2.3. HET ONTSTAAN VAN LEVEN

INDEX
HOME PAGE

Wat is leven?
In het eerste hoofdstuk van je 1e-klas biologieboek heb je geleerd dat levende wezens zich onderscheiden van de levenloze natuur door de 7 levenskenmerken: ademen, voeden, uitscheiden, bewegen, groeien, waarnemen en voortplanten. Toch bestaan er levende wezens die sommige van deze kenmerken niet of nauwelijks vertonen. Dat maakt het moeilijk om een goede definitie van leven te geven.

Sommige processen hangen nauw met elkaar samen: voeden (brandstof opnemen), ademen 2(zuurstof opnemen) en (verbrandingsproducten) uitscheiden worden gezamenlijk ook wel stofwisseling of metabolisme genoemd en dienen voor het genereren van energie. Alle levende wezens hebben energie nodig om in stand te blijven. Zodra er geen energie meer wordt opgewekt, sterft een organisme en valt het uiteen. Wel kunnen sommige (delen van) levende wezens soms gedurende langere periodes in een soort sluimertoestand verkeren waarbij ze geen meetbare hoeveelheid energie genereren. Dit geldt bijvoorbeeld voor eieren en zaden van sommige soorten.

Met bewegen wordt bedoeld dat een organisme dat uit zichzelf kan, maar het blijft onduidelijk op welk niveau: beweging van het organisme als geheel, van onderdelen ervan of is beweging van de cellen al voldoende?

Ook de overige drie kenmerken roepen de vraag op of een organisme dat niet (meer) in staat is tot groei, waarneming of voortplanting tot de levenloze natuur moet worden gerekend.

De klassieke levenskenmerken leveren geen sluitende definitie voor het begrip ‘leven’. Daarom worden er tegenwoordig ook andere kenmerken geformuleerd om ‘leven’ te definiëren. Daarbij noemt men een ‘organisme’ een ‘systeem’:

Een systeem kan worden opgevat als een levend wezen als aan de volgende voorwaarden wordt voldaan:

het systeem kan informatie opslaan waarin is vastgelegd hoe het systeem is opgebouwd en hoe de processen moeten verlopen om een kopie van de informatiedrager te produceren.

Het systeem kan de informatie aflezen en verwerken.

Het systeem kan energie genereren.

Sommigen menen dat alleen de informatiedrager essentieel is. Volgens die visie is een telefoonboek ook iets levends. Ook als de informatiedrager bovendien in staat moet zijn tot aflezen en verwerken, kun je zeggen dat de moderne technieken leiden tot het scheppen van nieuwe levensvormen. En misschien ontwikkelen die technieken ook nog wel de mogelijkheid om het systeem zelf energie te laten genereren. Groei wordt in deze visie niet als essentieel levenskenmerk gehanteerd.

Minimaal leven
Piet Borst. NRC Handelsblad 27 april 2002
Wat is er minimaal nodig om een levend organisme te construeren? Ik heb het niet over mensen, of over de vraag of een bevruchte menselijke eicel al een beetje mens is, want dat eicellen levende cellen zijn, is onomstreden. Hier gaat het over de simpelste vorm van leven op aarde, bacteriën. Hoeveel genen heb je nodig om als simpele bacterie te overleven? Wat zijn de eigenschappen die minimaal aanwezig moeten zijn voor een zelfstandig bestaan als levend organisme?

Er zijn simpeler organismen in de natuur dan bacteriën, zoals virussen, maar die tel ik hier niet mee. Virussen kunnen zich alleen vermenigvuldigen in een gastheercel en zij zijn dus niet in staat tot een zelfstandig bestaan. Er zijn ook bacteriën die zich in gastheercellen vermenigvuldigen, zoals de vlektyfusbacterie, maar die voeren toch hun eigen huishouding binnen de gastheercel: ze maken hun eigen DNA en eiwit binnen hun eigen bacteriële celmembraan. Virussen kunnen dat niet en vallen dus buiten de restrictieve definitie van 'Ieven', die de meeste biologen aanhouden.

Over de basiskenmerken van levende organismen heeft een vorige hoofdredacteur van Science, Daniel Koshland, in het Science-nummer van 22 maart j.l. een aardig stuk geschreven. Zijn definitie van leven presenteert hij als een Griekse tempel rustend op zeven zuilen: programma, compartimentalisatie, energie, improvisatie, adaptatievermogen, regeneratie, en seclusie (afzondering). Programma, compartimentalisatie en energie spreken vanzelf. Zonder blauwdruk (programma) geen organisme, zonder DNA geen bacterie of mens. Het programma kan alleen ten uitvoer worden gebracht in een afgesloten ruimte, een compartiment. Levende organismen zijn begrensd door huid of membraan. Energie is nodig om een organisme in stand te houden en voor de productie van nageslacht. Aanmaak van DNA, eiwitten, membranen kost energie. organismen pogen ook om de omstandigheden binnen hun compartiment constant te houden, zodat het programma kan worden uitgevoerd en de enzymen hun werk kunnen doen.

Ook dat kost energie. De andere pilaren van de tempel van Koshland - adaptatie, improvisatie, regeneratie en seclusie - lijken mij discutabel. Adaptatie is het vermogen om je snel aan te passen aan nieuwe omstandigheden. Onze darmbacterie E. coli kan bijvoorbeeld snel overschakelen van melksuiker naar rietsuiker in zijn dieet. Dit aanpassingsvermogen is onderdeel van het bestaande genetische programma van E. coli en noodzakelijk voor overleving in het ongure milieu van onze darm.

De merkwaardige term improvisatie gebruikt Koshland voor het ontstaan van nieuwe varianten, die geheel nieuwe eigenschappen bezitten. Dat vereist aanpassing van het programma, bijvoorbeeld door mutaties in het DNA . E. coli kan door mutaties resistent worden tegen de antibiotica waarmee wij bacteriën te lijf gaan. Dat is een nieuwe eigenschap met evidente voordelen voor de bacterie.

Improvisatie en adaptatie zijn handige eigenschappen voor een E. coli die zich met succes weet te handhaven in een vijandige omgeving, maar het is wat wonderlijk om succes zo nadrukkelijk onderdeel te maken van de definitie van leven. Neem een simpele bacterie, die volledig is aangepast aan een constante niche, waarin geen enkele verandering optreedt. Zo'n bacterie kan een prima leven leiden, ook zonder adaptatie en flexibiliteit.

De zesde pijler van Koshlands definitie van leven is regeneratie. Daaronder brengt hij zowel het vermogen tot vermenigvuldiging als het vermogen tot reparatie, de vervanging van versleten onderdelen. Vermenigvuldiging is uiteraard een essentiële eigenschap, maar over reparatie kun je twisten. Als het programma relatief stabiel is en goed en snel gerepliceerd kan worden, heeft een organisme eigenlijk geen reparatie nodig om in een beschermde niche te kunnen leven.

Met zijn zevende pijler, seclusie (afzondering), bedoelt Koshland iets merkwaardigs, namelijk dat de chemische reacties in levende organismen specificiteit moeten hebben. ik vind dat merkwaardig, omdat zonder specificiteit van enzymen, de sleutelcomponenten van levende organismen, er geen genetisch programma, energiegeneratie, of vermenigvuldiging bestaat. Het vermogen om een groot aantal verschillende chemische reacties uit te voeren, is een basisvoorwaarde voor alle andere eigenschappen die door Koshland worden opgesomd.

Mijn conclusie is dat Koshland wel een aardige omschrijving geeft van de eigenschappen van levende organismen die zich staande weten te houden in de barre natuur, maar dat zijn definitie van leven te ruim is om vast te stellen wat minimaal nodig is voor leven onder ideale omstandigheden. Die definitie van het minimale genoom komt nu uit de bacteriële genoomprojecten en vooral uit de analyse van parasitaire bacteriën die zoveel mogelijk van hun gastheer pikken, zodat ze nog maar weinig zelf hoeven te doen. Tot voor kort was Mycoplasma genitalium, een bacterie die zich onder andere ophoudt in menselijke genitaliën, de simpelste van alle bekende bacteriën. Dit mycoplasma heeft maar 468 genen en kan daarmee toch nog bijzonder vervelende infecties veroorzaken. Recent zijn echter Buchnera bacteriën in bladluizen gevonden, die nog minder genen bevatten, waarschijnlijk iets minder dan 400.

Uiteraard moet het mogelijk zijn om bacteriën te construeren met minder dan 400-500 genen, omdat Mycoplasma en Buchnera zich in de vrije natuur weten te handhaven en dus nog allerlei genen bevatten, die onder ideale omstandigheden overbodig zijn. Langs drie wegen komen de onderzoekers in dit gebied nu tot de conclusie dat het minimale genoom maar 200-250 genen bevat. De eerste weg is de vergelijking van verschillende bacteriën met een klein genoom. Wat zij gemeen hebben is waarschijnlijk het minimum aantal genen dat volstaat voor een levend organisme. De tweede weg die bewandeld wordt is het systematisch uitschakelen van genen in simpele bacteriën met een klein genoom. op die manier kun je uitvinden wat werkelijk essentieel is onder ideale omstandigheden en welke genen helpen om de overlevingskansen in de natuur te vergroten. De derde weg is een theoretische analyse: wat is minimaal nodig voor de essentiële levensfunctie, de vermenigvuldiging van DNA, de aanmaak van eiwitten, het genereren van energie?

Al die benaderingen komen nu ongeveer op hetzelfde uit: met ruim 200 genen valt een levend organisme te construeren (Peterson en Fraser, Genome Biology, 2001). De natuur is wonderbaarlijk efficiënt en het is mooi dat we daar kennis van mogen nemen.

Opdracht:
Bestudeer 2.3 Wat een fijn leven uit je leerboek (blz.28) en maak opgaven 15, 16, 18 t/m 22.

Leven uit niet-leven
Natuurwetenschappers zijn ervan overtuigd dat leven niet altijd bestaan heeft en dat het dus ooit moet zijn ontstaan uit niet-leven. Sommigen zijn van mening dat leven uit de kosmos op aarde terecht is gekomen. Dat geeft echter geen antwoord op de vraag hoe dát leven dan is ontstaan het probleem wordt er alleen maar mee verlegd.

Het meest eenvoudige antwoord is dat leven ooit op aarde is ontstaan en het getuigt van een juiste wetenschappelijke instelling als je een probleem op de eenvoudigste wijze tracht op te lossen.

Opdracht:
Bestudeer 2.2 Sterrenstof uit je leerboek blz.22) en maak opgaven 7 en 10

Opdracht:
In je leerboek wordt beweerd dat er een verband bestaat tussen de afstand tot de zon en de oppervlaktetemperatuur van de planeten. Naarmate de planeet verder weg staat zou de temperatuur lager moeten zijn. We noemen dat omgekeerd evenredig. Als dat zo is, moeten de temperaturen, uitgezet tegen het omgekeerde van de afstand ( 1/d) een rechte lijn vormen.

Beta-leerlingen weten misschien al dat die omgekeerde evenredigheid niet lineair (rechtlijnig) is maar kwadratisch. Dat betekent dat de temperatuur uitgezet tegen 1/d een kromme oplevert die de vorm heeft van een (deel van een liggende) parabool.

Hieronder staat een tabel met afstand tot de zon in AE (astronomische eenheden) en de gemiddelde temperaturen van de planeetoppervlakken.

Leven uit leven
In de loop van de geschiedenis hebben er verschillende opvatting bestaan over het ontstaan van leven. Naarmate waarnemingen en technieken werden verbeterd nam onze kennis hierover toe. Eén van de belangrijkste vragen was hoe de specifieke eigenschappen van organismen worden overgedragen op hun nakomelingen. Het antwoord op deze vraag kwam met de ontrafeling van de structuur van DNA in de jaren vijftig van de vorige eeuw en is ontluisterend in haar eenvoud.

Opdracht:
Bestudeer 2.4 Leven uit leven uit je leerboek (blz.32) en maak opgaven 25 t/m 35

Stuctuur van een DNA-molecuul
Het DNA-molecuul (deoxyribonucleïnezuur) is de genetische blauwdruk van elke cel en uiteindelijk ook de blauwdruk die alle aspecten van een levend organisme bepaalt. De DNA-molecule werd in 1951 ontdekt door röntgenanalyse. In 1953 beschreven wetenschappers de structuur van de DNA-molecule als een dubbele spiraal, een soort gedraaide ladder met een groot aantal treden. Deze dubbele DNA-spiraal vormt de basis voor alle chromosomen van levende organismen.

Opdracht:

Bekijk de video "Life Story" die tijdens de les wordt vertoond en beantwoord de vragen.

In de literatuur wordt steevast vermeld dat de structuur van het DNA is gepostuleerd door Watson en Crick met behulp van de gegevens die Wilkins verzamelde. Het was echter niet Wilkins die de gegevens verzamelde maar een ander. Wie was die onderzoeker?

Deze - ten onrechte zelden genoemde - onderzoeker volgde een andere onderzoeksmethode dan Watson en Crick. Welk fundamenteel verschil kenmerkt de onderzoekmethode van de onderzoeker in Wilkins’ laboratorium en het illustere duo Watson en Crick? (denk aan de empirische cyclus)

3. Wie was eigenlijk Lines Pauling en waarom was Watson zo bang voor hem?
Wat was de voornaamste bijdrage van Crick aan de opheldering van de structuur van DNA?
Wat was de voornaamste bijdrage van Watson aan de opheldering van de structuur van DNA?
Wie kregen uiteindelijk de Nobelprijs voor de opheldering van de structuur van DNA?

Homeostase
De niet-levende natuur heeft de neiging om te ‘vervlakken’ en tot stof te vervallen. Warme en koude objecten zullen na verloop van tijd allemaal dezelfde temperatuur krijgen en rotsblokken eroderen tot fijn zand (ook al duurt het lang).
Voor levende organismen geldt deze wetmatigheid niet: zolang zij leven kunnen zij een inwendig milieu in stand houden dat in menig opzicht sterk afwijkt van de omgeving. Dit verschijnsel wordt homeostase genoemd
Homeostase of zelfregulatie wordt door sommigen wel als hét levenskenmerk bij uitstek gezien. Toch vinden wij een zelfregulerend systeem als een kachel die is uitgerust met een thermostaat niet bepaald hetzelfde als een levend organisme. Wél is het zo dat alle levende organismen zelfregulerende processen vertonen. Het feit dat zelfregulerende processen een stabiliserend effect hebben op de aarde als geheel is onvoldoende argument om de aarde als een groot superorganisme op te vatten. De Gaia-hypothese is een goede wetenschappelijke hypothese voorzover deze ook wetenschappelijk getoetst kan worden.
Voor meer info: http://www.magna.com.au/~prfbrown/gaia.html , http://endofmankind.freeservers.com/

Opdracht:
Bestudeer 2.5 De binnenwerelden uit je leerboek (blz.37) en maak de opgaven 38 t/m 47

Lucht
Zonder lucht geen leven. Het bestaan van een atmosfeer is hierboven als voorwaarde voor het ontstaan van leven al aan de orde geweest. De aanwezigheid van zuurstof is daarbij ongewenst.

Voor óns is zuurstof echter onontbeerlijk. In het eerste hoofdstuk heb je iets kunnen lezen over het inzicht dat zuurstof noodzakelijk is voor de verbranding (wetenschappelijke ontdekkingen). Dat inzicht leidde uiteindelijk tot het verwerpen van de toenmalige Flogiston-theorie.

Lavoisier was overigens van mening dat bij levende organismen niet voedsel maar bloed zelf tot brandstof diende.

Flogiston, het negatief van zuurstof
H. van Maanen
De flogiston-theorie werd aan het eind van de zeventiende eeuw door de Duitse arts en chemicus Georg Ernst Stahl (1659-1734) ontworpen om het verschijnsel van de verbranding te verklaren.

Een stof brandt, aldus Stahl, als er flogiston in zit. Dit flogiston is een uiterst lichte, nooit afzonderlijk waar te nemen stof, die bij verbranding vrijkomt uit de brandende stof. Het ontwijken van flogiston gaat gepaard met vlammen, met licht en vuur (vandaar de naam: het Griekse flogos betekent "vuur"). Houtskool is een stof zeer rijk aan flogiston want het brandt vrijwel helemaal op met alleen wat asresten.

In deze theorie is verbranding dus "ontleding": het papier valt uiteen in as en flogiston. Metalen kunnen uit erts worden gewonnen door er flogiston aan toe te voegen, afkomstig uit een krachtige flogistonleverancier zoals houtskool. De lucht is nodig om het flogiston van de houtskool naar het erts te vervoeren. Lucht kan echter slechts een beperkte hoeveelheid flogiston bevatten - vandaar dat in een afgesloten vat een vlam ten slotte dooft: de lucht is geheel "geflogisteerd". Waar weinig lucht is, is dus ook weinig verbranding.

Het flogiston keert weer terug uit de lucht via de planten: die nemen het bij verbranding vrijgekomen flogiston weer op en vandaar komt het weer in de dierenwereld terecht.

Met de flogistontheorie kon een groot aantal nog onduidelijke en onsamenhangende verschijnselen tot een geheel worden samengevoegd. Het verbranden van papier, het roesten van metaal en ook de ademhaling bleken allemaal te berusten op het ontwijken van flogiston.

Stahl bouwde voort op het werk van zijn leermeester Johann Joachim Becher (1635-1681), die in 1667 een studie over delfstoffen had gepubliceerd, Physicae subterraneae, waarin hij uiteenzet dat alle metalen en mineralen - die groeien in de ingewanden van onze planeet - hun eigenschappen ontlenen aan drie soorten "aarde". De "kristallijne aarde" zorgt voor stevigheid, de "vluchtige aarde" voor vorm, geur en zwaarte, en de "vette aarde" voor kleur en brandbaarheid (vandaar dat roet zwart is en vettig aanvoelt). De vette aarde duidde hij ook wel aan met "flogiston".

De ideeën van Becher lijken nog veel op die van de alchimisten (Becher mocht in 1679 van de Hollandse Staten-Generaal proberen om strandzand met behulp van zilver in goud om te zetten), maar Stahl gaf er in zijn hoofdwerk, Zymotechnia fundamentalis uit 1697, een moderne wending aan. Hij zag "brandbaarheid" niet als abstracte eigenschap, maar als materie: het flogiston bestaat uit uiterst kleine, maar wel degelijk bestaande deeltjes.

In deze gedachtengang is het echter problematisch dat bij verbranding de meeste stoffen zwaarder werden - terwijl er flogiston verdween. Stahl zelf heeft er nooit een duidelijke uitspraak over gedaan, maar hij neigde naar de opvatting dat flogiston een negatief gewicht had waardoor het de stoffen waarin het terechtkwam lichter maakte. Andere onderzoekers, zoals Becher zelf en ook Robert Boyle in Engeland, meenden dat flogiston gewichtloos was en dat door verbranding vuurstof de plaats van het flogiston innam, en vuurdeeltjes hebben wel gewicht. Ook waren er die meenden dat het gewichtsverlies slechts schijnbaar was en dat er veeleer sprake was van een toegenomen dichtheid, en weer anderen zagen in het geheel niets in de methode van gewichtsmeting: elektriciteit had ook geen meetbaar gewicht en was toch werkzaam.

De Franse scheikundige Antoine Lavoisier (1743-1794) geldt als omverwerper van de flogiston-theorie, en daarmee als grondlegger van de moderne scheikunde. Hij herhaalde in 1773 experimenten van zijn collega Louis Bernard Guyton de Morveau, die had aangetoond dat inderdaad vrijwel alle metalen bij verbranding zwaarder worden. Guyton trachtte de theorie aan te passen, maar Lavoisier vermoedde dat de lucht niet zozeer de overbrenger van flogiston was, maar een deelnemer aan de reactie. Lavoisier hield vast aan de regel dat er tijdens een scheikundige reactie nooit massa verdwijnt of bijkomt. Het probleem daarbij was, dat gassen moeilijk te wegen waren.

Lavoisier ontwierp ingenieuze apparatuur waarmee hij gas in een afgesloten vat kon houden en dus kon nagaan of er sprake was van gewichtsverandering.

Zo verbrandde hij zwavel en fosfor, en ontdekte dat het gewicht van de lucht inderdaad afnam terwijl de gevormde zwavel- en fosforverbindingen navenant zwaarder waren geworden. Hij concludeerde dat de lucht - of, waarschijnlijker, een of andere stof uit de lucht - aan de reactie had deelgenomen.

Een race met de Britse onderzoeker Priestley en de Duitser Scheele resulteerde in de ontdekking van zuurstof. In een artikel uit 1777 toonde Lavoisier aan dat verbranding niet het ontwijken van flogiston is, maar het reageren met zuurstof. Niet de roest en het erts zijn elementair, maar de metalen. Toen hij zich er ook nog van overtuigd had dat water is samengesteld uit waterstof en zuurstof, was hij klaar voor een frontale aanval op de alchimie en de flogiston-theorie en kon hij de nieuwe scheikunde van de grond af opbouwen.

In Nederland was het vooral Martinus van Marum (1750-1837) die de leer van Lavoisier propageerde. Hij bracht in 1785 een bezoek aan Parijs, hoorde Lavoisier een voordracht houden over de nieuwe chemie en sprak enkele malen met hem en met andere tegenstanders van de flogistontheorie. Terug in Nederland herhaalde hij, met de scheikundigen Adriaan Paets van Troostwijk en Jan Rudolph Deiman, de proeven van de Fransman. Met de grote elektriseermachine die Van Marum had laten bouwen, deden zij talloze proeven, en kwamen al snel tot de slotsom dat de flogistontheorie inderdaad onhoudbaar was. In april 1787 - twee jaar voordat Lavoisier zijn hoofdwerk publiceerde - verscheen Van Marums Schets der leere van M. Lavoisier, waarin hij de nieuwe scheikunde onverkort en met verve verdedigde. Binnen vijf jaar waren alle scheikundigen in ons land overtuigd en had de flogistontheorie geheel afgedaan.

De flogistontheorie vormt als het ware de schakel tussen alchimie en moderne scheikunde. Wat Stahl zei, was geen complete onzin: hij had het verbrandingsproces goed door, maar zag het net spiegelbeeldig aan de werkelijkheid. De theorie was samenhangend en logisch en kon veel oude en nieuwe verschijnselen verklaren. Vandaar dat hij het anderhalve eeuw kon uithouden.

Stikstof, zuurstof, waterstof en warmtestof
H. van Maanen
Natuurkundigen zijn verdeeld over het wezen van warmte. Sommigen zien het als een vloeistof die overal in de natuur aanwezig is, en die zich in lichamen bevindt al naar gelang hun temperatuur en opnemingsvermogen. De warmte kan met lichamen een verbinding aangaan, en in dat geval beïnvloedt zij niet langer de thermometer en kan zij niet meer vrijelijk van het ene lichaam naar het andere stromen. Alleen in vrije toestand, als het een evenwicht in lichamen kan bereiken, vormt zij wat wij noemen ,vrije warmte'. Andere natuurkundigen menen dat hitte slechts het gevolg is van onzichtbare bewegingen van moleculen. Iedereen weet dat alle lichamen, ook de meest compacte, vol poriën of gaatjes zitten, waarvan het totale volume gemakkelijk dat van de materie eromheen kan overtreffen. Dit geeft de deeltjes de vrijheid om in alle richtingen te trillen, en de gedachte ligt voor de hand dat deze deeltjes in voortdurende beweging zijn, en door dat trillen kan, als het voorbij een zeker punt toeneemt, het lichaam uiteenvallen. Het is deze innerlijke beweging die, volgens de natuurkundigen over wie wij spreken, warmte vertegenwoordigt".

Aldus de chemicus Antoine Lavoisier (1743-1794) en de natuurkundige Pierre Simon Laplace (1749-1827) in een gezamenlijke memoire voor de Franse academie van wetenschappen van 18 juni 1783. Ze zeiden het er niet bij, maar Lavoisier behoorde tot de eerste groep, en Laplace tot de tweede.

Volgens Lavoisier was warmte een soort stof, volgens Laplace een vorm van energie.

De twee theorieën hebben in het verleden steeds om voorrang gestreden. In de zeventiende eeuw waren de meeste geleerden ervan overtuigd dat warmte hetzelfde was als beweging - al stond hen niet altijd helder voor de geest wat er dan bewoog - terwijl in de achttiende eeuw de "warmtestof" meer aanhangers had. Toen de Franse academie in 1738 een prijsvraag uitschreef over de aard van warmte, gingen de prijzen zonder uitzondering naar de voorstanders van warmtestof.

Lavoisier had dus meer aanhangers, en meer gezag. Hij was erin geslaagd te bewijzen dat lucht en water niet, zoals voordien werd verondersteld, "elementair" waren, maar dat ze bestonden uit nog eenvoudiger stoffen - lucht uit zuurstof en stikstof, water uit waterstof en zuurstof. Lavoisier erkende rond de vijftig van dergelijke eenvoudige, niet verder te ontleden stoffen. Die kwamen echter alleen voor de eretitel "element" in aanmerking, als ze werkelijk alomtegenwoordig waren en een belangrijk "principe" vormden bij de opbouw van andere stoffen. De vijf elementen van Lavoisier waren zuurstof (oxygène), waterstof (hydrogène), stikstof (azote), warmtestof (calorique), en licht (lumière). Zuurstof was elementair omdat het de stof was die in alle zuren voorkwam, en waterstof omdat het water vormde.

Warmtestof verklaart, zo zei Lavoisier, op eenvoudige wijze de drie "aggregatietoestanden" van materie: vast, vloeibaar, gas. Als warmtestof aan water wordt toegevoegd, stijgt eerst de temperatuur van het water. Dat komt doordat de deeltjes van de warmtestof vrij blijven en zich nog niet kunnen hechten aan de waterdeeltjes. Dat gebeurt pas bij het kookpunt. Dan ontstaat waterdamp, en de temperatuur van het water stijgt niet verder.

Iets dergelijks zien we bij verdamping van water van een heet oppervlak: het water onttrekt warmtestof aan het oppervlak en gaat in dampvorm, en het oppervlak koelt af. Vandaar dat transpiratie zo effectief is om de lichaamstemperatuur op peil te houden. Andersom komt warmtestof vrij als een gas condenseert tot een vloeistof of als water bevriest tot ijs.

Ook andere verschijnselen uit de warmteleer konden afdoende worden verklaard met de theorie van de warmtestof. Materialen zetten bij verhitting uit doordat de warmtestofdeeltjes elkaar sterk afstoten (de materiedeeltjes krijgen als het ware een laagje warmtestof om zich heen); verschillen in warmtecapaciteit hangen samen met verschillen in het vermogen de warmtestof op te nemen (hoe sterker moleculen elkaar aantrekken, hoe meer warmtestof nodig is om ertussen te komen), en warmtestof blijft altijd behouden.

Dat laatste was een belangrijk principe, geheel in overeenstemming met de bekende wet van Lavoisier: bij scheikundige reacties is het totale gewicht van de stoffen voor en na de reactie gelijk. Warmtestof gaat nimmer verloren en wordt evenmin uit het niets gemaakt.

De warmtestof begon aan populariteit in te boeten vooral door het werk van de Amerikaanse avonturier Benjamin Thompson (later graaf Rumford, 1753-1814).

Thompson was van 1784 tot 1789 minister van oorlog in Beieren, en in die hoedanigheid bracht hij eens een bezoek aan een wapenfabriek.

Daar was hij getuige van het uitboren van de schacht van kanonnen, en hij verbaasde zich over de grote hitte die daardoor geproduceerd werd. Hij schreef die warmte terecht toe aan de wrijving, maar meende dat het verschijnsel niet kon worden verklaard met behulp van warmtestof. Als warmtestof altijd behouden blijft, waar kwam die dan bij wrijving vandaan?

De gangbare opvatting was dat wrijving de capaciteit voor warmtestof in materialen verminderde zodat de warmtestof eruit moest, maar Thompson toonde aan dat hiervan geen sprake kon zijn. Ten eerste werden de loop van het kanon en het slijpsel even heet, terwijl het slijpsel toch veel minder materie vertegenwoordigde. En ten tweede was de hoeveelheid warmte die vrijkwam, onwaarschijnlijk groot. Thompson maakte een proefopstelling waarbij de wrijvingswarmte direct werd afgevoerd naar water. Binnen anderhalf uur kon hij de temperatuur van 183/4 pond oorspronkelijk ijskoud water laten oplopen tot 142 graden Fahrenheit.

De warmte die door wrijving werd geproduceerd "is kennelijk onuitputtelijk", zo schreef hij in een notitie aan de Royal Society in 1798, Experimental inquiry concerning the source of heat excited by friction. "Het is amper nodig nog toe te voegen dat iets wat een afgezonderd voorwerp zonder beperking kan produceren, onmogelijk een stoffelijke substantie kan zijn; en het lijkt me buitengewoon moeilijk zo niet onmogelijk een duidelijk idee te vormen van iets wat in staat is opgewekt en overgedragen te worden zoals het wordt opgewekt en overgedragen in deze experimenten, als het niet beweging is".

Zijn redenering en zijn proeven waren echter allesbehalve sluitend, en zijn artikel maakte niet de indruk waarop hij hoopte. In 1804 schreef hij aan een vriend: "Ik weet zeker dat ik lang genoeg zal leven om nog het genoegen te smaken de warmtestof samen met flogiston te zien begraven worden", maar zo snel ging het niet. Ook Thompsons huwelijk met de weduwe van Lavoisier was geen succes, maar dit terzijde.

De aanhangers van de warmtestoftheorie vielen, niet ten onrechte, Thompsons conclusies stevig aan, en het duurde tot halverwege de negentiende eeuw voordat de natuurkundigen weer terug bij Laplace waren - en bij diens voorgangers, zoals Robert Boyle, Isaac Newton en Francis Bacon.

Warmte is beweging van moleculen. Bij het absolute nulpunt, -273,15 °C, bewegen moleculen niet - vandaar dat het nulpunt absoluut is: minder bewegen dan stilstaan kan niet. Hoe warmer een stof is, hoe sneller de moleculen bewegen, en andersom. Door wrijving gaan moleculen sneller bewegen en wordt het materiaal warmer. Als energie aan water wordt toegevoegd, stijgt eerst de temperatuur van het water doordat de watermoleculen sneller gaan bewegen. Pas bij het kookpunt trillen de moleculen zo hard dat ze hun onderlinge aantrekkingskracht overwinnen en uit de vloeistof kunnen ontsnappen. Dan ontstaat waterdamp, en de temperatuur van het water stijgt niet verder aangezien alle energie wordt gebruikt om het water in dampvorm te laten overgaan. Iets dergelijks zien we bij verdamping van water van een heet oppervlak: de snel trillende moleculen van het materiaal dragen hun beweging over op de watermoleculen, de verdamping kost warmte en het oppervlak koelt af. Vandaar dat transpiratie zo effectief is om de lichaamstemperatuur op peil te houden.

Andersom komt warmte vrij als een gas condenseert tot een vloeistof of als water bevriest tot ijs.

Opdracht:
Bestudeer 2.6 Lucht en ademhalen uit je leerboek (blz.44) en maak opgaven 50 t/m 58.


Hoofdstuk 3