tempo. Dat lijkt vreemd. De natuur doet toch alles analoog? Schijn bedriegt.

Dit artikel is eerder gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, februari 2005

De onderzoeker tikt op een plastic bekertje, dat omgekeerd op tafel staat. “Ik ga het bekertje nu optillen en jij moet zeggen wat eronder ligt.” Hij tilt het bekertje even op, maar zet het als een volleerd balletje-balletje-speler razendsnel weer neer. “Een munt”, zeg ik. “Ja, maar wat voor munt?” vraagt de onderzoeker. “Dat kon ik zo snel niet zien”, antwoord ik. “En als ik je nu vertel dat het óf een euromunt is, óf een oude Philipsmunt waarmee je vroeger in de kantine kon betalen, wat zeg je dan?” “Het was zeker geen euromunt. Dat heb ik zo snel wél gezien. Dus moet het de Philipsmunt zijn”, zeg ik overtuigd. “Inderdaad”, antwoordt de onderzoeker.

“Hoe komt het dat je het nu wel weet?”, vervolgt hij. “Dat komt omdat ik nu heb gezegd dat er maar twee antwoorden mogelijk zijn. Als je van tevoren afspreekt dat er maar een beperkt aantal antwoorden mogelijk is, dan is het veel makkelijker om te reconstrueren wat het antwoord is. En dat is precies het voordeel van digitaal ten opzichte van analoog.”

De onderzoeker is Chris Verhoeven, micro-elektronicus bij de afdeling elektrotechniek van de TU Delft. Iemand die zijn kamer heeft volstaan met oude analoge radio’s, klokken, radiobuizen en andere elektrotechnische parafernalia van decennia geleden. Maar tegelijk iemand die de grote voordelen van het digitale concept bejubelt. Verhoevens simpele experiment toont de essentie van de digitale revolutie. Als je weet dat een signaal alleen maar nullen en enen kent in plaats van alle waarden tussen 0 en 1 kan aannemen, dan is het veel makkelijker om het signaal onverstoord over grote afstand te versturen, eventueel toch optredende fouten te repareren en het signaal te kopiëren.

Digitale buizenversterker 
Analoog versus digitaal. Wat winnen we met de digitalisering en wat verliezen we?

Een analoog signaal is continu variabel. De hoogte van het vloeistofniveau in een kwikthermometer is daar een goed voorbeeld van. Op een schaalverdeling lezen we af welke waarde de temperatuur heeft. Die varieert niet in stapjes, maar op een continue schaal. In de elektronica is de elektrische spanning of de elektrische stroom een continue variabele, en wel zo handig dat signalen als geluid, licht, temperatuur, positie of druk via een opnemer vaak worden omgezet in een elektrisch signaal. Zo kan willekeurige informatie elektrisch worden overgebracht, maar nog steeds op volledig analoge wijze.

Tegenover analoge signalen staan digitale signalen. Een digitaal signaal kent alleen maar waarden in discrete stappen. Een digitale thermometer geeft de temperatuur in stapjes van bijvoorbeelden tienden van graden weer. De stapgrootte is een keuze. De computerwereld gebruikt bits die elk twee stappen kennen: 0 en 1. Een analoog signaal kan in een digitaal signaal worden omgezet, of omgekeerd.

Het grootste nadeel van analoog in het algemeen is het fenomeen ruis. Bij transport over lange afstanden of bij veelvuldig kopiëren van een analoog signaal, wordt de ruis een belangrijk deel van het uiteindelijke signaal. Analoge gegevensoverdracht gaat altijd gepaard met de introductie van willekeurige verstoringen. En bij versterking van een analoog signaal wordt de ruis meeversterkt. Het grote voordeel van digitale gegevensoverdracht is aan de ene kant dat de ruis in het algemeen kleiner is dan de stapgrootte en aan de andere kant dat er digitale foutencorrectiemethoden die eventuele digitale fouten kunnen herstellen.

Het voornaamste nadeel van digitaal is dat een analoog signaal eerst in stukjes moet worden gehakt, en daarbij informatie verloren gaat. Een gedigitaliseerd analoog signaal is daarom niet meer dan een benadering van het oorspronkelijke analoge signaal. Dat is de reden dat sommige muziekliefhebbers de analoge langspeelplaat prefereren boven de digitale cd. Een ‘oorspronkelijker’ geluid, vinden ze.

Maar dat vindt Verhoeven geen argument tégen digitaal. “Met digitale codering kun je het concertgeluid exact reconstrueren zoals het was. Het punt is alleen dat mensen die exacte reconstructie vaak niet willen. De begrenzingen van analoge apparaten leiden tot signaalvervormingen die mensen toevallig mooi vinden. Maar je kunt die vervormingen net zo goed in de digitale codering stoppen. Dezelfde audiofielen die zweren bij een langspeelplaat, vinden het geluid dan net zo mooi. Daar zijn experimenten mee gedaan. Met digitale bewerking kun je mensen zelfs laten geloven dat ze geluid horen alsof het door een ouderwetse buizenversterker is gemaakt.”

In de praktijk is de digitale benadering van een analoog signaal natuurlijk geslaagd als de eindgebruiker de verschillen niet merkt, met andere woorden: als het analoge signaal maar in genoeg stukjes wordt gehakt en de stukjes voldoende in hoogte kunnen variëren.

Analoge of digitale natuur? 
Een tweede bedenking die wel eens wordt geuit bij het concept digitaal is de vraag waarom toch alles digitaal moet, als de wereld om ons heen analoog is. Ondanks alle digitalisering in de laatste decennia spreekt, hoort, ziet, ruikt, voelt en proeft de mens nog steeds volledig analoog. Of telefonie nu analoog of digitaal gebeurt, een telefoon moet nog steeds een analoog geluidssignaal via een microfoon kunnen ontvangen en via een luidspreker analoog kunnen weergeven. De digitale revolutie voltrekt zich, terwijl de mens zich nog steeds in een analoge leefomgeving beweegt. Analoog is ‘natuurlijk’ en digitaal is ‘onnatuurlijk’, luidt het dan.

Toch is dat schijn, al moet je goed kijken om te zien dat de natuur zelf ook het concept digitaal heeft ontwikkeld. Om te beginnen bij de levende natuur. Het zenuwstelsel is een goed voorbeeld. In de tijd werken zenuwcellen analoog: ze kunnen elk moment vuren. Maar in signaalamplitude werken ze discreet. Er is óf wel óf niet een puls. Er bestaat geen halve puls of een driekwart puls. “Je moet er niet aan denken”, zegt Verhoeven, “dat je met een elektrochemisch systeem als het zenuwstelsel honderd verschillende niveaus zou moeten overbrengen van zenuwcel naar zenuwcel. Dat wordt nooit wat. Als het dan een beetje te koud is en de chemische processen langzamer lopen, zou je dan bijvoorbeeld ineens niet meer kunnen zien of zie je alles blauw. Voor het zenuwstelsel ligt het voor de hand om zenuwcellen met pulsjes, en dus digitaal, te laten vuren en zo heeft de natuur het ook ontwikkeld. Zo omzeil je het probleem met de analoge niveaus.”

Kijken we nog dieper in de levende natuur, in de celkernen om precies te zijn, dan weten we dat de genen van alle levende wezens informatie in digitale vorm bevatten. Ze bestaan weliswaar niet uit enen en nullen, maar uit lange reeksen van vier letters, de basen A,C, T en G. Heel handig bij het kopiëren van erfelijke informatie.

Onder aanvoering van fysicus Freeman Dyson heeft een groep vooraanstaande wetenschappers zich op de vraag gestort of het leven zelf analoog of digitaal van karakter is. En of analoog dan wel digitaal leven de meeste kans op overleven heeft. Het is een levendig debat, maar het antwoord op die vraag is nog onbekend. De genen van alle levende wezens bevatten zoals al gezegd informatie in digitale vorm. Maar behalve informatie in onze genen bewaren mensen en dieren ook informatie in hun brein. Of de informatie zoals die in het brein is opgeslagen, analoog of digitaal, of misschien wel een combinatie van beide is, weten we nog niet.

Ook de levenloze natuur lijkt op het eerste gezicht analoog, maar opnieuw geeft inzoomen een ander beeld. De materiële wereld wordt op atomaire schaal geregeerd door de wetten van de kwantummechanica. En de wereld van de kwantummechanica is een digitale wereld met een waarschijnlijkheidskarakter. Zo kunnen bijvoorbeeld energieniveaus alleen maar bepaalde, discrete waarden aannemen en kan de spin van een deeltje zich in een superpositie bevinden van omhoog én omlaag. Maar op macroscopisch niveau is van het digitale karakter van de materie op microniveau, op een aantal bijzondere uitzonderingen na, niets te merken. Daarom lijkt de levenloze natuur analoog.

Een transistor weet van niets 
“Is analoog niet irrelevant?”, vroeg een Amerikaanse tv-interviewer aan directeur Brian Halla van het Amerikaanse bedrijf National (met een vestiging in Delft), een van de grote spelers op de analoge elektronicamarkt. “Niet alleen is analoog niet irrelevant”, antwoordde Halla, “we staan op de drempel van de volgende analoge revolutie. Alle digitale computerkracht in de wereld is waardeloos tenzij die computers analoge signalen kunnen opnemen en afgeven om te communiceren met de reële wereld. Vijftien tot twintig jaar geleden zeiden mensen dat alles wat analoog is, gedigitaliseerd kan worden. Dat is waar. Maar zelfs al schakelt de hele wereld over op digitaal, de signalen van de reële wereld blijven nog steeds analoog.”

Verhoeven lacht spottend om deze verdediging van het concept analoog. “De discussie digitaal versus analoog gaat over de manier van coderen van een signaal, niet over de elektronica. Natuurlijk hebben we nog steeds schakelingen nodig. Alleen weten transistoren zelf niet of ze met enen en nullen omgaan of met een analoog signaal. Natuurlijk blijft een conversie nodig van een analoog invoersignaal naar een digitaal signaal en van een digitaal signaal in het apparaat naar een analoog uitvoersignaal, maar dat is het punt niet. Aan de in- en uitgangen valt er weinig meer te winnen. Die ontwikkeling is grotendeels af. Het is echt volstrekte onzin om te zeggen dat je analoge elektronica nodig hebt omdat de echte wereld analoog is.”

Eigenlijk volgt het succes van de digitale revolutie uit twee formules. De eerste is een natuurlijke wetmatigheid, de formule van Shannon. Deze stelt dat de informatie die per seconde door een systeem gaat evenredig is met de bandbreedte (de hoogste minus de laagste doorgelaten frequentie) en eveneens evenredig met de tweedemachtslogaritme van de signaal-ruisverhouding. “Daaraan zie je”, zegt Verhoeven, “dat het verbeteren van de signaal-ruisverhouding veel minder effect heeft op de overdrachtssnelheid dan een vergroting van de bandbreedte. Voor het overbrengen van een digitaal signaal zoals bij de compact disc heb je dan wel meer bandbreedte nodig dan bij een analoog signaal zoals bij de langspeelplaat, maar door de stormachtige ontwikkelingen in de micro-elektronica, kun je meer bandbreedte relatief vermogensefficiënt krijgen. Dat is de hele crux. Bij het verbeteren van de signaal-ruisverhouding valt veel minder te winnen.”

Dat digitale signaaloverdracht een grotere bandbreedte nodig heeft dan analoge, valt eenvoudig in te zien. Waar je in een tientallig stelsel bijvoorbeeld meteen het getal vijf kunt noemen, moet je in een tweetallig stelsel vier cijfers opdreunen: 0101. Maar als je voldoende bandbreedte hebt, en dus de enen en nullen snel genoeg achter elkaar kunt zeggen, dan kun je net zo goed 0101 zeggen in plaats van vijf. Dat gaat dan even snel. En de bonus is dan dat je minder fouten maakt in de signaaloverdracht en in het kopiëren.

De tweede wetmatigheid die de digitale revolutie heeft mogelijk gemaakt, maar dan een waarneming van de industriële ontwikkeling, is de wet van Moore: elke achttien maanden verdubbelt het aantal transistors op een computerchip, en daarmee de processorsnelheid. Die observatie gaat nu al bijna dertig jaar op en ligt ten grondslag aan het feit dat we bandbreedte relatief efficiënt kunnen vergroten.

Als het alleen gaat om zorgvuldige signaaloverdracht, dan wint digitaal het van analoog. Maar dat betekent niet dat analoog het op alle fronten verliest. “Je moet je altijd afvragen wat je prioriteiten zijn”, zegt Verhoeven. “Een afweging van hoeveel signaalfouten je toelaat, van elektrisch vermogen en prijs. Analoge techniek is bijvoorbeeld heel handig als je maar weinig elektrisch vermogen tot je beschikking hebt. Je kunt een kristalontvanger maken met een afstemspoel, een diode, een langedraadantenne en een oortelefoontje. Zo fabriceer je in een wip een radio die geen batterijen nodig heeft. Een mechanische camera kan ook zonder batterijen functioneren, terwijl een digitale camera batterijen vreet.”

De categorische vraag van óf analoog óf digitaal is daarom een verkeerde. De vraag moet zijn onder welke randvoorwaarden dan wel analoog dan wel digitaal het beste is. Net zoals de natuur het ook ooit heeft uitgepuzzeld.

Internet

www.edge.org/3rd_culture/dyson_ad/dyson_ad_index.html Fysicus Freeman Dyson over de vraag of het leven analoog of digitaal is
www.mi.fgg.eur.nl/fw/hyper/Artikelen/digitali.htm Filosofische reflectie op de ‘Digitalisering van de cultuur’
www.sfgate.com/cgi-bin/article.cgi?file=/chronicle/archive/1999/02/01/BU78272.DTL Analoge elektrotechnici, waaronder de in het artikel genoemde Brian Halla, benadrukken het blijvende belang van analoog in een meer en meer digitale wereld. 

Vraag het aan Watson - Match tussen mens en machine

Wanneer kan een computer nu eens échte vragen beantwoorden, in plaats van alleen maar documenten oplepelen? Supercomputer Watson zet een reuzenstap in de richting van een snelle en betrouwbare vraag-antwoordmachine. Watson wordt klaargestoomd om het begin 2011 op te nemen tegen de beste menselijke spelers in Amerika's populairste tv-kennisquiz Jeopardy.

Lees het uitgebreide artikel in NWT Magazine van december 2010, vanaf nu in de winkel.

                              Het decor van de Jeopardy!-quiz. Photo: IBM/Jeopardy

Watson-projectleider David Ferrucci bij de IBM Watson Supercomputer. 
Photo: IBM                        

Internet
www.research.ibm.com/deepqa/index.shtml IBM over ‘What is Watson?’
www.jeopardy.com/ Over de Jeopardy-quiz
www.youtube.com/watch?v=3e22ufcqfTs YouTube-filmpje over IBM’s Watson
www.youtube.com/watch?v=FC3IryWr4c8 YouTube-filmpje over de Watson & de Jeopardy-uitdaging
www-03.ibm.com/systems/deepcomputing/solutions/bluegene/ Over de IBM Blue Gene Supercomputers
www.let.rug.nl/erikt/joost/ Het enige Nederlandse vraag-antwoordsysteem
www.languagecomputer.com Het Amerikaanse bedrijf LCC (Language Computer Corporation) verkoopt al vraag-antwoordsystemen

De zon is boos

Hij steekt hoogst zelden de kop op, maar als hij het doet, kan de schade enorm zijn: een geomagnetische superstorm, over de aarde geblazen door de zon. De superstorm kan de vitale infrastructuur van een hoogtechnologische maatschappij ernstig ontregelen.

Het hele artikel is te lezen in het populair-wetenschappelijke maandblad Natuurwetenschap & Techniek, juni 2009

Internet
Het gedetailleerde rapport Severe Space Weather Events - Understanding Societal and Economic Impacts (National Academy of Sciences, 2008) is gratis te downloaden van: www.nap.edu/catalog.php?record_id=12507
Uitgebreid historisch overzicht van zonnestormen: www.solarstorms.org/SRefStorms.html
Info, illustraties en animaties: stereo.gsfc.nasa.gov en http://sohowww.nascom.nasa.gov/spaceweather/lenticular/
Het actuele ruimteweer: sohowww.nascom.nasa.gov/spaceweather/
NOAA Space Weather Prediction Center: www.swpc.noaa.gov/
European Space Weather Portal: www.spaceweather.eu/nl
Schaalverdeling voor de kracht van geomagnetische stormen: www.swpc.noaa.gov/NOAAscales/

Literatuur
Severe Space Weather Events - Understanding Societal and Economic Impacts (National Academy of Sciences, 2008)
Bruce Tsurutani et. al. The extreme magnetic storm of 1-2 September 1859. Journal of Geophysical Research, Vol. 108, No. A7, 1268 (2003)

Grommen, knorren, blaffen, fluiten...praten

Voor een studie naar de evolutie van taal moeten we af van het alléén bestuderen van apen. Juist andere dieren zijn interessant. Vogelzang vormt bijvoorbeeld een prachtig modelsysteem voor vocale imitatie. Decennialang domineerden speculaties het onderzoek naar taalevolutie. In de afgelopen vijf jaar geven studies naar geluidsproductie door vogels, geiten, honden, krokodillen en andere dieren nieuwe inzichten in hoe gesproken mensentaal is ontstaan.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, Oktober 2003


“Hello there”. “Hey, hey, hey, get outta there”. Deze simpele zinnen rolden uit de mond van Hoover, een zeehond. Hoover at vrijwel alles, vandaar zijn naam: stofzuiger. Een visser uit Maine, een staat in het noordoosten van de Verenigde Staten, pikte het dier als jonkie van drie maanden op. Hij verzorgde Hoover drie jaar lang in de haven, waar de zeehond voortdurend zeelui hoorde praten. Na die drie jaar sprak Hoover korte, simpele zinnen met de typische tongval van een dronken visser uit Maine.

Vocale imitatie vinden we bij diverse vogels (met als bekendste de papegaai), walvisachtigen, dolfijnen en zeehonden. De aap, en in het bijzonder de mensaap, schittert in dit rijtje door afwezigheid, terwijl hij toch ons nauwste verwant is. Chimpansees slagen er echter niet in rudimentaire gesproken taal te leren. Met het leren van tekentaal en visuele symbolen komen ze daarentegen wel een beetje vooruit.

Overeenkomsten genegeerd
De Amerikaanse bioloog en cognitiewetenschapper Tecumseh Fitch bestudeert de evolutie van gesproken mensentaal aan de hand van vergelijkend onderzoek bij uiteenlopende dieren, zoals geiten, honden, varkens, apen, krokodillen en vogels. Hij vindt dat zeker in het verleden veel te veel aandacht is geschonken aan de verschillen tussen mens en dier: “Mijn stelling is dat onze bijzondere taaleigenschappen wel degelijk zijn gebaseerd op vermogens die we delen met andere zoogdieren en gewervelden.”

Fitch legt hij uit dat de vergelijkende biologische aanpak logisch lijkt, maar toch echt nieuw in het veld is. “Als je zoekt naar artikelen over de evolutie van taal, dan vind je veel over fossielen en over taalkunde. Ik vind het onbegrijpelijk dat er zo weinig aandacht is voor de biologische component. Fossielen hebben ons nauwelijks betrouwbare informatie bezorgd over de evolutie van taal. Taal blijft immers niet als fossiel achter. En in taalkunde zit veel speculatie, maar weinig harde feiten. Hoe kunnen psychologen en linguïsten het zuiver biologische taalonderzoek nog negeren? Ik begrijp het niet, maar het gebeurt wel. Daarnaast beperkte het biologische taalonderzoek zich lang tot apen, omdat dat onze nauwste verwanten zijn. Maar apen zijn veel slechter in het imiteren van geluiden dan vele vogels en walvisachtigen. En die hebben taalonderzoekers lange tijd niet onderzocht.”

De evolutie van taal is zonder twijfel het gevolg van parallelle anatomische veranderingen van het spraakgebied en veranderingen in het brein. Eind 19e eeuw wisten wetenschappers al dat het strottenhoofd bij mensen relatief laag zit ten opzichte van de meeste dieren. Lang heeft men gedacht dat dit cruciaal was voor menselijke spraak. Eind jaren zestig van de vorige eeuw brak het inzicht door dat een lager strottenhoofd een belangrijk effect heeft op de resonantiepieken van het menselijk stemkanaal, de zogeheten formanten. Fitch toont een röntgenvideo van een sprekende persoon. De tong danst op een gecompliceerde manier in mond en keel. Razendsnel variërende, stijlvolle curven. Een schijnbaar onnavolgbaar modern ballet. Toch weet de mens dat ballet telkens weer weet te herhalen en zelfs fundamenteel te wijzigen, zoals bij het leren spreken van een andere taal.

“Het verlaagde strottenhoofd zorgt ervoor dat mensen een veel breder spectrum aan geluiden kunnen produceren dan dieren”, zegt Fitch. “Het verbaast me echter nog steeds dat het zo lang heeft geduurd tot we de geluidsproductie van dieren zijn gaan onderzoeken. Ruim dertig jaar na de ontdekking van het belang van het lage strottenhoofd bij mensen.”

Röntgenvideo van blèrende geit
De sleutel tot menselijke spraak is de bron-filtertheorie. De stembanden aan het strottenhoofd zijn de geluidsbron. Zij hakken de luchtstroom in stukjes en zorgen voor een groot bereik aan trillingsfrequenties. Het gehele spraakkanaal fungeert vervolgens als een soort filter, net zoals een klankkast dat doet. Bij een volwassen mens is het stemkanaal gemiddeld 17,5 centimeter lang, met de stembanden op het strottenhoofd aan het lage uiteinde, en de lippen aan het hoge uiteinde. De benedenzijde van het spraakkanaal is akoestisch gezien een gesloten uiteinde en de mond een open uiteinde. Deze kolom versterkt frequenties in de buurt van bepaalde resonantiefrequenties, typisch bij 500, 1500, 2500, 3500...hertz. Vormverandering van de keel, de mond, de tong en de lippen verandert de frequenties van de formanten.

Als eerste onderzocht Fitch met zijn collega’s de manier waarop dieren hun strottenhoofd gebruiken bij het uiten van geluiden. “We hebben röntgenvideo’s gemaakt van een geit, een hond, een varken en van apen. Het is moeilijk om de dieren goed te laten samenwerken, maar we zijn erin geslaagd. De verrassende uitkomst was dat op het moment dat bijvoorbeeld de hond blaft of de geit blèrt, het strottenhoofd aanzienlijk naar beneden schuift. Het stemkanaal lijkt dan ineens op dat van de mens. Hetzelfde gold bij alle dieren die we onderzochten. Dat is een belangrijke conclusie. Verder zien we duidelijk dat formanten in dieren statisch zijn. De mens kan formanten veranderen. En dat is het anatomische geheim van menselijke spraak.”

Het bijzondere bij mensen is dat het strottenhoofd permanent is verlaagd. Maar ook dat blijkt niet zo uniek, zegt Fitch. “We vinden het lage strottenhoofd eveneens in grote katachtigen, zoals leeuwen en tijgers en zelfs in koala’s. Toch hebben zij niets dat lijkt op onze gesproken taal. De verlaging van het strottenhoofd heeft zich bij deze dieren dus onafhankelijk ontwikkeld. Maar zo verrassend is dat niet. Dat is de diversiteit die we in de hele biologische evolutie van dieren terugzien. Dezelfde principes worden meerdere malen, onafhankelijk ontwikkeld.”

Gewicht verliezen door te lachen
Een pasgeboren mensenbaby heeft nog geen laag strottenhoofd. Daardoor kan het een aantal geluiden die volwassenen kunnen produceren, zoals i.., oe.. en a.., nog niet maken. In de periode van drie maanden tot de leeftijd van drie of vier jaar daalt het strottenhoofd geleidelijk af. Waarom dit gebeurt, is onbekend. Daarnaast vindt bij mannen in de puberteit nog een tweede verlaging plaats. Een lager stemgeluid is het gevolg.

Fitch: “Deze tweede afdaling van het strottenhoofd past in een hypothese die stelt dat een dier zich groter wil doen lijken dan het werkelijk is door lagere geluiden te produceren. Een vorm van intimidatie bij veel beesten. Ik kwam op het idee toen ik geluiden van een krokodil in zijn groeifase bestudeerde. Een meter, twee meter, drie meter, vier meter...met de groei van het beest werden de formanten lager en lager. Immers, hoe langer het stemkanaal, hoe lager de formanten.” Het blijkt dat dieren formanten net zo nauwkeurig waarnemen als mensen dat doen. Dat suggereert dat die resonantiefrequenties een rol spelen bij het onderscheiden van individuen.

Fitch deed tevens een experiment met mensen. Eerst moesten ze spreken met getuite lippen en daarna met ingetrokken lippen, zoals bij het lachen. Luisteraars dachten dat de spreker groter was als hij sprak met getuite lippen, en kleiner wanneer hij met ingetrokken lippen sprak. “Door te lachen, kun je gewicht verliezen”, grapt Fitch, “want je lijkt dan kleiner voor een toehoorder die je niet ziet. Veel economischer dan alle diëten! Als je het uitrekent gaat het wel om vijftien kilogram!”

De hypothese van het overdrijven van de grootte heeft wellicht ook een rol gespeeld bij het ontstaan van een lager strottenhoofd bij de mens als soort. Toch blijkt het verlaagde strottenhoofd niet de sleutelfactor voor het ontstaan van menselijke spraak, zoals wel lang is gedacht. Leeuwen en tijgers hebben ook een verlaagd strottenhoofd, maar geen spraak. Fitch: “Ik ben ervan overtuigd dat als we een chimpansee of een hond uitrusten met menselijke hersenen, hij wel degelijk kan spreken. Weliswaar niet zo duidelijk en snel als de mens, maar met wat moeite kunnen we hem wel verstaan. Het verlaagde strottenhoofd geeft ons het voordeel van meer, sneller en beter te kunnen praten, maar cruciaal voor spraak is het niet.”

Een vogel die een krekel nadoet
Er is dus meer dan het strottenhoofd en de anatomie van het spraakkanaal. “En dat is het brein”, zegt de Amerikaanse bioloog en cognitiewetenschapper. “Een belangrijk begin van nieuw onderzoek is de vocale imitatie. Er zijn vogels die veel beter dan mensen geluiden kunnen nabootsen: geluiden van een soortgenoot, een krekel en zelfs een deuntje van een mobiele telefoon. Maar wíj zijn weer veel beter in de manier waarop we vocale imitatie gebruiken in onze communicatie.”

De vocale imitatie door vogels wordt volgens Fitch de komende jaren een cruciaal en rijk onderzoeksterrein in de neurowetenschappen. Vogelzang vereist snelle, complexe en gecoördineerde activiteit, net als bij menselijke spraak. Ongeveer de helft van alle soorten vogels leert de patronen van hun vocalisaties van soortgenoten. Ook in dit opzicht komen vogelzang en menselijke spraak overeen. Vogelzang vormt daarom een prachtig modelsysteem voor onderzoek naar menselijke spraak.

Vocale imitatie leidt ons volgens Fitch naar de hypothese dat taal is ontstaan uit lange, betekenisloze structuren die voorafgingen aan betekenisvolle zinnen. “Een soort prototaal zonder betekenis, wellicht zoiets als muziek. Ik besef dat ik me nu op het gebied van speculaties begeef, maar ik vind dat we met de huidige kennis over vocale imitatie de hypothese dat taal is ontstaan uit een soort van muziek op zijn minst serieus moeten nemen. Ik ben geen gelovige, in de zin van een aanhanger van één hypothese. We moeten gewoon diverse hypothesen onderzoeken. Maar het is prima mogelijk dat er seksuele selectie heeft plaatsgevonden op complexe vocale uitingen.”

Fitch laat een stukje jazzmuziek van zangeres Sarah Vaughan horen. “Wat je hoort is scat-zingen, gevormd door betekenisloze lange structuren: ‘babadiebababaloe...’. Misschien moeten we aan een soort van scat-zingen denken als prototaal. Ik denk dat als er in het brein een prioriteitenstrijd is tussen de verwerking van een taalfragment en muziekfragment, het muziekfragment wint. Meer hersenonderzoek naar muzikale en taalstructuren zou dat kunnen uitwijzen.”

Ergens in de afgelopen zes miljoen jaar
De meeste taalonderzoekers steunen juist de omgekeerde theorie: een taal die met kleine structuren begon. De theorie van woorden eerst, en daarna zinnen. Fitch: “Ik vind dat veel te weinig onderzoekers de hypothese van muziek, of iets soortgelijks, als prototaal serieus nemen. Het feit dat imitatie van complexe vocale structuren onafhankelijk bij diverse dieren is ontstaan, vind ik op zijn minst een aanwijzing in de richting van de muziekhypothese. Darwin opperde dat idee trouwens ook al.”

In 1866 verbood de Parijse Linguïstische Vereniging een verdere discussie over de evolutie van taal, om jonge wetenschappers niet een ondoordringbaar woud van pure speculaties in te sturen. In die tijd beheersten slagen in de lucht de discussie. Er lagen geen harde feiten op tafel. “Als we de studie naar de evolutie van taal aanvullen met moderne, empirische feiten over andere dieren, dan bedrijven we wél echte wetenschap”, zegt Fitch. “Niet langer domineren alleen speculaties het onderzoeksveld. Hóe homo erectus sprak, áls hij dat al kon, kunnen we toch niet achterhalen, noch of hij gebarentaal of geluidentaal gebruikte. Bovendien is de vraag naar waarom en hoe taal ontstond veel interessanter dan de vraag wanneer gesproken taal ontstond. Het enige zinvolle dat we over de wanneer-vraag kunnen zeggen, is dat ergens na onze afsplitsing van de chimpansees gesproken taal is ontstaan. Dus ergens in de afgelopen zes miljoen jaar. Sommige onderzoekers praten over 100.000 tot 200.00 jaar geleden, maar dat is puur giswerk.”

Internet
www.wjh.harvard.edu/~tec/ Website met artikelen van Tecumseh Fitch

Hoe dode aarde levend wordt

Dode aarde weer levend maken. Een peulenschil voor de aardse biosfeer. Een eeuw na de verwoestende vulkaanuitbarsting van de Krakatau, groeit er weer een dicht tropisch regenwoud. Maar kan de mens ook zelf aan de teugels van het leven trekken? De ogenschijnlijk doodse planeet Mars tot leven wekken bijvoorbeeld? Of woestijnen vruchtbaar maken? Zelf een kunstmatige mini-biosfeer scheppen?
Een zoektocht naar de voorwaarden voor leven en naar de mogelijkheden en onmogelijkheden om het ontstaan van leven met menselijke hand te sturen.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, april 2004


Zo’n vier miljard jaar geleden verscheen het leven op aarde. Het kan op aarde zijn ontstaan uit niet-levende materie, maar het kan hier ook zijn gekomen door kolonisatie van elders. Hoe dan ook, we weten niet precies hoe ooit ergens leven uit niet-levende materie is ontstaan. En een algemeen aanvaarde definitie voor wat leven is, bestaat ook al niet. Twistpunt is bijvoorbeeld of we virussen wel of niet levend moeten noemen. Over welke karakteristieken van leven zijn wetenschappers het wel eens? Levende materie speelt in tegenstelling tot niet-levende materie actief in op zijn omgeving: het neemt prikkels van buiten waar en reageert daarop. Daarnaast kan levende materie groeien, zichzelf kopiëren en zich zo evolutionair ontwikkelen.

Zowel de meest simpele als de meest ingewikkelde levensvormen op aarde gebruiken dezelfde moleculen en dezelfde chemische reacties; allemaal variaties op een paar basisthema’s. Al het leven zoals wij aardbewoners dat kennen – van eenvoudige eencelligen tot hogere plant- en diersoorten – voldoet aan drie basisvoorwaarden: de beschikbaarheid van energie (bijvoorbeeld uit chemische reacties, zonlicht, vulkanische of geothermische warmte of door het eten van andere organismen); de aanwezigheid van vloeibaar water en ten slotte de aanwezigheid van de essentiële chemische elementen CHNOPS, ofwel: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P) en zwavel (S). Deze elementen zitten in aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), in de basisingrediënten van de genetica (DNA en RNA) en in een aantal belangrijke mineralen die noodzakelijk zijn voor biologische processen.

Vooralsnog hebben we geen antwoord op de vraag of leven een exclusief aards verschijnsel is, of dat het ook elders in het universum is opgedoken. Wat we inmiddels dankzij radioastronomische waarnemingen en meteorietenonderzoek wel weten is dat zowel de voor het leven – zoals wij dat kennen – essentiële chemische bouwstenen CHNOPS, als de essentiële organische moleculen, veelvuldig in het heelal voorkomen. Interstellair stof, kometen en sommige planetoïden en meteorieten wemelen van de complexe koolstofverbindingen. Toch hebben we buiten de aarde nog nergens leven ontdekt, alhoewel buitenaards leven statistisch gezien wel voor de hand ligt. Vaak is het in het heelal ergens veel te koud, veel te warm of veel te dodelijk (uv- of kosmische straling). De aanwezigheid van de elementenrij CHNOPS is dus bij lange na niet voldoende voor het ontstaan van leven. Leven kan alleen maar gedijen daar waar de fysische, chemische en geologische randvoorwaarden ook nog eens gunstig zijn.

Kan de mens dode aarde levend maken? Kan de mens een kunstmatige biosfeer creëren? Kunnen we misschien leren van hoe de natuur zelf de wederopstanding van leven regisseert op een plek die tijdelijk is gesteriliseerd? De spannendste vraag is echter wel of de mens de nu onherbergzame, koude en droge buurplaneet Mars kan omvormen tot een levensvatbare planeet met een zelfregulerende biosfeer? Wetenschappers als Chris McKay (NASA), Robert Zubrin, Martyn Fogg en Julian Hiscox hebben al draaiboeken gemaakt voor hoe de mens zijn buurplaneet Mars kan ‘terravormen’ (www.astrobiology.com/terraforming.html). McKay publiceerde zelfs in het toonaangevende Nature over de terravorming van Mars. Deze buurplaneet is in ieder geval de meest voor de hand liggende kandidaat voor zo’n buitenaardse terravorming. Wie rondstruint op het internet kan al snel in de bedwelmende ban raken van de verleidelijke papieren terravormingsmodellen. Eenvoudige mathematische modellen opstellen voor een Martiaanse biosfeer is geen kunst, maar ze werkelijk testen is extreem lastig.

Mars terravormen
Als het gaat om de terravorming van Mars tot een levensvatbare planeet, kan geoloog Harry Priem kort zijn: “Een megalomaan plan”. Priem is emeritus hoogleraar planetaire geologie en isotopengeologie van de Universiteit Utrecht. Tegenwoordig is hij curator van het Geologisch Museum van Artis in Amsterdam. “Terravormingsmodellen zijn sterk reductionistisch. Ze brengen een buitengewoon complex, zelfregulerend systeem terug tot een paar vergelijkingen. Maar we begrijpen een complexe biosfeer bij lange na niet goed genoeg. Terravormingsmodellen zijn vooral speeltjes van fysici of astronomen, die veel minder dan bijvoorbeeld geologen gewend zijn om complexe, zelfregulerende systemen te bestuderen.”

Hoe ziet de Mars-terravorming er dan in theorie uit? In feite is het een tweestappenplan. Stap 1 heeft tot doel een opgewarmde, dichtere atmosfeer en een zelfregulerende anaërobe biosfeer, ofwel een biosfeer met nauwelijks zuurstof in de nieuwe Martiaanse atmosfeer. Zoiets als de aarde in een vroeg evolutionair stadium. Op aarde heeft het ruim twee miljard geduurd voordat er genoeg zuurstof in de aardatmosfeer zat om levenslucht te bieden aan meercellige organismen en, nog later, aan complexere plant- en diersoorten.

In stap 1 moet de Marsatmosfeer zich met veel grotere hoeveelheden koolstofdioxide gaan vullen dan nu het geval is. Momenteel bestaat 95 procent van de Marsatmosfeer uit koolstofdioxide, maar de druk hiervan is slechts zeven millibar. Temperatuur (met ruim zestig graden) en vochtigheid moeten gaan toenemen en er moet een beschermende ozonlaag ontstaan, die het uv-licht voldoende tegenhoudt. Ook de kosmische straling die het Marsoppervlak nu treft door de afwezigheid van een beschermende magnetisch veld rond de planeet, moet aanzienlijk worden gereduceerd.

Cruciaal is de vraag hoe de Marsatmosfeer zich met voldoende koolstofdioxide vult. Het op aarde vermaledijde broeikaseffect speelt hierin een sleutelrol. Wetenschappers hebben een aantal broeikasscenario’s verzonnen. Grote spiegels met diameters in de orde van honderd kilometer in een baan rond Mars kunnen zonlicht weerkaatsen naar het Marsoppervlak. Door de spiegels te richten op de poolkappen, gaan die smelten en het nu nog bevroren koolstofdioxide komt dan vrij. Hoe meer CO2 in de atmosfeer zit, hoe warmer het op onze nabuur wordt en hoe meer nieuw CO2 er weer vrijkomt. Een zich versterkend effect dus.
In een tweede scenario produceren speciale, op de planeet gestationeerde broeikasgasfabrieken methaan, koolstofdioxide en andere broeikasgassen. Het spectaculairste plan is ongetwijfeld om een ijzige asteroïde, die rijk is aan het krachtige broeikasgas ammonia, kunstmatig in botsing te brengen met Mars. De botsingsenergie doet de temperatuur van de planeet een paar graden stijgen. Geruggensteund door het ammonia van de asteroïde, zou de hoeveelheid broeikasgassen flink moeten toenemen. Eindfase van stap 1 is de komst van de eerste micro-organismen. Dat kunnen allochtone organismen zijn afkomstig van de aarde, of, als er toch leven op de Rode Planeet blijkt te zijn, reeds aanwezige organismen die zich onder gunstigere omstandigheden verder vermenigvuldigen.

Stap 2 heeft als ultiem doel een mensvriendelijk klimaat met voldoende zuurstof in de Marsatmosfeer. Dat is een groot probleem, want geologisch gezien hoort zuurstof helemaal niet thuis in een atmosfeer. Daarom is deze tweede stap nog veel moeilijker te regisseren dan de eerste stap.

“Het hoge zuurstofgehalte van de huidige aardatmosfeer is eigenlijk absurd”, zegt Priem. “Zuurstof bindt met groot gemak aan de gesteenten van het aardoppervlak. Als alleen geologische en geochemische processen een rol zouden spelen, verdwijnt alle zuurstof binnen enkele duizenden jaren uit onze atmosfeer. Het zijn juist de biologische organismen die de koolstofdioxideatmosfeer die de aarde tot twee miljard jaar geleden had, gestaag hebben omgezet in een atmosfeer met relatief veel zuurstof en relatief weinig koolstofdioxide. De crux zit in twee dingen. Enerzijds in de fotosynthese door cyanobacteriën, algen en planten. Zij zetten onder invloed van licht, koolstofdioxide om in zuurstof en organisch materiaal. Anderzijds in de ‘begraving’ van dood organisch materiaal in sedimenten door geologische processen.”

De bedenkers van de terravormingsmodellen veronderstellen dat brute kracht nodig is om de zuurstofhoeveelheid te verhogen. Zo lang het Marsklimaat nog te extreem is voor normaal aards leven, kunnen genetische gemanipuleerde planten die de nieuwe Martiaanse omgeving wel aankunnen, samen met eventueel benodigde bacteriën, op Mars worden uitgezet. Zodra het nieuwe Marsklimaat wel vriendelijk en zuurstofrijk genoeg is voor aards leven, moeten aardse organismen onze buurplaneet gaan koloniseren. Vervolgens kan zich een hydrosfeer opbouwen, waarna er ruim baan is voor de komst van planten en primitieve dieren.
Volgens de meest optimistische schatting zou zich binnen enkele millennia een atmosfeer rijk aan zuurstof kunnen opbouwen. Wat tijd betreft, is de zuurstofopbouw de bepalende factor in de terravorming van de Rode Planeet.

Kunstmatige biosfeer
Op papier zien de terravormingsmodellen er verleidelijk en fascinerend uit. Helaas laten de modellen voor Marsterravorming zich niet zomaar even testen. Nog steeds beschikken we over veel te weinig gegevens over de precieze samenstelling van de Marsbodem. Dat betekent een grote onzekerheid in de randvoorwaarden van de modellen. En nog steeds weten we lang niet voldoende over zoiets complex als een zelfregulerende biosfeer. Dat vormt een extra onzekerheid in de vergelijkingen van de modellen zelf. Nemen de wiskundige modellen wel voldoende processen, kringlopen en terugkoppelingen mee? Het lijkt buitengewoon onwaarschijnlijk.

Misschien kunnen we lering trekken uit een kleinschalig experiment met een kunstmatige biosfeer. In de jaren negentig startte in Oracle, Arizona (VS) het Biosphere-2-project. Biosphere-2 moest een miniatuurversie van de aardse biosfeer (Biosphere 1) worden. Tussen september 1991 en september 1993 leefden vier mannen en vier vrouwen op een gebied van 1,28 hectare, onder een afgesloten, glazen structuur met een volume van tweehonderdduizend kubieke meter. Het project moest testen of mensen in een kleinschalige, zelfregulerende biosfeer duurzaam kunnen leven. Biosphere-2 was wel nog steeds voor zonlicht en enige elektriciteit afhankelijk van de wereld buiten de koepel.

In Biosphere 2 leefden naast acht mensen ook 3500 plant- en diersoorten verdeeld over miniatuurecosystemen als woestijn, grasland, moeras, oceaan en regenwoud. De bewoners bivakkeerden in hun eigen menselijke habitat. Ze moesten zelfstandig aan hun voedsel zien te komen en hun eigen afval recyclen. In de loop van 1993 begon het zuurstofgehalte echter zo gevaarlijk te dalen dat Biosphere-2 aan de externe zuurstof moest. Ook moest er voedsel van buitenaf worden aangevoerd. Daarmee was het project eigenlijk mislukt. Tweehonderd miljoen dollar en een slechts beperkte kennis van alle processen in de kunstmatige biosfeer bleken uiteindelijk niet genoeg om acht mensen in een kunstmatige biosfeer in leven te houden. “Misschien is Biosphere-2 wel te klein geweest om zelfregulerend te zijn”, meent Priem. In ieder geval is duidelijk hoe moeilijk het is om alle relevante processen te kennen van een zelfregulerende biosfeer, zelfs eentje met een menselijke maat.

Tegen de achtergrond van deze mislukking lijkt de conclusie van de wetenschappers Robert Zubrin en Chris McKay in hun overzichtsartikel Technological requirements for Terraforming Mars hopeloos optimistisch: “We hebben laten zien dat binnen ruime onzekerheidsmarges over de condities op Mars, de mens drastischer verbeteringen kan aanbrengen in de levensvatbaarheid van de Rode Planeet, gebruik makend van technologieën uit het midden van de 21e eeuw...Het moet op zijn minst mogelijk zijn Mars zodanig te verjongen dat het net zo ontvankelijk wordt voor leven zoals het ooit is geweest.”

Geoloog Priem: “Terravorming wil eigenlijk het natuurlijke evolutieproces dat op aarde een paar miljard jaar heeft geduurd, in een fractie van die tijd realiseren, liefst zelfs binnen een handvol generaties. Ik geloof er helemaal niets van, zelfs nog afgezien van praktische, technische en financiële zaken. We begrijpen veel te weinig van complexe ecosystemen en we weten veel te weinig van het huidige Mars om betrouwbare modellen te maken.”

Leven terug op Krakatau
Terug naar planeet aarde. En terug naar kleine ecosystemen die we wél wetenschappelijk kunnen onderzoeken. Eind augustus 1883, na maandenlang gerommel, kwam het vulkaaneiland Krakatau in het huidige Indonesië (31 kilometer van Java en 41 kilometer van Sumatra) tot een ongekend grote uitbarsting. Het resultaat moet een inferno zijn geweest. De gloeiendhete magmastroom steriliseerde het leven volledig. Eén eiland met drie vulkanen viel uiteen in drie kleine eilandjes.

Maar het leven liet zich niet lang wegdringen. Plantenpopulatiebioloog Peter van Dijk van het Nederlands Instituut voor Ecologie (NIOO-KNAW) deed samen met biologe Tracey Parrish onderzoek naar de genetische gevolgen van de eilandkolonisatie na 1883.

Van Dijk vertelt: “Een jaar na de uitbarsting koloniseerden de eerste bacteriën alweer de drie eilandjes. En die bacteriën verschilden niet van die op het nabije Java. De wind heeft ze waarschijnlijk meegenomen. Drie jaar na de verwoestende uitbarsting vond een geologische expeditie al weer planten langs de kust en een slijmlaag van blauwwier, allemaal gedijend op tientallen meters hoge vulkanische as. Rond 1915 verschenen de eerste bomen en boomgroepen temidden van het al langer aanwezige gras. Tussen 1920 en 1930 ontwikkelde zich een gesloten bos, met allerlei planten die op de bomen begonnen te groeien. Rond 1980 bevolkten al zo’n vierhonderd plantensoorten Krakatau, sommige aangevoerd via de zee, andere door de wind en weer andere verspreid door vogels en vleermuizen. De laatste nieuwe soort, een boom met zware zaden, werd vijf jaar geleden voor het eerst gevonden.”

De regeneratie van de eilanden gaat dus onverminderd voort. Wie er tegenwoordig naar toe gaat, vindt een ecosysteem dat in eerste instantie een gewoon regenwoud lijkt. “Toch is de soortenrijkdom kleiner dan die van de oorspronkelijke vegetatie”, vervolgt Van Dijk. “Uit ons onderzoek bleek echter wel dat de genetische variatie binnen vijf soorten bomen die we hadden onderzocht, net zo groot was als die op Java en Sumatra. En dat was geheel tegen de verwachting van alle wetenschappers in. Op zichzelf was die bevinding wel een goed teken, want een grote genetische variatie binnen een soort betekent dat die soort beter bestand is tegen parasieten.”

Vergelijken we de terugkeer van het leven op Krakatau met terravorming van Mars, dan zijn er eigenlijk onvergelijkbare verschillen. Krakatau is niet meer dan een klein onderdeel van een grote wereldwijde biosfeer, die als geheel niet is aangetast door de vulkaanuitbarsting. Bovendien liggen de eilandjes zo dicht bij rijke, bestaande ecosystemen dat de zee, de wind en de vogels het leven moeiteloos weer op Krakatau deponeerden. Voeg daarbij de maagdelijke gestolde lava, vol met voedingsstoffen die noodzakelijk zijn voor leven, en het is duidelijk dat de voorwaarden ideaal waren voor een terugkeer van het leven, al is het dan vooralsnog minder soortenrijk dan vóór de uitbarsting.

Bioloog Edward Wilson schreef dat een gehavend ecosysteem zich op kleine schaal vrij makkelijk kan herstellen onder twee voorwaarden. Mensen moeten de plek met rust laten en daarnaast moeten zich dichtbij andere ecosystemen bevinden, die niet zijn aangetast. Dan springt het leven wel weer makkelijk over. Op Krakatau waren alle randvoorwaarden voor nieuw leven perfect. Mars kent daarentegen niet eens de noodzakelijke basisvoorwaarden in zijn huidige atmosfeer.

Een ander fascinerend voorbeeld van terravorming op aarde is het compleet nieuwe vulkaaneilandje Surtsey, dat tussen 1963 en 1968 voor de zuidkust van IJsland uit de oceaan oprees. In 1970, twee jaar na de laatste vulkanische activiteit, vond men in de nieuwe bodem al de eerste sporen van micro-organismen die stikstof uit de bodem vastleggen. Blauwalgen bleken de eerste kolonisatoren van het eilandje te zijn. Deze algen hebben genoeg aan water, zonlicht en stikstof in de bodem. Voor onderzoekers is Surtsey nog steeds een prachtige plek om het ontstaan van leven op een geheel nieuw stukje aarde te onderzoeken. Net als op Krakatau, ontstond er op Surtsey binnen de kortste keren leven dat van de directe omgeving oversprong.

Woestijn vruchtbaar maken
Woestijnen zijn verzengend heet en kurkdroog, maar op beperkte schaal is er wel degelijk leven. In die zin verschilt het van terravorming die op dode aarde ontstaat. Het menselijk ingrijpen in woestijnen heeft een wisselend succes gekend. Op relatief kleine schaal is het in de Israëlische Negev-woestijn gelukt om delen vruchtbaar te maken. Priem: “Daar zie je stukken aarde die eeuwenlang gortdroog waren en waar helemaal niets was, maar die er nu uitzien als groene oases. De Israëli ontzilten met zonne-energie zout water bij Eilat en voeren het vervolgens via ondergrondse buizen aan. Met een efficiënte druppelmethode wordt het water onder de grond in de bodem gedruppeld. Bovengronds sproeien zou tot veel te veel verdamping in die gloeiende hitte leiden. Als je vervolgens de geschikte gewassen zoekt, die in aanwezigheid van voldoende water wel die hitte kunnen verdragen, dan kun je woestijn inderdaad vruchtbaar maken. Maar uiteraard gaat het dan om kleine stukken, niet om de hele Negev-woestijn.”

Het veel grootschaligere plan van de Sovjets onder Stalin om de woestijn ten oosten van de Kaspische Zee (in het huidige Turkmenistan) vruchtbaar te maken voor de katoenteelt, is daarentegen op een totale mislukking uitgelopen. Rond 1954 groeven de Sovjets een 1150 kilometer lang kanaal om water van de rivier Amoe Darja af te tappen en de woestijn in het huidige Turkmenistan te bevloeien. Maar het water wilde niet stromen, er ontstonden moerassen in het eerste deel, water verdween in de zandige woestijngrond en onder het felle zonlicht woekerden allerlei algen en planten. Een ander monstrueus Russische megaplan, dat van de omkering van drie rivieren in Europees Rusland en twee in Siberië, is na decennialang intensief ingenieurswerk uiteindelijk in de jaren tachtig tot stilstand gekomen. Tijdens het presidentschap van Gorbatsjov concludeerde een onderzoekscommissie dat de milieurisico’s van de ombuiging ongekend groot waren.

Priem: “De Sovjets wilden het veel te groots aanpakken. Op kleine schaal kun je succes bereiken, zoals Israël in de Negev laat zien. Hoe groter je echter de schaal maakt, hoe slechter je kunt voorspellen wat er gaat gebeuren, en hoe drastischer de ingreep in het ecosysteem.”

Extreem leven
Terravorming onderzoeken betekent ook de mogelijkheid van leven op extreme locaties onderzoeken. NASA-wetenschapper Chris McKay, een van de specialisten op het gebied van terravorming, doet bijvoorbeeld dit soort studies. Aan de ene kant hebben wetenschappers nog geen buitenaards leven gevonden. Maar aan de andere kant blijkt juist de laatste jaren dat het leven binnen de aardse biosfeer veel wijder verbreid is dan altijd gedacht.

“We vinden levenssporen van hoog in de stratosfeer tot diep in de aardbodem”, zegt Priem. “Men heeft zelfs levenskrachtige sporen gevonden in de resten van insecten die veertig miljoen jaar geleden ingesloten werden door het hars van bomen, en vervolgens tot barnsteen zijn verhard. Nog maar tot enkele jaren geleden hadden we het bestaan van microbieel leven in graniet en basalt op kilometers diepte niet vermoed. We weten nu veel meer over extremofielen, organismen die juist leven in extreme omgevingen waar in eerste instantie geen leven mogelijk lijkt. Dan gaat het om kokendheet water in geisers, zwavelhoudende heetwaterbronnen, en de nabije omgeving van ‘black smokers’: opspuitende fonteinen van water met een temperatuur tussen drie- en vierhonderd graden Celsius, waar de druk driehonderd bar is. Maar wetenschappers vinden ook microbieel leven in omgevingen van met zout verzadigd water, Antarctisch ijs dat nooit warmer wordt dan min-dertig graden Celsius, en poriënwater onder hoge temperatuur en druk in diepe gesteenten.”

De oudst bekende sporen van microbieel leven zijn gevonden in een 3,8 miljard jaar oude sedimentformatie in West-Groenland. Daar is het destijds afgezet in een warme oceanische omgeving onder een koolstofdioxidedampkring zonder zuurstof, ook niet bepaald een omgeving die we snel associëren met leven.

“En er zijn ook bacteriën die onverwacht veel weerstand hebben tegen ultraviolette en radioactieve straling”, zegt Priem. “Het blijkt dat zij de opgelopen DNA-schade kunnen repareren en zo toch overleven. De bacterie Deinococcus radiodurans overleeft gammastraling die duizenden malen hoger is dan de voor de mens dodelijke hoeveelheid. Ook sommige eencellige kiezelwieren blijken te gedijen in een zwaar radioactieve omgeving. Laboratoriumproeven hebben bovendien aangetoond dat aardse archaebacteriën als Pseudomonas en Aerobacter zelfs de condities op Mars kunnen overleven en zich er kunnen vermenigvuldigen.” Maar met dit soort extreem leven is het consciëntieuze tweestappenplan voor de terravorming van de Rode Planeet bij lange na niet geholpen.

Martyn Fogg besluit zijn artikel Terraforming Mars: A review of Research met de woorden: “Behalve van haar mogelijke rol als een langetermijn-doel voor ruimte-exploratie, is dit werk [modellen voor de terravorming van Mars] nu al waardevol als een stimulerend, interdisciplinair gedachte-experiment dat van nut is in het onderwijs, de terrestriale planetologie en de entertainmentmedia.”

Terravorming van de Rode Planeet is niet langer de sciencefiction die het was in de eerste helft van de 20e eeuw, toen het idee voor het eerst in de sciencefictionliteratuur opdook. Maar het heeft zeker nog niet het gedegen wetenschappelijk karakter dat nodig is om het idee in praktische zin serieus te nemen. We weten nog veel te weinig van Mars en we begrijpen nog veel te weinig van alle relevante processen in een zelfregulerende biosfeer. Voorlopig kan de menselijke intelligentie bij lange na niet tippen aan de intelligentie van de zelfregulerende aardse biosfeer. Die laatste kan dode aarde wél makkelijk levend maken.

Informatie
www.astrobiology.com/terraforming.html Pagina met links naar een aantal belangrijke technische, wetenschappelijke en opinieartikelen over de terravorming van Mars, onder andere van vooraanstaande terravormingonderzoekers Robert Zubrin, Chris McKay en Martyn Fogg.
www.marssociety.nl/terrafor.php Nederlandstalige pagina van de Mars Society Nederland met een introductie over terravorming. Met veel links naar meer specialistische Engelstalige artikelen.
www.marssociety.nl/rogro.html Online-debat tussen voor- en tegenstanders van de terravorming van Mars, op de site van de Mars Society Nederland
www.users.globalnet.co.uk/~mfogg/simul.htm Simulatieprogramma waarmee je een aantal karakteristieken van Mars kunt veranderen. Het programma berekent hoe diverse andere karakteristieken van Mars vervolgens wijzigen, in ieder geval volgens Martyn Foggs model. Helaas nog niet uitgerust met een mooie Marskaart die de veranderingen ook visueel weergeeft.
www.geocities.com/fra_nl/ Toekomstige landkaart van een door terravorming veranderend Mars
www.open2.net/diyscience/ecosphere/ Schep een virtueel ecosysteem
www.vulkaner.no/n/surtsey/esurtmenu.html Het ontstaan van leven op het IJslandse vulkaaneilandje Surtsey dat in 1963 plotseling uit de oceaan oprees.

Literatuur
Systeem aarde, Cahiers Bio-wetenschappen en maatschappij, 2003, ISBN 9073196345

Zetten pulsars een nieuwe wereldwijde tijdstandaard?

Astronomen proberen een nieuwe tijdstandaard vast te stellen gebaseerd op het tikken van millisecondepulsars. Ze claimen dat deze pulsartijd over tien jaar stabieler zal zijn dan de atoomtijd.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, mei 2007


Alle oude culturen bepaalden de tijd aan de hand van de zon en andere hemellichamen. Pas met de uitvinding van de eerste mechanische klok in de 14e eeuw kwam daar langzaam verandering in. Slingeruurwerken, kwartsklokken en uiteindelijk atoomklokken konden de tijd steeds nauwkeuriger meten. Sinds 1967 is zelfs de seconde officieel niet langer meer gedefinieerd als het 1/86.400e deel van een gemiddelde dag, maar op grond van tikken van een cesiumatoomklok. Een groep astronomen heeft echter het plan om de tijd weer te baseren op de sterren, en niet op aardse klokken.

De van oorsprong Nieuw-Zeelandse astronoom Dick Manchester geeft in Australië leiding aan het Parkes Pulsar Timing Array, een onderzoeksproject dat in eerste instantie speurt naar zwaartekrachtgolven. Naar deze golven in de ruimtetijd wordt al decennialang gezocht, maar ze zijn nog nooit direct gemeten. Om zwaartekrachtgolven te detecteren worden de sublieme klokeigenschappen van zo’n twintig millisecondenpulsars benut. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren die vuurtorenbundels van radiostraling uitzenden. Elke keer als zo’n bundel over de aarde strijkt, detecteren radiotelescopen een puls. Die pulsen zijn als tikken van een klok. Als de ruimtetijd nu lichtjes op en neer deint door een zwaartekrachtgolf, dan meten radiotelescopen even een iets anders tikkende klok.

Het project kan echter twee vliegen in een klap vangen. Manchester: “Het tweede doel is namelijk om aan de hand van de klokeigenschappen van dezelfde twintig pulsars een nieuwe tijdstandaard vast te stellen.” Eentje die volgens Manchester stabieler is dan de huidige internationale atoomtijd.

Tollende sterren
Pulsars zijn niet meer dan twintig tot dertig kilometer breed, maar de materie (vrijwel alleen neutronen) zit een miljoen maal een miljoen keer dichter op elkaar gepakt dan in gewone aardse materie. Een pulsar is wat er overblijft nadat een ster van minimaal een aantal zonsmassa’s onder zijn eigen zwaartekracht is geëxplodeerd (een supernova-explosie). De snelst roterende pulsars – millisecondepulsars – tollen honderden malen per seconde rond. Omdat ze zo massief en zo klein zijn, is hun tolsnelheid extreem stabiel. Ze laten zich door niets en niemand van de wijs brengen. Echter, omdat ze noodzakelijkerwijs energie verliezen bij het uitzenden van hun straling, remmen zelfs de beste millisecondepulsars een beetje af: ongeveer een miljoenste van een seconde in een miljoen jaar. Toch vervelend voor een klok die de beste wil worden.

“De miljoen-dollar-vraag is of deze afremming constant is of niet”, zegt Ben Stappers, pulsaronderzoeker van de Universiteit van Amsterdam, en net als Dick Manchester van oorsprong een Nieuw-Zeelander. Hij gebruikt onder andere de Westerbork Synthesis Radio Telescoop voor zijn pulsaronderzoek. “Voor zover we weten, is de afremming van de tolsnelheid inderdaad constant. Dat betekent dat we de pulsartijd ervoor kunnen corrigeren.” In principe blijft de gecorrigeerde pulsartijd dan steeds even snel tikken.

Stappers zit in het Europese samenwerkingsverband PULSE, dat dezelfde doelen heeft als het Australische project. De Europeanen hebben begin 2007 een samenwerkingsovereenkomst getekend met het team van Manchester. Stappers: “Vanuit Europa zien we deels andere pulsars dan de Australiërs op het zuidelijk halfrond zien, en deels dezelfde. Zien we dezelfde pulsars, dan kunnen we de metingen combineren en de nauwkeurigheid van de pulsartijd nog verder vergroten. En zien we andere pulsars, dan vullen onze metingen elkaar aan.”

Atoomtijd meet pulsartijd
Een cesiumatoomklok tikt in een seconde meer dan negen miljard keer. Veel meer tikken per seconde dus dan de snelste pulsar. “Daarom kun je met een pulsar tijdschalen korter dan milliseconden niet meten”, aldus Stappers. “Daar blijf je atoomklokken voor nodig hebben. Maar het is niet vreemd dat je verschillende soorten klokken gebruikt op verschillende tijdschalen. Bij de Westerbork-telescoop gebruiken we voor de kortste tijdschalen een klok gebaseerd op een rubidiumkristal. Voor de wat langere tijdschalen gebruiken we een klok gebaseerd op een waterstofmaser, de beste klok tot de cesiumatoomklok op het toneel verscheen. De tijd van de waterstofmaser vergelijken we vervolgens met de GPS-tijd, die zelf weer gebaseerd is op atoomklokken. Natuurlijk zouden we liever een eigen atoomklok hebben, maar die kunnen we niet betalen. De groep van Dick Manchester gebruikt trouwens wel een directe link tussen de telescoop en een Australische atoomklok om de pulsartijd te meten.”
Als pulsartijd de kortste tijdschalen niet kan meten, wat is dan toch het voordeel van een pulsartijd boven atoomtijd? Dick Manchester: “Het grote voordeel van pulsars ligt in hun stabiliteit over lange tijdschalen: jaren, decennia en zelfs eeuwen. Atoomklokken hebben een levensduur van een paar jaar. Dan worden ze weer vervangen door betere. Bovendien gaat het vacuümsysteem van zo’n klok gaat langzaam achteruit, net als andere dingen in de behuizing van een atoomklok. Maar een pulsar staat ergens ver in de ruimte, kan er miljarden jaren staan en heeft geen last van wat er ook op aarde gebeurt. Ik weet niet of het effect heeft, maar stel dat atoomklokken door de opwarming van de aarde iets anders gaan tikken, dan zal niemand dat merken, omdat alle atoomklokken dan iets anders gaan tikken. Pulsars zullen daar nooit last van hebben. Met de pulsartijd hebben we een onafhankelijke methode om de aardse tijd te controleren, en eventuele fouten in de aardse tijd te ontdekken.”

Maar wellicht dat pulsars wel van andere dingen last hebben. Weten wij veel wat er ver in het heelal allemaal gebeurt. “Dat kan in principe”, beaamt Manchester. “Maar daarom willen we de tijd baseren op een gemiddelde van minimaal twintig pulsars, die verspreid over verschillende delen van het heelal staan. Als er met een pulsar op een gegeven moment toch iets geks gebeurt, dan gooien we die uit de lijst van pulsars die bijdragen aan de pulsartijd.”

Stabieler dan atoomtijd
De Parkes Radio Telescoop in Australië houdt sinds drie jaar het tikken bij van twintig millisecondepulsars. Aan een aantal van deze pulsars is zelfs al tien jaar gemeten. Manchester: “Over deze tien jaar hebben we de frequentie van een enkele pulsar bepaald met een nauwkeurigheid van 1 op 1015. Dat is vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van de beste atoomklokken. Maar als we een jaar of tien verder zijn, dan is de stabiliteit superieur aan die van atoomklokken. Bovendien hebben we de tijd tot nu toe alleen gebaseerd op individuele pulsars. Als we gaan middelen over alle twintig pulsars, dan neemt de nauwkeurigheid nog verder toe. We denken dat twintig pulsars al voldoende zijn om atoomklokken te verslaan. Wie geïnteresseerd is in een klok die stabiel is over meerdere jaren, kan beter de pulsartijd gebruiken dan de atoomtijd.”

Als astronomen de tijd over tien jaar zouden baseren op alleen de twee beste pulsars dan leidt dat tot een verwachte afwijking van twee milliseconden in een miljoen jaar, zo heeft Manchester berekend. De beste atoomklokken hebben een verwachte afwijking van tien milliseconden in een miljoen jaar; een factor vijf minder goed. Met meer pulsars moet de pulsartijd het nog beter gaan doen. Manchester: “Natuurlijk weten we van de pulsars niet zeker of ze stabiel zijn tot over een miljoen jaar, omdat we er pas tien jaar aan meten. Maar we weten wel zeker dat atoomklokken dat niet zijn. Pulsars zijn dat misschien wel.”
Nu nog is de seconde gedefinieerd als 9 miljard 192 miljoen 631 duizend 770 tikken van een cesiumatoomklok. Het zal nog een hele strijd worden voor de astronomen om het Internationale Bureau voor Maten en Gewichten te overtuigen dat de seconde in veiliger handen is bij de pulsars. Ongetwijfeld zullen de atoomklokfysici zich niet gemakkelijk gewonnen geven. Het voordeel dat atoomklokken nodig blijven voor het meten van fenomenen die sneller tikken dan pulsars hebben ze alvast.


Meer informatie:
Parkes Pulsar Timing Array-project: www.atnf.csiro.au/research/pulsar/array/
Achtergrondinformatie over pulsars: http://outreach.atnf.csiro.au/education/everyone/pulsars/
De Nederlandse pulsargroep: www.astron.nl/~stappers/wiki/doku.php?id
De Westerbork Synthesis Radio Telescope: www.astron.nl/pnl/observingnl.htm
De International Atomic Time (TAI) wordt bepaald door het Bureau International des Poids et Mesures in Parijs: www1.bipm.org/en/scientific/tai/
De geschiedenis van tijdmetingen: http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html

De missie van Richard Dawkins

Richard Dawkins (1941) is sinds 1970 docent zoölogie aan Oxford University in Engeland en sinds 1995 is hij hoogleraar Public Understanding of Science aan dezelfde universiteit. Hij werd beroemd als schrijver van diverse populair-wetenschappelijke bestsellers, zoals The selfish gene (1976; later vertaald in het Nederlands onder de titel Onze onsterfelijke genen) The blind watchmaker (1986; De blinde horlogemaker) en Unweaving the rainbow (1998; Een regenboog ontrafelen). Hier volgt een interview met de auteur over zijn kijk op wetenschap en op het publieke begrip van wetenschap.

Dit artikel is gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, juli/augustus 2004


Wat is voor u het grote plezier van de wetenschap?

Wetenschap is de studie van de waarheid, van het heelal waarin we leven. Het is ook de studie van het leven zelf. Ik kan me maar heel weinig andere dingen voorstellen die meer vreugdevol zijn dan om de plaats te begrijpen waarin we ons zelf vinden: het heelal, de natuur van onszelf – een levend ding – en het proces te begrijpen dat ons heeft gemaakt: de evolutie. We leven maar kort. Ik vind het daarom een geweldig voorrecht om die korte tijd te gebruiken voor het begrijpen waarom we werden geboren, waarom we hier zijn en wat we zijn.

Sommige mensen vinden dat een wetenschappelijke verklaring van een bloem of van de sterrenhemel de schoonheid van de sterrenhemel of de bloem verstoort. Wat hebt u deze mensen te zeggen?

In Een regenboog ontrafelen heb ik geschreven over de dichter Keats die Newton beschuldigde van het verpesten van de schoonheid van de regenboog omdat hij uitlegde hoe een regenboog ontstaat. In dat boek beschreef ik dat Newton in werkelijkheid de regenboog juist nog mooier maakte, omdat we hem nu begrijpen. De regenboog is natuurlijk mijn metafoor voor wetenschap in het algemeen. Als je, liggend op je rug, naar de sterrenhemel kijkt, is hij prachtig. Maar hij wordt nog veel mooier als je je realiseert naar welke immense afstandsschalen en tijdschalen je kijkt, dat je zelfs ver terugkijkt in de tijd. Dat zijn prachtige gedachten, die het plezier van het kijken naar de sterren echt alleen maar kan vergroten.

Waarom zijn er dan toch mensen die vinden dat een wetenschappelijke verklaring afbreuk doet aan de schoonheid van die sterren?

Ik begrijp zelfs niet hoe mensen dat anders zien. Ik vind het heel vervelend voor ze. Het is mijn missie in het leven om over te dragen hoe ontzettend veel meer je uit je leven kunt halen als je de dingen op een wetenschappelijke manier bekijkt.

U schrijft in uw boek ´Kapelaan van de duivel´ dat wetenschap iets anders is dan gezond verstand, en dat het juist de onderbuikgevoelens van mensen zijn die het publieke begrip van de wetenschap bemoeilijken. Waarom is dat zo?

Op dit punt constateer ik dat er zelfs onder wetenschappers verschillende opvattingen zijn. T.H. Huxley, een tijdgenoot van Charles Darwin, zei dat wetenschap getraind en georganiseerd gezond verstand is. Andere wetenschappers, en zeker veel fysici, vinden dat wetenschap extreem tegenintuïtief is. Zij vinden dat als je op het gezonde verstand afgaat, je alleen maar verdwaald raakt. Ik denk dat beide meningen een deel van de waarheid bevatten. Zeker de fysica bevat veel tegenintuïtieve bevindingen. Als evolutiebioloog zoek ik daar een verklaring voor. Het menselijk brein is geëvolueerd via het omgaan met objecten van middelmatige grootte die bewegen met middelmatige snelheden. De evolutie heeft ons niet uitgerust om het gedrag van het hele kleine te begrijpen, zoals in kwantummechanica, noch om het gedrag van heel snel bewegende objecten te begrijpen, zoals in de relativiteitstheorie. We kunnen dus een Darwiniaanse verklaring geven waarom de gemiddelde mens zo slecht is in het begrijpen van de moderne natuurkunde, en waarom we andere zaken wel degelijk met ons gezond verstand kunnen begrijpen.

Ook mijn eigen veld van de evolutietheorie kent flinke moeilijkheden om zaken aan een groot publiek uit te leggen. Veel mensen vinden evolutietheorie zelfs intuïtief verdacht. Dan zeggen ze zoiets als: ‘je maakt mij echt niet wijs dat mijn overgrootvader een aap was’. Dat zijn mensen die zich waarschijnlijk beledigd voelen. Aan de andere kant begrijpen ze niet hoe zoiets complex als een oog door Darwiniaanse selectie heeft kunnen ontstaan. Het probleem is dat mensen de immense tijdschaal in rekening moeten nemen die evolutie nodig heeft. Wij mensen zijn uitgerust om seconden, minuten, jaren en decennia te begrijpen. Dat is de menselijke tijdschaal. Maar we zijn niet uitgerust om honderden miljoenen jaren te begrijpen, terwijl dat de tijdschaal is die je nodig hebt om evolutie te doorgronden. Er is dus een Darwiniaanse reden die verklaart waarom mensen problemen hebben met het begrijpen van zoiets als de evolutietheorie of kwantummechanica.

Is het publieke begrip van wetenschap in het algemeen, of evolutietheorie in het bijzonder, beter geworden in de afgelopen 25 jaar, sinds de publicatie van uw eerste boek?

Ik wou dat ik daar ‘ja’ op kon antwoorden, maar ik denk dat het antwoord ‘nee’ is. Zeker in de Verenigde Staten. Misschien in Europa wel, maar daar ben ik ook niet zeker van. Ik ben er eigenlijk vrij pessimistisch over.

Is het begrip ‘zelfzuchtige genen’, dat u in 1976 introduceerde, en het idee dat evolutie op het niveau van de genen werkt, ook niet eenvoudiger te aanvaarden in deze tijd, met al zijn ontwikkelingen in de genetica?

Het idee is zeker veel makkelijker aanvaard in de wetenschappelijke gemeenschap. Als je het veld ingaat, en spreekt met de wetenschappers die leeuwen en olifanten bestuderen, dan praten zij allemaal in termen van natuurlijke selectie op het niveau van de genen. Wat dat betreft is het idee succesvol aanvaard, maar als het gaat om het brede, algemene publiek, dan is het een heel ander verhaal. Het is een feit dat zo’n vijftig procent van het Amerikaanse electoraat gelooft dat de wereld minder dan tienduizend jaar geleden is geschapen. Als ik daarover nadenk, kan ik absoluut niet optimistisch zijn over het publieke begrip van wetenschap.