N A T U U R K U N D I G E VOORDRACHTEN 1989-
N I E U W E R E E K S No. 68 I n het nieuwe seizoen 1989/1990 traden op als sprekers: D r . R. H u e t i n g
D r . H . E . de Swart
P r o f . D r . C. Z w a a n
Prof. Dr. D . L . Knook
P r o f . D r . F . H . Lopes da Silva
P r o f . D r . C . A . Smolders
P r o f . D r . F . van der B l i j
l r . C. K a m m i n g a
P r o f . D r . D . de W i e d
P r o f . D r . W . J . van der Steen
Prof. Dr. J.W.
D r . I r . M . J . C . van G e m e r t
Verhoeven
OPGERICHT 1793 BESCHERMVROUWE H.M. DE KONINGIN
V I S - D R U K A L P H E N A A N D E N R U N 1990
KONINKLIJKE MAATSCHAPPIJ VOOR NATUURKUNDE onder de zinspreuk DILIGENTIA BESCHERMVROUWE H.M. de Koningin ERELEDEN Z.K.H. Prins Bernhard der Nederlanden Z.K.H. Prins Claus der Nederlanden LID VAN VERDIENSTE Dr. W.P.J Lignac
BESTUURDERS Mevr. Dr. M.P.M. Erlee Prof. Dr. R. van Furth Ir. P. Waasdorp Dr. W. Bijleveld Mr. R.R.J.F.H. Muller Mw. J.W.M. Evers, secretaris Dr. ir. G.P. de Loor, voorzitter Dr. E. Talman, penningmeester
treden af in 1991
VERSLAG VAN DE KONINKLIJKE MAATSCHAPPIJ VOOR NATUURKUNDE ONDER DE ZINSPREUK DILIGENTIA over het seizoen 1989-1990 L i j s t v a n sprekers; D r . R. H u e t i n g
D r . H . E . de S w a r t
Prof. D r . C. Zwaan
Prof. Dr. D . L . Knook
P r o f . D r . F . H . Lopes da Silva
P r o f . D r . C . A . Smolders
P r o f . D r . F . v a n der B l i j
Ir. C. K a m m i n g a
P r o f . D r . D . de W i e d
P r o f . D r . W . J . v a n der Steen
P r o f . D r . J . W . Verhoeven
D r . I r . M . J . C . van Gemert
D e algemene ledenvergadering v o n d o p 20 n o v e m b e r 1989 plaats. H e t p e r i o d i e k a f t r e d e n d e bestuursleden, de h r e n D r . W . B i j l e v e l d en M r . R . R . J . F . H . M u l l e r b e g o n n e n a a n een nieuwe bestuursperiode. O p 1 j a n u a r i 1990 n a m D r . I r . G . P . de L o o r het v o o r z i t t e r s c h a p v o o r de k o m e n d e twee j a a r over v a n M r . R . R . M u l l e r . I r . P. Waasdorp werd vice-voorzitter. D e M a a t s c h a p p i j telde o p 1 j a n u a r i 1990 476 leden. I n het v o r i g e j a a r b o e k z i j n i n de tekst v a n I r . M . J . B o t t e m a (100 j a a r geleden) helaas de d o o r m i j opgegeven correcties v a n de d r u k p r o e f niet u i t g e v o e r d . D e l e z i n g die P r o f . D r . I r . A . F . M e h l k o p f i n het v o r i g e seizoen v o o r ons h i e l d (maar w a a r v a n h i j het m a n u s c r i p t d o o r p e r s o o n l i j k e o m s t a n d i g h e d e n niet o p t i j d k o n leveren) staat n u i n d i t j a a r b o e k .
J . W . M . Evers secretaris.
INHOUD D R . R. H U E T I N G ( H o o f d M i l i e u s t a t i s t i e k e n , C . B . S . , V o o r b u r g . ) H e t m i l i e u als e c o n o m i s c h g o e d .
15
P R O F . D R . C . Z W A A N (Sterrenwacht der R . U . U t r e c h t ) M a g n e t i s c h e a c t i v i t e i t i n z o n en sterren.
24
P R O F . D R . F . H . L O P E S da S I L V A ( V a k g r o e p experimentele d i e r k u n d e , U . v . A . ) C e l l u l a i r e e f f e c t e n v a n de enkefalines. 34 P R O F . D R . F . v a n der B L I J ( H o o g l e r a a r W i s k u n d e , R . U . v . U t r e c h t ) Rekenen en tekenen met getallen.
41
P R O F . D R . D . de W I E D ( R u d o l f M a g n u s I n s t i t u u t v o o r F a r m a c o l o g i e , R . U . v . U . ) N e u r o p e p t i d e n en gedrag. 47 P R O F . D R . J . W . V E R H O E V E N ( L a b . v o o r organische scheikunde,
U.v.A.)
E l e c t r o n - o v e r d r a c h t onder i n v l o e d v a n Mcht, m o l e c u l a i r e e l e c t r ó n i c a i n w o r d i n g ? 53 D R . H . E . de S W A R T ( I n s t . v o o r M e t e o r o l o g i e en O c e a n o g r a f i e , R . U . v . U . ) H o e v o o r s p e l b a a r is het weer?
72
P R O F . D R . D . L . K N O O K ( M e d . Fac. L e i d e n , a f d . G e r o n t o l o g i e en I n s t . v o o r E x p e r i mentele G e r o n t o l o g i e T . N . O D e l f t ) W a t leert ons v e r o u d e r i n g ? P R O F . D R . C . A . S M O L D E R S ( U n i v . T w e n t e , v a k g r o e p chemische t e c h n i e k ) Membraantechnologie. I R . C. K A M M I N G A ( T . U . D . , vakgroep informatietheorie) O m t r e n t sonar b i j d o l f i j n a c h t i g e n .
86
93
103
P R O F . D R . W . J . v a n der S T E E N ( V . U . v a n A m s t e r d a m , b i o l o g i s c h l a b o r a t o r i u m . ) W a a r h o u d t wijsbegeerte op? 113 D R . I R . M . J . C . v a n G E M E R T ( H o o f d Laser C e n t r u m , A . M . C . A m s t e r d a m . ) Lasers i n de z i e k e n h u i z e n : klinische toepassingen.
124
P R O F . D R . I R . A . F . M E H L K O P F (Deeltijd Hoogleraar T . U . D . a f d . Spin-afbeelding en w e t e n s c h a p p e l i j k m e d e w e r k e r P h i l i p s , a f d . m e d i c a l systems.) N i e u w e diagnostische technieken: M . R . I . en M . R . S . 131
U I T D E V O O R D R A C H T E N 1889-1890 door I r . M . J . Bottema
Wetenschap is i n wezen het o n t d e k k e n en v a a k het i n p r a k t i j k brengen v a n i n de n a t u u r aanwezige w e t m a t i g h e d e n . B i j het speuren naar die w e t m a t i g h e d e n staat als regel een bep a a l d d o e l v o o r o g e n , dat, al d a n niet m o e i z a a m , w o r d t b e r e i k t o f b e n a d e r d . Soms is de n a t u u r zo w e l w i l l e n d o m even de helpende h a n d te bieden. Z i j doet dat i n h o o f d z a a k o p een v a n de twee volgende m a n i e r e n : 1. D o o r een v e r s c h i j n s e l zo v a a k te presenteren, dat het w e l m o e t w o r d e n o p g e m e r k t en d a n als v e r w o n d e r i n g w e k k e n d v e r s c h i j n s e l aanzet t o t o n d e r z o e k ; 2. D o o r een v e r s c h i j n s e l als verrassing b i j een geheel ander gericht o n d e r z o e k te verp a k k e n . H e t heet d a n : " B i j t o e v a l w e r d o n t d e k t dat . . . ! " E e n sprekend v o o r b e e l d v o o r de eerstgenoemde m a n i e r is de veronderstelde o n t w i k k e l i n g , w e l k e t o t de beheersing v a n het v u u r h e e f t geleid. D e oermens k w a m o n d e r meer m e t v u u r i n a a n r a k i n g b i j v u l k a n i s c h e u i t b a r s t i n g e n en b i j b r a n d e n , w e l k e d o o r b l i k s e m inslag o n t s t a a n w a r e n . B i j alle n a r i g h e i d , w e l k e deze n a t u u r r a m p e n h e m b e r e i d d e n , zal h i j o o k hebben o n t d e k t , dat d o o r de i n w e r k i n g v a n het v u u r , a a n v a n k e l i j k oneetbare zak e n , p l o t s e l i n g verteerbaar w a r e n g e w o r d e n en i n s o m m i g e gevallen zelfs zeer s m a a k v o l b l e k e n te z i j n (geroosterd vlees). Z o z a l h i j het v u u r te z i j n e n n u t t e hebben aangewend, t e g e l i j k e r t i j d m e t de o n t w i k k e l i n g v a n de k u n s t v a n het v u u r m a k e n . V o o r b e e l d e n v o o r het tweede openbaringsproces z i j n legio en welhaast o p elk t e r r e i n v a n de wetenschap te v i n d e n . E l e k t r i c i t e i t is b i j v o o r b e e l d z o ' n t e r r e i n , w a a r o p j u i s t i n de j a r e n t a c h t i g v a n de v o r i g e eeuw een s t o r m a c h t i g e o n t w i k k e l i n g p l a a t s v o n d . D i t w o r d t o o k weerspiegeld i n de o n d e r w e r p e n v o o r het v o o r d r a c h t e n s e i z o e n 1889-1890 i n D I L I G E N T I A . N i e t m i n d e r d a n de h e l f t v a n het a a n t a l lezingen was aan het n a t u u r v e r s c h i j n s e l e l e k t r i c i t e i t g e w i j d , getuige o n d e r s t a a n d lezingenrooster (titels b e k o r t ) : H.C. V A N WOERDEN
: P h o t o g r a p h i e v a n den Sterrehemel
Dr. F.A.F.C. W E N T
: V e r s p r e i d i n g s m i d d e l e n v a n zaden en v r u c h t e n
Prof. Dr. H . A . L O R E N T Z
: Electrische s t r o o m (twee v o o r d r a c h t e n )
Prof. J.A. SNIJDERS Dr. N.P. K A P T E I J N
: H o n d e r d j a a r E l e c t r . S t r o o m (twee v o o r d r a c h t e n ) : Phonograaf van Edison
Dr. M . W . BEIJERINK
: H e t h c h t e n der zee
S n i j d e r s het z i j n v o o r d r a c h t , die i n h o o f d z a a k de geschiedenis v a n de d y n a m i s c h e elekt r i c i t e i t b e h a n d e l t , v o o r a f g a a n d o o r een historische o v e r z i c h t v a n de o n t w i k k e l i n g v a n de statische e l e k t r i c i t e i t . D e statische e l e k t r i c i t e i t h e e f t z i j n w o r t e l s i n een heel ver verleden. H e t was n a m e l i j k a l a a n Thales v a n M i l e t e (624 v C - 5 4 3 / 8 v C ) b e k e n d , dat barnsteen, gewreven m e t een d o e k , het v e r m o g e n kreeg o m kleine papiersnippers aan te t r e k k e n . H o e h i j d a t h e e f t
12
o n t d e k t , b l i j f t o n b e k e n d , m a a r m e n k a n zich v o o r s t e l l e n , dat Thales een s t u k barnsteen m o o i e r heeft w i l l e n d o e n g l i m m e n d o o r het stevig over z i j n p i j te w r i j v e n . D a t er v e r v o l gens h a r d n e k k i g pluisjes en andere l i c h t e v o o r w e r p e n aan b l e v e n " k l e v e n " , zal h e m , w a a r s c h i j n l i j k n a enige h e r h a l i n g e n v a n het e x p e r i m e n t , z i j n opgevallen. Z i j n o n t d e k k i n g h o o r t dus d u i d e l i j k onder die v a n categorie 1 t h u i s . T e r z i j d e z i j n o g even o p g e m e r k t , dat barnsteen i n het G r i e k s " e l e k t r o n " heet en dat het h u i d i g e w o o r d " e l e k t r i c i t e i t " er i n al z i j n samenstelhngen v a n is a f g e l e i d . M e t het n a t u u r v e r s c h i j n s e l h a d het o o r s p r o n k e l i j k e w o o r d evenwel niets te m a k e n . M e t de wetenschap o m t r e n t de eigenschappen v a n het gewreven barnsteen k o n m e n t o e n e i g e n l i j k n a u w e l i j k s n o g iets b e g i n n e n . H e t d u u r d e d a n o o k g e r u i m e t i j d - t w e e d u i z e n d t w e e h o n d e r d j a a r - eer er weer een s t u k j e aan de kennis v a n de statische e l e k t r i c i t e i t w e r d toegevoegd. D i e t o e v o e g i n g k w a m v a n G i l b e r t (1544-1603). H i j v o n d , dat o o k andere s t o f f e n , zoals b i j v o o r b e e l d glas, d o o r w r i j v i n g het v e r m o g e n v e r k r e g e n o m l i c h t e v o o r w e r p j e s aan te t r e k k e n . D i t keer w e r d er o p de v o n d s t w e l d o o r g e b o r d u u r d en w e l met de b o u w v a n een w r i j v i n g s e l e k t r i s e e r m a c h i n e o.a. d o o r O t t o v o n G u e r i c k e (1602-1686). Z i j n m a c h i n e b e s t o n d u i t een b o l v a n z w a v e l , die o p een as k o n w o r d e n r o n d g e d r a a i d . D e l a d i n g w e r d v e r k r e g e n d o o r een doek tegen de r o n d d r a a i e n d e b o l te h o u d e n . Deze m a c h i n e o n d e r g i n g i n de l o o p v a n de t i j d verschillende verbeteringen, o.a. d o o r het w e r k v a n de N e d e r l a n d e r v a n M a r u m (1750-1837). H i j b o u w d e een w r i j v i n g s e l e k t r i s e e r m a c h i ne w a a r v a n het r o t e r e n d gedeelte u i t een glazen s c h i j f b e s t o n d . Deze m a c h i n e u i t 1785 bestaat n o g steeds en v a l t i n het T e i j l e r s m u s e u m te H a a r l e m te b e w o n d e r e n . N a de w r i j v i n g s m a c h i n e v o l g d e de c o n d e n s a t o r m a c h i n e , w a a r v a n de W i m s h u r s t m a chine (1884) w e l de bekendste v e r t e g e n w o o r d i g e r was. M a a r d i t l o o p t o p de geschiedenis v o o r u i t , w a n t alvorens er een w r i j v i n g s m a c h i n e o f een c o n d e n s a t o r m a c h i n e k o n w o r d e n g e m a a k t moesten er eerst n o g een paar f u n d a m e n t e l e o n t d e k k i n g e n w o r d e n gedaan. G i l b e r t h a d , zoals eerder beschreven, omstreeks 1600 de eerste geboekstaafde u i t b r e i d i n g aan de kennis v a n de statische e l e k t r i c i t e i t gegeven. D a a r n a v o l g d e de o n d e r z o e k e r G r a y i n 1727 m e t de o n t d e k k i n g v a n het bestaan v a n geleiders en niet-geleiders. D i t was b e l a n g r i j k o m te w e t e n v o o r de toepassing, m a a r even b e l a n g r i j k v o o r het b e g r i p e l e k t r i c i t e i t , w a n t m e t z i j n v o n d s t begreep m e n , dat e l e k t r i c i t e i t als een s o o r t v l o e i s t o f k o n s t r o m e n . D a t was 125 j a a r na de o n t d e k k i n g die G i l b e r t deed. U i t dat g r o t e t i j d s v e r l o o p m a g m e n de g e v o l g t r e k k i n g m a k e n , dat er v o o r het openleggen v a n het t e r r e i n v a n de e l e k t r i citeit e i g e n l i j k n a u w e l i j k s belangstelling b e s t o n d . T o t stilstand k w a m het o n d e r z o e k o p d i t gebied n i e t . Zes j a a r later w e r d een nieuwe b e l a n g r i j k e v o n d s t gedaan en w e l i n 1733 d o o r D u f a y . H i j o n t d e k t e dat v h e r p i t b a l l e t j e s , m e t g e l i j k n a m i g e e l e k t r i c i t e i t geladen, elk a a r a f s t o o t t e n en dat balletjes met verschillende l a d i n g (opgeladen u i t verschillende b r o n n e n ) elkaar a a n t r o k k e n . Deze o n t d e k k i n g leidde t o t het onderscheiden v a n positieve en negatieve e l e k t r i c i t e i t ; een o n t d e k k i n g , die m e n b i j categorie 1 m a g o n d e r b r e n g e n . I m m e r s , m e n deed p r o e v e n o p het gebied v a n de e l e k t r i c i t e i t , met het d o e l w e t m a t i g h e d e n o p het spoor te k o m e n . M e n hanteerde d a a r b i j de reeds v e r w o r v e n kennis i n p r o e f o n d e r v i n d e l i j k e z i n en was dus geenszins verbaasd wanneer er - na een hele reeks m i s l u k k i n g e n - tenslotte z i c h iets interessants openbaarde. V e e l m i n d e r r u s t i g v e r g i n g het V a n M u s s c h e n b r o e k (1692-1761) en z i j n assistent Cunaeus b i j het e x p e r i m e n t e r e n . Z i j w i l d e n de eigenschappen v a n g e ë l e k t r i f i c e e r d w a t e r onderz o e k e n . V a n M u s s c h e n b r o e k h i e l d daartoe een g e d e e l t e l i j k m e t water g e v u l d bekerglas i n de h a n d . I n het w a t e r stak een geleider, die m e t de elektriseermachine was v e r b o n d e n . N a het o p l a d e n z o u h i j de geleider m e t de andere h a n d w e g n e m e n . D a t l u k t e , m a a r niet n a d a t h i j een hevige schok te v e r d u r e n h a d gekregen. H i j schreef over deze v e r s c h r i k k e -
13
l i j k e p r o e f aan R e a u m u r : " z e l f s v o o r de k o n i n g s k r o o n v a n F r a n k r i j k zou i k z o ' n vers c h r i k k e l i j k e s c h o k niet n o g eens w i l l e n d o o r s t a a n " . N i e t alleen l e t t e r l i j k , m a a r o o k f i g u u r l i j k h a d deze schok gevolgen, w a n t " D e z e o n t d e k k i n g p r i k k e l d e i n hooge mate den lust t o t bestudeering der electrische verschijnsel e n " . H e t w a r e n echter niet alleen de e x p e r i m e n t a t o r e n , die i j v e r i g aan het w e r k g i n g e n . A a n de a a n r a k i n g m e t e l e k t r i c i t e i t w e r d n a m e l i j k een gunstige medische w e r k i n g toegek e n d . K w a k z a l v e r s bedienden zich d a a r o m g r a a g v a n die machines, die z u l k e i n d r u k w e k k e n d e v o n k e n k o n d e n p r o d u c e r e n . H e t deed er tenslotte o o k niet mee toe o f de negotie iets m e t e l e k t r i c i t e i t h a d te m a k e n . H e t e f f e c t v a n de knetterende v o n k e n was v o l doende o m de a a n d a c h t v a n de goegemeente vast te h o u d e n en iedere t w i j f e l weg te nemen. T e r u g k e r e n d t o t de " s c h o k " , z o u j e haast zeggen, dat de n a t u u r o n g e d u l d i g was g e w o r d e n over het trage v e r l o o p v a n de e x p l o r a t i e v a n het grote gebied v a n de e l e k t r i c i t e i t en met een i n d r u k w e k k e n d e schok de i m p u l s t o t een v e r h o o g d e a c t i v i t e i t o p dat gebied h a d gegeven. D e w a a r h e i d zal w e l z i j n , dat de t i j d r i j p was g e w o r d e n v o o r de i n t e n s i v e r i n g v a n het o n d e r z o e k . O p zichzelf een t r e f f e n d v o o r b e e l d v a n een o p e n b a r i n g v a n de categorie 2. I n de p e r i o d e na de grote schok w e r d e n vele o n t d e k k i n g e n gedaan, onder anderen d o o r G a l v a n i (1737-1798) die i n 1780 v o n d ; " d a t p o t e n v a n pas gedoode k i k v o r s c h e n , o p een bepaalde w i j z e t o e b e r e i d , gevoehg z i j n v o o r electrische o n t l a d i n g e n , die i n h u n n e n n a b i j h e i d plaatshebben en dat z i j d i e n i n v l o e d v e r t o o n e n d o o r s a m e n t r e k k i n g e n " . B i j de voortgezette b e s t u d e r i n g v a n d i t verschijnsel n a m h i j i n 1786 t o e v a l l i g (categorie 2!) w a a r , dat een d e r g e l i j k k i k v o r s c h - p r a e r a r a a t , d o o r m i d d e l v a n een k o p e r d r a a d opgehangen aan een i j z e r e n h e k , dezelfde vroeger w a a r g e n o m e n s a m e n t r e k k i n g e n v e r t o o n d e o o k a l h a d er i n de n a b i j h e i d geen electrische o n t l a d i n g v a n een m a c h i n e , een Leidsche flesch o f v a n l u c h t e l e c t r i c i t e i t plaats, h i j schreef n u o n m i d d e l l i j k het o n t s t a a n der l a d i n g aan d i e r l i j k e electriciteit i n het praeparaat toe
D i e g e v o l g t r e k k i n g lag w e l enigszins v o o r
de h a n d o m d a t G a l v a n i als medicus daarmede b i n n e n z i j n v a k g e b i e d bleef. V o l t a (1745-1827) h e e f t de w a a r n e m i n g e n v a n G a l v a n i nader o n d e r z o c h t . H i j k w a m d a a r b i j t o t de s l o t s o m , dat de s a m e n t r e k k i n g niet o p het eventueel bestaan v a n d i e r l i j k e e l e k t r i c i t e i t was t e r u g te voeren, m a a r alles te m a k e n h a d m e t het c o n t a c t tussen twee verschillende m e t a l e n . H i j deed d a a r n a o o k p r o e v e n m e t het c o n t a c t tussen m e t a l e n en v l o e i s t o f f e n . " O p deze w i j z e o n t s t o n d i n 1799 het z o o b e r o e m d g e w o r d e n w e r k t u i g , de Voltasche zuil;
D i e z u i l bestond u i t een opeenstapeling v a n s c h i j f j e s k o p e r , z i n k en
lapjes g e d r e n k t i n z w a v e l z u u r . H e t was n u m o g e l i j k g e w o r d e n een v o o r t d u r e n d e s t r o o m ( d o o r chemische v e r a n d e r i n g e n i n de z u i l ) te k r i j g e n , hetgeen v o o r het u i t v o e r e n v a n exp e r i m e n t e n een g r o t e verbetering was, o m d a t t o t d a n toe alleen m a a r een k o r t s t o n d i g e o n t l a d i n g zoals b i j een Leidse fles ter b e s c h i k k i n g s t o n d . H e t v o o r h a n d e n h e b b e n v a n deze s p a n n i n g s b r o n leidde o o k t o t het h e r h a l e n v a n e x p e r i m e n t e n u i t het electrostatische t i j d p e r k . D a t was b i j v o o r b e e l d het geval m e t het onderzoek naar de i n v l o e d v a n " e l e c t r i c i t e i t " o p een m a g n e e t n a a l d . M e n h a d al g e v o n d e n , d a t een statische l a d i n g i n ieder geval geen i n v l o e d o p de m a g n e e t n a a l d u i t o e f e n d e . I n 1820 v o n d e n Oersted (1777-1851) en A m p è r e (1775-1836), dat een gesloten s t r o o m k r i n g de m a g n e e t n a a l d een u i t w i j k i n g g a f . I n 1820 was v o o r t s d o o r F a r a d a y (1791-1867) o n t d e k t , dat het omgekeerde o o k t o t de w e t m a t i g h e d e n i n het gedrag v a n de elektrische s t r o o m b e h o o r d e . N a m e l i j k : een veranderend m a g n e t i s c h v e l d doet i n een gesloten gelei-
14
der een s t r o o m o n t s t a a n . N a de o n t d e k k i n g v a n het verschijnsel der i n d u c t i e s t r o m e n v o l g d e al spoedig de c o n structie v a n machines, w a a r b i j d o o r de b e w e g i n g v a n k o p e r d r a a d tussen
magneten,
s t r o o m k o n w o r d e n o p g e w e k t . D e v i n d i n g e n en toepassingen v o l g d e n elkaar n u i n snel tempo op: 1866 Siemens v i n d t het d y n a m o p r i n c i p e u i t 1879 E d i s o n m a a k t de eerste b r u i k b a r e g l o e i l a m p 1880 I n E n g e l a n d w o r d t de t r a n s f o r m a t o r u i t g e v o n d e n 1897 D I L I G E N T I A k r i j g t elektrisch h c h t Was er i n het b e g i n sprake v a n een t r a a g h e i d i n de o n t w i k k e U n g , w a a r v o o r zelfs geen beeldspraak ter b e s c h i k k i n g s t o n d , thans (1890) spoedt die o n t w i k k e l i n g z i c h l a w i n e a c h t i g v o o r t . H e t gaat d a a r b i j m e r k w a a r d i g e r w i j s o m de toepassing v a n een v e r s c h i j n s e l , w a a r v a n m e n de a a r d n o g niet h a d d o o r g r o n d . T o c h w e r d er n a a r s t i g naar de o n t s l u i e r i n g v a n de h o e d a n i g h e i d v a n het verschijnsel e l e k t r i c i t e i t gespeurd. D a t speuren w e r d o.a. gedaan d o o r P r o f . L o r e n t z (1853-1928), die h i e r o v e r v o o r de M a a t s c h a p p i j een tweetal v o o r d r a c h t e n h i e l d . T o t 1865 leerde m e n de elektrische verschijnselen beschouwen " a l s teweeggebracht d o o r eene positieve en eene negatieve v l o e i s t o f , en w i j v e r s t o n d e n onder die b e n a m i n g e n de raadselachtige s t o f die z i c h o p h o o p t e aan het o p p e r v l a k der geleiders, z o n d e r ons i n t u s schen veel te b e k o m m e r e n over hetgeen plaats h e e f t i n de r u i m t e d a a r o m h e e n en daartusschen". T o e n k w a m er een a a n t a l b e l a n g r i j k e o n t d e k k i n g e n , die het i n z i c h t i n het wezen v a n de e l e k t r i c i t e i t a a n z i e n l i j k z o u d e n v e r d i e p e n . M a x w e l l (1831-1879) v o n d , dat er v a n een electrische v o n k electromagnetische t r i l l i n gen u i t g i n g e n . H i j v e r m o e d d e , dat de u i t b r e i d i n g s s n e l h e i d v a n die g o l v e n w e l eens die v a n de l i c h t s n e l h e i d z o u k u n n e n z i j n . D a t leidde t o t de v e r o n d e r s t e l h n g , d a t het l i c h t o o k een e l e k t r o m a g n e t i s c h verschijnsel was. Deze veronderstelhngen v o n d e n i n 1888 een p r a c h t i g e bevestiging i n de d o o r H e r z (1857-1894) uitgevoerde p r o e v e n . Z o was de stand v a n zaken i n het j a a r 1890. A a n het slot v a n de lezing stelt L o r e n t z : " D e quaestie i n enkele w o o r d e n is deze: i n hoeverre k a n de electrische s t r o o m opgevat w o r d e n als een bewegingsverschijnsel en v a n w e l k e n a a r d is die beweging die d a a r b i j plaats h e e f t ? " E n verder: " B i j deze b e s c h o u w i n g w e r d d o o r spreker v e r o n d e r s t e l d , dat er z i c h i n den d r a a d zelf o o k iets beweegt; daarv o o r p l e i t o.a. de w a r m t e - o n t w i k k e l i n g ; w a n t deze gebeurt t o c h zeker b i n n e n den d r a a d , w i j m o g e n dus a a n n e m e n dat de beweging die i n den d r a a d bestaat, de b e w e g i n g r o n d o m d e n d r a a d o p w e k t . " O f met andere w o o r d e n : de elektrische s t r o o m i n de d r a a d v e r o o r z a a k t een e l e k t r o m a g n e t i s c h v e l d o m de d r a a d .
HET MILIEU ALS ECONOMISCH GOED door R. Hueting
1. Het
milieu:
een verzameling
scixaarse
goederen
V o o r een economisclie b e n a d e r i n g k a n het m i l i e u het best w o r d e n opgevat als de f y s i e k e o m g e v i n g v a n de mens, w a a r v a n h i j geheel a f h a n k e l i j k is i n a l z i j n a c t i v i t e i t e n , zoals p r o duceren, c o n s u m e r e n , r e c r e ë r e n , ademen, reizen etc. D e mens m a a k t i n al z i j n doen en laten o p een o f andere m a n i e r g e b r u i k v a n z i j n o m g e v i n g . D a a r o m is het z i n v o l o m als eerste stap v o o r een systematisering v a n w a t er i n het m i l i e u gebeurt als gevolg v a n m e n s e l i j k e a c t i v i t e i t e n de g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n te onderscheiden v a n de c o m p o n e n t e n w a ter, l u c h t en b o d e m . Deze g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n z i j n m i U e u f u n c t i e s g e n o e m d , o f k o r t weg f u n c t i e s . A l s g e v o l g v a n de o p v o e r i n g v a n de a c t i v i t e i t e n d o o r steeds meer mensen z i j n de g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n v a n het m i l i e u i n toenemende mate t e k o r t gaan schieten o m te v o o r z i e n i n de h i e r a a n bestaande b e h o e f t e n . Deze situatie m a n i f e s t e e r t z i c h w a n neer het g e b r u i k v a n een m i U e u f u n c t i e d o o r een bepaalde a c t i v i t e i t t e n koste gaat v a n het g e b r u i k v a n een andere ( o f dezelfde) f u n c t i e d o o r een andere a c t i v i t e i t , o f wanneer het o p g r o n d v a n w e t e n s c h a p p e l i j k e gegevens w a a r s c h i j n l i j k is dat d i t i n de t o e k o m s t z a l gebeuren. D i t verschijnsel n o e m e n we c o n c u r r e n t i e v a n f u n c t i e s . Wanneer
er c o n c u r r e n t i e v a n f u n c t i e s o p t r e e d t , h e e f t het m i l i e u een
economisch
aspect. E c o n o m i e k o m t i m m e r s , k o r t gezegd, neer o p het p r o b l e e m v a n keuzen u i t schaarse m i d d e l e n die m e n s e l i j k e b e h o e f t e n k u n n e n bevredigen (het e c o n o m i s c h k e n o b j e c t ) . E e n goed is schaars wanneer de b e h o e f t e er aan g r o t e r is d a n de b e s c h i k b a a r h e i d , o f , w a t o p het z e l f d e n e e r k o m t , wanneer er een a l t e r n a t i e f m o e t w o r d e n o p g e o f f e r d o m het te v e r k r i j g e n . Z o a l s u i t de v o r i g e alinea b l i j k t , v o l d o e n m i l i e u f u n c t i e s t e n v o l l e aan deze o m s c h r i j v i n g e n z o d r a ze m e t elkaar c o n c u r r e r e n . C o n c u r r e r e n d e m i l i e u f u n c t i e s z i j n derhalve schaarse goederen die v a l l e n onder het economische k e n o b j e c t . V o o r b e e l d e n v a n f u n c t i e s v a n de c o m p o n e n t l u c h t z i j n : l u c h t als m e d i u m o m a f v a l i n te brengen, l u c h t als f a c t o r v o o r het m e n s e l i j k leven, o n d e r te verdelen i n f y s i o l o g i s c h f u n c t i o n e r e n en z i n t u i g l i j k w a a r n e m e n ( h o r e n , r u i k e n , z i e n ) , l u c h t als f a c t o r i n o n d e r andere de agrarische sector, het n a t u u r l i j k m i l i e u (plante- en d i e r s o o r t e n ) en technische processen, l u c h t als m e d i u m dat m a t e r i a l e n herbergt. V o o r b e e l d e n v a n f u n c t i e s v a n de c o m p o n e n t water z i j n : water als m e d i u m o m a f v a l i n te l o z e n , w a t e r als g r o n d s t o f v o o r d r i n k w a t e r , k o e l w a t e r , spoel- en t r a n s p o r t w a t e r proceswater, agrarisch water, water als f a c t o r i n het n a t u u r l i j k m i l i e u (plante- en diers o o r t e n v a n de aquatische ecosystemen), recreatief w a t e r , v a a r w a t e r . D e b o d e m h e e f t t a l l o z e f u n c t i e s o m d a t de meeste v a n onze a c t i v i t e i t e n z i c h h i e r afspel e n . Behalve als s t o r t p l a a t s v a n a f v a l g e b r u i k e n we de b o d e m v o o r v o e d s e l p r o d u k t i e
de
b o u w v a n w o n i n g e n en andere g e b o u w e n , de aanleg v a n wegen en recreatie. U i t e r a a r d
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 11 september 1989.
16 vergt o o k het f u n c t i o n e r e n v a n het n a t u u r l i j k m i h e u ( o f : m e d i u m v o o r het herbergen v a n plante- en d i e r s o o r t e n v a n de terrestrische ecosystemen) het n o d i g e beslag o p de r u i m t e . Een m i l i e u c o m p o n e n t (water, b o d e m , l u c h t ) h e e f t steeds d r i e aspecten, een k w a n t i t a t i e f (de hoeveelheid m a t e r i e ) , een r u i m t e l i j k (de hoeveelheid r u i m t e ) en een k w a h t a t i e f (de m a t e v a n v e r o n t r e i n i g i n g ) . W e onderscheiden d a a r o m d r i e s o o r t e n c o n c u r r e n t i e v a n f u n c t i e s : Icwantitatieve, r u i m t e l i j k e en k w a h t a t i e v e . W a n n e e r de hoeveelheid m a t e r i e o f de hoeveelheid r u i m t e v a n een m i l i e u c o m p o n e n t t e k o r t schiet, o f i n de t o e k o m s t t e k o r t dreigt te schieten, v o o r de eraan bestaande beh o e f t e n , is er sprake v a n k w a n t i t a t i e v e c . q . r u i m t e l i j k e c o n c u r r e n t i e v a n f u n c t i e s . Deze s o o r t c o n c u r r e n t i e is a b s o l u u t . O n t t r e k k i n g v a n m a t e r i e o f beslag o p r u i m t e ten behoeve v a n een bepaalde f u n c t i e sluit g e b r u i k v a n andere f u n c t i e s u i t . Z o is b i n n e n de steden te w e i n i g r u i m t e v o o r w a n d e l e n é n particuhere a u t o ' s é n fietsen é n o p e n b a a r vervoer é n spelen v a n k i n d e r e n . B u i t e n de steden bestaat er c o n c u r r e n t i e b i j het g e b r u i k v a n de r u i m t e v o o r wegen, suburbanisatie, recreatie, l a n d b o u w en het v o o r t b e s t a a n v a n planteen d i e r s o o r t e n (de f u n c t i e n a t u u r l i j k m i l i e u ) . E e n v o o r b e e l d v a n k w a n t i t a t i e v e concurrentie is het t e k o r t schieten v a n de hoeveelheid g r o n d w a t e r v o o r de groeiende b e h o e f t e aan water v o o r i n d u s t r i e w a t e r en water v o o r h u i s h o u d e l i j k g e b r u i k . B i j k w a h t a t i e v e c o n c u r r e n t i e staat é é n f u n c t i e i n c o n c u r r e n t i e m e t de andere f u n c t i e s v a n een c o m p o n e n t . D i e f u n c t i e n o e m d e n we h i e r b o v e n o n d e r andere " s t o r t p l a a t s v a n a f v a l " . Deze b e n a m i n g m o e t r u i m w o r d e n g e ï n t e r p r e t e e r d . Stortplaats h e e f t niet alleen b e t r e k k i n g o p een bepaalde s t o r t i n g , m a a r o o k o p d i f f u s e l o z i n g e n . V o o r t s gaat het niet alleen o m s c h a d e l i j k e s t o f f e n , m a a r o o k o m fysische en b i o l o g i s c h e i n g r e p e n , zoals toev o e g i n g v a n w a r m t e en vreemde o r g a n i s m e n . D e f u n c t i e " s t o r t p l a a t s v a n a f v a l " v a n w a ter, l u c h t o f b o d e m staat i n c o n c u r r e n t i e met andere g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n , zoals " w a ter als g r o n d s t o f v o o r d r i n k w a t e r " o f " l u c h t v o o r het f y s i o l o g i s c h f u n c t i o n e r e n . " H e t traceren v a n het c o n c u r r e r e n d g e b r u i k v a n f u n c t i e s en v a n de h i e r d o o r optredende verliezen v a n g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n legt de c o n f l i c t e n b l o o t en is d a a r o m een eerste stap v o o r de i n f o r m a t i e o p g r o n d w a a r v a n m o e t w o r d e n gekozen aan w e l k g e b r u i k v a n het m i l i e u v o o r r a n g m o e t w o r d e n verleend. V o o r het v e r k r i j g e n v a n een o v e r z i c h t k u n n e n de f u n c t i e s w o r d e n g e r u b r i c e e r d i n tabellen, i n de v o r m v a n m a t r i c e s ' ) .
Concurrentie
v a n f u n c t i e s b l i j k t o p te k u n n e n treden i n allerlei v o r m e n . M a a r i n v e r u i t de meeste gev a l l e n is er sprake v a n g e b r u i k d o o r p r o d u c e r e n d e en consumerende a c t i v i t e i t e n die t e n koste g a a n v a n ander gewenst g e b r u i k v a n het m i h e u . Z o gaat het g e b r u i k v a n de f u n c t i e stortplaats v a n a f v a l pas andere f u n c t i e s storen n a d a t bepaalde d r e m p e l w a a r d e n
zijn
overschreden. V e r s n i p p e r i n g v a n de r u i m t e ten behoeve v a n o n d e r andere verkeer en i n tensivering v a n het g e b r u i k v a n r u i m t e en b o d e m v o o r de l a n d b o u w v e r o o r z a k e n o n d e r andere verlies v a n de f u n c t i e n a t u u r l i j k m i h e u ( g l o b a a l : gemeenschappen v a n p l a n t e n en d i e r e n ) . Deze verschijnselen hangen samen met het n i v e a u v a n p r o d u k t i e en c o n s u m p t i e . I n de meeste gevallen m o e t d a a r o m w o r d e n gekozen tussen het o p v o e r e n v a n het g e b r u i k v a n onze o m g e v i n g v o o r de v e r h o g i n g v a n de p r o d u k t i e en c o n s u m p t i e v a n goederen en diensten o p d i t m o m e n t en het b e h o u d v a n het m i h e u v o o r ander g e b r u i k en v o o r i n p r i n cipe alle t o e k o m s t i g g e b r u i k . Overbelasting v a n het m i h e u o p d i t m o m e n t bedreigt i m mers o o k de p r o d u k t i e - en c o n s u m p t i e m o g e l i j k h e d e n i n de t o e k o m s t . D e n k b i j v o o r beeld aan het verhes v a n de f u n c t i e s v a n bossen zoals: r e g u l a t o r v a n de w a t e r h u i s h o u d i n g , r e g u l a t o r v a n het k l i m a a t , genenreservoir v o o r de regeneratie v a n l a n d b o u w g e w a s sen en v o o r geneesmiddelen, v o o r k ó m e r v a n erosie en b u f f e r v a n k o o l d i o x y d e en w a r m te.
2. Het
kwantificeringsprobleem
D e keuze tussen g e b r u i k v a n het m i l i e u v o o r v e r h o g i n g v a n de p r o d u k t i e en v o o r ander
17 en t o e k o m s t i g g e b r u i k z o u sterk w o r d e n v e r g e m a k l c e l i j k t wanneer het nut v a n m i h e u f u n c t i e s z o u k u n n e n w o r d e n u i t g e d r u k t i n g e l d . D a a r b i j doet zich het volgende p r o b l e e m v o o r . H e t positieve n u t v a n de f u n c t i e s g e b r u i k t v o o r de h u i d i g e p r o d u k t i e en c o n s u m p tie (zoals s t o r t p l a a t s v a n a f v a l ) k a n w o r d e n a f g e l e i d u i t het n u t v a n de goederen. Deze z i j n u i t g e d r u k t i n m a r k t p r i j z e n (geld). H e t negatieve n u t v a n d o o r p r o d u k t i e en c o n s u m p t i e veroorzaalct verlies aan andere f u n c t i e s (zoals d r i n k w a t e r ) en v a n het risico v a n het verhes aan t o e k o m s t i g g e b r u i k k a n niet rechtstreeks via de m a r k t , dus i n g e l d , t o t u i t d r u k k i n g k o m e n . W a n t m i U e f u n c t i e s en een veihge t o e k o m s t z i j n coUectieve goederen die niet v i a de m a r k t k u n n e n w o r d e n v e r h a n d e l d . O m d a t b i j c o n c u r r e n t i e v a n f u n c t i e s m i l i e u f u n c t i e s ten koste v a n elkaar w o r d e n g e b r u i k t is i n f e i t e het n u t v a n alle f u n c t i e s o n b e k e n d . I n s y m b o l e n : z o d r a het g e b r u i k v a n een f u n c t i e met de (bekende) w a a r d e a ten koste gaat v a n het n u t v a n een f u n c t i e met de (onbekende) waarde x , m o e t a w o r d e n v e r m i n d e r d m e t x , w a a r d o o r a g e l i j k w o r d t aan de (onbekende) waarde y. Er z i j n p o g i n g e n gedaan d i t p r o b l e e m o p te lossen, onder andere d o o r s c h r i j v e r dezes, d o o r het c o n s t r u e r e n v a n s c h a d u w p r i j z e n v a n m i l i e u f u n c t i e s die rechtstreeks v e r g e l i j k baar z i j n met de m a r k t p r i j z e n v a n d o o r de mens geproduceerde goederen en d i e n s t e n ' ) . D a a r t o e m o e t e n een vraag- en een a a n b o d c u r v e w o r d e n geconstrueerd. De a a n b o d c u r v e b l i j k t i n p r i n c i p e a l t i j d te k u n n e n w o r d e n b e r e k e n d . H e t is m o g e l i j k maatregelen te f o r m u l e r e n v o o r het herstel en b e h o u d v a n m i l i e u f u n c t i e s en deze te vertalen i n g e l d . D e maatregelen k u n n e n bestaan u i t technische v o o r z i e n i n g e n ( a d d - o n o f process i n t e g r a t e d ) en v e r m i n d e r i n g v a n de belastende a c t i v i t e i t e n . H u n e f f e c t o p de b e s c h i k b a a r h e i d v a n m i h e u f u n c t i e s k a n w o r d e n gemeten aan f y s i e k e parameters,
zoals de concentratie o f
emissie v a n s c h a d e l i j k e s t o f f e n . Wanneer we de maatregelen r a n g s c h i k k e n naar o p l o p e n de kosten per eenheid b e r e i k t resuhaat ontstaat een a a n b o d c u r v e v a n m i h e u f u n c t i e s , de e h m i n a t i e k o s t e n c u r v e , die meestal de v e r t r o u w d e , progressief o p l o p e n d e v o r m b l i j k t aan te n e m e n (zie f i g u u r 1).
g e Ld ^
f
beschikbaarheid
van
m i l i s u f u n c t i e s
figuur
1.
* We hebben ter wihe van de beknoptheid in het nndden gelaten of liet om totale gaat of om marginale (kosten per extra eenheid) omdat dU voor de hier gegeven uiteenzetting niet van belang is.
curven globale
18
D e c o n s t r u c t i e v a n een vraagcurve gebaseerd o p i n d i v i d u e l e v o o r k e u r e n , een vereiste v o o r een s c h a d u w p r i j s zoals hier g e f o r m u l e e r d , levert echter o n o v e r k o m e l i j k e m o e i l i j k heden o p . W a n t de i n t e n s i t e i t v a n de i n d i v i d u e l e b e h o e f t e n naar m i l i e u f u n c t i e s b l i j k t i n de meeste gevallen niet te k u n n e n w o r d e n g e k w a n t i f i c e e r d . Soms k a n de v r a a g c u r v e ged e e l t e l i j k w o r d e n a f g e l e i d u i t het f e i t dat mensen verhes aan f u n c t i e s gaan compenseren en d a a r v o o r u i t g a v e n d o e n . M a a r compensatie v a n f u n c t i e v e r h e s is meestal o n v o l l e d i g o f geheel o n m o g e l i j k . Z o k u n n e n dubbele r a m e n tegen verkeerslawaai b i j m o o i weer niet o p e n ; z w e m b a d e n k u n n e n het verlies aan schone stranden n a u w e l i j k s compenseren; verh u i z e n naar schonere en stillere gebieden r o e p t verkeersstromen o p met n i e u w e v e r v u i l i n g en l a w a a i ; z o l a n g het proces v a n v e r z u r i n g niet w o r d t g e ë l i m i n e e r d is aanleg v a n nieuwe bossen en m e r e n d o e l l o o s , en b o v e n d i e n ; w a a r is er n o g plaats v o o r en w e l k e andere g e b r u i k s m o g e l i j k h e d e n m o e t e n er aan w o r d e n o p g e o f f e r d ? H e t z e l f d e geldt u i t e r a a r d v o o r g e ë r o d e e r d e b o d e m en v o o r estuaria, die w e r e l d w i j d w o r d e n aangetast. H e t verhes aan
flora,
f a u n a en landschappen en de k w a d e kansen v o o r de t o e k o m s t b i j
v o o r t g a a n d e m i l i e u b e l a s t i n g k u n n e n niet i n compensatie ( o f f i n a n c i ë l e schade) w o r d e n gemeten; t o c h bestaat er d u i d e l i j k een sterke b e h o e f t e aan ongeschonden n a t u u r en een veihge t o e k o m s t . O o k m e t h o d e n o m de mensen te vragen w e l k e bedragen ze er v o o r over hebben o m m i l i e u f u n c t i e s te herstellen en b e h o u d e n (willingness t o p a y o f willingness t o accept) z i j n o n t o e r e i k e n d v o o r het construeren v a n een voUedige vraagcurve naar m i l i e u f u n c t i e s , zeker o p m a c r o schaal en zeker b i j m i h e u f u n c t i e s w a a r v a n h u i d i g en toek o m s t i g leven a f h a n k e l i j k is^). S c h a d u w p r i j z e n die rechtstreeks v e r g e l i j k b a a r z i j n m e t m a r k t p r i j z e n k u n n e n derhalve niet w o r d e n g e v o n d e n . D i t h e e f t twee gevolgen. 1. H e t m a a t s c h a p p e l i j k o p t i m u m v a n de b e s c h i k b a a r h e i d v a n c o n c u r r e r e n d e m i l i e u f u n c t i e s k a n niet w o r d e n vastgesteld, o m d a t het p u n t o p de a a n b o d c u r v e w a a r v a n dat o p t i m u m z o u k u n n e n w o r d e n a f g e l e i d niet k a n w o r d e n b e p a a l d (zie f i g u u r 1). D a a r mee k a n de o p t i m a l e g r a a d an internalisatie - de bedragen die de " v e r v u i l e r s " ^ ) i n r e k e n i n g m o e t e n w o r d e n gebracht o m de m i l i e u b e l a s t i n g t o t het o p t i m a l e n i v e a u ter u g te b r e n g e n en te stabiliseren - e v e n m i n w o r d e n b e p a a l d . 2. H e t n e t t o e f f e c t v a n onze p r o d u k t i e v e en c o n s u m p t i e v e a c t i v i t e i t e n o p de o m v a n g en k w a l i t e i t v a n de schaarse goederen die ons (per j a a r ) ter b e s c h i k k i n g k o m e n - geproduceerde goederen é n m i l i e u f u n c t i e s - k a n niet w o r d e n b e p a a l d , o m d a t ze niet onder é é n n o e m e r k u n n e n w o r d e n gebracht, te w e t e n : g e l d . H e t gaat hier o m de i n t e r p r e t a tie v a n het b e g r i p economische g r o e i , w a a r o v e r al decennia l a n g w o r d t gediscussieerd. O v e r het eerste p u n t bestaan niet zo veel m i s v e r s t a n d e n . H e t is i n brede k r i n g b e k e n d dat n a t u u r en m i l i e u collectieve goederen z i j n die niet over de m a r k t k u n n e n w o r d e n verh a n d e l d . I e m a n d die er even b i j stil staat beseft dat als er v o o r een b e l a n g r i j k p r o b l e e m als d i t een g e m a k k e l i j k e o p l o s s i n g b e s t o n d , deze aUang z o u z i j n g e v o n d e n . D e m a t e v a n i n t e r n a l i s e r i n g i n de p r i j z e n v a n m i l i e u s c h a d e l i j k e a c t i v i t e i t e n is een kwestie v a n t r e k k e n en d u w e n i n de p o l i t i e k e b e s l u i t v o r m i n g , zoals iedereen k a n w a a r n e m e n . O v e r het tweede p u n t bestaan w é l veel m i s v e r s t a n d e n . Deze hebben te m a k e n m e t de i n t e r p r e t a t i e v a n de t o e n e m i n g v a n het p r o d u k t i e n i v e a u , zoals gemeten i n het n a t i o n a l e i n k o m e n , en o v e r de relatie tussen deze t o e n e m i n g en de toestand v a n het m i l i e u . W e z u l l e n h i e r o p i n g a a n i n de volgende p a r a g r a a f . 3. Milieu en groei l n de economische p o l i t i e k , de n i e u w s m e d i a en een deel v a n de economische h t e r a t u u r w o r d t economische g r o e i g e d e f i n i e e r d als t o e n e m i n g v a n de p r o d u k t i e , zoals gemeten i n het n a t i o n a l e i n k o m e n , en g e ï d e n t i f i c e e r d m e t e c o n o m i s c h succes en t o e n e m i n g v a n de
19 w e l v a a r t . E c o n o m i s c h e g r o e i , aldus g e d e f i n i e e r d , k r i j g t de hoogste p r i o r i t e i t i n de econ o m i s c h e p o h t i e k v a n alle l a n d e n i n de w e r e l d . T e g e l i j k e r t i j d zien we over de hele w e r e l d de t o e n e m i n g v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n volgens het h u i d i g e p a t r o o n gepaard gaan m e t de v e r n i e t i g i n g v a n het meest f u n d a m e n t e l e schaarse, dus economische goed w a a r o v e r de mens beschikt: het m i l i e u , onze f y s i e k e o m g e v i n g w a a r v a n we geheel a f h a n k e U j k z i j n . U i t deze simpele w a a r n e m i n g k u n n e n d r i e g e v o l g t r e k k i n g e n w o r d e n g e m a a k t . D e sam e n l e v i n g v a a r t o p een verkeerd k o m p a s , ten koste v a n het m i l i e u . E r is sprake v a n een v e r k e e r d g e b r u i k v a n t e r m e n , ten koste v a n het m U i e u . H e t g e l o o f i n v o o r t g a a n d e expon e n t i ë l e groei v a n de p r o d u k t i e , zoals gemeten i n het n a t i o n a l e i n k o m e n , v o r m t de k e r n v a n het m i h e u p r o b l e e m . W i e p r o d u k t i e g r o e i d e f i n i e e r t als economische g r o e i d e f i n i e e r t e c o n o m i e als p r o d u k t i e . Z o ' n d e f i n i t i e sluit o n d e r andere het schaarse miUeu b u i t e n de e c o n o m i e . Deze t e r m i n o logie brengt het sterke g e l o o f t o t u i t d r u k k i n g dat het e c o n o m i s c h gezien u i t s l u i t e n d goed gaat wanneer de p r o d u k t i e toeneemt. H i e r i n past de w i j d verbreide o v e r t u i g i n g dat toen e m i n g v a n de p r o d u k t i e n o o d z a k e l i j k is o m het m i h e u p r o b l e e m o p te lossen, o m d a t d i t r u i m t e schept v o o r de f i n a n c i e r i n g v a n het b e h o u d en herstel v a n het m i h e u . Deze stell i n g is u i t g a n g s p u n t i n de o f f i c i ë l e economische- en m i h e u p o l i t i e k . D e hier weergegeven o p v a t t i n g e n berusten o p een a a n t a l misverstanden w a a r v a n er h i e r twee z u l l e n w o r d e n b e s p r o k e n . H e t eerste m i s v e r s t a n d b e t r e f t het k e n o b j e c t v a n de e c o n o m i e . D i t is hier b o v e n al k o r t o m s c h r e v e n als de bestudering v a n de p r o b l e m e n die zich v o o r d o e n b i j de keuzen u i t schaarse goederen ter b e v r e d i g i n g v a n m e n s e l i j k e b e h o e f t e n . H e t gaat d a a r b i j o m aUe schaarse goederen, ongeacht o f ze d o o r de mens z i j n geproduceerd en ongeacht het f e i t o f ze v i a het m a r k t m e c h a n i s m e z i j n g e p r i j s d i n g e l d . W e l v a a r t is g e d e f i n i e e r d als de beh o e f t e b e v r e d i g i n g (satisfactie, v o l d o e n i n g , plezier) verkregen u i t de o m g a n g m e t schaarse goederen. D e mens w o r d t verondersteld z ó m e t schaarse goederen o m te g a a n dat z i j n b e h o e f t e b e v r e d i g i n g ( w e l v a a r t ) zo g r o o t m o g e l i j k w o r d t . W e l v a a r t s m a x i m a U s a t i e is een uiterst plausibele v e r o n d e r s t e l l i n g , b i j n a g e l i j k aan een t a u t o l o g i e . H e t tegendeel is i m mers o n z i n n i g . Gezien v a n u i t het k e n o b j e c t k a n economische v o o r u i t g a n g , economische g r o e i o f e c o n o m i s c h succes niets anders betekenen d a n t o e n e m i n g v a n de w e l v a a r t . Onze o m g a n g m e t schaarse goederen o f t e w e l ons e c o n o m i s c h handelen h e e f t succes als onze w e l v a a r t toeneemt. H e t w e l v a a r t s n i v e a u is echter niet alleen a f h a n k e l i j k v a n 1. het d o o r de mens g e p r o d u ceerde p a k k e t goederen en diensten (het n i v e a u v a n het n a t i o n a a l i n k o m e n ) , m a a r o o k v a n 2. de schaarse m i l i e u g o e d e r e n i n brede z i n , dat w i l zeggen i n c l u s i e f r u i m t e , energie, g r o n d s t o f f e n , p l a n t e - en d i e r s o o r t e n , 3. ( v r i j e ) t i j d , 4. i n k o m e n s v e r d e l i n g , 5. a r b e i d s o m s t a n d i g h e d e n , 6. werkgelegenheid en 7. de v e i l i g h e i d v a n de t o e k o m s t v o o r zover deze a f h a n g t v a n ons gedrag met b e t r e k k i n g t o t schaarse goederen. A l deze zeven f a c t o r e n spelen een r o l b i j onze o m g a n g m e t schaarse goederen. I n de p r a k t i j k v a n alle d a g m o e t e n ze v o o r t d u r e n d tegen elkaar w o r d e n a f g e w o g e n , h e t z i j rechtstreeks d o o r o n s z e l f hetz i j i n het proces v a n de p o h t i e k e b e s l u i t v o r m i n g . Geen v a n de f a c t o r e n k a n o p logische g r o n d e n a p r i o r i a a n s p r a a k m a k e n o p p r i o r i t e i t . D e p r i o r i t e i t h a n g t a f v a n de relatieve schaarste v a n de f a c t o r e n die o p haar b e u r t w o r d t bepaald d o o r de v o o r k e u r e n v a n de mensen.
H e t tweede m i s v e r s t a n d b e t r e f t de stelling dat de p r o d u k t i e m o e t groeien o m r u i m t e te scheppen^voor m i l i e u b e h o u d . D e stelling is aanvechtbaar, onder andere o m d a t de a f t a k e l i n g vaTï het m i h e u j u i s t het gevolg
is v a n de p r o d u k t i e g r o e i volgens het h u i d i g e pa-
t r o o n . D e p r o d u k t i e g r o e i , bereikt i n de N o o r d e l i j k e l a n d e n , is v o o r een g r o o t deel het g e v o l g v a n p r o d u k t i v i t e i t s v e r b e t e r i n g e n , w a a r b i j het verlies v a n schaarse m i l i e u g o e d e r e n
20
niet i n r e k e n i n g is g e b r a c l i t . A l s gevolg v a n de eenzijdige n a d r u k o p de t o e n e m i n g v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n w o r d e n het m i l i e u en de n a t u u r l i j k e h u l p b r o n n e n i n de o n t w i k k e l i n g s l a n d e n i n h o o g t e m p o u i t g e p u t , t e r w i j l j u i s t deze l a n d e n daar i n hoge m a t e a f h a n k e l i j k v a n z i j n . Deze gang v a n zaken bedreigt een h o u d b a r e (sustainable) o n t w i k k e l i n g o p lange t e r m i j n . W e i n i g mensen s c h i j n e n zich bewust te z i j n v a n het volgende. Ongeveer een k w a r t t o t een derde v a n de a c t i v i t e i t e n die het n a t i o n a l e i n k o m e n v o r m e n (met n a m e de p r o d u k t i e van de o v e r h e i d zoals bestuur en rechtspraak) dragen niet b i j t o t de groei e r v a n , o m d a t het m o e i l i j k o f o n m o g e l i j k is de o n t w i k k e h n g v a n de p r o d u k t i v i t e i t te m e t e n . B i j een ander deel z i j n de b i j d r a g e n aan de g r o e i v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n g e r i n g . D e i n de o f f i ciële p o h t i e k gewenste t o e n e m i n g v a n ten m i n s t e 3 % per j a a r (een v e r d u b b e l i n g v a n de p r o d u k t i e i n 23 j a a r ) , m o e t dus w o r d e n b e r e i k t d o o r veel hogere groeipercentages b i j de overige a c t i v i t e i t e n . Helaas z i j n dat n u j u i s t de a c t i v i t e i t e n die d o o r g e b r u i k v a n r u i m t e , b o d e m en g r o n d s t o f f e n en d o o r v e r v u i l i n g , b i j de p r o d u k t i e o f de c o n s u m p t i e ,
de
sterkste a a n t a s t i n g v a n het m i h e u v e r o o r z a k e n . T o t deze a c t i v i t e i t e n b e h o r e n onder andere de a a r d o h e v e r w e r k e n d e en petrochemische i n d u s t r i e , l a n d b o u w , o p e n b a r e nutsbed r i j v e n , w e g e n b o u w en d e l f s t o f f e n w i n n i n g . D i t b l i j k t u i t een analyse v a n het basis m a t e r i a a l v o o r de Nederlandse N a t i o n a l e R e k e n i n g e n , w a a r v a n de sectorale
samenstelling
niet b e d u i d e n d a f w i j k t v a n die v a n het V e r e n i g d K o n i n k r i j k , n o c h w a a r s c h i j n l i j k v a n die v a n de meeste andere N o o r d e l i j k e landen"*). W e hebben h i e r b o v e n gezien w a t de gevolgen z i j n v a n een t o e n a m e v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n v o o r het m i h e u . W e benaderen n u het m i s v e r s t a n d v a n de andere k a n t d o o r te k i j k e n naar de gevolgen v o o r de o m v a n g v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n v a n maatregelen v o o r het m i h e b e h o u d . E e n v e r s c h u i v i n g i n a c t i v i t e i t e n (re-allocatie) o m de u i t p u t t i n g v a n m i h e u en h u l p b r o n nen te v e r m i n d e r e n k a n langs twee wegen w o r d e n b e r e i k t . D o o r het v o o r s c h r i j v e n v a n milieusparende
maatregelen
aan p r o d u k t i e v e en c o n s u m p t i e v e
a c t i v i t e i t e n en
door
rechtstreekse v e r a n d e r i n g e n v a n p r o d u k t i e - en c o n s u m p t i e p a t r o n e n . D e eerste m e t h o d e , het v o o r s c h r i j v e n v a n maatregelen, zoals toepassing v a n a d d - o n v o o r z i e n i n g e n o f v e r a n d e r i n g v a n p r o d u k t i e p r o c e s s e n , h e e f t meestal r e ë l e p r i j s s t i j g i n g e n t o t g e v o l g . E e n r e ë l e p r i j s s t i j g i n g is i d e n t i e k aan een v e r m i n d e r i n g v a n de g r o e i v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n . (Bedenk dat, wanneer procesveranderingen niet leiden t o t hogere p r i j z e n o f zelfs t o t lagere p r i j z e n , er geen e c o n o m i s c h ( m i l i e u ) p r o b l e e m bestaat, zoals reeds eerder w e r d o p g e m e r k t . D e m a r k t brengt i n die gevallen de v e r a n d e r i n g e n " a u t o m a t i s c h " t o t stand.) H e t r e m m e n d e f f e c t o p de g r o e i v a n de p r o d u k t i e v a n consumeerbare goederen w o r d t t e n dele v e r h u l d d o o r d a t i n de sfeer v a n de extra v o o r z i e n i n g e n ten dele d u b b e l t e l l i n g o p t r e e d t b i j de samenstelling v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n . B i j de h u i d i g e conventies w o r d t m i h e u v e r l i e s n i e t a f g e b o e k t , m a a r miUeuherstel, v o o r zover d i t w o r d t g e f i n a n c i e r d d o o r de o v e r h e i d o f p r i v é personen, w e l b i j g e b o e k t . M a a r m e n zal het e f f e c t n i e t t e m i n k u n n e n w a a r n e m e n . W a n t n i e m a n d ervaart de b o u w v a n een z u i v e r i n g s i n s t a l l a t i e o f het aanb r e n g e n v a n een d r i e w e g k a t a l y s a t o r als een v e r h o g i n g v a n z i j n c o n s u m p t i e . V a a k k u n n e n technische maatregelen het p r o b l e e m niet echt oplossen. D a t k o m t d o o r dat de g r o e i v a n de activiteit het e f f e c t v a n de maatregel t e n dele, geheel o f meer d a n geheel teniet doet o f d o o r d a t de m a a t r e g e l , vanwege het c u m u l a t i e v e k a r a k t e r v a n de bel a s t i n g , slechts een v e r t r a g i n g v a n de verslechtering teweeg b r e n g t . I n deze gevallen is een rechtstreekse v e r a n d e r i n g v a n de a c t i v i t e i t e n p a t r o n e n , i n a a n v u l l i n g o p de technische m a a t r e g e l e n , de enige o p l o s s i n g ; deze k a n w o r d e n a f g e d w o n g e n d o o r v o o r s c h r i f t e n , verb o d e n en h e f f i n g e n . Z o is, naast toepassing v a n alle technische maatregelen, een halver i n g v a n het a a n t a l verreden a u t o k i l o m e t e r s en v a n de veestapel n o o d z a k e l i j k o m de N e -
21
derlandse b i j d r a g e aan de v e r z u r i n g v a n bossen en meren t o t staan te brengen. Rechtstreekse w i j z i g i n g v a n p r o d u k t i e - en c o n s u m p t i e p a t r o n e n
(de tweede m e t h o d e )
zal meestal eveneens leiden t o t een r e m o p de g r o e i v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n . D i t v o l g t u i t de z o j u i s t vermelde analyse v a n de N a t i o n a l e Rekeningen (de b i j d r a g e aan de groei v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n w o r d t v o o r n a m e l i j k geleverd d o o r milieubelastende a c t i v i t e i t e n ) . Fietsen k a n m i n d e r b i j d r a g e n t o t de groei d a n a u t o r i j d e n (het v o l u m e is veel g e r i n ger). H e t sparen v a n energie en m a t e r i a l e n r e m t de g r o e i v o o r zover d i t anticipeert o p p r i j s s t i j g i n g e n o f rendeert als gevolg v a n p r i j s s t i j g i n g e n . ( A l w e e r : wanneer d i t niet het geval is, bestaat er geen economisch m i l i e u p r o b l e e m . ) M a a r d e r g e l i j k e v e r a n d e r i n g e n i n a c t i v i t e i t e n p a t r o n e n zullen w é l de w e l v a a r t en de economische g r o e i i n de ware z i n d o e n t o e n e m e n , wanneer we f i e t s e n , b o n e n , bossen en een veiliger t o e k o m s t hoger w a a r d e r e n d a n files en een deel v a n onze vleesconsumptie.
Helaas is er geen m e t h o d e o m vast te
stellen o f d i t al d a n niet het geval is, zoals we i n p a r a g r a a f 2 hebben gezien. U i t het v o o r g a a n d e k a n de volgende conclusie w o r d e n g e t r o k k e n . D e stelling dat toen e m i n g v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n volgens het h u i d i g e p a t r o o n n o d i g is o m r u i m t e te scheppen v o o r f i n a n c i e r i n g v a n m i l i e u b e h o u d is o n j u i s t . De stelhng is te v e r g e l i j k e n met de aanbeveling o m het tropische r e g e n w o u d te k a p p e n o m m e t de opbrengst u i t de h o u t v e r k o o p de restanten i n stand te h o u d e n . H e t v e i h g stellen v a n het m i l i e u o p lange term i j n vergt het verleggen van de p r i o r i t e i t i n de (economische) p o l i t i e k v a n p r o d u k t i e g r o e i naar m i h e u b e h o u d . D i t betekent zeer beshst niet een " S t o p de g r o e i " gedachte, m a a r het verleggen v a n consumptieve en p r o d u k t i e v e a c t i v i t e i t e n i n een v o o r het m i l i e u a a n v a a r d b a r e r i c h t i n g v o o t het bereiken v a n een d u u r z a m e economische o n t w i k k e h n g , o m vervolgens a f te w a c h t e n hoeveel de p r o d u k t i e toeneemt. Z i j die, zoals veel p o l i t i c i en helaas o o k de opstellers v a n het zogenoemde B r u n d t l a n d r a p p o r t ^ ) , beide doelstelUngen ( p r o d u k t i e g r o e i en m i h e u b e h o u d ) aanbevelen l i j k e n ó f bUnd te z i j n v o o r de werk e l i j k h e i d v a n aUe dag ó f te speculeren op n o g niet u i t g e v o n d e n t e c h n o l o g i e ë n m e t als inzet de basis v a n ons bestaan. Z u l k e adviezen d o e n het m i h e u w a a r s c h i j n l i j k meer k w a a d d a n goed o m d a t z i j de k r a c h t e n achter de g r o e i v a n het n a t i o n a l e i n k o m e n versterken, t e r w i j l deze al veel sterker z i j n d a n de k r a c h t e n die het m i h e u verdedigen. E e n v e r a n d e r i n g v a n p r i o r i t e i t v a n p r o d u k t i e g r o e i naar m i U e u b e h o u d k a n z o w e l r i s i co's als t o e k o m s t i g e f i n a n c i ë l e verliezen v e r m i j d e n . H e r s t e l is i m m e r s meestal veel, t o t zeer veel d u u r d e r d a n het v o o r k ó m e n v a n miheuverlies. S o m m i g e verliezen z i j n onherstelbaar o f k u n n e n leiden t o t " o v e r s h o o t " situaties. D e v e r s c h u i v i n g v a n p r i o r i t e i t z o u o o k het onderzoek en de toepassing v a n m i l i e u v r i e n d e l i j k e t e c h n o l o g i e ë n veel sterker stim u l e r e n d a n het h u i d i g e o p p r o d u k t i e g r o e i gerichte b e l e i d . 4. Een praktische
oplossing
voor
een theoretisch
dilemma
U i t het v o o r g a a n d e v o l g t dat het m i l i e u v o o r t d u r e n d gevaar l o o p t s l a c h t o f f e r te w o r d e n v a n verkeerde o p v a t t i n g e n over economische g r o e i en w e l v a a r t , en de h i e r u i t v o o r t k o m e n d e eenzijdige n a d r u k v a n de economische p o l i t i e k o p t o e n e m i n g v a n de p r o d u k t i e , zoals gemeten i n het n a t i o n a a l i n k o m e n . M e d e d a a r o m is sedert de p e r i o d e w a a r i n het i n de v o r i g e p a r a g r a a f beschreven onderzoek p l a a t s v o n d , begin j a r e n zeventig, de r o e p o m een n a t i o n a a l i n k o m e n gecorrigeerd v o o r miheuverUes steeds sterker g e w o r d e n . T i j dens een w e r k b e z o e k i n 1986 aan I n d o n e s i ë w e r d s c h r i j v e r dezes g e p r i k k e l d d o o r de v o l gende o p m e r k i n g v a n de m i n i s t e r v a n P o p u l a t i o n a n d E n v i r o n m e n t : " I k heb v o o r m i j n beleid een i n d i c a t o r i n geldtermen n o d i g v o o r het verlies v a n m i l i e u en h u l p b r o n n e n , als tegenhanger v a n de i n d i c a t o r v o o r de p r o d u k t i e , het n a d o n a l e i n k o m e n . A l s een theoretisch zuivere i n d i c a t o r niet m o g e l i j k is, v e r z i n d a n m a a r een theoretisch w a t m i n d e r z u i vere." H e t a n t w o o r d o p deze vraag l i g t v o o r de h a n d : een r a m i n g gebaseerd o p n o r m e n v o o r
22
een d u u r z a a m g e b r u i k v a n het m i l i e u . H e t stellen v a n n o r m e n k w a m o o k al aan de o r d e i n de i n n o o t 1 geciteerde studie. M a a r d i t p u n t w e r d t o e n niet verder u i t g e w e r k t o m d a t de vraag " W e l k e n o r m e n en d o o r w i e g e s t e l d ? " niet k o n w o r d e n b e a n t w o o r d . D a a r i n is n u v e r a n d e r i n g g e k o m e n . D e samenleving h e e f t zich het a f g e l o p e n d e c e n n i u m , w e r e l d w i j d , i n steeds sterkere m a t e u i t g e s p r o k e n v o o r een d u u r z a m e , h o u d b a r e o f t e w e l sustainable economische o n t w i k k e U n g . D i t c r i t e r i u m v o o r m i h e u g e b r u i k h e e f t een sterke i m puls gekregen d o o r de p u b h k a t i e v a n het zo genoemde B r u n d t l a n d r a p p o r t ^ ) . D i t k a n w o r d e n opgevat als een u i t de samenleving naar v o r e n g e k o m e n p r e f e r e n t i e w a a r a a n n o r m e n k u n n e n w o r d e n o n t l e e n d v o o r het d u u r z a a m g e b r u i k v a n m i l i e u f u n c t i e s . T e c h n i s c h betekent d i t dat i n de bekende f i g u u r v a n de v r a a g - en a a n b o d c u r v e v a n m i U e u f u n c t i e s een p u n t o p de abscis m o e t w o r d e n b e p a a l d die de n o r m v o o r d u u r z a a m h e i d representeert. E e n l o o d l i j n o p d i t p u n t s n i j d t de a a n b o d c u r v e ; de l o o d l i j n v e r v a n g t de ( o n b e k e n de) v r a a g c u r v e , gebaseerd o p i n d i v i d u e l e v o o r k e u r e n . H e t s n i j p u n t geeft het v o l u m e v a n a c t i v i t e i t e n aan, gemeten i n g e l d t e r m e n , dat g e m o e i d is met het bereiked v a n een d u u r z a a m g e b r u i k v a n de f u n c t i e (zie f i g u u r 2 ) . D i t v o l u m e z a l vaak een m i x z i j n v a n benodigde technische maatregelen en de b e n o d i g d e v e r m i n d e r i n g v a n de a c t i v i t e i t e n d i e , o o k na toepassing v a n de maatregelen, vereist is o m een d u u r z a a m g e b r u i k v a n de f u n c t i e te b e r e i k e n .
V e r m i n d e r i n g v a n het n a t i o n a a l i n k o m e n ( Y ) m e t het gevonden v o l u m e levert een eerste b e n a d e r i n g v a n het a c t i v i t e i t e n n i v e a u o p d a t , volgens de toegepaste n o r m e n , h o u d baar is. D a a r n a a s t m o e t u i t e r a a r d de i n p a r a g r a a f 3 genoemde correctie v o o r d u b b e l t e l Ungen plaats v i n d e n . Deze w o r d e n eveneens v a n het n a t i o n a a l i n k o m e n a f g e t r o k k e n . W e n o e m e n het d u u r z a m e n i v e a u Y ' . H e t v e r s c h i l tussen Y en Y ' geeft, i n g e l d t e r m e n , aan hoever de samenleving is afgedreven v a n de gewenste d u u r z a m e o n t w i k k e l i n g .
figuur
2
23
V o o r alle d u i d e l i j k h e i d moge er o p w o r d e n gewezen dat het o m een statische benader i n g gaat. E f f e c t e n o p andere delen v a n de economie als gevolg v a n het n e m e n v a n m a a t regelen en het v e r m i n d e r e n v a n a c t i v i t e i t e n w o r d e n niet b e k e k e n . E v e n m i n w o r d e n te v e r w a c h t e n o n t w i k k e l i n g e n i n de b e n a d e r i n g b e t r o k k e n . H i e r v a n w o r d t a f g e z i e n , ten eerste o m d a t het d o e l v a n de exercitie een correctie v a n het c i j f e r v a n het n a t i o n a a l i n k o m e n is en niet het o n t w i k k e l e n v a n een t o e k o m s t v i s i e , en ten tweede o m d a t i n het te geb r u i k e n m o d e l een g r o o t a a n t a l a a n n a m e n i n g e b o u w d z o u d e n m o e t e n w o r d e n . H e t hierna volgende z o u als een u i t z o n d e r i n g h i e r o p k u n n e n w o r d e n b e s c h o u w d . V e r m i n d e r i n g v a n Y m e t de d u b b e l t e l h n g e n , de kosten v a n maatregelen o m een d u u r zame samenleving te bereiken en de toegevoegde waarde v a n de a c t i v i t e i t e n die i n o m v a n g m o e t e n w o r d e n teruggebracht, geeft een eerste b e n a d e r i n g v a n Y ' . D e gestaakte milieubelastende a c t i v i t e i t e n z u l l e n i n de meeste gevallen w o r d e n vervangen d o o r m i l i e u v r i e n d e l i j k e a l t e r n a t i e v e n . H e t m i l i e u p r o b l e e m is i n wezen een a l l o c a t i e p r o b l e e m . H e t gaat o m een v e r s c h u i v i n g v a n het a c t i v i t e i t e n p a t r o o n i n een m i h e u v r i e n d e l i j k e r i c h t i n g . Die v e r s c h u i v i n g ontstaat z o w e l d o o r het d u u r d e r w o r d e n v a n p r o d u k t e n als g e v o l g v a n maatregelen als d o o r rechtstreekse v e r m i n d e r i n g v a n sterk belastende a c t i v i t e h e n . D e eerste b e n a d e r i n g v a n Y ' m o e t derhalve w o r d e n o p g e h o o g d met de toegevoegde w a a r d e jvan de a c t i v i t e i t e n die o n t s t a a n na v e r m i n d e r i n g v a n de sterk belastende a c t i v i t e i ten en d o o r het w e g v a l l e n v a n de compensatiemaatregelen. H i e r tekent z i c h een iteratieve b e r e k e n i n g a f . E r bestaan i m m e r s w e i n i g a c t i v i t e i t e n die het m i l i e u i n het geheel niet belasten. D e vervangende a c t i v i t e h e n k u n n e n leiden t o t o v e r s c h r i j d i n g v a n de n o r m e n en derhalve t o t de n o o d z a a k v a n verdere re-allocatie. H e t l i j k t v e r s t a n d i g deze, meer d y n a m i s c h e , a a n p a k u i t te stellen t o t een tweede fase v a n onderzoek en de eerste fase te beperken t o t een eerste b e n a d e r i n g v a n Y ' . Het
bekende bezwaar tegen de b o e k i n g v a n herstelmaatregelen
als f i n a l e l e v e r i n g i n
plaats v a n als i n t e r m e d i a i r (kosten) doet zich b i j Y ' niet v o o r . D i t bezwaar bestaat e r u i t dat het m i l i e u b u i t e n het Systeem v a n N a t i o n a l e R e k e n i n g e n ( S N A ) b l i j f t wanneer m i heuverlies ontstaat (verlies w o r d t niet a f g e b o e k t ) , m a a r w e l - z i j het g e d e e h e l i j k - i n het SNA
w o r d t o p g e n o m e n wanneer verhes w o r d t hersteld (herstel w o r d t b i j g e b o e k t ) . D h
m a a k t i n f e h e verschillende j a r e n o n v e r g e l i j k b a a r . V a n d a a r de reeds decennia
durende
a a n d r a n g o p correctie v o o r d u b b e l t e l l i n g e n . O m d a t miheuverlies b i j Y ' is a f g e b o e k t m o e t herstel hier l o g i s c h e r w i j s w o r d e n b i j g e b o e k t . E e n t o e n e m i n g v a n Y ' o n t s t a a t u h e r a a r d o o k b i j het g o e d k o p e r w o r d e n v a n schone t e c h n o l o g i e ë n en stromingsenergie. D e aftrekpost w o r d t dan immers kleiner.
NOTEN 1. R. Hueting. Nieuwe schaarste en economische groei. Amsterdam 1974, of de bijgewerkte Engelse editie hiervan, New Scarcity and Economie Growth. Amsterdam, Oxford, New York, 1980. 2. R. Hueting. Correcting National Income for Environmental Losses: Toward a Practical Solution. In: Y.J. Ahmad, S. EI Serafy, E. Lutz, Environmental Accounting for Sustainable Development. The World Bank, Washington, D . C , 1989. 3. De aanhalingstekens zijn geplaatst omdat milieubelasting veel meer omvat dan vervuiling, zoals volgt uit de voorgaande tekst. 4. R. Hueting. De relatie tussen produktiegroei en energieverbruik. Maakt groeifanatisme blind? In: Ecoiwmisch-Statistische Berichten, 24 juni 1981, blz. 609 e.v. 5. The World Commission on Environment and Deveiopment. Our Common Future. Oxford New York, 1987.
M A G N E T I S C H E ACTIVITEIT IN Z O N E N STERREN door C. Zwaan
1. Het gezicht
van de
Zon
I n " w i t l i c l i t " v e r t o o n t de Z o n zicii als een v r i j w e l c i r l t e l r o n d e s c h i j f , die a a n de r a n d e n duidelijl<: m i n d e r helder is d a n i n het m i d d e n . B i j scherp toezien b l i j k t het beeld o v e r d e k t te z i j n met een p a t r o o n v a n heldere k o r r e l s , de zogenoemde granulen.
Z o ' n granule heeft
een diameter tussen 500 en 2000 k m , en de l e e f t i j d bedraagt slechts t i e n m i n u t e n . H e t g r a n u l a t i e p a t r o o n is p e r m a n e n t over de gehele s c h i j f aanwezig. Meestal z i j n er d o n k e r e zonnevlelclcen dere faldcels.
z i c h t b a a r , en ( n a b i j de r a n d v a n de s c h i j f ) hel-
Deze m a r k a n t e a f w i j k i n g e n i n de overigens c i r k e l s y m m e t r i s c h e z o n n e s c h i j f
leven een beperkte t i j d - de meeste z o n n e v l e k k e n bestaan niet meer d a n enkele w e k e n , slechts een e n k e l i n g h o u d t het enkele m a a n d e n u i t . H e t zal b e k e n d z i j n d a t het a a n t a l v l e k k e n (en f a k k e l s ) varieert volgens een w a t slordige cyclus met een p e r i o d e v a n ongeveer e l f j a a r . W i j k o m e n o p deze u i t i n g e n v a n z o n n e - a c t i v i t e i t nader t e r u g . H e t globale en t i j d s o n a f h a n k e l i j k e u i t e r l i j k v a n de Z o n w o r d t bepaald d o o r de eigenschappen v a n een stabiele, d o o r de z w a a r t e k r a c h t b i j e e n g e h o u d e n b o l gas w a a r b i j i n de centrale delen d o o r k e r n f u s i e w a t e r s t o f w o r d t omgezet i n h e h u m . De i n het c e n t r u m o p gewekte e n e r g i e s t r o o m l e k t a a n v a n k e l i j k als s t r a l i n g naar b u i t e n , t o t w a a r het zonnegas te o n d o o r z i c h t i g is o m deze e n e r g i e s t r o o m als s t r a l i n g d o o r te geven. H e t gas is daar c o n vectief i n s t a b i e l : hetere bellen gas s t i j g e n o p en i e t w a t koelere bellen d a l e n , en o p deze w i j z e w o r d t de energiestroom verder naar b u i t e n gesluisd. Deze convectieve m a n t e l is 200000 k m d i k - een f l i n k deel v a n de straal v a n de Z o n w e l k e v r i j precies 700000 k m bedraagt. D i r e k t o m de convectieve m a n t e l hgt de z o n n e - a t m o s f e e r v a n w a a r de energ i e s t r o o m als elektromagnetische s t r a h n g de Z o n verlaat. D e b u l k v a n z o n n e s t r a l i n g w o r d t i n het zichtbare en i n f r a r o d e spektrale gebied uitgez o n d e n d o o r de onderste laag v a n de a t m o s f e e r : de fotosfeer.
D e f o t o s f e e r is slechts ca.
300 k m d i k ; de t e m p e r a t u u r v a l t naar b u i t e n toe a f . D a a r o m is de z i c h t b a r e z o n n e s c h i j f het helderste i n het m i d d e n : v a n daar b e r e i k t ons strahng u i t g e m i d d e l d de diepste - en dus heetste en dus meest helder stralende - lagen. D e e f f e c t i e v e t e m p e r a t u u r , d i t is de m i d d e l b a r e t e m p e r a t u u r v a n de f o t o s f e e r , bedraagt 5800 K ( K e l v i n , d i t is Celsius plus 273). U i t de onderliggende convectieve m a n t e l schieten convectieve bellen d o o r t o t i n de f o tosfeer, en v e r o o r z a k e n zo de g r a n u l e n , m e t diameters v a n 500 t o t 2000 k m . N a u w k e u r i ge w a a r n e m i n g e n hebben o o k een grootschahger c o n v e c t i e f snelheidsveld aan het h c h t g e b r a c h t : de siipergranuiatie.
Deze supergranulatie is waarneembaar als een snelheidspa-
t r o o n v a n cellen met diameters v a n ca. 30000 k m met v o o r n a m e l i j k h o r i z o n t a l e u i t s t r o m i n g . Evenals de g r a n u l a t i e o v e r d e k t o o k de supergranulatie de gehele z o n n e s c h i j f , beh a l v e de z o n n e v l e k k e n en gebieden m e t veel f a k k e l s .
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 2 oktober 1989.
25
Het h i e r b o v e n geschetste beeld: de Z o n als een d o o r de zwaartelcracht b i j e e n g e h o u d e n gasbol, met k e r n f u s i e i n de centrale delen, v e r k l a a r t de c i r k e l s y m m e t r i s c h e z o n n e s c h i j f , en o o k het o p t r e d e n v a n convectieve verschijnselen ( g r a n u l a t i e en s u p e r g r a n u l a t i e ) is w e l b e g r i j p e l i j k . D e zogenoemde differentiële
rotatie
(de r o t a t i e p e r i o d e bedraagt aan de
zonne-equator 25 dagen en aan de p o l e n r u i m 30 dagen) k a n d a n v e r k l a a r d w o r d e n als een interacde v a n r o t a t i e en convectie i n de m a n t e l v a n de Z o n . M a a r de v e r k l a r i n g v a n v l e k k e n en f a k k e l s , die m a r k a n t e en t i j d s a f h a n k e l i j k e d o o r b r e k i n g e n v a n c i r k e l s y m m e t r i e , vereist extra k r a c h t e n naast de z w a a r t e k r a c h t . V o o r d a t w i j ons daarmee gaan bezigh o u d e n b e k i j k e n w i j eerst de gehele Z o n n o g eens, m a a r n u m e t andere ogen. T i j d e n s t o t a l e z o n s v e r d u i s t e r i n g e n o n t d e k t e m e n dat de Z o n zich verder u i t s t r e k t d a n de i n " w i t h c h t " z i c h t b a r e s c h i j f . Z o d r a de M a a n die felstralende f o t o s f e e r h e e f t afges c h e r m d w o r d t een p u r p e r r o d e s i k k e l zichtbaar. D i t is een deel v a n de chrothosfeer, een ca. 5000 a 10000 k m d i k k e gasschil die de f o t o s f e e r o m h u l t . O m deze c h r o m o s f e e r spreidt zich de corona u i t : een z i l v e r g r i j z e h c h t k r a n s met veel s t r u k t u u r - de langste m e t het b l o t e o o g z i c h t b a r e u i t l o p e r s z i j n meer d a n een s c h i j f d i a m e t e r l a n g , dus z o ' n paar miljoen k m . T e g e n w o o r d i g k a n m e n c h r o m o s f e e r en c o r o n a o o k z i c h t b a a r m a k e n z o n d e r dat daar een t o t a l e z o n s v e r d u i s t e r i n g v o o r n o d i g is. D e c h r o m o s f e e r k a n w a a r g e n o m e n w o r d e n met heel smalle k l e u r f i h e r s , die u i t s l u i t e n d het h c h t d o o r l a t e n i n de k e r n v a n een sterke spektrale l i j n u i t het z i c h t b a r e o f u l t r a v i o l e t t e deel v a n het s p e k t r u m . M e n ziet de c h r o m o s f e e r z i c h d a n o o k a f t e k e n e n tegen de f o t o s f e e r - dat k o m t o m d a t het zonnegas i n de kernen v a n sterke spektrale l i j n e n een m i l j o e n m a a l m i n d e r d o o r z i c h t i g is d a n i n het c o n t i n u ü m o f i n " w i t h c h t " - t e r w i j l m e n i n w i t h c h t dwars d o o r de c h r o m o s f e e r heenk i j k t , is die laag i n het Ucht v a n z o ' n spektrale l i j n geheel o n d o o r z i c h d g . De
c h r o m o s f e e r v e r t o o n t een v e r b i j s t e r e n d e r i j k d o m aan s t r u k t u u r - de
zonne-
a t m o s f e e r ziet er daar geheel anders u i t d a n slechts een paar d u i z e n d k m lager, i n de f o tosfeer. T o c h h e r k e n n e n w i j o o k w e l elementen u i t de f o t o s f e e r : de v l e k k e n z i j n present, en de f a k k e l s z i j n n u niet alleen b i j de r a n d d o c h over de hele s c h i j f als heldere s t i p p e n z i c h t b a a r . V o o r a l i n het Ucht i n de sterkste l i j n e n v a n g e ï o n i s e e r d c a l c i u m , de Ca I I H en K l i j n e n aan de v i o l e t t e r a n d v a n het z i c h t b a r e s p e k t r u m , z i j n die f a k k e l s p r a c h t i g z i c h t b a a r . D e c h r o m o s f e e r is w a t heter d a n de f o t o s f e e r : z o ' n 10000 a 30000 K . D e c o r o n a is u i t s t e k e n d w a a r te n e m e n i n zachte r ö n t g e n s t r a U n g : h o e w e l u i t e r s t i j l m a a k t de zeer hoge t e m p e r a t u u r v a n een paar m i l j o e n K e l v i n dat de c o r o n a helder a f steekt tegen de r e l a t i e f k o u d e f o t o s f e e r v a n n o g geen 6000 K . O o k i n r ö n t g e n U c h t t o o n t de c o r o n a een uiterst r i j k e s t r u k t u u r , die b o v e n d i e n sterk v e r a n d e r l i j k b l i j k t te z i j n . D e helderste p a r t i j e n bestaan u i t lussen en bogen die zich b o v e n v l e k k e n en f a k k e l v e l d e n bevinden. O p de r i j k e c h r o m o s f e r i s c h e en c o r o n a l e s t r u k t u u r k o m e n w i j n o g t e r u g . H i e r schenken w i j even aandacht aan die hoge t e m p e r a t u r e n , die l i j k e n te s p o t t e n m e t onze n o t i e d a t de p o t niet heter k a n z i j n d a n het v u u r , o f w e l dat de buitenste a t m o s f e e r niet heter k a n z i j n d a n d é f o t o s f e e r v a n 5800 K . M e n v e r k l a a r t die hoge t e m p e r a t u r e n d a n o o k niet m e t v e r h i t t i n g d o o r e l e k t r o m a g n e t i s c h e s t r a l i n g - die h e e f t o p die uiterst i j l e en v o l l e d i g d o o r z i c h t i g e c o r o n a t r o u w e n s t o c h geen v a t . I n de t o p v a n de convecdezone, w a a r de bellen h e f t i g bewegen, w o r d e n mechanische g o l v e n o p g e w e k t die d o o r de a t m o s f e e r naar b u i t e n l o p e n . H e t eenvoudigste t y p e v a n die mechanische g o l v e n z i j n de gewone geluidsg o l v e n . I n de aanwezigheid v a n een z w a a r t e k r a c h t v e l d en magnetische v e l d e n z i j n echter vele s o o r t e n mechanische g o l v e n m o g e l i j k . O m d a t de g a s d i c h t h e i d naar b u i t e n toe sterk a f v a h m o e t e n die g o l v e n h u n energie overdragen aan de a t o m e n v a n het gas. E n o m d a t het gas zo i j l is w o r d e n de i n d i v i d u e l e a t o m e n d a a r b i j t o t zeer hoge snelheden
opge-
26 zweept, met andere w o o r d e n : de t e m p e r a t u u r v a n het gas w o r d t zeer h o o g . D i t alles o n danlcs het f e i t d a t de energiestroom i n de mechanische g o l v e n m i n d e r d a n een p r o m i l l e is v a n de e n e r g i e s t r o o m die de Z o n verlaat als elektromagnetische s t r a h n g ( z i c h t b a a r h c h t en i n f r a r o d e s t r a h n g ) . 2. Magnetisme
en
convectie
Z e e m a n o n t d e k t e i n het l a b o r a t o r i u m dat s o m m i g e spektrale l i j n e n zich splitsen i n d i e n g e v o r m d i n een sterk magnetisch v e l d . K o r t d a a r n a , i n 1908, leidde George E l l e r y H a l e u i t de spektra v a n z o n n e v l e k k e n a f dat daar sterke velden heersen, tussen ongeveer 2500 en 3000 gauss (0.25 en 0.30 Tesla). T e r v e r g e l i j k i n g : n a b i j de magnetische p o l e n v a n de aarde bedraagt de veldsterkte 0.6 gauss. N a deze o n t d e k k i n g is de betekenis v a n m a g n e t i sche v e l d e n i n de a s t r o f y s i c a steeds d u i d e l i j k e r g e w o r d e n . D e techniek o m m e t b e h u l p v a n het Z e e m a n e f f e c t magnetische velden o p de Z o n te m e t e n is i n m i d d e l s zo ver g e p e r f e c t i o n e e r d dat m e n magnetische k a a r t e n men)
(magnetogram-
k a n m a k e n w a a r o p de p o l a r i t e i t en de magnetische f l u x d i c h t h e i d (veldsterkte) z i j n
aangegeven. H e t magnetische v e l d b l i j k t o p een heel i n g e w i k k e l d e m a n i e r over de f o t o sfeer verdeeld te z i j n . H e t veld is geconcenteerd i n r e l a t i e f kleine elementen v a n hoge v e l d s t e r k t e , die gebed z i j n i n gebieden v r i j w e l zonder magnetisch v e l d . Z o w e l de vlfekken als de f a k k e l s b l i j k e n precies m e t sterk magnetische gebiedjes samen te v a l l e n . D e kleinste magnetische elementjes k o m e n overeen m e t de netwericvloicjes,
die goed z i c h t -
baar z i j n i n het l i c h t v a n de Ca I I H en K l i j n k e r n e n , en die i n een n e t w e r k a c h t i g e s t r u k t u u r o m de supergranulatiecellen b l i j k e n te l i g g e n . Z e t m e n de magnetische elementen o p een r i j naar g r o o t t e , d a n b l i j k e n o o k de overige eigenschappen g e l e i d e l i j k te v e r a n d e r e n . D e v l e k k e n z i j n de grootste elementen, m e t de grootste t o t a l e magnetische f l u x . Z i j b e z i t t e n een d o n k e r e k e r n , de umbra, heen de w a t m i n d e r d o n k e r e , radieel gestreepte penumbra.
Poriën
met daarom
z i j n k l e i n e r e , meestal
r o n d a c h t i g e v l e k j e s , zonder p e n u m b r a . D e kleinste elementen, de f a k k e l s en de n e t w e r k v l o k j e s , z i j n helder, o o k i n " w i t h c h t " , althans i n d i e n gezien n a b i j de r a n d v a n de s c h i j f . D e magnetisclie
Icnopen
v o r m e n de o v e r g a n g v a n d o n k e r naar h c h t ; o p zeer scherpe f o -
t o ' s v e r s c h i j n e n z i j als i e t w a t d o n k e r e k n o o p j e s , m e t een helder r a n d j e . I n de o n derstaande t a b e l z i j n de eigenschappen i n de h i ë r a r c h i s c h e r i j gerangschikt:
veldsterkte
magnetische naam
contrast
f l u x ( i n lO's
diameter
( i n kgauss o f
M x o f 10'" W b )
(in M m )
0.1 Tesla)
v a n 30 000
v a n 56 (23)
2.9 0.4 t o t
penumbra)
donker
t o t 500
t o t 8 (4.0)
2.4 0.2
poriën
donker
250 t o t 50
3.6 t o t 1.4
2.2 0.2
-10
-1.0
1.5 t o t 2.0
helder
30 t o t 5
zie onder
zie o n d e r
helder
-0.5?
-0.2
1.5 0.4
vlekken (umbra met
knopen (microporiën) f a k k e l s en n e t w e r k -
~
v l o k k e n , bestaan u i t : fluxfibers
F a k k e l s en n e t w e r k v l o k k e n bestaan u i t v r i j losjes b i j elkaar gehouden f l u x f i b e r s , die slechts tussen 10 en 3 0 % v a n het f o t o s f e r i s c h o p p e r v l a k i n de f a k k e l o f de v l o k v u l l e n . O o k v l e k k e n en p o r i ë n z i j n u i t d u n n e f l u x b u i z e n samengesteld, m a a r die z i j n b l i j k b a a r zo g o e d samengesmohen dat de b e d e k k i n g s g r a a d v r i j w e l 100% is.
27
400 km
Fig. 1: Hel magnetostatisclte fiuxbuismodel voor een Idein magnetisch element. Alleen binnen de buis is er een sterk magnetisch veld B. In de wand van de fluxbuis lopen er op alle hoogten in de convecdezone elektrische stromen j. De inwendige energiefluxdichtheid Fl is veel kleiner dan de convectieve warmtefluxdichtfieid F,, binten de buis. WD stelt de Wilsondepressie voor (zie tekst); de gegolfde pijlen F,^ symboliseren de zijdelingse instraling.
M e r k o p dat de veldsterkte ( f l u x d i c h t h e i d ) i n de dunste f i b e r s w e i n i g m i n d e r is d a n i n de grootste v l e k k e n : de v e r h o u d i n g is slechts een f a c t o r 2, t e r w i j l de totale m a g n e t i sche f l u x e n met een f a c t o r 50000 u i t e e n l o p e n . De g l o b a l e eigenschappen v a n de hele h i ë r a r c h i s c h e reeks magnetische elementen z i j n te b e g r i j p e n met een reeks magnetostatische
fluxbuismodellen.
I n deze m o d e l l e n w o r d t ,
naast m e t de z w a a r t e k r a c h t en de d r u k k r a c h t ten gevolge v a n de g a s d r u k , n u o o k met de elektromagnetische L o r e n t z k r a c h t gerekend. A a n g e n o m e n w o r d t dat er geen sterke g a s s t r o m i n g e n o p t r e d e n (van daar dat: -statische). E e n consequentie v a n de L o r e n t z k r a c h t is de magnetische
druk,
die b i j een veld met e v e n w i j d i g e en rechte
veldlijnen
d w a r s o p het veld w e r k t . D i e magnetische d r u k neemt evenredig met het k w a d r a a t v a n de veldsterkte toe. Z o ' n f l u x b u i s m o d e l gaat u i t v a n een f l u x b u i s met een sterk magnetisch v e l d , die v e r t i k a a l i n de t o p v a n de convectieve m a n t e l en atmosfeer staat en die o m r i n g d is d o o r gas z o n d e r v e l d , zie Fig. 1. N u k a n het hete, sterk g e ï o n i s e e r d e gas b i n n e n het sterke magnetische veld niet v r i j w e r v e l e n , w a n t het gas k a n alleen m a a r precies langs het v e l d s t r o m e n . D a a r d o o r w o r d t de convectie b i n n e n de f l u x b u i s ernstig g e h i n d e r d en d a a r d o o r l o o p t daar een veel kleinere e n e r g i e s t r o o m d a n b u i t e n de buis. B i j g e v o l g nemen de f o t o sfeer en de v l a k daarondergelegen lagen b i n n e n de buis veel lagere t e m p e r a t u r e n aan d a n de o v e r e e n k o m s t i g e lagen b u i t e n de buis (en d a a r o m z i j n z o n n e v l e k k e n dus d o n k e r d e r
28
d a n de o m r i n g e n d e f o t o s f e e r ) . D i e lagere t e m p e r a t u u r leidt o p zichzelf al t o t een lagere gasdruk b i n n e n de buis, en dat e f f e c t w o r d t n o g eens versterkt d o o r d a t i n het koelere gas de d r u k sterker met de hoogte a f v a l t . Tengevolge v a n die lagere i n w e n d i g e g a s d r u k w o r d t de buis d o o r de hogere externe g a s d r u k samengedrukt t o t d a t de s o m v a n de i n wendige g a s d r u k en de magnetische d r u k g e l i j k is aan de u i t w e n d i g e g a s d r u k . M e t andere w o o r d e n ; het i n w e n d i g e v a n de f l u x b u i s is i n magnetostatisch
evenwicht
met de b u i -
t e n w e r e l d ; de g a s d r u k b i n n e n de buis, die lager is d o o r de lagere t e m p e r a t u u r , is met de o m g e v i n g i n evenwicht d o o r de extra magnetische d r u k b i n n e n de b u i s . H e t m a g n e t i sche veld l i j k t sterk o p dat n a b i j het u i t e i n d e v a n een lange draadspoel. O o k de gasdichtheid is b i n n e n de buis veel kleiner d a n e r b u i t e n - d a a r d o o r k u n n e n w i j daar w a t dieper naar b i n n e n k i j k e n . I n d e r d a a d w o r d t w a a r g e n o m e n dat zonnevlekken dieper hggen d a n de o m g e v i n g - deze zogenoemde Wilsondepressie bedraagt ongeveer 600 k m . De lagere i n t e r n e d i c h t h e i d m a a k t de b u i z e n l i c h t e r d a n de o m g e v i n g , zodat z i j d o o r de d r i j f k r a c h t v e r t i k a a l w o r d e n gezet - en dat w o r d t i n d e r d a a d w a a r g e n o m e n . D e lage i n t e r n e d i c h t h e i d v e r k l a a r t o o k dat de dunste buizen als heldere elementen z i c h t b a a r z i j n : u i t de hetere convecdezone d r i n g t strahng de t o p v a n de buis z i j d e l i n g s b i n n e n {Fig. 1). V o o r a l de w a n d e n v a n de buis w o r d e n heet, en d a a r o m w o r d e n f a k k e l s b i j scheve w a a r n e m i n g , dus v l a k b i j de r a n d v a n de z o n , zo m o o i helder gezien. D e geschetste eenvoudige f l u x b u i s m o d e l l e n geven rekenschap v a n heel w a t waarnem i n g s f e i t e n , m a a r er z i j n n o g een paar p i t t i g e vragen b l i j v e n liggen. W a a r o m is de c h r o m o s f e e r j u i s t i n de t o p p e n v a n de f l u x b u i z e n zo helder, dus: zo heet? E r w o r d t n o g steeds gezocht naar een goede k w a n t i t a t i e v e theorie v o o r de v e r h i t t i n g v a n de
magnetische
s t r u k t u u r i n c h r o m o s f e e r en c o r o n a - v e r m o e d e l i j k d o o r mechanische g o l v e n . M e t het bovenstaande
magnetostatische m o d e l is de mogelijlcheiti
v a n f l u x b u i z e n als
s t r u k t u r e n i n mechanisch e v e n w i c h t met de o m g e v i n g weliswaar a a n g e t o o n d , d o c h de v r a a g naar het ontstaan
is daarmee n o g niet b e a n t w o o r d . Studie v a n w a a r n e m i n g e n en
theoretische overwegingen hebben geleid t o t het volgende m o d e l v o o r het o n t s t a a n v a n een b i p o l a i r magnetisch gebied met f a k k e l s en v l e k k e n : O p grote diepte i n de convecdeve m a n t e l liggen b i j n a oost - west g e o r i ë n t e e r d e bundels v a n magnetische f l u x b u i z e n . Z o d r a een lus begint op te s t i j g e n zet deze b e w e g i n g zich d o o r , w a n t de magnetische b u i z e n z i j n iets l i c h t e r d a n de o m g e v i n g . T e n s l o t t e d u i k t de lus o p i n de a t m o s f e e r , en v o r m t zo een b i p o l a i r gebied i n f o t o s f e e r en c h r o m o s f e e r , en een systeem v a n lussen i n de c o r o n a . D e o p d u i k e n d e veldlus is a a n v a n k e l i j k niet i n evenw i c h t met de o m g e v i n g , en dat leidt t o t dynamische e f f e c t e n . W i j schatten dat de veldsterkte b i j a a n k o m s t i n de f o t o s f e e r een paar h o n d e r d gauss bedraagt. H e t gas i n de buis is a a n v a n k e l i j k heet, d o c h de u i t s t r a l i n g w o r d t niet geheel gecompenseerd d o o r w a r m t e t o e v o e r v a n beneden, w a n t o o k het a a n v a n k e l i j k n o g niet zo sterke magnetische veld h i n d e r t de convecde al enigszins. H e t gas i n de buis begint dus a f te k o e l e n . D e meegebrachte d i c h t e m a t e r i e g l i j d t langs de v e l d l i j n e n n a a r beneden. Deze dalende beweging w o r d t i n de m a n t e l d o o r de convectieve i n s t a b i l i t e i t v e r s t e r k t en d a a r b i j treedt extra a f k o e h n g ten opzichte v a n de o m g e v i n g o p . D e g a s d r u k i n de b i j n a leeglopende en a f k o e l e n d e buis daalt snel, en d a a r d o o r k l a p t de buis i n de f o t o s f e e r en de t o p v a n de convectieve m a n t e l samen. B i j d i t convectieve magnetische
samenfclappen
l o o p t de
veldsterkte op t o t d a t er een evenwicht b e r e i k t is. D i e statische
even-
w i c h t s t o e s t a n d k e n n e n we a l : de magnetostatische f l u x b u i s ! Per lusje d u u r t het hele proces v a n o p d u i k e n en samenklappen m i n d e r d a n een h a l f u u r - en d a n z i j n er aan de u i t e i n d e n twee f a k k e l s g e v o r m d . M a a r een f l i n k e lus k a n u i t een d i k k e b u n d e l v a n een g r o o t a a n t a l i n d i v i d u e l e lusjes bestaan. E r k u n n e n zich d a n o o k p o r i ë n en v l e k k e n v o r m e n d o o r s a m e n k l o n t e r i n g v a n kleinere elementen. B l i j k b a a r
29
wordt zo'n dikke bundel
fluxbuizen
diep i n de convectiezone b i j elkaar g e h o u d e n , zodat
de lichte t o p p e n v a n de ( b i j n a lege) b u i z e n naar elkaar toe d r i j v e n - zoals een bos baUonnetjes w a a r v a n de t o u w t j e s b i j elkaar gehouden w o r d e n . H e t bovenstaande schetst hoe b i n n e n een dag o f i n enkele dagen een b i p o l a i r actief gebied g e v o r m d w o r d t , compleet met f a k k e l v e l d e n en z o n n e v l e k k e n . D e s c h i j n b a a r ingew i k k e l d e s t r u k t u u r i n de c h r o m o s f e e r en i n de c o r o n a b l i j k t d i r e k t met de l o k a l e magnetische s t r u k t u u r samen te hangen: het hele gezicht v a n de Z o n is d o o r convectie en d o o r magnetische velden b e p a a l d . K l e i n e actieve gebieden leven enkele dagen, en de grotere enkele m a a n d e n . O n d e r i n v l o e d v a n de convectie b r o k k e l e n de actieve gebieden af; de b r o k s t u k j e s k o m e n als de v l o k k e n i n het n e t w e r k terecht. M e r k o p dat de magnetische s t r u k t u u r i n de zonne-atmosfeer het gevolg is v a n een i n tensieve wisselwerking pen t o t sterke
tussen inagnetiscli
fluxbuizen
veld en convectie.
H e t convectieve s a m e n k l a p -
berust o p de b e l e m m e r i n g v a n de convectie d o o r sterk magne-
tisch v e l d , hetgeen de b i n n e n de
fluxbuizen
sterk a f w i j k e n d e t e m p e r a t u u r - en d r u k v e r d e -
h n g e n m o g e l i j k m a a k t . O m g e k e e r d : grootschahge convectieve s t r o m i n g e n zetten d u n n e fluxbuizen
o p z i j - d a a r o m z i t t e n de magnetische n e t w e r k v l o k k e n aan de r a n d e n v a n de
supergranulatiecellen. Samengevat: magnetisch veld en convectie p o g e n elkaar b u i t e n te sluiten en naast elkaar te bestaan, i n een w a t o n g e m a k k e l i j k e c o ë x i s t e n t i e . 3. Activiteitscyclus
en
dynamo
H e t a a n t a l v l e k k e n v a r i ë e r t met een p e r i o d e v a n ongeveer e l f j a a r , zie Fig. 2. Deze zonnevlekkencyclus is w e l w a t r o m m e l i g : de periode s c h o m m e l t o m die e l f j a a r , en de hoogte v a n de m a x i m a varieert sterk. D e actieve gebieden t r e d e n o p i n de activiteitsgordels die zich aan weerszijden v a n de zonne-equator u i t s t r e k k e n t o t h e l i o g r a f i s c h e breedten v a n ca. 3 5 ° . E r is een v e r l o o p i n de h e l i o g r a f i s c h e breedte: de eerste v l e k k e n v a n de nieuwe cyclus v e r s c h i j n e n o p r e l a t i e f hoge breedte, latere v l e k k e n v e r t o n e n de neiging o m o p steeds lagere breedten o p te treden; de laatste v l e k k e n v a n een cyclus w o r d e n d i c h t b i j de e q u a t o r gezien. Z e t m e n de breedte v a n de v l e k k e n u i t tegen de t i j d d a n ontstaat het k a r a k t e r i s t i e k e vlinderdiagram (Fig. 2). De as die beide p o l a r i t e i t e n i n een actief gebied v e r b i n d t is b i j n a e v e n w i j d i g aan de e q u a t o r , de p o l a r i t e i t die v o o r o p l o o p t i n de r o t a t i e v a n de Z o n l i g t w a t d i c h t e r b i j de e q u a t o r . Z o d r a h i j het magnetische veld i n z o n n e v l e k k e n h a d o n t d e k t begon H a l e o p M o u n t W i l s o n de veldsterkte i n alle v l e k k e n d a g e l i j k s te m e t e n . Z o o n t d e k t e h i j de riteitswetten:
pola-
gedurende een hele cyclus l o o p t o p é é n h a l f r o n d é é n bepaalde p o l a r i t e i t
v o o r o p b i j de r o t a t i e ; o p het andere h a l f r o n d is dat j u i s t de tegengestelde p o l a r i t e i t . B i j de volgende cyclus k l a p p e n de v o o r o p l o p e n d e p o l a r i t e i t e n o m , dus de ware clus
d u u r t tweemaal
activiteitscy-
elf jaar.
Vele verschijnselen o p de Z o n volgen de activiteitscyclus: naast de v l e k k e n o o k de f a k kels en de e n e r g i e r i j k e z o n n e v l a m m e n . O o k de v o r m en de intensiteit v a n de c o r o n a h a n gen sterk v a n de fase i n de activiteitscyclus af. D e activiteitscyclus w i j s t o p een p e r i o d i e k e dynamo
i n de m a n t e l v a n de Z o n , die m a g -
netische velden en elektrische s t r o m e n versterkt. D e theoretische m o d e l l e n v o o r de z o n n e d y n a m o z i j n n o g heel schetsmatig, m a a r enkele b e l a n g r i j k e eigenschappen z i j n w e l d u i d e l i j k . W i j h e b b e n al gemeld dat u i t de w i s s e l w e r k i n g tussen convectie en r o t a t i e de differentiële
rotatie
ontstaat zodat de equatoriale delen sneller r o t e r e n d a n de p o l a i r e de-
len. D a a r d o o r w o r d t een magnetisch veld i n de convectieve m a n t e l sterk u i t g e r e k t i n de richting
e v e n w i j d i g aan de e q u a t o r - zie Fig. 3. D a a r d o o r w o r d t het veld i n de convectie-
zone z o w e l g e o r d e n d als versterkt - v e r m o e d e l i j k t o t r u i m 10000 gauss (1 Tesla) n a b i j
30
R
SN
NS
SN
NS
SN
NS
NS
SN
NS
!N
NS
SN
SN NS
150
V
\-
100
60
-
T
1
1
I
I
: I
Fig.
2: De activiteitscyclus.
Het
vlinderdiagram
Het
brengt
1
1
I
I ' •
zonnevlekkengetal
de heliografische
ties NS en SN aan de bovenrand
geven
de polariteiten
eerste
(linker)
rotatie
(negatief).
vooroplopende
het noordelijke
Fig.
3: Het
magnetische mantel
deel van de actieve
door
de differentiële
veld nabij
de bodem lijnen).
aangegeven
rotatie van de
Met AG
die actieve
tegen
convectieve schematisch vormen
I
de tijd
in beeld.
in De
Noord
de polariteit
aan. Het bovenste
opgewonden
gebieden
geeft
r
I .
aan: N betekent
symbool
gebieden
zijn
• I
van de vlekken
halfrond.
(onderbroken
de fluxbussen
Het
'
1
R is uitgezet
breedte
S betekent
Zuid
1
\
paar
jaren. indica-
(positief),
van tiet in de verwijst
naar
31 de b o d e m v a n de convectiezone. U i t Fig. 3 is a f te lezen dat met het o p d u i k e n v a n lussen uit dat o p g e w o n d e n f l u x b u i z e n s y s t e e m i n d e r d a a d b i j n a e v e n w i j d i g aan de e q u a t o r ger i c h t e b i p o l a i r e actieve gebieden ontstaan die aan de eerste p o l a r i t e i t s w e t v a n H a l e v o l doen. H e t is i n d i t bestek niet m o g e l i j k o m o p het mechanisme v a n het o m k l a p p e n v a n de p o l a r i t e i t e n tussen twee v l e k k e n c y c l i i n te gaan. W i j besluiten d a a r o m deze k o r t e uiteenz e t t i n g met de o n d e r s t r e p i n g dat v o o r de w e r k i n g v a n de z o n n e d y n a m o z o w e l r o t a t i e als convectie n o d i g z i j n . 4. Magnetische
activiteit
in
sterren
I n d i e n w i j de magnetische a c t i v i t e i t i n de Z o n goed hebben begrepen d a n z o u d e n w i j s o o r t g e l i j k e e f f e c t e n m o e t e n v e r w a c h t e n b i j v r i j w e l alle sterren met convectieve m a n t e l s . Observationele naspeuringen daarnaar z o u d e n meer h c h t k u n n e n brengen i n alsnog o n d u i d e l i j k e aspecten v a n de z o n n e a c t i v i t e i t , w e l h c h t enkele n o g onbegrepen w a a r n e m i n g s f e i t e n v a n sterren o p h e l d e r e n , en meer i n z i c h t v e r s c h a f f e n over de r o l v a n magnetische velden i n de s t r u k t u u r en e v o l u t i e v a n sterren en stehaire systemen. A l l e sterren met e f f e c t i e v e t e m p e r a t u r e n lager d a n 7000 K ( v o o r i n g e w i j d e n : v a n spektrale t y p e n F , G , K en M ) bezitten een convectieve m a n t e l - z i j v o r m e n de grote meerderh e i d v a n de sterren. D i r e c t e m e t i n g v a n magnetische g r o o t h e d e n is m o e i l i j k b i j deze sterren, o m d a t het gehele s t e r o p p e r v l a k als é é n p u n t j e w o r d t gezien, en d a a r b i j h e f f e n de e f f e c t e n v a n de tegengestelde magnetische p o l a r i t e i t e n elkaar v r i j w e l o p . M e t veel s c h r a n d e r h e i d en i n s p a n n i n g l u k t het o m v o o r een k l e i n a a n t a l r e l a t i e f heldere sterren de typische veldsterkte en de b e d e k k i n g s g r a a d v a n de magnetische s t r u k t u u r i n de f o t o s f e e r te bepalen. V o o r de studie v a n grote aantallen sterren z i j n w i j aangewezen o p i n d i r e c t e m a t e n v o o r magnetische a c d v i t e i t . V o o r de keuze v a n die m a t e n gaan w i j b i j de Z o n te rade. I n het z i c h t b a r e s p e k t r u m k o m t de s t r a h n g s f l u x i n de C a I I H en K l i j n k e r n e n i n aanmerk i n g o m d a t d a a r i n de c h r o m o s f e r i s c h e t o p p e n v a n de f a k k e l s zo d u i d e l i j k te zien z i j n . M e t satellieten z i j n er vele m o g e l i j k h e d e n : i n het u l t r a v i o l e t leveren de e m i s s i e l i j n e n aanw i j z i n g e n v o o r hete m a t e r i e i n de c h r o m o s f e e r en i n het overgangsgebied v a n c h r o m o sfeer naar c o r o n a . D e zachte r ö n t g e n s t r a h n g is een m o o i c n t e r i u m v o o r de c o r o n a ' s . N a a r al deze c r i t e r i a is de laatste t i e n j a a r veel onderzoek gedaan. Z i j b l i j k e n m o o i te c o r r e l e r e n , de m e t i n g e n aan de Z o n passen i n de relades v o o r de sterren, en de m e t i n gen v a n magnetische g r o o t h e d e n b i j de Z o n en de (weinige) sterren sluiten goed aan. Z o b l i j k t de r ö n t g e n e m i s s i e v a n een ster o f v a n een actief gebied o p de Z o n evenredig te z i j n m e t de magnetische f l u x ter plaatse. U i t deze f e i t e n b l i j k t dat de genoemde stralingsf l u x e n heel goed als m a t e n v o o r de magnetische activiteit g e b r u i k t k u n n e n w o r d e n . E e n der eerste resultaten v a n het a c t i v i t e i t s o n d e r z o e k v a n sterren is dat magnetische activ i t e i t z i c h i n d e r d a a d b e p e r k t t o t sterren met convectieve m a n t e l s , d . w . z . t o t sterren m e t f o t o s f e r e n koeler d a n 7000 K . Verrassend is dat sterren die m e n v o o r i d e n t i e k h a d g e h o u den grote verschillen i n a c t i v i t e i t k u n n e n v e r t o n e n . E e n v o o r b e e l d : onder sterren die v r i j w e l i d e n t i e k aan de Z o n , m e t een e f f e c t i e v e t e m p e r a t u u r v a n 5800 K en v r i j w e l d e z e l f d e fase v a n e v o l u t i e ( v o o r i n g e w i j d e n : h o o f d r e e k s s t e r r e n v a n het t y p e G2) is er een a a n t a l a a n z i e n l i j k acdever d a n de Z o n t i j d e n s v l e k k e n m a x i m u m - , m a a r anderen z i j n m i n d e r act i e f d a n de Z o n t i j d e n s m i n i m u m a c t i v i t e i t . O p de v r a a g w a t er achter die v e r s c h i l l e n i n a c t i v i t e i t steekt k o m e n w i j aanstonds t e r u g . D e s t r a l i n g s f l u x e n v a n c h r o m o s f e e r en c o r o n a b l i j k e n v e r a n d e r l i j k te z i j n . I n de eerste plaats v e r t o n e n veel sterren een " a c d v i t e i t s c y c l u s " met p e r i o d e n v a n ca. t i e n j a a r ( i n 1978 o n t d e k t d o o r O . C . W i l s o n die een h o n d e r d t a l sterren gedurende t i e n j a a r een a a n t a l m a l e n per j a a r w a a r n a m . I n m i d d e l s hebben waarnemingsreeksen v a n 25 j a a r deze
32
v o n d s t e n bevestigd). D i t b e t r e f t w e i n i g actieve sterren (zoals de Z o n ) en m a t i g actieve sterren. Zeer actieve sterren z i j n w e l sterlc veranderlijl< i n h u n c h r o m o s f e r i s c h e en c o r o nale emissies d o c h daar h e e f t m e n n o g geen systeem i n k u n n e n o n t d e k k e n . M e n v i n d t o o k v a r i a b i l i t e i t o p een veel k o r t e r e t e r m i j n , die m e n t o e s c h r i j f t aan r o t a t i e m o d u l a t i e : de emitterende elementen z i j n v l e k k e r i g over de sterrebol verdeeld, en daard o o r varieert de totale emissie met de r o t a t i e p e r i o d e . U i t de aldus gevonden r o t a t i e p e r i o d e n b l i j k t dat er een d u i d e l i j k v e r b a n d is tussen de (gemiddelde) magnetische
activiteit
en de rotatiesnellieid
v a n een ster: snelroterende ster-
r e n , met p e r i o d e n v a n een f r a c t i e v a n een dag t o t enkele dagen, z i j n zeer a c t i e f , l a n g z a a m roterende sterren, met r o t a t i e p e r i o d e n langer d a n een m a a n d , z i j n w e i n i g a c t i e f . D i t verb a n d is wel te v e r w a c h t e n : de d y n a m o w e r l d n g i n de ster hangt v a n de d i f f e r e n t i ë l e r o t a d e a f , en het ligt v o o r de h a n d dat die weer v a n de gemiddelde r o t a t i e s n e l h e i d a f h a n g t . Gedurende de evolutie verandert de rotatiesnelheid v a n een ster - en daarmee verandert dus o o k het a c t i v i t e i t s n i v e a u . L a a t i n de e v o l u t i e z w e h de ster sterk o p ( w o r d t v a n een d w e r g o f h o o f d r e e k s s t e r een reus) en alleen al d a a r o m m o e t de r o t a t i e s n e l h e i d a f n e m e n . V e r g e l i j k d i t met een kunstschaatser die haar a r m e n u i t s t r e k t en zo een deel v a n haar massa o p een grotere a f s t a n d v a n haar rotatieas brengt. ( W a t technischer uiteengezet: b i j het o p z w e l l e n neemt het t r a a g h e i d s m o m e n t toe. O m het i m p u l s m o m e n t constant te h o u d e n m o e t de rotatiesnelheid a f n e m e n ) . B o v e n d i e n k a n een ster een hoeveelheid r o tatie ( i m p u l s m o m e n t ) verhezen
door
"magnetische
r e m m i n g " : u i t de hete c o r o n a
s t r o o m t de " s t e r r e w i n d " v a n de ster de o m r i n g e n d e r u i m t e i n . Deze w i n d s t r o o m t u i t langs het v a n de ster a f w i j z e n d e magnetische v e l d , dat i n de ster v e r a n k e r d is en daard o o r t o t o p g r o t e a f s t a n d g e d w o n g e n w o r d t met de ster mee te r o t e r e n . D e meedraaiende w i n d v o e r t v o o r t d u r e n d hoeveelheden r o t a t i e ( i m p u l s m o m e n t ) naar b u i t e n , t o t waar de snelheid i n de r o t a t i e zo g r o o t g e w o r d e n is dat het magnetische v e l d de m a t e r i e niet l a n ger vast k a n h o u d e n . De m a t e r i e , m e t de d a a r i n getransporteerde hoeveelheid r o t a t i e m o e t echter, v i a het magnetische v e l d , d o o r de ster geleverd w o r d e n : de r o t a t i e s n e l h e i d v a n de ster neemt dus af. D e bovenstaande (ietwat technisch u i t g e v a l l e n ) uiteenzetting v e r k l a a r t dat j o n g e , n o g c o m p a c t e sterren relatief snel r o t e r e n en zeer actief z i j n (dat zien w i j b i j sterren i n j o n g e s t e r h o p e n , zoals de P l e i a d e n ) . Sterren die zich langzaam o n t w i k k e l e n h e b b e n , wanneer z i j op l e e f t i j d g e k o m e n z i j n , veel r o t a t i e v e r l o r e n d o o r magnetische r e m m i n g , en d a a r o m is h u n magnetische activiteit sterk a f g e n o m e n - d i t is b i j de Z o n gebeurd. T i j d e n s de late evolutiefase als rode neus r o t e r e n alle sterren uiterst l a n g z a a m , en d a n is de activiteit v r i j w e l verdwenen. V o o r n a u w e d u b b e l s t e r r e n w o r d t het v e r h a a l i n g e w i k k e l d e r , en n o g boeiender. Z o ' n systeem bevat niet a l l e n i m p u l s m o m e n t d o o r de r o t a t i e v a n de c o m p o n e n t e n o m h u n assen m a a r o o k (en veel meer) d o o r de b a a n b e w e g i n g . I n d i e n de d u b b e l s t e r c o m p o n e n t e n d i c h t genoeg b i j elkaar staan v o o r een flinke g e t i j d e n i n t e r a c t i e d a n w o r d e n r o t a t i e en baanbew e g i n g d o o r de g e t i j d e k r a c h t e n gesynchroniseerd: de b a a n p e r i o d e en de r o t a t i e p e r i o d e w o r d e n g e l i j k , en de beide sterren k e r e n elkaar v o o r t d u r e n d dezelfde w a n g toe. A l s n u tenminste é é n v a n de sterren actief is, en d a a r o m met de s t e r r e w i n d i m p u l s m o m e n t verliest, d a n zorgen de g e t i j d e k r a c h t e n e r v o o r dat het systeem t o c h gesynchroniseerd b l i j f t . D a a r t o e w o r d t i m p u l s m o m e n t u i t de baanbeweging overgeheveld naar de r o t a t i e v a n de actieve c o m p o n e n t . De eigenaardige consequentie is dat de aan elkaar g e l i j k b l i j v e n d e r o t a t i e p e r i o d e en b a a n p e r i o d e afnemen, actiever
met als gevolgen dat de actieve c o m p o n e n t
twg
w o r d t en dat de a f s t a n d tussen de c o m p o n e n t e n n o g kleiner w o r d t . Z o ontstaat
een zeer actieve dubbelster w a a r v a n de c o m p o n e n t e n o p elkaar gedreven w o r d e n , t o t d a t daar v e r s m e l t i n g o p v o l g t .
33
Over de w o n d e r l i j k e p r o d u c t e n die d o o r evolutie v a n nauwe dubbelsterren k u n n e n ontstaan z i j n een a a n t a l v o o r d r a c h t e n te geven. I k volsta hier met o p te m e r k e n dat de bovenstaande schets v e r k l a a r t dat w i j zoveel b i j z o n d e r actieve dubbelsterren zien. O m dat een dubbelster veel meer i m p u l s m o m e n t bevat d a n een enkele ster k a n een dubbelster het a c t i v i t e i t s v u u r w e r k veel langer v o l h o u d e n . 5 . Magnetische
activiteit
in het
heelai
D e studie v a n magnetische a c t i v i t e i t i n Z o n en sterren m a r k e e r t een begin v a n het onderzoek naar de b e l a n g r i j k e r o l v a n elektromagnetische k r a c h t e n i n het heelal. E e n paar aspecten z i j n : - D y n a m o ' s k u n n e n o v e r a l w e r k e n w a a r roterende l i c h a m e n z i j n w a a r i n convectie o f turbulentie optreedt. - Magnetische k r a c h t e n k u n n e n fysische processen over grote a f s t a n d e n m e t elkaar v e r b i n d e n ( b i j v . die i n een i j l e c o r o n a met die i n een convectieve m a n t e l ) . - Magnetische v e l d e n spelen een grote r o l i n n i e t - t h e r m i s c h energietransport (de nietthermische v e r h i t t i n g v a n c h r o m o s f e r e n en c o r o n a ' s is een urgent t h e m a v a n hedendaags onderzoek). - Magnetische velden k u n n e n b e t r o k k e n z i j n b i j herverdehng v a n massa en v a n i m p u l s m o m e n t i n sterren en stehaire systemen en h u n o m g e v i n g (met soms dramatische effecten i n de evolutie v a n dubbelsterren). Magnetische v e l d e n k o m e n aan de orde b i j : Z o n en sterren, zoals hier uiteengezet, b i j s t e r v o r m i n g , b i j v o r m i n g v a n d u b b e l s t e r r e n , v o r m i n g v a n planetenstelsels, accredeschijven o m compacte o b j e c t e n , en b i j de v o r m i n g v a n melkwegstelsels.
CELLULAIRE EFFECTEN V A N DE ENKEFALINES door F . H . Lopes da Silva
Inleiding N e u r o p e p t i d e n z i j n s t o f f e n die bestaan u i t k o r t e ketens v a n a m i n o z u r e n . Ze k u n n e n o.a. i n n e u r o n e n v o o r k o m e n en daar als transmitters o f m o d u l a t o r e n v a n synaptische transmissie w e r k z a a m z i j n (zie het h o o f d s t u k v a n B u i j s & De V r i e s ) . Iversen (1983) presenteerde een l i j s t met 33 n e u r o p e p t i d e n die i n het zenuwstelsel aanwezig z i j n . V o o r n a m e l i j k d a n k z i j de algemene toepassing v a n i m m u n o c y t o c h e m i s c h e technieken w o r d e n steeds meer s t o f f e n gevonden die b i j de groep v a n n e u r o p e p t i d e n b e h o r e n . V a n vele v a n deze n e u r o p e p t i d e n z i j n de w e r k i n g s m e c h a n i s m e n o p cellulair n i v e a u n o g o n b e k e n d . O m d a t we j u i s t aan d e r g e l i j k e processen aandacht w i h e n besteden, b e p e r k e n we ons t o t een groep v a n n e u r o p e p t i d e n w a a r v a n het w e r k i n g s m e c h a n i s m e o p cellulair n i v e a u d u i d e l i j ker begint te w o r d e n : de e n k e l f a l i n e s . H e t is al l a n g bekend dat p l a n t a a r d i g e s t o f f e n zoals m o r f i n e - een a l k a l o ï d e u i t o p i u m - een analgetische ( p i j n s t i l l e n d e ) en verslavende w e r k i n g hebben. Deze w e r k i n g ontstaat d o o r d a t m o r f i n e zich aan bepaalde receptoren op n e u r o n e n b i n d t ; deze receptoren w o r den o p i a a t r e c e p t o r e n g e n o e m d en ze v o r m e n de actieve plaatsen o p het m e m b r a a n o p p e r v l a k v a n n e u r o n e n , w a a r o p i a t e n ( b . v . m o r f i n e , h e r o ï n e ) z i c h aan k u n n e n b i n d e n . M e n k w a m al gauw o p het idee dat deze specifieke receptoren niet bestemd z i j n v o o r exogene (lichaamsvreemde) s t o f f e n , zoals o p i a t e n . H u n aanwezigheid i n het zenuwstelsel z o u betekenen dat er endogenen s t o f f e n m o e t e n bestaan, die zich onder n a t u u r l i j k e o m standigheden aan d e r g e l i j k e receptoren k u n n e n b i n d e n . H e t o n d e r z o e k naar deze h y p o thetische endogene o p i a t e n h e e f t i n 1975 (Hughes et a l . ) b e l a n g r i j k e resultaten opgelev e r d met de o n t d e k k i n g v a n twee p e n t a p e p t i d e n die v o l d e d e n aan de
bovengenoemde
v e r w a c h t i n g , de " e n k e f a l i n e n " ( m e t h i o n i n e - en leucine-enkefahne; het Griekse w o o r d e n k e f a l o s betekent hersenen). De e n k e f a h n e n m a k e n deel u i t v a n een grote groep v a n n e u r o p e p t i d e n die u i t langere ketens v a n a m i n o z u r e n bestaan (16-31 a m i n o z u r e n ) ; deze w o r d e n e n d o r f i n e n g e n o e m d . E e n derde endogeen opiaatsysteem bevat andere s t o f f e n die de n a a m d y n o r f i n e n hebben gekregen. E r z i j n n u 18 endogene opiate n e u r o p e p t i d e n b e k e n d die i n het centrale zenuwstelsel, de h y p o f y s e e n / o f de b i j n i e r e n v o o r k o m e n ; alle 18 z i j n a f b r a a k p r o d u k t e n v a n slechts
drie moedermoleculen: pro-enkefaline, p r o -
o p i o m e l a n o c o r t i n e en p r o - d y n o r f i n e . D o o r m i d d e l v a n verschillende p r o t e o l y t i s c h e p r o cessen k u n n e n verschillende s o o r t e n kleinere n e u r o p e p t i d e - m o l e c u l e n g e v o r m d w o r d e n . Deze processen verschillen o o k tussen
hersengebieden.
E n k e f a h n e s z i j n u i t g e b r e i d verspreid i n het centrale zenuwstelsel en o o k i n het p e r i f e r e zenuwstelsel, w a a r i n e n k e f a l i n e r g e zenuwvezels gevonden w o r d e n i n het b i j n i e r m e r g en i n de d a r m . V e e l v a n de e n k e f a l i n e r g e cellen i n de hersenen en het r u g g e m e r g z i j n i n t e r n e u r o n e n ; ze k o m e n v o o r i n de dorsale h o o r n v a n het r u g g e m e r g , de t h a l a m u s , het stria-
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 16 oktober 1989.
35
t u m , verschillende l i m b i s c h e s t r u c t u r e n , zoals de amandellcernen en de h i p p o c a m p u s , de cerebrale schors en het c e r e b e l l u m . E r bestaan oolc enlcefalinerge vezelsystemen w a a r v a n het systeem dat u i t het s t r i a t u m naar het p a l h d u m p r o j e c t e e r t het meest o p v a l t . I k zal ten eerste het onderzoek naar de aanwezigheid en de w e r k i n g v a n enkefalines i n de h i p p o c a m p u s bespreken (Tielen et a l . , 1981, 1982). D a a r n a zal i k i n het k o r t de r o l v a n e n k e f a l i n e r g e n e u r o n e n i n het r u g g e m e r g ten aanzien v a n de regehng v a n p i j n i n f o r m a t i e b e s c h r i j v e n (Zieglgansberger & T u U o c h , 1979; N i c o l l et a l . , 1980). T e n s l o t t e zullen een paar recente b e v i n d i n g e n ( K a t a y a m a & N i s h i , 1984) ten aanzien v a n de werk i n g s m e c h a n i s m e n v a n enkefahnes o p m e m b r a a n n i v e a u besproken w o r d e n aan de h a n d van een modelsysteem: het parasympathische g a n g h o n v a n de k a t . Aanwezigheid
en werlcing
van enicefalines
in de
hippocampus
D e h i p p o c a m p u s v o r m t het b e l a n g r i j k s t e deel v a n het a r c h i p a l h u m . D i t is v a n u h een f y logenetisch s t a n d p u n t het oudste deel v a n het p a l l i u m (de m a n t e l ) dat de h e m i s f e r e n o m geeft. S o m m i g e s t r u c t u r e n behorende t o t het a r c h i p a l h u m , het p a l e o p a l h u m en het d i ë n c e f a l o n , w o r d e n g e z a m e n l i j k l i m b i s c h e s t r u c t u u r g e n o e m d . Deze t e r m k o m t v a n het L a tijnse w o o r d l i m b u s ( r a n d ) en betekent dat de s t r u c t u r e n w a a r v a n hier sprake is aan de r a n d v a n de hersenhemisferen hggen en de hersenstam o m r i n g e n . D e h i p p o c a m p u s is é é n van de l i m b i s c h e s t r u c t u r e n die volgens Papez (1937) een systeem v o r m e n dat als a n a t o m i s c h - f y s i o l o g i s c h e g r o n d s l a g v o o r het e m o t i o n e l e gedrag z o u dienen. T e g e n w o o r d i g w o r d t a a n g e n o m e n dat de f u n c t i o n e l e betekenis v a n de h i p p o c a m p u s v o o r a l i n verb a n d met de v o r m i n g v a n het k o r t e - t e r m i j n g e h e u g e n gezocht m o e t w o r d e n ( O l t o n et al 1977). T e n g r o n d s l a g aan de v o r m i n g v a n het k o r t e - t e r m i j n g e h e u g e n hgt het verschijnsel synaptische p l a s t i c i t e i t (Lopes da Silva et a l . , 1983). D a a r o m is het v a n belang o m zo n a u w k e u r i g m o g e l i j k de synaptische systemen b i n n e n de h i p p o c a m p u s te analyseren, alsmede de r o l die verschillende n e u r o t r a n s m i t t e r s o f m o d u l a t o r e n h i e r i n spelen. H e t is geb l e k e n dat de enkefahnes o o k i n de h i p p o c a m p u s aanwezig z i j n . H o n g & S c h m i d (1981) en G a ü et a l . (1981) hebben d o o r m i d d e l v a n een r a d i o i m m u n o - a s s a y en langs i m m u n o c y t o c h e m i s c h e weg methionine-enkefahne-vezels i n alle subgebieden v a n de h i p p o c a m p u s v a n de rat gevonden. O o k Sar et a l . (1978) en W a m s l e y et a l . (1980) hebben e n k e f a l i n e - i m m u n o - r e a c t i e v e vezels i n bepaalde delen v a n de rathippocampus
(area
CAj)
beschreven.
Stengaard-Pedersen
et
al.
(1981)
hebben
e n k e f a l i n e - i m m u n o - r e a c t i e v e vezels i n de fascia dentata v a n de cavia gevonden. I n ons o n d e r z o e k hebben we een analyse g e m a a k t b i j de cavia v a n de regionale v e r d e h n g v a n enkefahnevezels i n de h i p p o c a m p u s (Tielen et a l . , 1982). E e n weergave v a n deze verdel i n g is gegeven i n f i g u u r 1. E e n interessant aspect is dat i n de f a s c i a dentata de e n k e f a h nevezels p a r a l l e l l i g g e n aan de b e l a n g r i j k s t e aanvoerende vezels, de p e r f o r a n t e padvezels. O n d e r z o e k naar opiate receptoren h e e f t a a n g e t o o n d dat er " b i n d i n g s i t e s " v o o r o p i a t e n i n de p y r a m i d e c e l l e n v a n area's C A 3 , C A , en de k o r r e l c e l l e n v a n de fascia dentata ( f i g . 1) v o o r k o m e n . Pas geleden is d o o r Fredens et a l . (1984) a a n g e t o o n d
dat
e n k e f a U n e - i m m u n o r e a c t i v i t e i t i n de u h e i n d e n v a n het laterale p e r f o r a n t e p a d aanwezig is, b i j de synapsen m e t de k o r r e l c e l l e n v a n de fascia dentata. N i c o U et a l . (1977) en Zieglgansberger et a l . (1979) hebben gevonden dat enkefahnes de p y r a m i d e c e l l e n v a n de C A - g e b i e d e n k u n n e n exciteren. Ze hebben d i t e f f e c t g e ï n t e r p r e t e e r d als het resuhaat v a n een d e s i n h i b i d e v a n de p y r a m i d e c e l l e n . Deze d e s i n h i b h i e v a n de C A - p y r a m i d e n e u r o n e n ontstaat d o o r d a t e n k e f a l i n e de a c t i v i t e h v a n de i n h i b i t i e ve i n t e r n e u r o n e n z o u o n d e r d r u k k e n . I m m u n o c y t o c h e m i s c h e studies hebben echter aang e t o o n d dat de grootste d i c h t h e i d v a n enkefahnevezels i n de fascia dentata te v i n d e n is. D a a r o m h e b b e n we het e f f e c t v a n enkefalines o p de k o r r e l c e l l e n v a n de fascia dentata
36
Figuur
1. Hippocampus
enkefaline
van de cavia,
(immunoreactieve
C = stratum
moleculare
van de fascia
D = stratum
granulosum
van de fascia
plexiforme
waarin
kleuring)
van de fascia
dentata;
de donicere
banden
de aanwezigheid
van
aantonen. dentata dentata
F=hilus;
of laag
van de peiforante
padvezels;
of laag van de korrelcellen; G = area
CAp
H = mossy
E =
vezels;
stratum K = area
CA,. In C kunnen overeen
Itet mediale tieve kleuring. onder
liet
perforante
(Naar
banden
onderscheiden
peiforante
pad.
De grootste
de korrelcellaag
projecteren.
in
twee donkere
met het laterale
Tussen
et ai,
hippocampusplaicje
worden;
de binnenste
beide bevindt
dichtheid
(D). Hieruit Tielen
pad;
de buhenste is dunner
zich een band
van iminunoreactiviteit ontspringen
de mossy
is dikker
en komt
en
komt
overeen
met
met weinig
immunoreac-
is te zien in E, de laag vezels
die naar area
CAj
direct (G)
1982)
onderzocht.
Gebruilcmakend
van
een
analogon
van
m e t h i o n i n e - e n k e f a l i n e , n a m e l i j k D - a l a n i n e - m e t h i o n i n e - e n k e f a l i n e , hebben we een depressie v a n de post-synaptische responsies v a n de k o r r e l c e l l e n gevonden ( f i g . 2 ) . D i t resultaat was verrassend o m d a t andere auteurs een toename v a n de activiteit v a n de p y r a midecellen i n het C A - g e b i e d hadden
aangetoond.
Deze o n v e r w a c h t e tegenstelling heeft ons geleid t o t het bestuderen v a n de e f f e c t e n v a n enkefalines o p beide gebieden v a n de h i p p o c a m p u s i n hetzelfde preparaat. Deze experim e n t e n z i j n i n h i p p o c a m p u s p l a k j e s v e r r i c h t , w a a r i n t e g e h j k e r t i j d de responsies v a n zowel de p y r a m i d a l e cellen van C A , als v a n de korrelcellen v a n fascia d e n t a t a o p de stim u l a t i e van respectievelijk de S c h a f f e r - c o l l a t e r a l e n en het p e r f o r a n t e p a d ( f i g . 1) geregistreerd w e r d e n . H e t resultaat k a n i n f i g u u r 2c gezien w o r d e n : de twee subgebieden v a n de h i p p o c a m p u s reageren i n tegenovergestelde r i c h t i n g o p het toedienen v a n D - a l a n i n e m e t h i o n i n e - e n k e f a l i n e . Beide e f f e c t e n z i j n d o o r de opiaat antagonist n a l o x o n te r e m m e n . D i t betekent dat het u i t e i n d e l i j k e e f f e c t v a n e n k e f a l i n e o p een bepaald n e t w e r k a f h a n k e l i j k is v a n de intrinsieke c i r c u i t s .
neuronaal
37
Figuur A.
2.
Voorbeelden
veau gatief DE
De afstand zijn
maten
B. Amplitude enkefaline
groting population
AB is een maat
mol/l).
spike
in FD.
van de attipliïude spike
pad). spike (Naar
in CA,
na toediening
van de amplitude
neen
van
gezien
hippocampusplakje, van CA^
van D-ala-enkefaline
en tegelijkertijd
et ai,
loopt en DC
spike.
in hetzelfde
Het toedienen
op het ni-
spike
van de top van de EPSP
van de pyramidecellen
Tielen
(Pop sp) gemeten
en de population
van de korrelcellen,
registraties
van de collateralen
van de population
spike"
hier positief
Er kan een vermindering
van twee simultane in het perforante
loopt
van de population
van de population
(stinmlatie
(stimidatie
en een '•population
de EPSB
van de amplitude
(5xia'
C. Resultaten CA,
van een EPSP
van de korrelcellaag:
de ene in
en de andere leidt
D-alaworden. in FD
tot een
tot een vermindering
van
verde
1982)
E n k e f a l i n e m o d u l e e r t w a a r s c h i j n l i j k de activiteit v a n i n h i b i t i e v e i n t e r n e u r o n e n i n het C A - g e b i e d ; het n e u r o p e p t i d e z o u deze i n t e r n e u r o n e n r e m m e n , w a a r d o o r de responsie van
de p y r a m i d a l e cellen o p de s t i m u l a t i e v a n de aanvoerende vezels
(Schaffer-
c o h a t e r a l e n ) toeneemt. I n de fascia dentata w e r k t e n k e f a l i n e w a a r s c h i j n l i j k rechtstreeks o p de aanvoerende vezels v a n het p e r f o r a n t e p a d ; o o k hier z a l e n k e f a l i n e een r e m m e n d e f f e c t o p de excitatieve synaptische o v e r d r a c h t tussen de p e r f o r a n t e padvezels en de k o r -
38
relcellen u i t o e f e n e n . I n beide gevallen zal het f u n d a m e n t e l e e f f e c t v a n e n k e f a h n e een r e m m i n g v a n de synaptische o v e r d r a c h t z i j n . H e t verschil tussen de twee resultaten berust o p het f e i t dat i n het C A - g e b i e d de r e m m i n g o p i n h i b i t i e v e synapsen p l a a t s v i n d t , t e r w i j l i n de fascia dentata de r e m m i n g rechtstreeks o p excitatieve synapsen v o o r k o m t . H e t is interessant o m deze e f f e c t e n met die v a n enkefahnes i n het r u g g e m e r g te v e r g e l i j ken. Het
e f f e c t van en/cefalines
op tiet pijnsysteein
in tiet
ruggemerg
V a n a f 1965 berust onze o p v a t t i n g over het w e r k i n g s m e c h a n i s m e v a n p i j n r e g u l e r i n g op de zogenaamde p o o r t t h e o r i e v a n M e l z a c k en W a U . Deze theorie gaat er v a n u i t dat de n e u r o n e n die de o o r s p r o n g v a n de spino-thalamische vezels v o r m e n , onder i n v l o e d staan v a n z o w e l d i k k e A - a l p h a (die i n f o r m a t i e over a a n r a k i n g en d r u k aanvoeren), als v a n A delta en C-vezels (die beschadigingen signaleren). Beide t y p e n aanvoerende vezels c o n vergeren o p dezelfde o o r s p r o n g c e l l e n en o o k o p de i n t e r n e u r o n e n v a n de substantia gelatinosa i n de a c h t e r h o o r n v a n het r u g g e m e r g . Deze zorgen v o o r het verschijnsel presynaptische i n h i b i t i e , d . w . z . ze r e m m e n de aanvoerende vezels pre-synaptisch. D e d u n n e vezels die p i j n s i g n a l e n overbrengen exciteren de o o r s p r o n g c e l l e n en i n h i b e r e n o p h u n beurt de r e m m e n d e cellen. P r i k k e U n g v a n deze vezels leidt dus t o t d e s i n h i b i t i e en t o t een sterke activatie v a n de o o r s p r o n g c e l l e n . P r i k k e U n g v a n d i k k e vezels z a l leiden t o t r e m m i n g v a n de o v e r d r a c h t v a n p i j n s i g n a l e n ten gevolge v a n een toename v a n de a c t i v i t e i t i n de r e m mende i n t e r n e u r o n e n . D h betekent dat deze d i k k e vezels de p o o r t v o o r p i j n s i g n a l e n z u l len s l u i t e n . O p deze w i j z e z o u k u n n e n w o r d e n v e r k l a a r d dat s t i m u l a t i e v a n d i k k e vezels, d o o r b . v . d r u k o f elektrische p r i k k e l s , k a n leiden t o t het o n d e r d r u k k e n v a n het p i j n g e v o e l . H e t is b e k e n d dat de t r a n s m i t t e r s t o f v a n de aanvoerende pijnvezels substance P is; die v a n de r e m m e n d e i n t e r n e u r o n e n de enkefahnes. E n k e f a l i n e v e r o o r z a a k t hier een v e r m i n d e r i n g v a n de excitatieve synaptische o v e r d r a c h t i n de n e u r o n e n v a n de achterh o o r n die v e r a n t w o o r d e l i j k z i j n v o o r de transmissie v a n p i j n s i g n a l e n . E r m o e t b i j w o r den gezegd dat de p o o r t t h e o r i e v a n p i j n het o n d e r w e r p v a n gerechtvaardigde k r i t i e k is geweest o p g r o n d v a n nieuwe n e u r o f y s i o l o g i s c h e en anatomische b e v i n d i n g e n , met n a m e is a a n g e t o o n d d a t verschillende aanvoerende vezels i n de a c h t e r h o o r n elkaar presynapt i s c h i n h i b e r e n . B o v e n d i e n is d u i d e l i j k g e w o r d e n dat er o o k a f d a l e n d e b a n e n bestaan die de aanvoerende vezels v o o r p i j n s i g n a l e n k u n n e n c o n t r o l e r e n . Deze a f d a l e n d e banen o n t s p r i n g e n i n de hersenstam ( o . a . u i t de r a f e k e r n e n ) en staan onder c o n t r o l e v a n de e n k e f a line bevattende n e u r o n e n v a n de periaquaeductale g r i j z e s t o f . H e t e f f e c t v a n de enkefalines o p m e m b r a a n n i v e a u is k o r t geleden d u i d e l i j k e r geworden d a n k z i j het g e b r u i k v a n i n t r a c e l l u l a i r e registraties i n een a a n t a l p r e p a r a t e n : i n neur o n e n v a n de p l e x i v a n de d a r m w a n d ( N o r t h et a l . , 1979; M o r i t a & N o r t h , 1982) en i n n e u r o n e n v a n de locus coeruleus i n de hersenstam (Pepper & H e n d e r s o n , 1980; W i l U a m s et a l . , 1982). I n d i t o p z i c h t z i j n de meest o p v a l l e n d e resultaten i n het
parasympatische
g a n g h o n v a n de kat geboekt. Het
e f f e c t van enlcefaline
op het parasympatische
ganglion
van de
kat
H e t parasympatische g a n g h o n dat v o o r d i t o n d e r z o e k g e b r u i k t w e r d , is het g a n g h o n c i h are,
waaruit
cholinerge
vezels
die de
pupildiameter
regelen,
ontspringen.
Zowel
m e t h i o n i n e - als leucine-enkefaline v e r o o r z a k e n m e m b r a a n h y p e r p o l a r i s a t i e en een verm i n d e r i n g v a n de a m p h t u d e v a n de excitatieve post-synaptische p o t e n t i a l e n ( K a t a y a m a & N i s h i , 1984). Deze h y p e r p o l a r i s a t i e is a f h a n k e l i j k v a n de concentratie v a n de e n k e f a l i ne i n het p e r f u s a a t . K a t a y a m a & H i s h i hebben bewezen dat de h y p e r p o l a r i s a t i e geassocieerd is met een toename i n m e m b r a a n g e l e i d b a a r h e i d v o o r k a h u m i o n e n . D e w e r k i n g v a n e n k e f a h n e o p het pre-synaptische u i t e i n d e resulteert i n een v e r m i n d e r i n g v a n de hoe-
39
veelheid t r a n s m i t t e r s t o f , i n d i t geval a c e t y l c h o l i n e , die d o o r elke a c t i e p o t e n t i a a l afgegeven w o r d t . Deze e x p e r i m e n t e n laten d u i d e l i j k zien hoe e n k e f a l i n e de synaptische o v e r d r a c h t i n een p a r a s y m p a t i s c h g a n g h o n k a n r e m m e n . Discussie
en
conclusies
E n k e f a h n e s z i j n aanwezig i n verschihende delen v a n het zenuwstelsel, z o w e l i n centraleals i n p e r i f e r e gebieden. E n k e f a l i n e b l i j k t v o o r a l een m o d u l e r e n d e f f e c t te hebben o p synaptische transmissie d . w . z . deze s t o f b e ï n v l o e d t de w e r k i n g v a n andere synaptische boodschappers. De b e v i n d i n g v a n K a t a y a m a & N i s h i (1984), dat e n k e f a l i n e een v e r m i n d e r i n g i n de a f g i f t e v a n synaptische t r a n s m i t t e r v e r o o r z a a k t , is v a n g r o o t belang. V e r o n dersteld m a g w o r d e n dat enkefalines o o k i n andere systemen een m o d u l e r e n d e i n v l o e d o p de synaptische transmissie k u n n e n u i t o e f e n e n . O f het u i t e i n d e l i j k e resuhaat v a n de e n k e f a l i n e w e r k i n g i n een bepaald n e u r o n a a l netw e r k een t o e n a m e v a n excitatie o f v a n i n h i b i t i e is, zoals dat zelfs b i n n e n dezelfde struct u u r k a n p l a a t s v i n d e n ( b . v . i n de h i p p o c a m p u s ) , hangt a f v a n de positie i n het n e t w e r k v a n de synapsen die d o o r het endogene o p i a a t b e ï n v l o e d w o r d e n .
Literatuur Fredens, K . , K . Stengaard-Pedersen & L . - I . L a r s s o n . 1984. L o c a l i z a t i o n o f e n k e p h a l i n a n d c h o l e c y s t o k i n m i m m u n o r a c t i v i t i e s i n the p e r f o r a n t p a t h t e r m i n a l fields o f the r a t h i p p o c a m p a l f o r m a t i o n . B r a i n Research 34: 225-263. GaO, C . , N . B r e c h a , H . J . K a r t e n & K . C h a n g , 1981. L o c a h z a t i o n o f e n k e p h a l i n h k e i m m u n o r e a c t i v i t y to i d e n t i f i e d a x o n a l a n d n e u r o n a l p o p u l a t i o n s o f the r a t h i p p o c a m p u s . T h e J o u r n a l o f C o m p a r a t i v e N e u r o l o g y 198: 335-350. H o n g , J. & R . S c h m i d , 1981. I n t r a h i p p o c a m p a l d i s t r i b u t i o n o f m e t ' - e n k e p h a l i n B r a i n Research 205: 415-418. Hughes, J., T . W . S m i t h , H . W . Kosterlitz, L . A . FothergiD, B . A . M o r g a n c & H . R . M o r n s , 1975. I d e n t i f i c a t i o n o f t w o related pentapeptides
f r o m the b r a i n w i t h p o t e n l
o p i a t e agonist a c t i v h y . N a t u r e , L o n d o n 258: 577-579. * Iversen, L . L . , 1983. N e u r o p e p t i d e s - W h a t next? T r e n d s i n Neurosciences 6' 293-294 K a t a y a m a , Y . & S. N i s h i , 1984. Sites a n d mechanisms o f actions o f e n k e p h a h n i n the f e l m e p a r a s y m p a t h e t i c g a n g l i o n . T h e J o u r n a l o f P h y s i o l o g y 351 • 111-121 * L o p e s da S i l v a , F . H . , P . R . B a r , A . M . T i e l e n & W . H . G i s p e n , 1983. Changes i n m e m brane p h o s p h o r y l a t i o n correlated w i t h l o n g - l a s t i n g p o t e n t i a t i o n i n r a t h i p p o c a m p a l slices. Progress i n B r a i n Research 56: 339-347. M o r i t a , K . & R . A . N o r t h , 1982. O p i a t e a c t i v a t i o n o f p o t a s s i u m conductance m y e n t e r i c neurones: i n h i b i t i o n b y c a l c i u m i o n . B r a i n Research 242: 145-150
in
N i c o O , R . A . , G . R . Siggings, N . L i n g , F . E . B l o o m & R . G u i l e m i n , 1977. N e u r o n a l action o f e n d o r p h i n s a n d enkephalins a m o n g b r a i n regions. A c o m p a r a t i v e m i c r o i o n t o p h o r e t i c study. Proceedings o f the N a t i o n a l A c a d e m y Sciences U . S . A . 74: 2584-2588. * N i c o U , R . A . , B . E . A l g e r & C E . J a h r , 1980. E n k e p h a h n b l o c k s i n h i b h o r y p a t h w a y s m the vertebrate C N S . N a t u r e , L o n d o n 287: 22-25. N o r t h , R . A . , Y . K a t a y a m a & J . T . W i l U a m s , 1979. O n the m e c h a n i s m a n d site o f act i o n o f e n k e p h a h n o n single m y e n t e r i c n e u r o n s . B r a i n Research 165' 67-77 O h o n , D . S . , C . C o l U s o n & M . A . W e r z , 1977. Spatial m e m o r y a n d r a d i a l a r m maze p e r f o r m a n c e o f rats. L e a r n i n g a n d M o t i v a t i o n 8: 289-314.
40
* Papez, J . W . , 1937. A proposed m e c h a n i s m o f e m o t i o n . A r c h i v e o f N e u r o l o g y a n d P s y c h i a t r y 38: 725-743. Pepper, C . M . & G . H e n d e r s o n , 1980. Opiates a n d o p i o d peptides h y p e r p o l a r i z e locus coeruleus neurons i n v i t r o . Science, N e w Yorlc 209: 394-396. Sar,
M . , E . W . S t u m p & R . J . M i l l e r , 1978. I m m u n o h i s t o c h e m i c a l l o c a l i z a t i o n o f
e n k e p h a h n i n rat b r a i n a n d spinal c o r d . T h e J o u r n a l o f C o m p a r a t i v e N e u r o l o g y 182: 46-482. Stengaard-Pedersen, K . , K . Fredens & L . L a r s s o n , 1981. E n k e p h a h n a n d zinc i n the h i p p o c a m p a l mossy f i b e r system. B r a i n Research 212: 230-233. T i e l e n , A . M . , F . H . Lopes da Silva, W . J . MoUevanger & F . H . de Jonge, 1981. D i f f e r e n t i a l e f f e c t o f e n k e p h a l i n w i t h i n the h i p p o c a m p a l areas. E x p e r i m e n t a l B r a i n Research 44: 343-346. T i e l e n , A . M . , F . W . v a n L e e u w e n & F . H . Lopes da S i l v a , 1982. T h e l o c a l i z a t i o n o f leucine-enkephalin
immunnoreactivity within
the guinea-pig
hippocampus.
Ex-
p e r i m e n t a l ' B r a i n Research 48: 288-295. W a m s l e y , J . K . , W . Scott Y o u n g I I I & M . J . K u h a r , 1980. I m m u n o h i s t o c h e m i c a l l o z a l i z a t i o n o f e n k e p h a l i n i n rat f o r e b r a i n . B r a i n Research 190: 153-174. W i l l i a m s , J . T . , T . M . E g a n & R . A . N o r t h , 1982. E n k e p h a l i n opens p o t a s s i u m channels o n m a m m a U a n central neurones. N a t u r e , L o n d o n 299: 74-77. Zieglgansberger, W . E . & I . F . T u U o c h , 1979. T h e e f f e c t s o f m e t h i o n i n e - a n d leucinee n k e p h a l i n o n s p i n a l neurons o f the cat. B r a i n Research 167: 53-64. Zieglgangsberger, W . E . , D . F r e n c h & G . R . Siggins, 1979. O p i o d peptides m a y excite h i p p o c a m p a l p y r a m i d a l neurons by i n h i b i t i n g a d j a c e n t i n h i b i t o r y
interneurons.
Science, N e w Y o r k 205: 415-417.
* M e t een ster aangegeven referenties w o r d e n als eerste v o o r verdere studie aanbevolen.
REKENEN EN TEKENEN MET GETALLEN door F . van der B l i j
G e t a l t h e o r i e gaat n a t u u r l i j k over getallen, m a a r w a t z i j n getallen? E e n e n c y c l o p e d i e a r t i kel m o e t soms met het t r e f w o o r d b e g i n n e n , dus " g e t a l l e n z i j n . . . " . D e w i s k u n d i g e is d a n i n m o e i l i j k h e d e n . H i j weet precies te vertellen w a t r a t i o n a l e getallen z i j n , w a t c o m p l e x e getaUen, p r i e m g e t a l l e n en v o l m a a k t e getallen. M a a r w a t z i j n getallen zonder meer? Eerst denken we aan teUen; é é n , twee, d r i e , vier, . . . e n z o v o o r t . E n het aardige is dat w e i n d e r daad v o o r t k u n n e n gaan en zelfs " z o v o o r t " , n a m e l i j k d o o r er steeds é é n b i j te t e l l e n . M e t v e r m e n i g v u l d i g e n is dat anders; é é n , twee, d r i e , twee m a a l twee, v i j f , twee m a a l d r i e , zeven, twee m a a l twee m a a l twee, drie m a a l d r i e , twee m a a l v i j f , e l f , twee m a a l twee m a a l d r i e , d e r d e n , . . . en hoe v o o r t ? D i r e c t al een m o e i l i j k p r o b l e e m , b l i j v e n er steeds m a a r getallen k o m e n die niet als een p r o d u k t o n t s t a a n , de priemgetaUen? Ja, Euchdes bewees al dat er steeds n i e u w e p r i e m getallen i n deze r i j v o o r k o m e n . Soms m o e t e n we l a n g , heel l a n g w a c h t e n , soms v l a k achter elkaar zoals 11 en 13 o f 41 en 43. M a a r o f er steeds z u l k e tweelingen b l i j v e n v o o r k o m e n w e t e n we n i e t . E n t o c h k u n n e n we a a r d i g w a t zeggen over het r e g e l m a t i g v o o r k o m e n v a n nieuwe p r i e m g e t a l l e n . Tussen de getallen 1 en x z i j n het er ongeveer X
ln X w a a r b i j l n x de l o g a r i t m e v a n x b i j het g r o n d t a l e ( = 2.182818284590...) is. E e n betere b e n a d e r i n g is X
dt
2
In t
en er z i j n n o g betere benaderingen te geven. Z o geeft een f o r m u l e v o o r het a a n t a l p r i e m getallen k l e i n e r d a n 1 000 000 000 dat er 50 847 455 z i j n t e r w i j l een echte t e l l i n g ons er 50 847 534 levert! E e n paar andere v r a g e n over onze gewone getallen. L a a t s(n) de s o m v a n de echte delers v a n n z i j n , dus b i j v o o r b e e l d s(10) = 1-1-2-^5 = 8, o f s ( 1 2 ) = H - 2 - h 3 - F 4 - f 6 = 1 6 . Soms is de u i t k o m s t g r o t e r d a n n soms kleiner d a n n . D i t geeft ons het v e r m o e d e n dat h e r h a a l d u i t v o e r e n v a n deze b e w e r k i n g , itereren dus, w e l eens boeiende resultaten z o u k u n n e n geven.
M a a r deze berekeningen z i j n b i j u i t s t e k geschikt o m o p de c o m p u t e r te d o e n .
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Dihgentia te 's-Gravenhage op 6 november 1989.
42
E x p e r i m e n t e n Ieren ons dat s(28) = 28, de i t e r a t i e is g e w o o n l i e r i i a l e n . Z u l k e getallen heten v o l m a a k t e getallen en hebben a a n l e i d i n g gegeven t o t véel o n d e r z o e k . A l l e even v o l m a a k t e getallen z i j n v a n de v o r m : 2".(2"+'-l) waarbij 2"+'-l een p r i e m g e t a l m o e t z i j n , d i t z i j n de M e r s e n n e - p r i e m g e t a l l e n , w a a r v a n zeer grote v o o r beelden b e k e n d z i j n . W e o n t d e k k e n o o k dat s(220) = 284 en s(284) = 220, z o d a t iteratie hier heen en weer s c h o m m e l e n o p l e v e r t . W e weten niet o f er getaUen z i j n zodat een zelfde d r i e t a l steeds terugkeert. W e l z i j n v i e r t a l l e n m e t deze eigenschap gevonden, m a a r die getaUen z i j n al vrij groot. 1 264 460 1 574 860 1 727 636 1 305 184
E e n ander a a r d i g p r o b l e e m , dat gedeehelijk d o o r e e n v o u d i g redeneren o p te lossen is gaat u i t v a n een w i l l e k e u r i g te kiezen c i j f e r ( b i j v o o r b e e l d 4 ) . B e g i n n u met een w i U e k e u r i g getal ( b i j v o o r b e e l d 13). A l s d i t getal even is delen we het d o o r twee, als het oneven is plaatsen we het eenmaal gekozen c i j f e r er achter, ( i n ons v o o r b e e l d w o r d t het dus 134). W e passen n u weer hetzelfde v o o r s c h r i f t toe. (het w o r d t n u 67) en n o g een keer (resultaat 674) en n o g een keer (337) en hoe gaat het verder? M a a r h o e w e l we ons ons hele leven z o u d e n bezig k u n n e n h o u d e n m e t o n d e r z o e k naar p r i e m g e t a l l e n en ander speciale getallen h e b b e n we i n de p r a k t i j k v a n het dagelijkse leven andere getallen n o d i g . W e denken d a a r b i j allereerst aan b r e u k e n . W e lossen een m o e i l i j k p r o b l e e m g e m a k k e l i j k o p . D e deUng d r i e gedeeld d o o r zeven k u n n e n we niet u h v o e r e n . W e zeggen d a n m a a r dat het a n t w o o r d is " d r i e gedeeld d o o r z e v e n " a f g e k o r t als " d r i e z e v e n d e " . E n het rekenen m e t deze vreemde a n t w o o r d e n gaat n o g v r i j g o e d . O o k a f t r e k k e n geeft m o e i l i j k h e d e n . W e b e g r i j p e n best dat 3 - 7 -i- 8 echt 4 o p z a l lever e n , m a a r 3 - 7 k a n n i e t . M a a r o m d a t o p t e l l e n zoveel eenvoudiger is d a n v e r m e n i g v u l d i gen h e b b e n we er iets m o o i s o p gevonden, " d r i e m i n z e v e n " is hetzelfde als " t w e e m i n zes" en dat weer als " é é n m i n v i j f " en dat weer als " n u l m i n v i e r " . D h laatste k o r t e n we a f t o t " m i n v i e r " en n o e m e n d h een negatief getal. E n we k u n n e n er weer a a r d i g mee r e k e n e n . D e b r e u k e n b l i j v e n echter t o c h een vreemde zaak, de meeste v a n onze z a k r e k e n m a c h i nes w e t e n er geen weg mee. U i t 3 gedeeld d o o r 7 k o m t g e w o o n w e l een a n t w o o r d , namel i j k .428571429 en betere machines geven .4285714285714285. E n we k u n n e n d r o m e n over de beste m a c h i n e die m a a r d o o r z o u b l i j v e n delen en steeds weer 428571 z o u b l i j v e n herhalen. Iedere d e l i n g z o u o p die beste m a c h i n e u i t g e v o e r d k u n n e n w o r d e n , a n t w o o r d e n k o m e n wehswaar n i e t k l a a r m a a r m e t recht z o u o p een bepaald o g e n b l i k " e n z o v o o r t " gezegd m o g e n w o r d e n ; er k o m t steeds een o g e n b l i k w a a r v a n a f h e r h a l i n g o p t r e e d t .
43 E e n n i e u w p r o b l e e m is o f er een getal x bestaat zodat x * x = 2? Ja, n a t u u r l i j k w a n t de d i a g o n a a l v a n een v i e r k a n t met z i j d e 1 h e e f t deze lengte x . M a a r x k a n geen geheel o f g e b r o k e n getal z i j n . W a t zegt de rekenmachine? sqr(2) = 1.414213 en de betere m a c h i n e geeft s q r ( 2 ) = 1.414213562 De beste m a c h i n e k o m t weer niet k l a a r , en h i j v e r v a l t o o k niet i n h e r h a l i n g e n . W e k e n n e n dat getal dus niet echt, alleen een s t u k j e v a n het a n t w o o r d dat de beste m a c h i n e z o u geven. G e m a k s h a l v e n o e m e n we het a n t w o o r d n u m a a r V2 en we k u n n e n er a a r d i g mee rekenen. D e v e r h o u d i n g v a n o m t r e k en m i d d e l l i j n v a n een c i r k e l is o o k z o ' n getal, dat onze beste m a c h i n e k a n leveren maar waarmee h i j n o o i t k l a a r k o m t en dat o o k niet p e r i o d i e k is. A a r d i g , en o m l a n g over na te d e n k e n , is de vraag o f we over aUe m o g e l i j k e getallen k u n nen spreken die u i t onze beste m a c h i n e k u n n e n k o m e n zonder over de expliciete v o o r s c h r i f t e n te spreken volgens w e l k e ze g e v o r m d w o r d e n . D i e o b j e c t e n n o e m e n we r e ë l e getaUen en we k u n n e n er a a r d i g mee r e k e n e n . N u een v e r z o n n e n v e r h a a l met een k l e i n e k e r n v a n w a a r h e i d . I e m a n d p r o b e e r d e de vergelijking x^ - 6x -F 4 = O o p te lossen. H i j h a d w e l eens v a n de m e t h o d e v a n C a r d a n o g e h o o r d , die v o o r s t e l t o m x = u - l - v te s c h r i j v e n en u en v d a n Ustig te kiezen. I n v u l l e n i n de v e r g e l i j k i n g g e e f t n a wat omschikken: +
+
+ ( u - l - v ) * ( 3 u v - 6 ) = 0.
W e kiezen n u u en v zo dat
U3*v3 = 8
T w e e getallen w a a r v a n som en p r o d u k t b e k e n d z i j n k u n n e n o p klassieke m a n i e r b e p a a l d w o r d e n . W e k w a d r a t e r e n de s o m , t r e k k e n er vier keer het p r o d u k t v a n a f en v i n d e n zo het k w a d r a a t v a n het v e r s c h i l . ( u 3 - v 3 ) 2 = -16
E n dat is j a m m e r w a n t er is i m m e r s geen getal m e t een negatief k w a d r a a t . O f z o u d e n we g e w o o n zeggen " w o r t e l u i t m i n 1 6 " en daar mee rekenen, b i j v o o r b e e l d d o o r te zeggen dat d a t getal v i e r keer " w o r t e l u i t m i n é é n " is. E n s c h r i j v e n we m a a r als a f k o r t i n g " i " i n plaats v a n " w o r t e l u i t m i n é é n " . E n o o k m e t deze n i e u w e getallen k u n n e n we a a r d i g rekenen. H e t w o n d e r is w e l dat al onze constructies niet t o t i n n e r l i j k e tegensprak e n v o e r e n , w a n t d a n z o u ons b o u w w e r k v a n steeds nieuwe getallen i n elkaar s t o r t e n . M a a r aUes gaat g o e d ! D u s i n ons p r o b l e e m u ^ - v ^ = 4i.
44
Begonnen naar
Begonnen naar
met x = l en lijnen
2x getekend
voor
met x=l
2x getekend
en lijnen voor
van x
n = I37
n = 129
Begonnen naar
van x
Begonnen naar
met x=l
6x getekend
en lijnen voor
met x = l en lijnen
7x getekend
voor
van x
n = 137
van x
n = 129
h i e r u i t v o l g t zo als direct g e c o n t r o l e e r d lean w o r d e n dat u3 = -2 + 2 i en v3 = - 2 - 2 i , u = l + i en
v = l - i .
z o d a t x = u + v = 2 . E n d i t is echt een oplossing. J a m m e r genoeg h a d d e n we d a t o o k d i rect k u n n e n z i e n . M a a r het w e r k e n met de nieuwe getallen a-l- b i v o e r t t o t goede resultaten b i j het o p l o s sen v a n de derde-graads v e r g e l i j k i n g . H o e a a r d i g j e verder m e t deze c o m p l e x e getallen k a n w e r k e n zie j e aan f o r m u l e s als:
45 e " = - l en ii = 6-'''^'^=.207879576.... E r is n o g een stap verder, de q u a t e r n i o n e n , m a a r daar p r a t e n we n u maar niet over. E e n lieel ander s o o r t getallen ontstaat b i j " I c l o k r e k e n e n " . H e t is e l f u u r , v i j f u u r later is het d a n vier u u r . I n c i j f e r s 11 + 5 = 4, w a a r b i j het " i s ( = ) t e k e n " d a n een b i j z o n d e r e betekenis h e e f t , l i n k e r en rechter l i d schelen een t w a a l f v o u d . W e noemen d i t rekenen m o d u l o 12 en we k u n n e n o p geheel analoge m a n i e r rekenen m o d u l o een getal n d e f i n i ë r e n . Onze getallen z i j n dan O, 1, 2, t o t en met (n-1) en de rekenregels z i j n d u i d e l i j k . W e geven een paar v o o r b e e l d e n v o o r het geval dat n = 7. 3*4 = 5 2:5 = 6, i m m e r s 5*6 = 30 dus 5*6 = 2. V2 = 3, i m m e r s 3*3 = 9 dus 3*3 = 2. N a t u u r l i j k gaan niet alle bekende regels d o o r . B i j rekenen m o d u l o 10 k u n j e 3 niet meer d o o r 5 delen. B i j rekenen m o d u l o 8 z i j n er vier getallen m e t k w a d r a a t 1. M a a r een g r o o t a a n t a l zaken gaat o p de v e r t r o u w d e m a n i e r . D e getallen m o d u l o n z i j n a a r d i g te iUustreren als de h o e k p u n t e n v a n een regelmatige n - h o e k i n een c i r k e l beschreven. E é n o p t e l l e n betekent d a n g e w o o n een p u n t é é n plaats d o o r s c h u i v e n , (we n u m m e r e n de p u n t e n b i j v o o r b e e l d tegen de wijzers v a n de k l o k i n . ) G a a n we u i t v a n een p u n t O en t r e k k e n de k o o r d e naar het p u n t 2 en v a n daar de k o o r de naar het p u n t 4 e n z o v o o r t s , d a n is e e n v o u d i g i n te zien dat het p l a a t j e v e r s c h i l l e n d w o r d t al naar gelang het getal n even o f oneven is. I n het algemeen zal de grootste gemene deler v a n het getal n en de g r o o t t e a waar we steeds over verschuiven v a n belang z i j n v o o r de v o r m v a n de f i g u u r . I n f o r m u l e k u n n e n we het proces b e s c h r i j v e n d o o r de o p m e r k i n g dat we de v e r b i n d i n g s l i j n v a n de p u n t e n x en x + a tekenen, te b e g i n n e n b i j x = O en verder v o o r x iteratie toe passen. E e n veel boeiender v a r i a n t k r i j g e n we d o o r te beginnen m e t x = 1 en de v e r b i n d i n g s l i j nen v a n X naar x*a tekenen. N u speelt een r o l welke m a c h t v a n a m o d u l o n g e l i j k is aan 1. ( Z i e f i g u r e n A ) . W e e r een andere m o g e l i j k h e i d is te beginnen m e t x = b en de v e r b i n d i n g s l i j n e n v a n x n a a r x * x te t r e k k e n . O f naar x * x - c . H e t a a r d i g is n u eigenschappen v a n de f i g u r e n te v e r t a l e n naar eigenschappen v a n de getallen m o d u l o n . E e n andere m a n i e r o m m e t het rekenen m o d u l o n f i g u r e n te m a k e n is d o o r g e w o o n verb i n d i n g s l i j n e n v a n X naar f ( x ) te m a k e n v o o r alle x v a n O t o t (n-1). (zie f i g u r e n B ) . I n de laatste t i j d h e e f t speciale zeer eenvoudige iteratie veel aandacht gekregen, n a m e l i j k de iteratie die aan x toevoegt x * x - c , v o o r verschillende w a a r d e n v a n c. W a n n e e r we m e t r e ë l e getallen w e r k e n en c tussen O en 2 kiezen k a n z o w e l een p e r i o d i e k e r i j als een c h a o t i sche r i j ontstaan. A l s we m e t complexe getallen w e r k e n w o r d e n m e t deze i t e r a t i e de f r a a i e p l a t e n v a n de zogenaamde " a p p e l m a n n e t j e s " g e m a a k t . M o d u l o n w e r k e n d k o m e n er heel m o e i l i j k e p r o b l e m e n . H e t v o o r r e ë l e en complexe gevallen t r i v i a l e geval c = O en het hanteerbare geval c = 2 geven b i j rekenen m o d u l o n al heel verschillende situaties a f h a n k e l i j k v a n n . Z o w o r d t de s t r u c t u u r i n het geval dat n een p r i e m g e t a l v a n F e r m a t is, b i j z o n d e r f r a a i .
46 O o k b i j rekenen m o d u l o n k u n n e n we soms zo iets als c o m p l e x e getallen i n v o e r e n . O o k d a n z i j n weer m o o i e a f b e e l d i n g e n met de c o m p u t e r te m a k e n . A l l e e n kosten d i t s o o r t constructies meer r e k e n t i j d d a n de b o v e n genoemde v o o r b e e l d e n .
Lijnen
van x naar
2x geleicend
voor
alle X bij n = 129
Lijnen
van x naar
alle x bij n=257
Lijnen
van x naar
8x getelcend
voor
alle x bij n = 129
llx
getekend
voor
Lijnen
van x naar
alle x bij
n=257
119x getekend
voor
NEUROPEPTIDEN EN GEDRAG door D . de Wied
D e l i y p o f y s e , w a a r a a n m e n drie delen k a n onderscheiden, is een b e t r e k k e l i j k k l e i n o r gaan dat v l a k onder de hersenbasis l i g t . D e h y p o f y s e v o o r k w a b f u n c t i o n e e e r t als een k l i e r met i n t e r n e secretie, een h o r m o o n p r o d u c e r e n d o r g a a n , dat z i j n p r o d u k t e n aan de b l o e d b a a n a f g e e f t . D a t geldt o o k v o o r de h y p o f y s e m i d d e n k w a b , die echter niet b i j alle diers o o r t e n aanwezig is. D e h y p o f y s e a c h t e r k w a b is een stapelorgaan v o o r h o r m o n e n die i n de hersenbasis w o r d e n g e v o r m d . De d o o r de h y p o f y s e v o o r k w a b afgegeven h o r m o n e n besturen de a c t i v i t e i t v a n andere o r g a n e n m e t i n t e r n e secretie, zoals de geslachtsklieren, de s c h i l d k l i e r en de b i j n i e r e n . D e h y p o f y s e is v e r b o n d e n met de hersenbasis v i a een steel w a a r i n z e n u w b a n e n l o p e n en waarlangs z i c h v a t e n b e v i n d e n die het contact tussen beide s t r u c t u r e n v e r z o r g e n . De hersenen b e i n v l o e d e n de a c t i v i t e i t v a n de h y p o f y s e v o o r k w a b v i a de z g n . " r e l e a s i n g h o r m o n e s " die i n de hersenbasis w o r d e n g e v o r m d . Z i j " b e v o r d e r e n " o f " r e m m e n " de secretie v a n h o r m o n e n u i t de h y p o f y s e . D e activiteit v a n de releasing h o r m o n e s w o r d t weer b e ï n v l o e d d o o r het z g n . l i m b i s c h e systeem, een b o v e n de hersenbasis gelegen s t r u c t u u r , die b e t r o k k e n is b i j emodes, leren- en geheugenprocessen, sexueel gedrag, sociaal gedrag en andere gedragingen, de t e m p e r a t u u r r e g u l a t i e en p i j n . D i t systeem integreert de v e r a n d e r i n g e n i n de o m g e v i n g m e t de activiteit v a n het endocriene systeem, w a a r d o o r een w i s s e l w e r k i n g tussen het " m i h e u e x t é n e u r e " en " i n t é r i e u r e " t o t stand k o m t , zodat het organisme i n staat gesteld w o r d t zich steeds weer aan de wisselende o m s t a n d i g h e d e n aan te passen. H e t h y p o f y s e b i j n i e r s y s t e e m speelt h i e r b i j een b e l a n g r i j k e r o l . E l k e b e d r e i g i n g v a n het organisme (stress) gaat gepaard met een verh o o g d e a c t i v i t e i t v a n d i t systeem v i a de a f g i f t e v a n het a d r e n o c o r t i c o t r o p e h o r m o o n (ACTH). A C T H is een u i t 39 a m i n o z u r e n bestaand p e p d d e h o r m o o n dat i n de h y p o f y s e i n een g r o o t e i w i t w o r d t g e v o r m d en afgegeven b i j stress, teneinde de b i j n i e r s c h o r s te s t i m u l e r e n t o t v e r h o o g d e synthese v a n b i j n i e r s c h o r s h o r m o n e n , die een r o l spelen b i j de v e r d e d i g i n g v a n het organisme tegen s c h a d e l i j k e i n v l o e d e n . H e t e i w i t dat A C T H bevat is o o k een v o o r l o p e r v o o r andere b e l a n g r i j k e h o r m o n e n , zoals de p i g m e n t h o r m o n e n a- en (3M S H en het /?-endorfine dat i n p r i n c i p e dezelfde e f f e c t e n bezit als m o r f i n e . H e t v o o r l o p e r e i w i t w o r d t p r o - o p i o m e l a n o c o r t i n e ( P O M C ) g e n o e m d . H e t w o r d t niet alleen o p verschillende plaatsen i n de h y p o f y s e , m a a r o o k i n de hersenbasis en zelfs i n de d a r m gev o r m d . D e h o r m o n e n die u i t het P O M C g e v o r m d w o r d e n , w o r d e n v a n u i t de h y p o f y s e v o o r k w a b naar het b l o e d afgegeven en v a n u i t de plaats v a n v o r m i n g i n de hersenbasis v i a zenuwvezels verspreid over de hersenen. D e o m z e t t i n g o f r i j p i n g v a n het P O M C k o m t t o t stand d o o r eiwitsplitsende enzymen, die de a m i n o z u u r k e t e n s
o p bepaalde
plaatsen (gepaarde basische a m i n o z u r e n ) splitsen. H e t weefsel w a a r dat gebeurt, bepaalt
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 20 november 1989.
48
welke de e i n d p r o d u k t e n zullen z i j n . I n de h y p o f y s e v o o r k w a b z i j n dat o.a. A C T H en (3e n d o r f i n e . I n de hersenen w o r d e n v e r m o e d e l i j k alleen s p h t s i n g s p r o d u k t e n v a n A C T H afgegeven, zoals A C T H - ( 1 - 1 6 ) , a - M S H ( a c A C T H - ( l - 1 3 ) ) , A C T H - ( 1 8 - 3 9 ) , A C T H - ( 7 16) etc. O o k /5-endorfine, dat u i t 31 a m i n o z u r e n bestaat, ondergaat verdere s p l i t s i n g i n de hersenen t o t /3-endorfine-(l-16) ( a - e n d o r f i n e ) , (3-endorfine-(l-17) ( 7 - e n d o r f i n e ) en kleinere f r a g m e n t e n . Reeds i n de v i j f t i g e r j a r e n w e r d gevonden dat het a d r e n o c o r t i c o t r o p e h o r m o o n A C T H i n v l o e d u i t o e f e n t o p het leergedrag v a n d i e r e n . D i t w o r d t b i j r a t t e n o.a. bestudeerd aan v o o r w a a r d e l i j k v l u c h t g e d r a g , b i j v o o r b e e l d i n de paalspringtest. H i e r b i j w o r d t een r a t geleerd i n een p a a l te springen na een signaal ( l i c h t ) dat f u n g e e r t als de v o o r w a a r d e l i j k e s t i m u l u s . O m dat te leren w o r d t de r a t b l o o t g e s t e l d aan een m i l d e elektrische s t r o o m , toegediend v i a de v l o e r v a n het c o m p a r t i m e n t w a a r i n het dier z i c h b e v i n d t ( o n v o o r w a a r d e l i j k e s t i m u l u s ) . D e r a t w o r d t g e d w o n g e n i n de veihge paal te springen. H e t dier w o r d t d a g e l i j k s aan t i e n v a n d e r g e l i j k e " t r i a l s " o n d e r w o r p e n . D e mate v a n acquisitie (aanler e n ) w o r d t b e p a a l d d o o r het a a n t a l trials dat het dier n o d i g h e e f t o m te leren de voetschok v o l g e n d o p de v o o r w a a r d e l i j k e s t i m u l u s b i n n e n 5 sec. v o o r 8 0 % o f meer te v e r m i j d e n . Z o d r a het dier d i t c r i t e r i u m h e e f t b e r e i k t , w o r d t de e x t i n c t i e ( u i t b l u s s i n g ) bestudeerd. N u w o r d t slechts de v o o r w a a r d e l i j k e s t i m u l u s aangeboden. Nagegaan w o r d t hoe l a n g het dier het gedrag b l i j f t u i t v o e r e n . O m d a t de o n v o o r w a a r d e l i j k e s t i m u l u s u i t b l i j f t , v i n d t de u i t b l u s s i n g v a n d i t soort gedrag v r i j snel plaats. A C T H r e m t de u i t b l u s s i n g v a n het v o o r w a a r d e l i j k v l u c h t g e d r a g . Deze i n v l o e d b l i j k t i n een k l e i n gedeelte v a n het A C T H m o l e c u u l , zoals A C T H - ( 4 - 1 0 ) o f A C T H - ( 4 - 7 ) , dat p r a k t i s c h geen i n v l o e d o p de b i j n i e r schors h e e f t , te z i j n v e r a n k e r d . E r bestaat k e n n e l i j k een dissociatie tussen de klassieke p e r i f e r e e f f e c t e n v a n A C T H o p de b i j n i e r s c h o r s , w a a r v o o r een g r o o t deel v a n het m o l e c u u l n o d i g is, en de i n v l o e d o p het centrale zenuwstelsel, dat d o o r een k l e i n e n d o c r i n o l o gisch i n a c t i e f deel v a n het m o l e c u u l w o r d t v e r o o r z a a k t . Z u l k e f r a g m e n t e n w o r d e n neuropeptiden genoemd. Neuropeptiden z i j n actieve verbindingen in het zenuwstelsel. Z i j worden gevormd in zenuwcellen door middel van een reeks enzymatische processen, waarbij uit é é n gen of via é é n of meerdere precursors neuropeptiden met geheel verschillende eigenschappen ontstaan die vermoedelijk nodig zijn bij het optimaal functioneren van het zenuwstelsel. I n de l o o p der j a r e n is zeer veel o n d e r z o e k m e t p e p t i d e n , v e r w a n t aan A C T H / M S H , u i t g e v o e r d o p v e r m i j d i n g s - en toenaderingsgedrag, d i s c r i m i n a t i e f en b e l o o n d gedrag. Deze, v o o r n a m e l i j k b i j r a t t e n uitgevoerde e x p e r i m e n t e n , hebben a a n g e t o o n d dat deze n e u r o p e p t i d e n i n v l o e d u i t o e f e n e n o p het l e r e n , de m o t i v a t i e , de attentie, de c o n c e n t r a t i e en bepaalde geheugenprocessen. O o k hebben aan A C T H / M S H verwante n e u r o p e p t i d e n i n v l o e d o p agressie en o p sociaal gedrag en m i t s ze direct i n de hersenen w o r d e n toeged i e n d , i n v l o e d o p poetsgedrag, strek- en gaapgedrag en sexueel gedrag. H e t substitueren v a n a m i n o z u r e n o p verschillende plaatsen i n A C T H - ( 4 - 9 ) leidde u i t e i n d e l i j k t o t de synthese v a n een p e p t i d e dat d u i z e n d m a a l sterker w e r k z a a m was o p ged r a g d a n A C T H - ( 4 - 1 0 ) . D i t p e p t i d e w e r d v e r k r e g e n d o o r de m e t h i o n i n e o p plaats 4 t o t het s u l f o n te o x i d e r e n , t e r w i j l de L - a r g i n i n e o p plaats 8 d o o r D-lysine en L - t r y p t o f a a n o p plaats 9 d o o r L - f e n y l a l a n i n e w e r d v e r v a n g e n . D e toename i n w e r k z a a m h e i d v a n d i t A C T H - a n a l o g o n ( O r g 2766) w o r d t ten dele v e r o o r z a a k t d o o r het f e i t d a t het langer bestand is tegen a f b r a a k i n het b l o e d d a n het n a t u u r l i j k e m o l e c u u l . D a a r o m is het o o k a c t i e f n a orale t o e d i e n i n g . H e t is d u i d e l i j k dat d i t A C T H - a n a l o g o n v o o r d e l e n h e e f t v o o r g e b r u i k i n de k l i n i e k , zoals later aan de o r d e z a l k o m e n . Tevens w e r d vastgesteld dat deze v e r a n d e r i n g e n een o p m e r k e l i j k e scheiding tussen de klassieke endocriene a c t i v i t e i t e n en de i n v l o e d o p het gedrag t o t gevolg h a d d e n . D e m e l a n o t r o p e a c t i v i t e i t v a n O r g 2766 was d u i z e n d m a a l kleiner d a n dat v a n A C T H - ( 4 - 1 0 ) . D e i n v l o e d o p de s t e r o ï d p r o -
49 d u k t i e v a n de b i j n i e r en bet e f f e c t o p de v e t m o b i l i s a t i e w a r e n veel geringer d a n die v a n A C T H - ( 4 - 1 0 ) en de a f f i n i t e i t v o o r o p i a a t r e c e p t o r e n bleek i n tegenstelling t o t A C T H - ( 1 10) geheel te o n t b r e k e n . De t r o f e w e r k i n g v a n A C T H o p de b i j n i e r s c h o r s is klassiek: h y persecretie v a n A C T H leidt t o t h y p e r t r o f i e v a n de b i j n i e r s c h o r s t e r w i j l h y p o f y s e c t o m i e leidt t o t a t r o f i e . Deze t r o f e i n v l o e d k o m t o o k t o t u i t i n g o p zenuwweefsel. M e n k a n dat w a a r n e m e n b i j de o n t w i k k e l i n g v a n de hersenen, b i j hersenletsels, b i j v e r o u d e r i n g e n en o o k b i j z e n u w b e s c h a d i g i n g . O n d e r z o e k v e r r i c h t aan het p e r i f e r e zenuwstelsel h e e f t l a t e n zien dat A C T H - n e u r o p e p t i d e n het herstel v a n een beschadigde zenuw (de n . ischiadicus v a n de r a t ) k u n n e n b e v o r d e r e n . T o t de p e p t i d e n met deze a c t i v i t e i t e n b e h o r e n a - M S H , A C T H - ( 4 - 1 0 ) en O r g 2766. M e t het s u b c u t a a n toedienen v a n deze p e p t i d e n o f het l o k a a l aanbrengen o n m i d d e l l i j k na de beschadiging k a n de herstelperiode, die n o r m a a l enkele w e k e n d u u r t , met 10 t o t 2 0 % v e r k o r t w o r d e n . D e i n v l o e d v a n A C T H - n e u r o p e p t i d e n o p het herstel is z o w e l h i s t o l o g i s c h als f u n c t i o n e e l vast te stellen. D e p e p t i d e n s t i m u l e r e n de u i t g r o e i v a n ongemyehniseerde en gemyehniseerde zenuwvezels v a n u i t het p r o x i m a l e gedeelte v a n het beschadigde a x o n . N i e t alleen de sensibiliteit en de m o t o r i s c h e f u n c t i e v a n de gekwetste p o o t v a n de r a t herstellen sneller, m a a r o o k de geleidingssnelheid i n de zenuw verbetert. E r z i j n zeer recent a a n w i j z i n g e n verkregen dat O R G 2766 de n e u r o p a t h i e als gevolg v a n b e h a n d e l i n g m e t c h e m o t h e r a p e u t i c a b i j k a n k e r p a t i ë n t e n k a n tegengaan. O o k beschadigingen i n het centrale zenuwstelsel v a n r a t t e n b l i j k e n sneller te herstellen onder i n v l o e d v a n A C T H - n e u r o p e p t i d e n . H e t spreekt v a n z e l f dat een d e r g e l i j k e t r o f e w e r k i n g v a n A C T H v a n k l i n i s c h belang k a n z i j n b i j de behandehng v a n zenuwbeschadigingen, m a a r o o k v a n degeneratieve processen (dementie) en v e r o u d e r i n g . H e t e f f e c t v a n A C T H - ( 4 - 1 0 ) en O r g 2766 is b i j de mens o p verschillende m a n i e r e n o n d e r z o c h t i n allerlei c a t e g o r i e ë n v a n p r o e f p e r s o n e n , zoals gezonde volwassenen, oudere mensen, hyperactieve k i n d e r e n , demente b e j a a r d e n enz. Nagegaan w e r d de i n v l o e d o p perceptie, o p cognitieve vermogens, o p de v i g i l a n t i e ( w a a k z a a m h e i d ) en de m o t i v a t i e , o p het geheugen en het leren. D e p e p t i d e n w e r d e n o r a a l ( O r g 2766) o f p a r e n t e r a a l , z o w e l subcutaan
als i n t r a v e n e u s , i n verschillende doseringen toegediend, z o w e l e e n m a l i g
( A C T H - ( 4 - 1 0 ) ) als c h r o n i s c h ( O r g 2766). D e conclusie u i t d i t o n d e r z o e k t o t dusverre is dat eenmalige doses A C T H - ( 4 - 1 0 ) o f c h r o n i s c h toegediend O r g 2766 i n het algemeen w e i n i g i n v l o e d o p l e r e n en geheugen hebben, o f s c h o o n soms een v e r b e t e r i n g i n die f u n c ties w e r d gevonden. H e t meest consistente e f f e c t v a n een eenmalige b e h a n d e l i n g bleek te bestaan u i t het beter u i t v o e r e n v a n een l a n g d u r i g e , vervelende t a a k die b e s t o n d u i t het reageren o p bepaalde l i c h t s i g n a l e n . D i t e f f e c t w e r d b e s c h o u w d als een i n v l o e d o p de att e n t i e en de m o t i v a t i e , een i n t e r p r e t a t i e die goed o v e r e e n k o m t met die w e l k e u i t het diere x p e r i m e n t w e r d geconcludeerd. O n d e r z o e k , w a a r b i j O r g 2766 o r a a l gedurende 1 t o t 4 w e k e n w e r d gegeven, b r a c h t aan het l i c h t dat het p e p t i d e een sterke v e r b e t e r i n g g e e f t v a n het gedrag v a n oudere mensen m e t geringe cognitieve stoornissen en b i j preseniele bej a a r d e n . D e b e h a n d e h n g resulteerde i n een v e r b e t e r i n g v a n de s t e m m i n g , een v e r m i n d e r i n g v a n de depressie en de angst, een v e r b e t e r i n g v a n het sociale contact en het gevoel v o o r c o m p e t e n t i e en betere c o ö p e r a t i e m e t andere bewoners en het verplegend personeel v a n de i n r i c h t i n g w a a r i n deze b e j a a r d e n verbleven. I n de meest recente d u b b e l b l i n d e placebo-gecontroleerde studie (1987) w e r d gevonden dat O r g 2766 i n 2 5 % v a n l i c h t t o t m a t i g gedementeerde p a t i ë n t e n een k l i n i s c h relevante v e r b e t e r i n g g a f . D e b e l a n g r i j k s t e e f f e c t e n w a r e n die o p de cognitieve f u n c t i e en l i c h a m e l i j k e c o n d i t i e . Deze e f f e c t e n w a r e n n i e t a f h a n k e l i j k v a n de dosis en pas d u i d e l i j k n a 2 t o t 4 w e k e n . N a a r m a t e de s t o o r n i s m i l d e r was, was het e f f e c t v a n O r g 2766 d u i d e l i j k e r . O r g 2766 l i j k t dus w e l v a n belang te k u n n e n z i j n v o o r het geestelijk f u n c t i o n e r e n v a n demente b e j a a r d e n en b i j v e r o u d e ring.
V e r m o e d e l i j k m o e t het veel langer w o r d e n toegediend en m o e t o o k de toedienings-
50
w i j z e w o r d e n v e r b e t e r d . D a t laatste o m d a t de resorptie v a n u i t het m a a g d a r m l c a n a a l b l i j k t tegen te v a l l e n . i 8 - E n d o r f i n e ()3E) en v e r w a n t e p e p t i d e n b e z i t t e n e f f e c t e n die l i j k e n o p die v a n m o r f i n e en v e r w a n t e v e r b i n d i n g e n . Deze e f f e c t e n , die na t o e d i e n i n g i n de hersenen z i c h t b a a r w o r d e n , b e t r e f f e n de p i j n s t i U e n d e , a d e m h a l i n g s r e m m e n d e en t e m p e r a t u u r v e r l a g e n d e i n v l o e d en c a t a t o n i c . |8E h e e f t o o k e f f e c t o p het sociale gedrag v a n r a t t e n . F r a g m e n t e n v a n /3-endorfine, zoals a- eri 7 - e n d o r f i n e ( a E en 7 E ) z i j n m i n d e r w e r k z a a m i n d i t o p z i c h t . D i t soort f r a g m e n t e n en andere ontstaan d o o r enzymatische o m z e t t i n g v a n /3E. Deze s t o f f e n o e f e n e n geheel verschillende e f f e c t e n o p het C Z S u i t d a n het m o e d e r m o l e c u u l . 7 E b e v o r d e r t de u i t b l u s s i n g v a n actief v e r m i j d i n g s - en voedsel-beloond gedrag, r e m t de u i t b l u s s i n g v a n w a t e r - b e l o o n d gedrag en passief v e r m i j d i n g s g e d r a g en b e v o r d e r t het d o o l h o f g e d r a g . Deze i n v l o e d is niet a f h a n k e l i j k v a n de m o r f i n e - a c h t i g e i n v l o e d . 7 - T y p e e n d o r f i n e n b e z i t t e n een i n v l o e d die i n bepaalde o p z i c h t e n g e l i j k t o p die v a n de z g n . neur o l e p t i c a , s t o f f e n die b i j schizofrene psychosen w o r d e n toegepast. a E h e e f t veelal een aan 7 E tegengestelde w e r k i n g . H e t r e m t de u i t b l u s s i n g v a n actief en b e v o r d e r t het passief v e r m i j d i n g s g e d r a g , r e m t het uitblussen v a n voedsel en water b e l o o n d gedrag en r e m t het d o o l h o f g e d r a g . a - T y p e e n d o r f i n e n k u n n e n als endogeen v o o r k o m e n d e p s y c h o s t i m u l a n t i a w o r d e n b e s c h o u w d , w a a r v a n de w e r k i n g i n s o m m i g e o p z i c h t e n v e r g e l i j k b a a r is m e t die v a n a m f e t a m i n e . D e n e u r o h y p o f y s a i r e h o r m o n e n vasopressine en o x y t o c i n e w o r d e n o o k i n grote e i w i t ten i n de hersenbasis g e v o r m d en v i a z e n u w b a n e n naar de h y p o f y s e a c h t e r k w a b get r a n s p o r t e e r d . D a a r w o r d e n ze aan de b l o e d b a a n afgegeven. Vasopressine h e e f t i n v l o e d o p de w a t e r h u i s h o u d i n g en de b l o e d d r u k . O x y t o c i n e o p de gladde spieren v a n de baarm o e d e r en v a n de m e l k k h e r g a n g e n . Daarnaast w o r d t vasopressine, evenals het P O M C , v a n u i t de p r o d u k t i e p l a a t s e n i n de hersenbasis v i a zenuwvezels naar het vaatsysteem v a n de h y p o f y s e v e r v o e r d . Vasopressine en o x y t o c i n e w o r d e n tevens v i a z e n u w b a n e n naar het l i m b i s c h e systeem en andere e x t r a h y p o t h a l a m i s c h e gebieden g e t r a n s p o r t e e r d .
Ze
h e b b e n i n v l o e d o p leer- en geheugenprocessen. H e t e f f e c t v a n deze p e p t i d e n o p leerged r a g is l a n g d u r i g . B i j veel v a n d h o n d e r z o e k w e r d g e b r u i k g e m a a k t v a n de z g n . passieve v e r m i j d i n g s t e s t . B i j het passief v e r m i j d i n g s g e d r a g w o r d t de instinctieve v o o r k e u r v a n k n a a g d i e r e n v o o r een d o n k e r e o m g e v i n g b e h u t . W a n n e e r de r a t o p een s m a l , hel v e r l i c h t p l a t f o r m w o r d t geplaatst, zal h i j spoedig de d o n k e r e r u i m t e o p z o e k e n . N a een a a n t a l h a b i t u a t i e t r i a l s w o r d t het dier nadat het de d o n k e r e r u i m t e binnengaat, b l o o t g e s t e l d aan een m i l d e k o r t d u r e n d e elektrische voetschok ( l e e r t r i a l ) . H i e r d o o r w o r d t deze r u i m t e als g e v a a r l i j k e r v a r e n , hetgeen t i j d e n s de t e s t t r i a l 24 o f 48 u u r later b l i j k t , d o o r d a t de r a t langer o p het p l a t f o r m b l i j f t aarzelen, alvorens b i n n e n te gaan. I n deze p r o e f o p s t e l l i n g k a n de i n v l o e d v a n n e u r o p e p t i d e n op het opslaan (consolidatie) en het t e r u g r o e p e n (ret r i e v a l ) v a n i n f o r m a t i e , i n d i t geval de onaangename e r v a r i n g i n de d o n k e r e r u i m t e , bestudeerd w o r d e n . B i j het testen v a n i n v l o e d e n o p de consohdatie w o r d t het p e p t i d e d i r e c t na de l e e r t r i a l toegediend. D e r e t r i e v a l w o r d t bestudeerd d o o r het p e p t i d e k o r t v o o r de retentiesessie toe te dienen. H e t gedrag w o r d t g e k w a n t i f i c e e r d d o o r de t i j d die de r a t o p het p l a t f o r m v e r b l i j f t (retentie) te m e t e n . Vasopressine bleek het sterkst w e r k z a a m o p de retentie v a n passief v e r m i j d i n g s g e d r a g , wanneer het peptide d i r e c t n a een leertest w e r d toegediend. W a n n e e r de t o e d i e n i n g t o t d r i e u u r n a de leertest w e r d u i t gesteld, w e r d w e i n i g e f f e c t gezien. D e processen i n de hersenen die b e t r o k k e n z i j n b i j het o p s l a a n v a n i n f o r m a t i e v o h r e k k e n z i c h b l i j k b a a r i n een k r i t i s c h e p e r i o d e na de leertest. W e r d vasopressine echter 23 u u r na de leertest toegediend, dus é é n u u r v o o r de geheugentest, d a n w e r d het passieve v e r m i j d i n g s g e d r a g weer sterk b e v o r d e r d . D i t k a n gezien w o r d e n als een a a n w i j z i n g dat vasopressine o o k het t e r u g r o e p e n v a n opgeslagen i n f o r m a t i e bevordert. H e t nauw verwante neurohypofysaire h o r m o o n oxytocine werkt
51
o o k o p het geheugen en w e l tegengesteld aan vasopressine. O x y t o c i n e bevordert u i t b l u s sing v a n actief v e r m i j d i n g s g e d r a g en r e m t het passief v e r m i j d i n g s g e d r a g . O x y t o c i n e z o u dus beschouwd k u n n e n w o r d e n als een amnestisch peptide. M e e r recent o n d e r z o e k h e e f t a a n g e t o o n d dat deze s t o f f e n o o k andere centrale e f f e c t e n bezitten, die v a r i ë r e n v a n i n v l o e d o p de o n t w i k k e l i n g , de b i o r i t m i e k , het sexueel gedrag, het moederschapsgedrag, de t e m p e r a t u u r , het h a r t - en vaatstelsel, t o t verslavend gedrag. De e f f e c t e n v a n vasopressine en o x y t o c i n e o p het gedrag z i j n , evenals die v a n A C T H , o n a f h a n k e l i j k v a n de klassieke endocriene i n v l o e d v a n deze h o r m o n e n . F r a g m e n t e n v a n vasopressine en o x y t o c i n e die o p zich geen p e r i f e r e endocriene w e r k i n g meer bezitten, hebben n o g w e l i n v l o e d o p het geheugen. D a a r o m w e r d d o o r ons gepostuleerd dat deze h o r m o n e n v o o r l o p e r m o l e culen z i j n v o o r n e u r o p e p t i d e n die geheugenprocessen o p een specifieke w i j z e m o d u l e r e n . D o o r de w e r k i n g v a n enzymen i n de hersenen o p vasopressine en o x y t o c i n e o n t s t a a n er f r a g m e n t e n die een sterkere i n v l o e d o p geheugenprocessen b l i j k e n te hebben. U h vasopressine en o x y t o c i n e ontstaan vasopressine-(4-9) en oxytocine-(4-9). Deze hebben dez e l f d e e f f e c t e n als vasopressine o p passief en actief v e r m i j d i n g s g e d r a g , m a a r i n veel lagere doseringen. Ze missen de klassieke endocriene e f f e c t e n en een aantal andere centrale e f f e c t e n v a n vasopressine, zoals de temperatuurverlagende i n v l o e d . H e t is niet d u i d e l i j k o f de geheugeneffecten v a n de n e u r o h y p o f y s a h e h o r m o n e n v e r o o r z a a k t w o r d e n d o o r d e r g e l i j k e f r a g m e n t e n , d o o r vasopressine zelf o f d o o r de i n v l o e d v a n het hele m o l e c u u l en de f r a g m e n t e n . O o k de " r e l e a s i n g " h o r m o n e n zoals T R H , dat de a f g i f t e van het s c h i l d k l i e r s t i m u l e rende h o r m o o n s t i m u l e e r t , C R H dat de a f g i f t e v a n A C T H stimuleert, en L H R H , dat de a f g i f t e v a n de g o n a d o t r o p e h o r m o n e n u i t de h y p o f y s e stimuleert, hebben i n v l o e d o p het centrale zenuwstelsel. T R H k a n w o r d e n b e s c h o u w d als een analeptisch w e r k e n d neur o p e p t i d e , aangezien het d o o r b a r b i t u r a t e n , a l c o h o l en andere depressiva o p g e w e k t e eff e c t e n k a n tegengaan. O o k r e m t het de slaap en de w i n t e r s l a a p . Deze e f f e c t e n k o m e n o n a f h a n k e l i j k v a n de i n v l o e d o p de h y p o f y s e t o t stand. C R H stimuleert het sympatische zenuwstelsel, hetgeen t o t u i d n g k o m t i n het cardiovasculaire systeem (toename v a n de h a r t f r e q u e n t i e ) en de s u i k e r s t o f w i s s e l i n g . L H R H is z o w e l b e t r o k k e n b i j m a n n e l i j k als v r o u w e l i j k sexueel gedrag. Overigens h e e f t d i t peptide o o k i n v l o e d op het leergedrag en de t e m p e r a t u u r r e g u l a t i e . W i j veronderstellen dat aangeboren o f verkregen a f w i j k i n g e n i n n e u r o p e p t i d e a c t i v i t e i t o o r z a a k k u n n e n z i j n v a n psychiatrische en neurologische a a n d o e n i n g e n . Deze z o u d e n het g e v o l g k u n n e n z i j n v a n veranderingen i n de genstructuur o f genexpressie, o f de v o r m i n g v a n n e u r o p e p t i d e n u h p r e c u r s o r m o l e c u l e n o f de o m z e t d n g e r v a n . D h soort v e r a n d e r i n g e n k u n n e n w i j z i g i n g e n i n de samenstelling v a n n e u r o p e p t i d e n o f h u n b i o l o g i sche e f f e c t e n teweegbrengen. E e n v o o r b e e l d v a n een genetische m u t a t i e m e t een a f w i j k e n d neuropeptidensysteem z i j n r a t t e n v a n de B r a t t l e b o r o s t a m , die een stoornis hebben i n de v o r m i n g v a n vasopressine i n de hersenbasis. B i j deze dieren m e t diabetes i n s i p i d u s k u n n e n allerlei gedragsstoornissen gevonden w o r d e n . B i j mensen met een z e l f d e aandoen i n g z i j n geheugenstoornissen gevonden die k u n n e n w o r d e n hersteld d o o r t o e d i e n i n g v a n vasopressine n e u r o p e p t i d e n . E e n ander v o o r b e e l d b e t r e f t de neuroleptische i n v l o e d v a n 7-type e n d o r f i n e n , die reeds b i j kleine w i j z i g i n g e n i n het m o l e c u u l teniet gedaan w o r d t . Deze w o r d e n i n de hersenen g e v o r m d . Vastgesteld is dat de o m z e t t i n g v a n (3e n d o r f i n e p l a a t s v i n d t d o o r e n z y m e n u i t rattehersenen v i a een aantal stappen w a a r b i j 7en a - e n d o r f i n e n g e v o r m d w o r d e n . 7 - E n d o r f i n e en het k o r t e r e f r a g m e n t D T 7 E b l i j k e n de b e l a n g r i j k s t e f r a g m e n t e n v a n )3-endorfine te z i j n die b i j neutrale p H w o r d e n gev o r m d . B i j verdere o m z e t d n g ontstaat een n o g k o r t e r e keten, het peptide D E 7 E , d a t o o k n e u r o l e p t i s c h - a c h t i g w e r k t . B i j een iets lagere p H - w a a r d e o v e r t r e f f e n de hoeveelheden a - e n d o r f i n e en D T a E die v a n 7-type p e p t i d e n . Deze e x p e r i m e n t e n geven aan d a t de p r o -
52
teolytische o m z e t t i n g v a n /3-endorfine m o d u l e e r b a a r is, w a a r d o o r 7-type d a n w e l a-type bij
voorlceur
accumuleren.
Tevens
blijken
farmaca
de
vorming
van
13-
e n d o r f i n e f r a g m e n t e n i n v i t r o te k u n n e n b e ï n v l o e d e n . Naast de enzymadsche v o r m i n g u i t (3-endorfine is o o k gevonden dat 7 - e n d o r f i n e , D T 7 E , of-endorfine en D T a E en geacetyleerde v o r m e n v a n e n d o r f i n e n v o o r k o m e n i n h y p o f y s e - en hersenweefsel v a n de r a t en i n p o s t - m o r t e m hersenmateriaal v a n mensen. Tevens z i j n er a a n w i j z i n g e n dat deze p e p t i den o o k i n de U q u o r cerebrospinahs v a n mensen c i r c u l e r e n . O n d e r z o e k aan p o s t m o r t e m weefsel v a n s c h i z o f r e n e p a t i ë n t e n h e e f t gegevens opgeleverd die w i j z e n o p een defect i n het e n d o r f i n e s y s t e e m b i j s c h i z o f r e n i e . W e h s w a a r z i j n a- en 7 - e n d o r f i n e i n zelfs v e r h o o g de concentraties aanwezig i n hersenmateriaal v a n p a t i ë n t e n , m a a r de b i o l o g i s c h e a c t i v i teit v a n 7 - e n d o r f i n e bevattende f r a c t i e s u i t deze p o s t - m o r t e m hersenweefsels is a b n o r m a a l . Deze v e r a n d e r i n g e n i n de b i o l o g i s c h e a c t i v i t e i t k u n n e n een gevolg z i j n v a n een subtiele w i j z i g i n g i n de s t r u c t u u r v a n 7 - e n d o r f i n e . H e t k a n z i j n dat de a f w i j k i n g i n b i o l o gisch e f f e c t v a n 7-type e n d o r f i n e n het gevolg is v a n een subtiele v e r a n d e r i n g i n het neur o p e p t i d e . Gezien deze b e v i n d i n g e n z i j n w i j v a n m e n i n g dat bepaalde psychiatrische aand o e n i n g e n b e s c h o u w d k u n n e n w o r d e n als neuroendocriene stoornissen. H e t is i m m e r s a l heel l a n g b e k e n d dat o o k neuroendocriene a f w i j k i n g e n gepaard k u n n e n gaan met psychische stoornissen. U i t o n d e r z o e k b i j p a t i ë n t e n met een s c h i z o f r e n e psychose bleek dat de 7-type e n d o r f i nen D T 7 E en D E 7 E een antipsychotische w e r k i n g bezaten. I n het algemeen bleek een derde deel v a n de p a t i ë n t e n niet o f w e i n i g te w o r d e n b e ï n v l o e d d o o r de b e h a n d e l i n g met 7-type e n d o r f i n e n , een derde deel een m a t i g e t o t r e d e l i j k e respons te v e r t o n e n en een derde deel goed t o t zeer goed te reageren. D e behandehng h a d w e i n i g r e u l t a a t b i j p a t i ë n t e n m e t een schizo-affectieve psychose o f een z g n . residuale s c h i z o f r e n i e . Interessant was dat statistische analyse v a n de gegevens v a n 40 p a t i ë n t e n liet zien dat de reactie o p de behand e l i n g a f h i n g v a n de hoeveelheid n e u r o l e p t i c a die de p a t i ë n t e n h a d d e n g e b r u i k t en v a n de d u u r v a n de laatste psychotische episode. H o e hoger de dosering v a n de n e u r o l e p t i c a was geweest v o o r d a t de b e h a n d e l i n g m e t p e p d d e n w e r d ingesteld, des te geringer was het resultaat met 7-type e n d o r f i n e . Eveneens was de respons geringer n a a r m a t e de laatste psychotische episode v a n langere d u u r was geweest. Slechts enkele n e u r o p e p t i d e n heb i k i n het kader v a n m i j n v o o r d r a c h t k u n n e n besprek e n . I n het algemeen k a n m e n zeggen dat n e u r o p e p t i d e n b e t r o k k e n z i j n b i j leer- en geheugenprocessen,
sociaal gedrag, moederschapsgedrag,
sexueel gedrag, b i j p i j n , versla-
v i n g en de s t e m m i n g , voedsel- en w a t e r o p n a m e , regulatie v a n de t e m p e r a t u u r en het aut o n o m e zenuwstelsel. W i j veronderstellen dat aangeboren o f later v e r k r e g e n a f w i j k i n g e n i n de v o r m i n g v a n n e u r o p e p t i d e n o o r z a a k k u n n e n z i j n v a n psychiatrische en n e u r o l o g i sche a f w i j k i n g e n . D h soort a f w i j k i n g e n k a n het gevolg z i j n v a n v e r a n d e r i n g e n i n de g e n s t r u c t u u r , de genexpressie, de o m z e t t i n g v a n v o o r l o p e r m o l e c u l e n t o t n e u r o p e p t i d e n . D e v e r k r e g e n a f w i j k i n g e n z o u d e n v e r o o r z a a k t k u n n e n w o r d e n d o o r destructie v a n neur o p e p t i d e n p r o d u c e r e n d e cellen i n de hersenen d o o r v e r o u d e r i n g , i n t o x i c a t i e , i n f e c t i e o f chronische stress.
ELEKTRON-OVERDRACHT ONDER INVLOED V A N LICHT moleculaire e l e c t r ó n i c a in wording? door J . W . Verhoeven
1. Moleculen
en
elektronen.
I n deze lezing zuUen we ons v e e l v u l d i g t r a c h t e n te verplaatsen naar de m i c r o c o s m o s v a n (organische) m o l e c u l e n . H o e w e l U z i c h allen o n g e t w i j f e l d reahseert dat de meeste mater i e , zoals we die r o n d o m ons w a a r n e m e n , is o p g e b o u w d u i t v o o r elke s t o f specifieke m o leculen, die o p zich weer een samenstelsel z i j n v a n een beperkt a a n t a l a t o m e n , is het w a a r s c h i j n l i j k t o c h n u t t i g o m eens na te gaan hoe die m o l e c u l e n er ongeveer " u i t z i e n " , hoe de chemicus ze pleegt te tekenen en i n hoeverre de b i j z o n d e r kleine a f m e t i n g e n vati een m o l e c u u l leiden t o t eigenschappen die we niet direct zouden v e r w a c h t e n d o o r extrap o l a d e v a n u i t de v o o r ons waarneembare
"macrocosmos".
D e eerste v r a a g b r e n g t ons a l meteen i n de p r o b l e m e n , w a n t m o l e c u l e n z i j n z ó k l e i n dat ze zelfs m e t de sterkste optische m i c r o s c o o p niet z i c h t b a a r g e m a a k t k u n n e n w o r d e n . T o c h is het m o g e l i j k een beeld v a n m o l e c u l e n te v e r k r i j g e n v i a een a a n t a l meer i n d i r e c t e t e c h n i e k e n . D e oudste en n o g steeds de krachtigste h i e r v a n berust o p de d i f f r a c d e v a n R ö n t g e n s t r a l i n g aan k r i s t a l l e n , die bestaan u i t een regelmatige stapeling v a n de desbet r e f f e n d e m o l e c u l e n . Recentere technieken z i j n e l e k t r o n e n m i c r o s c o p i e en scanning t u n n e h n g m i c r o s c o p i e ( S T M ) . O p de laatstgenoemde techniek zal i k i n het v e r v o l g v a n m i j n lezing n o g t e r u g k o m e n , m a a r zonder o p de details i n te gaan is het b e l a n g r i j k U er o p te w i j z e n dat de b e e l d v o r m i n g b i j al deze m e t h o d e n i n d i r e c t t o t stand k o m t en d a t het
<
JigxiuT 1
ca. 5 A
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 11 december 1989.
54
getoonde beeld verregaand a f h a n g t v a n de v o o r k e u r v a n degene die v o o r de "signaalverw e r k i n g " v e r a n t w o o r d e l i j k geweest is en dat b e t r e f t niet alleen de kleur weergave, die u i t e r a a r d b i j d i t soort a f b e e l d i n g e n alleen als c o d e r i n g e n / o f v e r f r a a i i n g d i e n t . Z o t o o n t f i g u u r 1 een tweetal g e b r u i k e l i j k e a ü j e c l d i n g e n v a n het m o l e c u u l benzeen, dat is opgeb o u w d u i t zes k o o l s t o f a t o m e n en zes w a t e r s t o f a t o m e n ( C ^ H j ) . Iedere chemicus zal U w a a r s c h i j n l i j k vertellen dat het Unker p l a a t j e het meest realistische is. I n deze zogenaamde s p a c e - f i l h n g weergave w o r d e n de a t o m e n weergegeven als b o l l e n die zo z i j n gekozen dat i n het c e n t r u m zich steeds de - zeer kleine - a t o o m k e r n b e v i n d t en dat v o o r t s v r i j w e l de volledige e l e k t r o n e n w o l k v a n het a t o o m b i n n e n de b o l past. D u i d e l i j k is te zien dat de b o l v a n elke C - a t o o m (grijs gecodeerd) sterk o v e r l a p t met die v a n twee n a b u r i g e Ca t o m e n en met die v a n é é n H - a t o o m ( w i t gecodeerd). H i e r u i t v o l g t dat elk C - a t o o m een deel v a n z ' n e l e k t r o n e n " d e e h " m e t twee andere C - a t o m e n en met é é n H - a t o o m . B e k e n d is dat d i t delen v a n e l e k t r o n e n leidt t o t een b i n d i n g (covalente b i n d i n g ) tussen de betreffende a t o m e n ' e n het z i j n deze b i n d i n g e n , die er v e r a n t w o o r d e l i j k v o o r z i j n dat het m o l e c u u l als z o d a n i g i n t a c t b l i j f t . D e space-filUng weergave moge " r e a l i s t i s c h " z i j n , erg o v e r z i c h t e l i j k is h i j niet v o o r a l niet b i j m o l e c u l e n die meer a t o m e n bevatten d a n benzeen. H e t rechter p l a a t j e i n F i g u u r 1 t o o n t een alternatieve weergave, de zogenaamde " b a l l & s d c k " , w a a r i n de overzichtel i j k h e i d is v e r g r o o t d o o r de b o l s t r a a l v a n elk der a t o m e n met een a r b i t r a i r e f a c t o r te verk l e i n e n . O m n u t o c h n o g aan te geven w e l k e b i n d i n g e n o p t r e d e n , z i j n deze als s t a a f j e s aan het m o d e l toegevoegd. Deze w i j z e v a n weergave is b i j z o n d e r p o p u l a i r , o o k i n het o n d e r w i j s , o m d a t h i j niet alleen een goed beeld geeft v a n de r u i m t e l i j k e o p b o u w v a n het m o l e c u u l - we zien n u b i j v o o r b e e l d d u i d e l i j k dat de C - a t o m e n o p de h o e k e n v a n een regelmatige zeshoek liggen - maar zich v o o r a l o o k leent v o o r f r a a i i n k l e u r e n o p m o d e r n e c o m p u t e r d i s p l a y s . H e t z o u echter j a m m e r z i j n als d o o r veelvuldige presentatie v a n z u l k e plaatjes de i n d r u k gewekt w e r d dat m o l e c u l e n bestaan u i t d o o r s t a a f j e s b i j elkaar gehouden k e r s t b a l l e n ! B i j c o m m u n i c a t i e tussen c h e m i c i w o r d t e i g e n l i j k m a a r w e i n i g g e b r u i k g e m a a k t v a n de i n F i g . 1 getoonde a f b e e l d i n g e n . M e n bedient z i c h d a n v o o r a l ' aan eenvoudige met de h a n d te schetsen " s t r u c t u u r f o r m u l e s " w a a r v a n diverse v a n a n t e n bestaan zoals i n F i g . 2 v o o r - alweer - benzeen gedemonstreerd. D e verwantschap tussen de als eerste ( A ) get o o n d e s t r u c t u u r f o r m u l e en het b a l l & s d c k p l a a t j e i n F i g . 1 is d u i d e l i j k , m a a r t e g e l i j k e r t i j d o o k m i s l e i d e n d . De b o l l e n z i j n n u vervangen d o o r het l e t t e r s y m b o o l v a n het betreff e n d e element
en de b i n d i n g s s t a a f j e s l i j k e n vervangen d o o r bindingsstreepjes.
Die
streepjes bevatten echter n o g w a t extra i n f o r m a t i e en wel over het a a n t a l e l e k t r o n e n dat b i j de d e s b e t r e f f e n d e b i n d i n g b e t r o k k e n is. O m d a t het d a a r b i j i n het algemeen o m even a a n t a l l e n gaat, is de a f s p r a a k gemaakt dat elk bindingsstreepje o v e r e e n k o m t m e t twee b i n d i n g s e l e k t r o n e n ( e l e k t r o n e n p a a r b i n d i n g ) . Deze extra i n f o r m a d e , v e r v a t i n de b i n dingsstreepjes v a n s t r u c t u u r f o r m u l e s , is b i j z o n d e r n u t t i g , m a a r brengt ons v a a k i n m o e i l i j k h e d e n met de realisatie v a n een eenduidige weergave v a n de s t r u c t u u r . Z o v a l t u i t F i g . 2 A a f te leiden dat aan de v o r m i n g v a n de C C - b i n d i n g e n i n t o t a a l 18 e l e k t r o n e n deelnem e n , maar tevens suggereert F i g . 2 A dat opeenvolgende C C - b i n d i n g e n a f w i s s e l e n d d o o r 2 ( e n k e l streepje) en 4 ( d u b b e l streepje) e l e k t r o n e n g e v o r m d w o r d e n . D a t laatste is i n s t r i j d m e t het experimenteel vastgestelde f e i t dat alle C - C b i n d i n g e n i n benzeen e q u i v a lent z i j n . Deze equivalentie k o m t t o t stand d o o r d a t v a n de t o t a a l negen b i n d i n g s p a r e n er d r i e niet s p e c i f i e k aan de v o r m i n g v a n é é n enkele b i n d i n g deelnemen, m a a r g e l i j k t i j d i g b i j d r a g e n aan de b i n d i n g tussen alle zes C a t o m e n . M e n zegt w e l dat deze zes e l e k t r o n e n "gedelocaliseerd z i j n " . P o g i n g e n o m d i t verschijnsel t o c h i n een schetsmatige s t r u c t u u r f o r m u l e te v a t t e n z i j n weergegeven i n F i g . 2B en i n F i g . 2 C . D e d u b b e l z i j d i g e p i j l i n het
55
GEBRUIKELIJKE VORMEN V A N DE "STRUCTUURFORMULE"
VOOR BENZEEN (CgHg)
A
B
C
schema B geeft aan d a t de w e r k e h j k e toestand hgt tussen de twee als uiterste geschetste v o r m e n ( i n d i t geval w e l aangeduid als " r e s o n a n t i e v o r m e n " ) . F i g . 2 C i s een p o g i n g o m de delocalisatie i n é é n p l a a t j e te v a t t e n , m a a r hier m o e t e n we zelf w e l u i t r e k e n e n hoeveel e l e k t r o n e n er gedelocahseerd z i j n ( i n d i t geval staat het c i r k e l t j e dus v o o r 6 e l e k t r o n e n ) . U ziet dus dat er n o g al w a t m a n i e r e n z i j n o m het beeld v a n een m o l e c u u l aan het pap i e r toe te v e r t r o u w e n en dat het n i v e a u v a n abstractie h i e r b i j v a a k h o o g k a n o p l o p e n . Z o w o r d t b i j v o o r b e e l d z o w e l i n B als i n C aangenomen dat U a u t o m a t i s c h b e g r i j p t dat - z o l a n g niet anders w o r d t aangegeven - o p elk h o e k p u n t een C a t o o m z i t , en dat U v o o r t s v o l d o e n d e i n de chemie bent o n d e r l e g d o m de i n het geheel niet aangegeven H a t o m e n zelf i n te v u l l e n . We g a a n n u t e r u g n a a r de derde v r a a g , die i k b i j de a a n h e f gesteld heb, n a m e l i j k die over de a f m e t i n g e n v a n een m o l e c u u l en de konsekwenties h i e r v a n v o o r de eigenschapp e n . D i v e r s e s t r u c t u u r o p h e l d e r i n g s m e t h o d e n en w e l i n het b i j z o n d e r de R ö n t g e n d i f f r a c tie, geven n a u w k e u r i g e i n f o r m a t i e over de m o l e c u l a i r e a f m e t i n g e n en zelfs over de b i n d i n g s a f s t a n d e n b i n n e n een m o l e c u u l , gemeten als k e r n - k e r n a f s t a n d . Z o w e t e n we dat i n benzeen alle C-C b i n d i n g e n 1,39 A l a n g z i j n en alle C - H b i n d i n g e n 1,10 A . D i t i m p l i ceert dat de grootste a f m e t i n g v a n het gehele m o l e c u u l ca. 5 A is. D e A n g s t r o m is een g e b r u i k e l i j k e (maar i n feite verouderde) lengtemaat i n de m o l e c u l a i r e w e r e l d en k o m t overeen m e t 1 0 ' ° m (dus m e t 0,1 n m en 100 p m ) . H e t l u k t met m o d e r n e d i f f r a c d e t e c h n i e k e n g o e d o m b i n d i n g s a f s t a n d e n te bepalen t o t o p 0,001 A n a u w k e u r i g , en als daarmee de relatieve kernposities i n een m o l e c u u l zo n a u w k e u r i g b e k e n d z i j n , k a n m e n z i c h w e l l i c h t a f v r a g e n w a a r o m niet meteen o o k de p o s i t i e v a n de e l e k t r o n e n w o r d t opgegeven
56 z o d a t we w a t m i n d e r wazige plaatjes k r i j g e n d a n i n F i g . 1. D e o n m o g e l i j k h e i d o m d i t te d o e n is een eerste d e m o n s t r a t i e v a n het v e r s c h i l tussen de macrocosmos en de m o l e c u laire m i c r o c o s m o s , o f zo U w i l t tussen de klassieke mechanica en de q u a n t u m m e c h a n i c a . O p m o l e c u l a i r e schaal treden n a m e l i j k een a a n t a l verschijnselen aan het l i c h t , die we b i j grotere systemen niet ( k u n n e n ) o p m e r k e n ^ ) . V o o r onze h u i d i g e discussie w o r d t het p r o bleem dat we k r i j g e n als we p r o b e r e n de positie v a n e l e k t r o n e n vast te leggen goed g e f o r m u l e e r d d o o r de onzekerheidsrelatie v a n Heisenberg (1), die een relatie legt tussen de n a u w k e u r i g h e i d ( A x ) waarmee we de positie v a n een deeltje met massa M k u n n e n bepalen en die ( A v ) w a a r m e e we t e g e l i j k e r t i j d de snelheid v a n dat deeltje k u n n e n vaststellen. Ax*Av>h/27rM
(1)
I n v e r g e l i j k i n g (1) is h de constante v a n P l a n c k ( h = 6,6*I0'^''J.s.). V o o r een s t o f d e e l t j e m e t een massa v a n é é n m i l j o e n s t e g r a m levert (1) A x * A v > 1 0 ' ^ ' ' m V s . D u s als we de poside w i l l e n m e t e n t o t o p A x = 0 , l m m , d a n k u n n e n we i n p r i n cipe t e g e l i j k e r t i j d de snelheid vastleggen met een n a u w k e u r i g h e i d v a n A v ^ l O ' ^ ^ m / s , w a t w e i n i g te wensen over laat! Geheel anders p a k t de zaak echter u i t v o o r een e l e k t r o n i n een m o l e c u u l . D e rustmassa v a n het e l e k t r o n is slechts 9,1*10"^' k g . O m te v o o r k o m e n dat een e l e k t r o n zoveel k i n e tische energie h e e f t dat het u i t het m o l e k u u l k a n o n t s n a p p e n , m o e t de snelheid t o t minstens A v < 10* m / s b e p a a l d z i j n (we zullen v e r d e r o p zien dat die eis n o g a a n m e r k e l i j k strenger gesteld k a n w o r d e n ) . I n v u l l e n i n (1) levert d a n een geschatte plaatsonzekerh e i d A x > 1 A , k o r t o m een p l a a t s o n z e k e r h e i d die v a n de z e l f d e o r d e v a n g r o o t t e is als een m o l e c u l a i r e b i n d i n g s a f s t a n d . H e t beste w a t we b l i j k e n te k u n n e n d o e n is v a n elk p u n t i n de r u i m t e aangeven w a t de kans is o m het e l e k t r o n daar aan te t r e f f e n . D i e kans b l i j k t i n het algemeen naar n u l te naderen als we ons verder d a n een bepaalde a f s t a n d v a n de k e r n b e v i n d e n . D e c o n t o u r e n v a n space f i l l i n g m o d e l l e n ( F i g . 1) stellen d a n o o k n i e t meer v o o r d a n de c o n t o u r e n v a n een gebied w a a r b i n n e n de kans zeer g r o o t is ( > 9 9 % ) o m de e l e k t r o n e n aan te t r e f f e n . E e n andere w i j z e o m de p l a a t s o n z e k e r h e i d te b e s c h r i j v e n is te stellen dat een bewegend deeltje naast d e e l t j e s k a r a k t e r o o k een g o l f k a r a k t e r h e e f t . D o o r D e B r o g l i e w e r d a f g e l e i d d a t een deeltje m e t massa M en snelheid v het k a r a k t e r h e e f t v a n een g o l f m e t dezelfde v o o r t p l a n t i n g s s n e l h e i d (v) en m e t een g o l f l e n g t e (Ag) gegeven d o o r : AB = h / M v
(2)
D e D e B r o g h e g o l f l e n g t e geeft een i n d r u k v a n de p l a a t s o n z e k e r h e i d ( v e r g e l i j k (1) en (2)) en het k w a d r a a t v a n de a m p l i t u d e , die deze g o l f o p een b e p a a l d p u n t i n de r u i m t e h e e f t , g e e f t de kans o m het deeltje daar aan te t r e f f e n . Deze g o l f b e s c h r i j v i n g leert ons niet alleen w a t over de p l a a t s o n z e k e r h e i d m a a r m a a k t het o o k m o g e l i j k een andere b i j z o n d e r b e l a n g r i j k e eigenschap v a n het gedrag v a n elekt r o n e n b i n n e n een m o l e c u u l te b e g r i j p e n en w e l de quantisatie v a n h u n energie. H i e r m e e w o r d t b e d o e l d , dat de energie niet elke w i l l e k e u r i g e w a a r d e k a n a a n n e m e n , m a a r dat h i e r v o o r slechts een a a n t a l scherp bepaalde (gequantiseerde) w a a r d e n z i j n toegestaan. A l s we alleen de kinetische energie i n b e s c h o u w i n g n e m e n ( E = M v 2 / 2 ) d a n k u n n e n we (2) o o k s c h r i j v e n als: AB = h / ( 2 M E )
(3)
57
A l s we er v a n u i t g a a n dat het elelctron i n elli geval b i n n e n het m o l e c u u l moest b l i j v e n , m . a . w . dat het m o l e c u u l een p o t e n t i a a l p u t v o r m t w a a r u i t het e l e k t r o n niet k a n ontsnapp e n , d a n m o e t deze D e B r o g l i e g o l f l e n g t e dus " p a s s e n " o p de m o l e c u l a i r e a f m e t i n g e n en w e l z o d a n i g dat de a m p l i t u d e o p de grens v a n het m o l e c u u l naar n u l gaat. D i t betek e n t dat slechts een beperkt a a n t a l g o l f l e n g t e n m o g e l i j k is (zie F i g . 3) en w e l die g o l f l e n g ten welke v o l d o e n aan de v o o r w a a r d e dat de a f m e t i n g (d) v a n het m o l e c u u l g e l i j k is aan een geheel aantal m a l e n de halve g o l f l e n g t e . A l s er slechts een beperkt aantal g o l f l e n g t e n m o g e h j k is, i m p l i c e e r t dat volgens (3) o o k dat er slechts een beperkt aantal
energie-
toestanden m o g e l i j k is. I n F i g . 3 z i j n drie v a n d e r g e l i j k e " e n e r g i e n i v e a u s " geschetst. B o v e n d i e n is daar aangegeven dat het laagste n i v e a u d o o r twee e l e k t r o n e n bezet is. N o r m a hter bevat een m o l e c u u l meer d a n twee e l e k t r o n e n , die d a n paarsgewijze de diverse energieniveaus
bezetten.
—
figuur 3
Xq
^B
'••""T""-—
=
2d/3
E3 = 9h^/8d^
=d
E2 = 4 h W M
= 2d
Ej = h^/8d\l
—*s
d Energie niveaux en golffuncties voor elektron in (oneindig diepe) potentiaalput. Maximaal twee electronen kunnen hetzelfde niveau bezetten (Pauli principe)
2. Moleculen
en
licht
D e h i e r b o v e n o p zeer vereenvoudigde w i j z e afgeleide quantisatie v a n de elektron-energie i n m o l e c u l e n is v a n b u i t e n g e w o o n g r o o t belang o m een veelheid v a n m o l e c u l a i r e eigenschappen te k u n n e n b e g r i j p e n , w a a r o n d e r de absorptie v a n l i c h t . V o o r l i c h t is, zoals U o n g e t w i j f e l d weet, de v r a a g o f het n u o m een g o l f v e r s c h i j n s e l ( C . H u y g e n s , Fresnel) o f o m een d e e l t j e s s t r o o m ( N e w t o n ) gaat, al heel v r o e g t o t een t w i s t -
58
p u n t g e w o r d e n . O o k hier is echter - net als b i j e l e k t r o n e n - sprake v a n een duahstisch k a r a k t e r en geldt dat we l i c h t k u n n e n o p v a t t e n als een s t r o o m deeltjes ( f o t o n e n ) m e t rustmassa n u l en met een e n e r g i e i n h o u d die samenhangt met de g o l f l e n g t e (A v i a : E = hc/A = hu
(4)
I n (4) is c de l i c h t s n e l h e i d en v de f r e k w e n t i e . E e n h c h t b u n d e l bestaat dus e i g e n l i j k u i t een s t r o o m massaloze energiepakketjes, elk met een e n e r g i e i n h o u d omgekeerd evenredig met de g o l f l e n g t e v a n het b e t r e f f e n d e l i c h t . D i e e n e r g i e i n h o u d per " p a k k e t j e " is niet g e r i n g . F i g u u r 4 geeft h i e r v a n een i n d r u k .
Energie per foton
H e t aardige is n u dat de energie per f o t o n v o o r u l t r a v i o l e t e n / o f z i c h t b a a r l i c h t v a a k correspondeert m e t de energieverschillen
tussen de diverse elektronische
energieniveaus
zoals die i n m o l e c u l e n w o r d e n a a n g e t r o f f e n . D a a r m e e w o r d t het v o o r een m o l e c u u l m o g e l i j k o m een f o t o n v a n " p a s s e n d e " energie te absorberen en de d a a r b i j
opgenomen
energie te g e b r u i k e n o m een e l e k t r o n te p r o m o v e r e n v a n een lager naar een hoger energ i e n i v e a u . U i t F i g . 3 v a l t te zien dat de h i e r v o o r benodigde energie ( b i j v o o r b e e l d o m een e l e k t r o n v a n E , n a a r E j te p r o m o v e r e n ) kleiner w o r d t als de a f m e t i n g e n ( d ) v a n de p o t e n t i a a l p u t w a a r i n het e l e k t r o n b i n n e n het m o l e c u u l zit opgesloten t o e n e m e n . M e n z o u dus v e r w a c h t e n dat grote m o l e c u l e n l i c h t v a n langere g o l f l e n g t e (dus f o t o n e n m e t g e r i n gere energie) k u n n e n absorberen d a n kleine m o l e c u l e n . Deze v o o r s p e l l i n g w o r d t i n k w a l i t a t i e v e z i n verrassend goed d o o r e x p e r i m e n t e n bev e s t i g d , zoals i n F i g . 5 gedemonstreerd. R e l a t i e f kleine m o l e c u l e n zoals benzeen en n a f taleen absorberen alleen u l t r a v i o l e t l i c h t - deze s t o f f e n z i j n derhalve k l e u r l o o s - m a a r g r o t e r e m o l e c u l e n zoals tetraceen, caroteen en de groene p l a n t e n k l e u r s t o f c h l o r o f y l ab-
59
benzeen;26() nm (kleurloos)
CO
naftaleen; 310 nm (kleurloos)
tetraceen; 470 nm (oranje/geel)
P-caroteen; 500 nm (oranje/rood)
Chlorofyl-a; 620 nm (groen) !IFiguurS
sorberen l i c h t v a n a a n m e r k e l i j k langere g o l f l e n g t e o m d a t i n deze m o l e c u l e n de energie, b e n o d i g d o m een e l e k t r o n naar een hoger n i v e a u te p r o m o v e r e n , geringer is. H e t zal d u i d e l i j k z i j n dat deze relatie tussen de a f m e t i n g v a n een m o l e c u u l en de g o l f lengte v a n het h c h t d a t e r d o o r geabsorbeerd w o r d t , alleen k a n opgaan als de e l e k t r o n e n die d o o r de absorptie v a n dat Ucht i n een hoger energie n i v e a u k o m e n zich o o k w e r k e l i j k k u n n e n bewegen over de volledige dimensie (d) v a n het m o l e c u u l . O f , anders gezegd, als de p o t e n t i a a l p u t geschetst i n F i g . 3 w a a r i n deze e l e k t r o n e n gevangen z i t t e n , net zo g r o o t is als het m o l e c u u l z e l f . V o o r de m o l e c u l e n i n F i g . 5 is d i t i n goede benadering het geval o m d a t h i e r i n e l e k t r o n e n v o o r k o m e n die v o l l e d i g over het m o l e c u u l gedelocahseerd z i j n ( v o o r benzeen bespraken we dat verschijnsel al eerder, zie o o k F i g . 2 ) . E e n b e t r e k k e l i j k geringe v e r a n d e r i n g i n de s t r u c t u u r k a n deze delocaUsatie echter drasdsch v e r s t o r e n , zoals b i j v o o r b e e l d i n F i g . 6 w o r d t gedemonstreerd d o o r de v e r g e l i j k i n g v a n het a l eerder g e n o e m d e tetraceen met h e x a h y d r o t e t r a c e e n , w a a r i n de middelste ringen d o o r het toevoegen v a n w a t e r s t o f a t o m e n h u n benzeenachtige k a r a k t e r hebben v e r l o r e n . Tetraceen
60
tetraceen; 470 nm (oranje/geel) onbezette
niveaux
470 nm t bezette niveaux
CCOD hexahydro-tetraceen; 260 nm (kleurloos)
260 nm \
bevat elelctronen die over alle r i n g e n gedelocaliseerd z i j n en z i c h dus i n een p o t e n t i a a l p u t v a n g r o t e a f m e t i n g e n b e v i n d e n zodat de d a a r v o o r beschikbare energieniveaus d i c h t o p elkaar l i g g e n . E r is d a n b e t r e k k e l i j k w e i n i g energie n o d i g - o v e r e e n k o m e n d m e t een f o t o n v a n z i c h t b a a r Ucht - o m een e l e k t r o n u i t het hoogst bezette n i v e a u n a a r het eerste onbezette n i v e a u te p r o m o v e r e n ; de s t o f is o r a n j e v a n k l e u r . I n het even g r o t e hexahyd r o t e t r a c e e n b e v a t t e n alleen de ' l i n k e r ' en 'rechter' r i n g gedelocaliseerde e l e k t r o n e n terw i j l de tussenUggende ( " v e r z a d i g d e " ) r i n g e n v o o r die gedelocaliseerde e l e k t r o n e n een b a r r i è r e v o r m e n . H e t m o l e c u u l bevat dus twee r e l a t i e f kleine p o t e n t i a a l p u t t e n v a n een a f m e t i n g v e r g e l i j k b a a r met die i n benzeen en absorbeert n u , net als benzeen, alleen u l t r a v i o l e t l i c h t en is derhalve d o o r deze s c h i j n b a a r kleine ingreep k l e u r l o o s g e w o r d e n . 3. Moleculen
als elektroniscite
componenten,
de moleculaire
diode.
I n de t i t e l v a n m i j n lezing w o r d t de t e r m " m o l e c u l a i r e e l e k t r o n i c a " g e b r u i k t . E e n é é n d u i d i g e d e f i n i t i e v a n w a t deze t e r m i n h o u d t z a l i k U niet p r o b e r e n te geven, m a a r u i t de zo l a n g z a m e r h a n d zeer o m v a n g r i j k e l i t e r a t u u r over d i t o n d e r w e r p k o m t als é é n v a n de p r i m a i r e d o e l e i n d e n t o c h w e l naar voren^) het reahseren v a n een m o l e c u u l dat z i c h
61
PRINCIPE ONTWERP VOOR MOLECULAIRE DIODE
D(onor)-alkaanbrug-A(cceptor)
'figuur 7
als d i o d e gedraagt en als s u b m i n i a t u u r element i n een groter c i r c u i t z o u Icunnen w o r d e n i n g e b o u w d . D a t laatste z o u i n p r i n c i p e vereisen dat we aan een dergelijlce m o l e c u l a i r e d i o d e o o k w e r k e l i j k twee d r a a d j e s k u n n e n v a s t m a k e n en w e l aan specifiek gekozen atom e n i n dat m o l e c u u l ! V e r d e r o p zal i k U n o g l a t e n zien dat d i t w e l l i c h t niet zo o n m o g e l i j k is als het o p het eerste o o g l i j k t , m a a r v o o r l o p i g z u l l e n we ons beperken t o t het o n t w e r p e n v a n de d i o d e zelf. D a t is a l m o e i l i j k genoeg, w a n t n o c h v a n m o l e c u l e n w a a r i n de e l e k t r o n e n z i c h gedragen als gevangen i n é é n enkele p o t e n t i a a l p u t (zoals tetraceen, zie F i g . 6 ) , n o c h v a n m o l e c u l e n w a a r i n de e l e k t r o n e n over meerdere m a a r g e l i j k v o r m i g e p o t e n t i a a l p u t t e n verdeeld z i j n , m a g enige s i g n i f i c a n t e d i o d e - w e r k i n g v e r w a c h t w o r d e n . D o o r een kleine v a r i a t i e v a n het laatstgenoemde type m o l e c u u l k a n echter w e l een systeem verkregen w o r d e n met diode-eigenschappen. Z o r g e n we n a m e l i j k dat de ene p o t e n t i a a l p u t r e l a t i e f g r o o t is en veel e l e k t r o n e n bevat t e r w i j l de andere k l e i n is en m i n d e r e l e k t r o n e n bevat (zie F i g . 7 ) , d a n w o r d t een systeem verkregen w a a r b i j het m i n d e r energie k o s t o m e l e k t r o n e n over de b a r r i è r e v a n de g r o t e p u t (die we i n het v e r v o l g D o n o r z u l l e n n o e m e n ) naar de kleine p u t (de A c c e p t o r ) te laten v l o e i e n d a n o m g e k e e r d , k o r t o m z o ' n D o n o r A c c e p t o r c o m b i n a d e gescheiden d o o r een verzadigde " a l k a a n b r u g "
heeft
i n p r i n c i p e d i o d e eigenschappen.
4. Fotogeinduceerde
ladingsscheiding
I n het v o o r g a a n d e w e r d aangeduid hoe een m o l e c u l a i r e d i o d e gereahseerd z o u k u n n e n
62
w o r d e n . E e n heel andere vraag is hoe we experimenteel z o u d e n k u n n e n toetsen o f een volgens d i t recept o n t w o r p e n m o l e c u u l o o k i n d e r d a a d d i o d e w e r k i n g h e e f t . D i t l i j k t i m mers o n v e r m i j d e l i j k te vereisen dat we aan D o n o r é n A c c e p t o r o p a t o m a i r e schaal draadjes v a s t m a k e n en de s t r o o m d o o r het m o l e c u u l als f u n c t i e v a n de s p a n n i n g s r i c h t i n g gaan o n d e r z o e k e n . D i t m o e i z a m e e x p e r i m e n t k u n n e n we ons echter besparen d o o r o p verstandige w i j z e g e b r u i k te m a k e n v a n w a t we a l eerder hebben geleerd o m t r e n t de absorptie v a n l i c h t d o o r m o l e c u l e n . I n F i g . 8 is schematisch weergegeven hoe n a absorptie van een f o t o n (hup) d a o r de D o n o r , t r a n s p o r t v a n een e l e k t r o n - dat n u v o l d o e n d e energie h e e f t gekregen o m de b a r r i è r e te o v e r w i n n e n - naar de A c c e p t o r k a n o p t r e d e n , leidende t o t een ladingsgescheiden toestand met een (zeer) g r o o t elektrisch d i p o o l m o m e n t é n een g r o t e e n e r g i e i n h o u d . Ons o n d e r z o e k aan de U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m r i c h t z i c h o p het synthetiseren en het bestuderen v a n m o l e c u l e n w a a r i n z u l k e f o t o g e i n d u c e e r d e ladingsscheiding t o t stand geb r a c h t k a n w o r d e n . I n de l o o p der j a r e n is het ons g e l u k t een veelheid v a n d i t type m o l e culen te maken"*"*), w a a r b i j we getracht hebben d o o r v a r i a t i e v a n z o w e l D o n o r en A c ceptor als v a n de b r u g die deze groepen v e r b i n d t , nader i n z i c h t te v e r w e r v e n i n de f a c t o r e n die een r o l spelen b i j d i t interessante e l e k t r o n t r a n s p o r t o p m o l e c u l a i r e schaal. V a n de t o t n u toe bestudeerde systemen w i l i k slechts een p a a r t y p e n m e t U w a t nader b e k i j k e n . D a t b e t r e f t d a n i n de eerste plaats de o p m e r k e l i j k e reeks v e r b i n d i n g e n die i n F i g . 9 geschetst is. I n deze reeks, die we bestuderen i n samenwerking*''') met een A u s t r a h sche onderzoeksgroep, w o r d t de b r u g i n lengte gevarieerd t e r w i j l D o n o r en A c c e p t o r steeds dezelfde s t r u c t u u r hebben. T o e n we met d i t o n d e r z o e k begonnen (ca. 1983) bes t o n d er grote skepsis ten aanzien v a n de vraag o f het w e l m o g e l i j k z o u z i j n o m m e t beh u l p v a n l i c h t een e l e k t r o n zoveel energie te geven dat het i n d e r d a a d over de verzadigde a l k a a n b r u g v a n de D o n o r naar de A c c e p t o r v e r h u i s t . D e d o o r ons i n g e b o u w d e b r u g g e n
ENERGIE
fmOUD Ladingsscheiding
D*-alkaanbrug-A Excitatie i
D^-alkaanbrug-A'
fi£uur 8
D(onor)-alkaanbrug-A(cceptor)
63
DfoEor)-
brug.
—•A(cos^tof)
OMe
<
=
=
ca. 25A
>
figuur 9
w e r d e n n a m e l i j k d o o r de m e e r d e r h e i d v a n de onderzoekers opgevat als v r i j w e l v o l l e d i g e isolatoren. D e eerste k o l o m getallen i n F i g . 9 geeft aan hoezeer ons onderzoek h e e f t a a n g e t o o n d dat die o p v a t t i n g o n h o u d b a a r is. Deze getallen geven n a m e l i j k de t i j d s c o n s t a n t e v a n de f o t o g e i n d u c e e r d e l a d i n g s s c h e i d i n g i n de diverse v e r b i n d i n g e n . D e opgegeven t i j d e n z i j n i n nanoseconden
( m i l j a r d s t e seconden) en U z u h d a n o o k b e g r i j p e n dat we buitenge-
w o o n snelle meettechnieken hebben m o e t e n g e b r u i k e n o m deze t i j d s c o n s t a n t e n te bepalen. D a n k z i j s a m e n w e r k i n g m e t experts o p het gebied v a n snelle laserspectroscopie ( i n het b i j z o n d e r p r o f . R e t t s c h n i c k en i n g . Bebelaar v a n onze U n i v e r s i t e i t ) is het t o c h i n b i j na alle gevallen g e l u k t , behalve v o o r de v e r b i n d i n g met de k o r t s t e b r u g (1(4)), w a a r zelfs de m a x i m a l e t i j d s r e s o l u d e v a n ca. 2 picoseconden niet t o e r e i k e n d bleek. H o e w e l deze m e t i n g e n ons b i j z o n d e r tevreden stelden en o n o m s t o t e l i j k a a n t o n e n dat i n deze " m o l e c u l a i r e f o t o d i o d e s " zeer snel e l e k t r o n t r a n s p o r t v a n D o n o r naar A c c e p t o r (dus i n de gewenste g e l e i d i n g s r i c h t i n g ) m o g e l i j k is, geven ze t o c h n o g geen v o l l e d i g u i t sluitsel over de v r a a g o f we hier w e l echt v a n d i o d e w e r k i n g m o g e n spreken. D a a r v o o r z o u d e n we i m m e r s o o k m o e t e n l a t e n zien dat e l e k t r o n t r a n s p o r t i n de omgekeerde r i c h t i n g niet o f veel trager v e r l o o p t . A l s we n o g eens naar F i g . 8 k i j k e n , d a n is d u i d e l i j k dat e l e k t r o n t r a n s p o r t i n omgekeerde
r i c h t i n g het systeem
v a n u i t de
ladingsgescheiden
t o e s t a n d weer t e r u g zal brengen i n de uitgangstoestand zoals die bestond v o o r d a t we l i c h t i n s t r a a l d e n . D e v r a a g hoe snel d i t gebeurt is dus i d e n d e k aan de v r a a g hoe l a n g de ladingsgescheiden t o e s t a n d b e h o u d e n b l i j f t nadat die d o o r de (snelle) f o t o g e i n d u c e e r d e l a d i n g s s c h e i d i n g g e v o r m d is. V o o r het b e a n t w o o r d e n v a n die vraag is i n ons l a n d d o o r W a r m a n en D e H a a s ( I n t e r f a k u l t a i r Reactor I n s t i t u u t te D e l f t ) een b u i t e n g e w o o n elegante techniek o n t w i k k e l d ' ) met de m o o i e n a a m " t i m e resolved m i c r o w a v e c o n d u c t i v i t y " ( T R M C ) . E e n sterk d i p o l a i r deeltje zoals de gezochte ladingsgescheiden
toestand
b l i j k t veel sterker m i c r o g o l v e n te absorberen d a n een niet d i p o l a i r deeltje zoals de u i t gangstoestand v a n onze D o n o r - A c c e p t o r v e r b i n d i n g e n . I n het e x p e r i m e n t w o r d t n u d o o r
64 een k o r t e l a s e r f l i t s eerst een deel v a n de D o n o r - A c c e p t o r m o l e c u l e n i n de ladingsgescheiden toestand gebracht, en vervolgens w o r d t met m i c r o g o l f absorptie gekeken hoe l a n g ze i n deze toestand b l i j v e n . De resuhaten v i n d t U i n de tweede k o l o m getallen v a n F i g . 9. V e r g e l i j k i n g met de eerste k o l o m laat zien dat de v o r m i n g v a n de ladingsgescheiden toestand - d o o r e l e k t r o n t r a n s p o r t i n de " g e l e i d i n g s r i c h t i n g " - veel sneller (ca. lOOOx) v e r l o o p t dan de v e r d w i j n i n g , die het gevolg m o e t z i j n v a n e l e k t r o n t r a n s p o r t i n de "sperr i c h t i n g " . K o r t o m er is i n d e r d a a d sprake v a n d i o d e w e r k i n g , m a a r t o c h is de weerstand i n de s p e r r i c h t i n g b l i j k b a a r niet erg g r o o t , w a n t o o k i n die r i c h t i n g v i n d t e l e k t r o n t r a n s p o r t n o g steeds plaats o p nanoseconde t i j d s c h a a l . 5. Fotosynthese en inodelsystemen. B i j de bespreking v a n F i g . 8 wees i k U er al eerder o p , dat de b i j f o t o g e i n d u c e e r d e l a dingsscheiding g e v o r m d e toestand niet alleen gekarakteriseerd w o r d t d o o r een g r o o t elektrisch d i p o o l m o m e n t , m a a r o o k d o o r een relatief hoge e n e r g i e i n h o u d . B i j d i t proces is i n feite een deel v a n de energie v a n de f o t o n e n die het proces o p gang brengen, omgezet i n een elektrochemische p o t e n d a a l . D i t aspect is w e l h c h t veel b e l a n g r i j k e r d a n de diodew e r k i n g w a a r o p we t o t n u toe onze aandacht gericht hebben w a n t het v o r m t de basis v o o r de w i j z e w a a r o p i n de levende n a t u u r de energie v a n z o n h c h t v i a " f o t o s y n t h e s e " w o r d t benut. Reeds l a n g was bekend dat b i j de fotosynthese, zoals die zich v o o r a l i n p l a n t e n afspeelt, f o t o g e i n d u c e e r d e e l e k t r o n o v e r d r a c h t een r o l speeh. D o o r de met de N o b e l p r i j s 1984 b e k r o o n d e opheldering^) van de s t r u c t u u r v a n het f o t o s y n t h e d s c h cent r u m u i t de bacterie Rhodopseudomonas viridis is d i t bevestigd en b o v e n d i e n d u i d e l i j k g e w o r d e n w e l k een gecomphceerd " m o l e c u l a i r e l e k t r o n i s c h c i r c u h " de n a t u u r h i e r v o o r h e e f t o p g e b o u w d . F i g u u r 10 t o o n t U een u i t e r m a t e geschematiseerd o v e r z i c h t v a n het h a r t v a n d i t c i r c u h . B o v e n a a n i n d i t schema b e v i n d t zich een dimeer (BC)2) bestaande u i t twee b a c t e r i o c h l o r o f y l m o l e c u l e n , de groene k l e u r s t o f w a a r v a n we de s t r u c t u u r f o r m u l e al eerder i n F i g . 5 gezien hebben. D i t dimeer f u n g e e r t als e l e k t r o n d o n o r en onder i n v l o e d van ( z o n ) l i c h t w o r d t v a n u i t d i t dimeer é é n e l e k t r o n overgedragen aan het verdero p gelegen b a c t e r i o p h e o p h y t i n e ( B P ) . T o t zover is het fotosynthese proces geheel vergel i j k b a a r met w a t we hebben zien gebeuren i n de D o n o r - A c c e p t o r v e r b i n d i n g e n v a n F i g . 9 en de t i j d s c o n s t a n t e v o o r deze stap i n de fotosynthese ( ~ 3 picoseconde = 0,003 nano-
65
seconde) is v e r g e l i j l t b a a r met die gevonden v o o r de o p é é n na Icortste v e r b i n d i n g (1(6)) uit onze synthetische reelcs, T e v e r w a c h t e n z o u d a n oolc z i j n dat de zo t o t stand gebrachte ladingsscheiding en energieopslag weer ongeveer net zo snel als i n 1(6) v e r l o r e n gaat, dus i n ca. 6 nanoseconden (zie F i g . 5). D i t z o u de p l a n t w e l b i j z o n d e r w e i n i g t i j d g u n n e n o m met de opgeslagen energie iets n u t t i g s te d o e n en i n het f o t o s y n t h e t i s c h systeem is d a n o o k een v o o r z i e n i n g g e t r o f f e n o m deze snelle l a d i n g s r e c o m b i n a t i e te v o o r k o m e n . Naast de al eerder genoemde groepen bevat het f o t o s y n t h e t i s c h c e n t r u m n a m e l i j k een c h i n o n ( M Q ) eenheid, die sterkere elektron-acceptor eigenschappen bezit d a n het B P . V o o r d a t het e l e k t r o n kans k r i j g t v a n B P t e r u g te springen naar ( B Q j , w a t a f g a a n d e o p onze e r v a r i n g e n m e t 1(6) ca. 6 nanoseconden z o u vergen, w o r d t het d o o r deze c h i n o n groep o v e r g e n o m e n en zo o p 'veihge a f s t a n d ' o p g e b o r g e n . I k laat het graag aan U zelf over o m eens na te gaan hoe d i t hier i n w o o r d e n beschreven tweestaps e l e k t r o n o v e r drachtsproces m o e t w o r d e n weergegeven i n een schema a n a l o o g aan F i g . 8, m a a r d a n u i t g e b r e i d met een derde p o t e n d a a l p u t . I k w i l o o k niet suggereren dat met het schema u i t F i g . 10 alle geheimen v a n de fotosynthese o n t s l u i e r d z i j n . D i t schema bevat slechts de eerste stappen u i t een zeer c o m p l e x proces, w a a r veel meer over bekend is d a n i k U i n de context v a n deze lezing k a n vertellen en w a a r v a n o o k n o g veel details o n d u i d e l i j k z i j n . Z e l f s over het mechanisme v a n deze eerste stappen bestaat n o g veel o n e n i g h e i d . Z o als i n F i g . 10 a a n g e d u i d , en u i t de s t r u k t u u r o p h e l d e r i n g o n o m s t o t e l i j k gebleken, bestaat er geen
direct c o n t a c t tussen
de groepen waartussen
de zeer snelle e l e k t r o n o v e r -
drachtsprocessen p l a a t s v i n d e n (resp. v a n ( B Q j naar B P en v a n B P naar M Q ) en het is d a n o o k n o g steeds niet d u i d e l i j k hoe het e l e k t r o n hiertussen z i j n weg v i n d t . V o o r de eerste stap l i j k e n recente zeer snelle (femtoseconde) laserspectroscopie studies er o p te w i j z e n dat deze e i g e n l i j k i n twee fasen v e r l o o p t , n a m e l i j k eerst v a n (BC)2 naar het extra B C , dat i n F i g . 10 is geschetst, en d a n vandaar naar B P . E e n ander interessant detail is de a a n w e z i g h e i d v a n lange zijketens aan alle b i j deze stappen b e t r o k k e n g r o e p e n . Deze zijketens bevatten een g r o o t aantal verzadigde k o o l s t o f a t o m e n (zie F i g . 5 v o o r de struct u u r v a n de z i j k e t e n v a n c h l o r o f y l ) en b l i j k e n steeds c o n t a c t te m a k e n met de v o l g e n d e groep i n de e l e k t r o n t r a n s p o r t r i c h t i n g . D e fascinerende gedachte d r i n g t z i c h d a n o o k o p dat deze z i j ketens als het ware de f u n c t i e z o u d e n k u n n e n v e r v u l l e n v a n m o l e c u l a i r e d r a d e n , die de o n d e r d e l e n i n het fotosynthese c i r c u i t v e r b i n d e n . T o t v o o r k o r t b e s t o n d w e l iswaar de o p v a t t i n g dat verzadigde k o o l w a t e r s t o f f e n te sterk isoleren o m deze f u n c t i e te v e r v u l l e n , m a a r u i t ons eigen onderzoek aan de i n F i g . 9 geschetste v e r b i n d i n g e n is, zoals daar b e s p r o k e n , w e l gebleken dat d i t een m i s v a t t i n g was. E e n eenduidige u i t s p r a a k over de f u n c t i e v a n deze z i j k e t e n s w o r d t b e m o e i l i j k t d o o r het f e i t dat het f o t o s y n t h e t i s c h c e n t r u m veel i n g e w i k k e l d e r i n elkaar z i t d a n i n F i g . 10 gesuggereerd. M e t n a m e m o g e n we niet vergeten dat het geheel is ingebed i n een g r o o t p r o t e ï n e c o m p l e x , dat niet alleen de relatieve positie v a n de diverse groepen vastlegt, m a a r dat tevens een zeer b e l a n g r i j k e r o l z o u k u n n e n spelen als geleidend m e d i u m i n de e l e k t r o n o v e r d r a c h t . W e h o p e n b i n n e n k o r t een bescheiden b i j d r a g e aan de oplossing v a n deze p r o b l e m a t i e k te k u n n e n lever e n d o o r de b e s t u d e r i n g v a n systemen w a a r i n een B P eenheid en een M Q eenheid v e r b o n d e n z i j n d o o r een starre k o o l w a t e r s t o f b r u g v a n het t y p e dat we o o k al g e b r u i k t e n b i j de v e r b i n d i n g e n i n F i g . 5. H e t leuke v a n z o ' n v e r b i n d i n g z o u z i j n dat de reladeve p o s i t i e v a n B P en M Q vastgelegd k a n w o r d e n zonder de n o o d z a a k v a n een o m h u l l e n d e p r o t e i n e m a t r i x . D e v r a a g is d a n n a t u u r l i j k o f b i j een B P / M Q a f s t a n d v e r g e l i j k b a a r m e t die i n het f o t o s y n t h e t i s c h systeem n o g steeds snelle e l e k t r o n o v e r d r a c h t m o g e l i j k is. I n m i d dels is het de met ons samenwerkende A u s t r a h s c h e o n d e r z o e k s g r o e p v a n P r o f . P a d d o n R o w g e l u k t een eerste modelsysteem v a n d i t type te m a k e n . D e s t r u c t u u r h i e r v a n ziet U i n F i g . 11 b o v e n a a n . B i n n e n k o r t z u l l e n we i n A m s t e r d a m o n d e r z o e k e n o f i n deze verb i n d i n g f o t o g e i n d u c e e r d e e l e k t r o n o v e r d r a c h t gereahseerd k a n w o r d e n , w a a r o p we ge-
66
zien onze eerdere e r v a r i n g e n met de v e r b i n d i n g e n uit F i g . 5 goede h o o p hebben,
maar
w a t d o o r veel anderen sterlc b e t w i j f e l d w o r d t * . D a a r n a a s t w e r k e n we i n A m s t e r d a m al enige t i j d aan de synthese v a n gebrugde systemen die drie o f meer centra bevatten zodat d a a r i n een meerstaps e l e k t r o n o v e r d r a c h t gesimuleerd k a n w o r d e n . O o k hier is zeer k o r t geleden een eerste modelsysteem gereed g e k o m e n w a a r v a n de s t r u c t u u r i n F i g . 11 onderaan is weergegeven. A a n d i t systeem z i j n w e l a l m e t i n g e n v e r r i c h t die i n d e r d a a d w i j z e n o p een zeer snelle (stapsgewijze?) e l e k t r o n o v e r d r a c h t onder i n v l o e d v a n l i c h t , w a a r d o o r u i t e i n d e l i j k een situatie ontstaat w a a r b i j de acceptor negatief geladen is, de middelste d o n o r ( D , ) n e u t r a a l , en de eindstandige d o n o r (Dj) 6. "Wired
p o s i t i e f geladen.
molecules"?
I n het v o o r g a a n d e heb i k U h o p e l i j k k u n n e n o v e r t u i g e n v a n de m o g e l i j k h e i d o m m o l e c u laire systemen te o n t w e r p e n en te synthetiseren met eigenschappen v e r w a n t aan die v a n een ( h a l f g e l e i d e r ) d i o d e . I k heb U b o v e n d i e n laten zien dat we d o o r de interactie v a n die systemen met l i c h t te bestuderen een i n d r u k k u n n e n v e r w e r v e n v a n het e l e k t r o n t r a n s p o r t i n z u l k e systemen zonder de n o o d z a a k h i e r a a n d r a d e n te v e r b i n d e n . D a t z o u misschien de i n d r u k k u n n e n vestigen dat het b e d r a d i n g s p r o b l e e m i n m o l e c u l a i r e e l e k t r o n i c a (hier streng g e d e f i n i e e r d als e l e k t r o n i c a bestaande u i t circuits met m o n o - m o l e c u l a i r e c o m p o nenten) e e n v o u d i g oplosbaar is d o o r v o o r de v e r b i n d i n g tussen circuits ( " m o l e c u l a i r e c h i p s " ) en de b u i t e n w e r e l d v a n l i c h t g e b r u i k te m a k e n . D a t is helaas een - overigens veelv u l d i g g e m a a k t e ' ) - o v e r s i m p h f i c a d e . De g o l f l e n g t e v a n hcht (zie F i g . 4) bedraagt i m mers een v e e l v o u d v a n de typische a f m e t i n g e n v a n m o l e c u l e n . I n een dichte p a k k i n g v a n m o l e c u l e n , die gewenst z o u z i j n o m het algemeen geclaimde m i n i a t u r i s e r i n g s v o o r d e e l v a n m o l e c u l a i r e e l e k t r o n i c a te realiseren, is het derhalve o n m o g e l i j k specifiek é é n v a n de c o m p o n e n t e n te behchten o m d a t de f o c u s s e r i n g s n a u w k e u r i g h e i d v a n een h c h t b r o n b e p e r k t w o r d t d o o r de A b b e d i f f r a c t i e h m i e t , die o o k het oplossend v e r m o g e n v a n elke
67
'figuur 12
STM, een aftastnaald 'volgt' de atomaire oneffenheden in een (geleidend) oppervlak. I.h.a. wordt de afstand tussen oppervhik en naald constant gehouden door de verticale positie van de naaldtip zo aan te passen dat de tunnelstroom (I) tussen naald en oppervlak steeds gelijk blijft.
optische m i c r o s c o o p begrenst. D o o r zeer speciale behchtingstechnielcen via n a n o m e t e r ' p i n h o l e s ' l
een g r o o t aantal d i c h t b i j e e n gelegen p u n t e n te b e l i c h t e n .
V e r r a s s e n d e r w i j z e is sinds enige j a r e n u i t een geheel andere invalshoek een m e t h o d e o n t w i k k e l d , die het wel d e g e l i j k m o g e l i j k m a a k t o m aan een specifiek a t o o m i n een m o l e c u u l een geleider vast te m a k e n (al is o o k hier de t o t n u toe haalbare p a k k i n g s d i c h t h e i d v a n deze c o n t a c t p u n t e n uiterst b e p e r k t ) . Deze m e t h o d e m a a k t g e b r u i k v a n de al eerder k o r t genoemde Scanning T u n n e h n g M i c r o s c o p y techniek, die i n F i g . 12 zeer schematisch IS weergegeven
I n m i d d e l s z i j n al veel p o g i n g e n g e r a p p o r t e e r d o m m o l e c u l a i r e d i o -
des, v a n het m het bovenstaande besproken D o n o r - b r u g - A c c e p t o r type, met b e h u l p v a n S T M te bestuderen. H i e r t o e w o r d e n deze m o l e c u l e n eerst met speciale technieken o p een a t o m a h v l a k , geleidend o p p e r v l a k g e o r i ë m e e r d , b i j v o o r b e e l d z o d a n i g dat h u n acceptork a n t aan dat o p p e r v l a k gehecht is en h u n d o n o r k a n t ' o m h o o g ' steekt. Vervolgens w o r d t de t i p v a n de a f t a s t n a a l d i n ( t u n n e l ) c o n t a c t gebracht met de andere k a n t v a n é é n m o l e c u u l . D e resuhaten v a n i n deze c o n f i g u r a t i e o p g e n o m e n s t r o o m / s p a n n i n g s
karakteristie-
k e n z i j n t o t n u toe i n het algemeen teleurstellend e n / o f o n r e p r o d u c e e r b a a r g e b l e k e n " )
68
O n d u i d e l i j k is l i i e r b i j v a a k o f dat n u k o m t d o o r i n i i e r e n t gebrek aan d i o d e w e r k i n g v a n de o n d e r z o c h t e m o l e c u l e n o f d o o r experimentele p r o b l e m e n met het goed o r i ë n t e r e n en t i j d e n s de m e t i n g g e o r i ë n t e e r d h o u d e n v a n die m o l e c u l e n .
# T i j d e n s het s c h r i j v e n v a n het m a n u s c r i p t v o o r deze p u b h k a t i e w e r d e n de eerste m e t i n gen v e r r i c h t . Deze w i j z e n o p (zeer) snelle f o t o g e i n d u c e e r d e e l e k t r o n o v e r d r a c h t ( t i j d sconstante <1
nanoseconde!)
Realistischer l i j k t het d a n o o k v o o r l o p i g o m n i e t te streven naar elektronische circuits m e t m o n o m o l e c u l a i r e c o m p o n e n t e n , m a a r m e t c o m p o n e n t e n die een s u p r a m o l e c u l a i r e s t r u c t u u r b e z i t t e n . M e t s u p r a m o l e c u l a i r e s t r u c t u u r w o r d e n i n deze c o n t e x t georganiseerde v e r z a m e l i n g e n v a n een g r o o t a a n t a l m o l e c u l e n b e d o e l d . D a a r d o o r gaat n a t u u r l i j k het m i n i a t u r i s e r i n g s v o o r d e e l goeddeels v e r l o r e n , m a a r b l i j f t de w e l l i c h t minstens zo belangr i j k e m o g e l i j k h e i d b e h o u d e n o m d o o r gerichte synthese o p m o l e c u l a i r n i v e a u de struct u u r en eigenschappen v a n het s u p r a m o l e c u l a i r e systeem te bepalen. M e t deze s u p r a m o leculaire b e n a d e r i n g z i j n v o o r a l reeds interessante resultaten behaald, d o o r g e b r u i k te m a k e n v a n de m o g e l i j k h e i d bepaalde m o l e c u l e n te o r i ë n t e r e n i n l a a g s t r u c t u r e n die slechts é é n o f enkele m o l e c u l e n d i k z i j n ( L a n g m u i r - B l o d g e t t f i l m s ) . B e d a c h t m o e t w e l w o r d e n dat m o m e n t e e l i n de h a l f g e l e i d e r t e c h n o l o g i e o o k de m o g e l i j k h e i d bestaat l a a g s t r u c t u r e n v a n v e r g e l i j k b a a r geringe d i k t e te v e r v a a r d i g e n . W a t dat b e t r e f t is er d u i d e l i j k sprake v a n een convergentie v a n de a f m e t i n g e n die m e t m o l e c u l a i r e systemen en m e t " c o n v e n t i o n e l e " h a l f g e l e i d e r m a t e r i a l e n reahseerbaar z i j n . 7. Quantum
systemen
U i t het v o o r g a a n d e is gebleken dat het niet zo g e m a k k e l i j k z a l z i j n o m v a n de m i n i a t u u r s t r u c t u u r v a n m o l e c u l e n g e b r u i k te m a k e n v o o r het o p b o u w e n v a n elektronische circuits m e t een v e r g e l i j k b a r e schaal. H e t is de m o e i t e w a a r d o m n o g eens t e r u g te gaan naar enige i n het b e g i n v a n deze lezing b e s p r o k e n " v r e e m d e " eigenschappen v a n de m o leculaire m i c r o c o s m o s o m een beter i n z i c h t te k r i j g e n i n de a c h t e r g r o n d v a n de obstakels die m e n b i j p o g i n g e n o m d i t te realiseren tegen k o m t . I n het b e g i n v a n de lezing h e b b e n we i m m e r s al gezien dat het erg g e v a a r l i j k is o m te e x t r a p o l e r e n v a n u i t de m a c r o c o s m o s naar de m o l e c u l a i r e m i c r o c o s m o s en dat is e i g e n l i j k precies w a t we d o e n als we p r o b e r e n m o l e c u l a i r elektronische circuits en c o m p o n e n t e n te o n t w e r p e n volgens de regels die geld e n v o o r gewone circuits ( w a t we i n de w a n d e h n g m i c r o e l e k t r o n i c a n o e m e n is o p m o l e c u l a i r n i v e a u gezien n o g steeds ( s u p e r ) m a c r o ! ) . D e n o r m a l e e l e k t r o n i c a b e r u s t , vereenv o u d i g d gezien, o p het c r e e ë r e n en m e t e n v a n elektrische p o t e n t i a l e n o p verschillende p u n t e n i n de r u i m t e , g e d e f i n i e e r d d o o r de a a n h e c h t p u n t e n v a n geleiders ( " d r a d e n " ) aan c o m p o n e n t e n . P o g i n g e n o m d i t o o k o p m o l e c u l a i r e schaal te d o e n z i j n n i e t alleen m o e i z a a m d o o r de b e n o d i g d e m i n i a t u r i s a t i e , m a a r w o r d e n v o o r a l g e f r u s t e e r d d o o r de plaatso n z e k e r h e i d v a n de e l e k t r o n e n , die zoals we a l eerder zagen v a n de z e l f d e o r d e v a n g r o o t te is als de a f m e t i n g v a n m o l e c u l e n . E e n interessante o v e r w e g i n g is d a n o o k o f het w e l l i c h t beter z o u z i j n o p m o l e c u l a i r n i v e a u niet g e b r u i k te m a k e n v a n de slecht bepaalbare p o t e n t i a a l v e r s c h i l l e n tussen twee a t o m e n , m a a r veeleer v a n de d o o r de geringe a f m e t i n gen j u i s t b i j z o n d e r n a u w k e u r i g gedefinieerde v e r s c h i l l e n tussen de energieniveaus w a a r o p de e l e k t r o n e n z i c h k u n n e n b e v i n d e n . I n de a f s l u i t i n g v a n m i j n lezing w i l i k U graag l a t e n zien t o t w e l k e verrassende resultaten de p r a k t i s c h e u i t w e r k i n g v a n deze gedachte k a n leiden.
F i g u u r 3 suggereert d a t de energieniveaus (en dus o o k de a f s t a n d tussen twee niveaus)
69
goUlengte Bestraling metnauwbandige laser op X j . ^ . X j
golflengte
figuur 13
i n een m o l e c u u l zeer n a u w k e u r i g vastgelegd k u n n e n w o r d e n m i t s we er v o o r z o r g e n d a t de a f m e t i n g e n v a n het m o l e c u u l vastliggen. D a t laatste is b i j n o r m a l e t e m p e r a t u r e n niet p e r f e c t het geval o m d a t d a n v o l d o e n d e thermische energie aanwezig is o m de a f s t a n d e n tussen de a t o m e n , en daarmee de t o t a l e a f m e d n g e n v a n het m o l e c u u l , p e r i o d i e k e f l u c t u ades ( m o l e c u l a i r e v i b r a t i e s ) te l a t e n o n d e r g a a n . D o o r a f k o e l e n t o t d i c h t b i j het absolute n u l p u n t k u n n e n deze f l u c t u a t i e s echter t o t een m i n i m u m w o r d e n teruggebracht z o d a t de energieniveaus zeer scherp b e p a a l d w o r d e n , t e r w i j l a n d e r z i j d s de p l a a t s o n b e p a a l d h e i d v a n de e l e k t r o n e n o n v e r a n d e r d g r o o t b l i j f t . N a u w k e u r i g e b e p a a l d h e i d v a n de energieniveaus h e e f t als k o n s e k w e n d e d a t o o k de g o l f l e n g t e v a n Hcht d a t geabsorbeerd k a n w o r d e n n a u w k e u r i g v a s d i g t , h i e r v o o r geldt i m m e r s dat de energie v a n een f o t o n (zie v e r g e l i j k i n g (4)) overeen d i e n t te k o m e n m e t de a f s t a n d tussen twee energieniveaus. B i j lage t e m p e r a t u u r bestaat derhalve het a b s o r p t i e s p e c t r u m v a n een m o l e c u u l u i t é é n o f meerdere zeer scherpe l i j n e n . B e k i j k e n we echter onder die o m s t a n d i g h e d e n het a b s o r p t i e s p e c t r u m v a n een g r o t e v e r z a m e l i n g m o l e c u l e n i n een glasachtige m a t r i x , d a n b l i j k t i n het algem e e n t o c h een brede a b s o r p t i e te w o r d e n w a a r g e n o m e n . D e v e r k l a r i n g h i e r v o o r is dat w e l i s w a a r i n e l k m o l e c u u l a p a r t de energieniveaus n a u w k e u r i g vastliggen, m a a r d a t verschillende m o l e c u l e n z i c h i n een iets andere o m g e v i n g b e v i n d e n w a a r d o o r de niveaus per m o l e c u u l v e r s c h i l l e n . D e w a a r g e n o m e n b r é d e a b s o r p t i e b a n d h e e f t derhalve een zogen a a m d e ' i n h o m o g e n e l i j n b r e e d t e ' , die de o m h u l l e n d e is v a n de o p z i c h zeer geringe ' h o m o g e n e l i j n b r e e d t e n ' v a n alle m o l e c u l e n die z i c h i n de b u n d e l b e v i n d e n w a a r m e e de abs o r p t i e gemeten w o r d t . D a t a a n t a l m o l e c u l e n z a l i n het algemeen zeer g r o o t z i j n o m d a t h e t , zoals we a l eerder zagen, o n m o g e l i j k is de diameter v a n een h c h t b u n d e l k l e i n e r te
70
m a k e n d a n de g o l f l e n g t e v a n het l i c h t { d i f f r a c t i e l i m i e t ! ) en d a a r d o o r o n m o g e l i j k de absorptie v a n é é n m o l e c u u l t e g e l i j k te m e t e n , w a t overigens o o k u i t het o o g p u n t v a n signaalsterkte p r a k t i s c h o n d o e n l i j k z o u z i j n . H i e r m e e l i j k t dus het v o o r n e m e n o m g e b r u i k te m a k e n v a n de scherp gedefinieerde energieniveaus o o k s c h i p b r e u k te leiden, m a a r niets is m i n d e r w a a r . V e e l k l e u r s t o f m o l e c u l e n k u n n e n n a m e l i j k d o o r bestrahng m e t intens l i c h t reversibel d a n w e l irreversibel w o r d e n omgezet i n andere m o l e c u l e n die b i j een geheel andere g o l f l e n g t e absorberen. I n c o m b i natie met de geringe homogene absorptiebreedte b i j lage t e m p r a t u u r w o r d t d i t v e r s c h i j n sel aangewend'^) i n zogenaamde ' h o l e - b u r n i n g ' e x p e r i m e n t e n (zie F i g . 13). D o o r een g r o t e v e r z a m e l i n g m o l e c u l e n i n een glasachtige m a t r i x b i j lage t e m p e r a t u u r met intens l i c h t v a n scherp bepaalde g o l f l e n g t e te bestralen w o r d e n selectief die m o l e c u l e n w a a r v a n de h o m o g e n e a b s o r p t i e samenvalt met de b e s t r a l i n g s g o l f l e n g t e omgezet. A l s we d a a r n a weer het a b s o r p t i e s p e c t r u m meten is er dus een " g a t " o n t s t a a n i n de brede ( i n h o m o g e n e ) a b s o r p t i e b a n d . Z o k u n n e n i n é é n a b s o r p t i e b a n d d o o r v a r i a t i e v a n de b e s t r a l i n g s g o l f lengte h o n d e r d e n o f misschien w e l d u i z e n d e n gaten g e b r a n d w o r d e n , die b l i j v e n bestaan z o l a n g we de lage t e m p e r a t u u r h a n d h a v e n . W e U i c h t t e n overvloede w i l i k U e r o p w i j z e n dat we hier v a n een quantumeigenschap,
de n a u w k e u r i g e bepaaldheid v a n energieni-
veaus, g e b r u i k m a k e n o m het p r o b l e e m te o m z e i l e n dat we de h c h t b u n d e l n i e t n a u w k e u r i g o p é é n m o l e c u u l k u n n e n focusseren. D o o r de j u i s t e f o t o n e n e r g i e te kiezen zorgen we e r v o o r dat slechts een zeer k l e i n deel v a n de m o l e c u l e n die z i c h i n de h c h t b u n d e l b e v i n den o o k w e r k e l i j k " g e t r o f f e n " w o r d e n . B e s c h o u w e n w e n u de a a n / a f w e z i g h e i d v a n een gat b i j een bepaalde g o l f l e n g t e en o p een bepaalde p l e k i n het bestraalde substraat, dat de v o r m k a n hebben v a n een s o o r t p l e x i g lazen c o m p a c t d i s k , als een logische é é n o f n u l d a n opent deze h o l e b u r n i n g de m o g e l i j k h e i d de i n f o r m a t i e d i c h t h e i d o p z o ' n optische c o m p a c t disk h o n d e r d e n t o t d u i z e n d e n m a -
DIGITAL "HOLE BURNING" M E M O R Y
MODULE
tunable laser 'figuur
14
OPTICAL DISK IN C R Y O S T A T
71
l e n te verhogen ten opzichte v a n w a t m o g e l i j k is met de h u i d i g e technieken w a a r b i j o p é é n plaats - m e t a f m e t i n g e n b e p e r k t d o o r de d i f f r a c t i e l i m i e t v a n het laserlicht - slechts é é n i n f o r m a t i e b i t k a n staan. F i g u u r 14 schetst een geheugensysteem dat o p d i t p r i n c i p e berust. D e realiseerbaarheid v a n d e r g e l i j k e systemen is i n m i d d e l s a a n g e t o o n d , m a a r o f ze o o k w e r k e l i j k e toepassing z u l l e n v i n d e n zal a f h a n g e n v a n de v r a a g o f h u n v o o r d e e l v a n o n g e ë v e n a a r d e i n f o r m a t i e d i c h t h e i d opweegt tegen het b e l a n g r i j k e nadeel dat deze i n f o r m a t i e v e r l o r e n gaat als de i n f o r m a t i e d r a g e r niet v o o r t d u r e n d o p zeer lage t e m p e r a t u u r w o r d t g e h o u d e n . A a r d i g is w e l dat o o k i n de h a l f g e l e i d e r e l e k t r o n i c a i n m i d d e l s i n tensief geprobeerd w o r d t g e b r u i k te m a k e n v a n q u a n t u m e i g e n s c h a p p e n die o p t r e d e n zod r a de m i n i a t u r i s a t i e m o l e c u l a i r e dimensies begint te n a d e r e n . D i t is m e t n a m e het geval b i j de a l erder vermelde d u n n e laag t e c h n i e k e n " ) waar halfgeleider l a a g d i k t e n < 100 A i n m i d d e l s h a a l b a a r z i j n en daarmee de m o g e l i j k h e i d v a n nieuwe fascinerende c o m p o nenten als een resonante t u n n e l d i o d e i n het zicht is g e k o m e n . 8.
Referenties 1. T h . J . de B o e r , Natuur
& Technielc,
57, 856 (1989).
2. E e n b i j z o n d e r e aardige b e s c h r i j v i n g v a n d i t s o o r t " v r e e m d e v e r s c h i j n s e l e n " w o r d t gegeven i n : G . G a m o v , Press, C a m b r i d g e 3. A . A v h a m , J.Am.
" M r Tompkins i n Paperback", Cambridge University
1965. Oiem.
Soc.
110, 5687 (1988).
4. P . P a s m a n , dissertatie, U n i v e r s h e h v a n A m s t e r d a m , 1980. 5. G . F . M e s , dissertatie, U n i v e r s i t e h v a n A m s t e r d a m , 1985. 6. H . O e v e r i n g , dissertatie. U n i v e r s i t e i t v a n A m s t e r d a m , 1988. 7. J . M . W a r m a n , M . P . de H a a s , M . N . P a d d o n - R o w , E . Cotsaris, N . S . H u s h , H . Oev e r i n g a n d J . W . V e r h o e v e n , Nature
320, 615 (1986).
8. E e n f r a a i g e ï l l u s t r e e r d a r t i k e l over de s t r u c t u u r en f u n c t i e v a n het f o t o s y n t h e t i s c h c e n t r u m is verschenen naar a a n l e i d i n g v a n de N o b e l l e z i n g v a n J. D e i s e n h o f e r en H . M i c h e l , Angew.
Chem.
9. M . A . C l a r k s o n , Byte,
1 0 1 , 872 (1989). m e i 1989, p p 268.
10. G . B i n n i n g a n d H . R o h r e r , Angew.
Chem.,
1 1 . R . M . M e t z g e r a n d C . A . P a n e t t a , / . Chim. 12. A . R e n n a n d U . P . W i l d , Appl. 13. a) F . M e i j e r , Chemische
Magazine,
b ) C . A . A . V a n H o o f , ibid.
Opt.
Int. Phys.
Ed. Engi.
26, 4040 (1987)
n o v e m b e r 1989, p p . 6 8 1 .
p p . 689.
26, 606 (1987)
85, 1125 (1988).
HOE
V O O R S P E L B A A R IS H E T W E E R ? door H.E.
de S w a r t
Inhoud: 1. H e t onberekenbare
weer
2. T o t s t a n d k o m i n g v a n een weersverwachting 3. F o u t e n g r o e i en o n v o o r s p e l b a a r h e i d 4. D y n a m i c a v a n l u c h t s t r o m i n g e n 5. D e e x p e r i m e n t e n v a n L o r e n z 6. Conclusies 1. Het onberekenbare
weer
E l k e dag o p n i e u w b l i j k t dat het weer een b e l a n g r i j k e r o l speelt i n ons d a g e l i j k s leven. Z o z i j n b i j v o o r b e e l d het reizigers- en goederenvervoer, successen i n de l a n d b o u w en het t o u r i s m e , de v e r s p r e i d i n g v a n l u c h t v e r o n t r e i n i g i n g e.d. sterk a f l i a n k e l i j k v a n de weerscondities. H e t is een b e k e n d gegeven dat w e e r s o n t w i k k e h n g e n een g r i l l i g v e r l o o p k u n nen hebben: soms z i j n er w e k e n l a n g n a u w e l i j k s v e r a n d e r i n g e n w a a r te n e m e n , d a n z i j n er p l o t s e l i n g periodes w a a r i n de ene depressie de andere o p v o l g t . Z o n u en d a n doen z i c h zelfs extreme weersituaties v o o r , zoals een zware s t o r m , een h i t t e g o l f , overvloedige sneeuwval e.d.. H e t zal d u i d e l i j k z i j n d a t er v a n u i t de m a a t s c h a p p i j b e h o e f t e is o m derg e l i j k e verschijnselen te k u n n e n v o o r s p e l l e n . O m h i e r i n te v o o r z i e n w o r d e n d o o r allerlei instanties en personen v e e l v u l d i g weersverwachtingen uitgegeven. D o o r g a a n s z i j n deze gebaseerd o p onze h u i d i g e kennis v a n het gedrag v a n l u c h t s t r o m i n g e n i n de a t m o s f e e r . Helaas is het zo dat, o n d a n k s alle beschikbare kennis en h u l p m i d d e l e n ( g r o t e c o m p u t e r s , geavanceerde w a a r n e m i n g s i n s t r u m e n t e n e.d.), de b e t r o u w b a a r h e i d v a n een voorspelUng n o g a l eens te wensen o v e r l a a t , m e t n a m e als het o m meerdaagse v e r w a c h t i n g e n gaat. H e t centrale p r o b l e e m , dat i n deze b i j d r a g e aan de orde zal k o m e n , is de v r a a g w a a r o m het zo m o e i l i j k is aan te geven w a t v o o r weer het over b . v . twee w e k e n z a l z i j n . D a a r toe z a l eerst i n sectie 2 w o r d e n beschreven hoe een w e e r s v e r w a c h t i n g , m e t b e h u l p v a n een c o m p u t e r m o d e l v a n de a t m o s f e e r , t o t s t a n d k o m t . I n sectie 3 z a l b l i j k e n dat h i e r b i j a h i j d sprake is v a n kleine a f w i j k i n g e n tussen de m o d e l t o e s t a n d en de w e r k e l i j k e a t m o s ferische t o e s t a n d . O p zich is dat b i j het h a n t e r e n v a n m o d e l l e n niets b i j z o n d e r s , echter a t m o s f e e r m o d e l l e n hebben de eigenschap dat d e r g e l i j k e f o u t e n i n de l o o p v a n de* t i j d a l t i j d g a a n g r o e i e n . Z e l f s de allerkleinste verschillen b l i j k e n b i n n e n een t e r m i j n v a n enkele dagen zo g r o o t te z i j n g e w o r d e n , dat n o g langer v o o r s p e l l e n m e t het m o d e l z i n l o o s is. K e n n e l i j k is er een grens aan de geldigheidsduur v a n w e e r s v e r w a c h t i n g e n . T o t z o ' n d e r t i g j a a r geleden w e r d gedacht dat deze f o u t e n g r o e i v o o r n a m e l i j k het gev o l g was v a n o n j u i s t h e d e n i n de g e b r u i k t e a t m o s f e e r m o d e l l e n . D e v e r w a c h t i n g was d a t
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Dihgentia te 's-Gravenhage op 8 januari 1990.
73
d o o r te investeren i n meer en betere w a a r n e m i n g e n , grotere c o m p u t e r s , e t c , de b e t r o u w b a a r h e i d s t e r m i j n willelceurig z o u Icunnen w o r d e n v e r g r o o t . E c h t e r de Amerilcaanse w i s Icundige en m e t e o r o l o o g E d w a r d L o r e n z t o o n d e aan dat deze r e d e r i n g helaas n i e t j u i s t is. Z o b l i j l c t dat reeds sterk vereenvoudigde m o d e l l e n v a n l u c h t s t r o m i n g e n zeer gecompliceerde, chaotische oplossingen k u n n e n h e b b e n . E é n v a n de meest k e n m e r k e n d e eigenschappen h i e r v a n is de gevoehge a f h a n k e l i j k h e i d v a n b e g i n v o o r w a a r d e n . H e t h o u d t i n dat twee oplossingen, die i n het begin slechts w e i n i g v a n elkaar v e r s c h i l l e n , i n de l o o p v a n de t i j d zo ver u i t elkaar groeien dat ze elk een v o l l e d i g andere s t r o m i n g s t o e s t a n d representeren. Deze resultaten suggereren dat f o u t e n g r o e i en beperkte v o o r s p e l b a a r h e i d eigenschappen v a n de a t m o s f e e r zelf z i j n , m e t als consequentie dat het p r i n c i p i e e l o n m o g e l i j k is het weer over een w i l l e k e u r i g lange periode te v o o r s p e l l e n . I n een b e r o e m d gew o r d e n a r t i k e l u i t 1969 t o o n t L o r e n z d h o o k o p overtuigende w i j z e aan. O m de essentie van
deze studie te b e g r i j p e n zal i n sectie 4 k o r t w o r d e n ingegaan o p het gedrag v a n
l u c h t s t r o m i n g e n , w a a r n a i n sectie 5 de o n d e r z o e k i n g e n v a n L o r e n z z u l l e n w o r d e n samengevat. D e s t i j d s w a r e n de resultaten v a n L o r e n z i n tegenspraak m e t de heersende o p v a t t i n g e n o m t r e n t de t o e k o m s t v a n de w e e r s v e r w a c h t i n g . D i t v e r k l a a r t enigzins w a a r o m het j a r e n h e e f t g e d u u r d v o o r d a t z i j n denkbeelden enige vaste g r o n d kregen b i n n e n de m e t e o r o l o gische gemeenschap. E e n aardige b e s c h r i j v i n g h i e r o v e r is te v i n d e n i n de b o e k e n v a n G l e i c k (1987), Tennekes (1990) en B r o e r en V e r h u l s t (1990). H e t f e i t dat het weer b e p e r k t v o o r s p e l b a a r is betekent dat we o p een andere m a n i e r m e t weersverwachtingen z u l l e n m o e t e n o m g a a n . E n k e l e m o g e l i j k e consequenties ten aanzien v a n t o e k o m s t i g e o n t w i k k e l i n g e n z u l l e n n o g i n sectie 6 w o r d e n beschreven.
2.
Totstandkoming
van een
weersverwacfjting
I n p r i n c i p e is het opstellen v a n een w e e r s v e r w a c h t i n g geen p r o b l e e m , zie o o k Opsteegh (1988) en F l o o r (1989). D e toestand v a n de a t m o s f e e r w o r d t n a m e l i j k b e p a a l d d o o r zeven g r o o t h e d e n ; de d r i e c o m p o n e n t e n v a n de w i n d s n e l h e i d ( i n de west-oost, z u i d - n o o r d en v e r t i k a l e r i c h t i n g ) , de t e m p e r a t u u r , l u c h t d r u k , d i c h t h e i d en de l u c h t v o c h t i g h e i d . N u z i j n de n a t u u r k u n d i g e w e t t e n , w a a r a a n l u c h t s t r o m i n g e n m o e t e n v o l d o e n , te v e r t a l e n i n t e r m e n v a n zeven w i s k u n d i g e v e r g e l i j k i n g e n , zoals schematisch weergegeven i n f i g u u r 1. Deze zogeheten b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n g e n b e s c h r i j v e n hoe bovengenoemde
grootheden,
u i t g a a n d e v a n een gegeven b e g i n t o e s t a n d , i n de l o o p v a n de t i j d veranderen. O m d a t de b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n g e n te i n g e w i k k e l d z i j n o m m e t de h a n d te w o r d e n o p gelost w o r d t i n de p r a k t i j k a l t i j d g e b r u i k g e m a a k t v a n een c o m p u t e r m o d e l . D a a r b i j w o r d t de a t m o s f e e r i n de v e r t i k a a l verdeeld i n een a a n t a l lagen, w a a r b i j de resolutie d i c h t b i j het a a r d o p p e r v l a k het g r o o t s t e is, zie f i g u u r 2 . I n de h o r i z o n t a a l w o r d t een netw e r k v a n r o o s t e r p u n t e n aangebracht m e t een o n d e r l i n g e a f s t a n d v a n ongeveer 100 k m o p onze breedtegraad. D e b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n g e n w o r d e n vervolgens gediscretiseerd o p dit lagenroosterpuntmodel. D a a r b i j moet rekening w o r d e n gehouden met randvoorw a a r d e n : zo m o e t b i j v o o r b e e l d de v e r t i k a l e snelheidscomponent n u l w o r d e n b i j v l a k k e b o d e m , i m m e r s er k a n geen l u c h t d o o r het a a r d o p p e r v l a k v e r d w i j n e n . H e t m o d e l k a n n u w o r d e n g e b r u i k t als een begintoestand v a n de a t m o s f e e r w o r d t gegeven. Z o ' n t o e s t a n d w o r d t b e p a a l d aan de h a n d v a n allerlei w a a r n e m i n g e n , die vers p r e i d over de hele aarde w o r d e n u i t g e v o e r d . E r w o r d t g e b r u i k g e m a a k t v a n gegevens v a n een g r o o t a a n t a l weerstations, m a a r o o k v a n b a U o n o p l a t i n g e n , schepen, v h e g t u i g e n en, i n toenemende m a t e , v a n satellieten. D e laatsten hebben als v o o r d e e l dat o o k o p r o u tinebasis m e t i n g e n b o v e n de oceanen k u n n e n w o r d e n u i t g e v o e r d . V o o r l o p i g is er echter
74
FyriMhe wetten
<->
Wiskundige vergel^jkingeii
2® wet van Newton
<->
3 impulsvergelijkingen
behoud van massa
<->
2 continuïteitsvergelijkingen
hoofdwetten thermodynamica <-> toestandsvergelijking
1 thermodynamische vergelijking ideale gaswet
<->
Figuur 1. Defysisciie wetten, die fiet gedrag van lucfitstromingen beschrijven, zijn te formuleren als zeven wislcundige vergelijkingen. Zo resulteren de wetten van Newton in drie impulsvergelijkingen. Massabehoud van zowel droge lucht als de hierin aanwezige waterdamp leidt tot twee continuïteitsvergelijkingen. De eerste en tweede hoofdwet van de warmteleer geven een thermodynamische vergelijking en tenslotte wordt nog een toestandsvergelijking toegevoegd; voor de atmosfeer is dat in goede benadering de ideale gaswet.
Figuur
2. Structuur
grootheden kend,
van een computermodel
als windsnelheden,
waarvan
de onderlinge
horizontaal
worden
beeld
Nederland
wordt
temperatuur afstand
de grootheden door
slechts
alleen
van de atmosfeer.
In de vertikaal
worden
aantal
niveau's
uitgere-
bij het aardoppervlak
klein
is. In de
e.d. op een beperkt dicht
op roosterpunten één roosterpunt
uitgerekend.
In bovenstaand
gerepresenteerd.
voor-
75
n o g het bezwaar d a t deze m e t i n g e n niet erg b e t r o u w b a a r z i j n . H e t p r a k t i s c h e n u t v a n satelheten u i t zich m o m e n t e e l v o o r a l i n de m o g e l i j k h e i d o m d . m . v . f o t o ' s de l i g g i n g v a n depressies en f r o n t e n vast te leggen. Behalve het i n z a m e l e n v a n deze gegevens m o e t e n de gevonden w a a r d e n v o o r w i n d , t e m p e r a t u u r e.d. o o k w o r d e n g e ï n t e r p o l e e r d naar w a a r d e n geldig o p de r o o s t e r p u n t e n en de verschillende v e r t i k a l e niveaus v a n het m o d e l . Deze zogeheten i n i t i a l i s a t i e p r o c e d u r e is v a n g r o o t belang v o o r de k w a h t e i t v a n de u i t e i n d e l i j k e v o o r s p e l l i n g e n en m o e t d a a r o m met grote z o r g w o r d e n u i t g e v o e r d . N a d a t deze v o o r b e w e r k i n g e n o p de c o m p u t e r hebben plaatsgevonden v o l g t het b e l a n g r i j k s t e onderdeel: de berekening v a n de t o e k o m s t i g e w a a r d e n v a n de zeven bovengenoemde g r o o t h e d e n . D e resultaten v a n het m o d e l w o r d e n gepresenteerd i n de v o r m v a n w e e r k a a r t e n , w a a r o p v o o r bepaalde t i j d s t i p p e n en o p verschillende v e r t i k a l e niveaus de v e r w a c h t e s t r o m i n g s p a t r o n e n , t e m p e r a t u u r v e r d e l i n g e n en d e r g e l i j k e z i j n aangegeven. Deze m o e t e n n o g d o o r de dienstdoende m e t e o r o l o g e n w o r d e n g e ï n t e r p r e t e e r d o m u i t e i n d e l i j k t o t een weersverwachting te k o m e n , die tenslotte v i a de m e d i a w o r d t v e r s p r e i d . T e n behoeve v a n de Nederlandse weersverwachting w e r d , t o t z o ' n t i e n j a a r geleden, v o o r n a m e l i j k g e b r u i k g e m a a k t v a n berekeningen u i t g e v o e r d o p het K . N . M . I . m e t een eigen m o d e l . T e g e n w o o r d i g is N e d e r l a n d m e d e f i n a n c i e r v a n het Europese C e n t r u m v o o r de M i d d e h a n g e T e r m i j n W e e r s v e r w a c h t i n g (het E . C . M . W . F . ) , d a t is gehuisvest i n Read i n g , n a b i j L o n d e n . D i t is o p g e r i c h t d o o r een a a n t a l Europese l a n d e n o m te k o m e n t o t een zo o p t i m a a l m o g e l i j k c o m p u t e r m o d e l v a n de a t m o s f e e r . E e n b e l a n g r i j k v o o r d e e l is d a t o p deze m a n i e r meer geld ter b e s c h i k k i n g k o m t , w a a r d o o r het m o g e l i j k is o m geavanceerde a p p a r a t u u r (zoals grote c o m p u t e r s ) aan te s c h a f f e n . D a a r n a a s t l e i d t i n t e r n a t i o n a l e s a m e n w e r k i n g t o t een b u n d e l i n g en uitwissehng v a n k e n n i s . N a a s t de globale m o d e l l e n , die de w e e r s o n t w i k k e l i n g e n over de hele aarde berekenen, bestaan er o o k regionale m o d e l l e n v o o r kleinere gebieden ( b i j v o o r b e e l d N e d e r l a n d en directe o m g e v i n g ) . D e laatsten z i j n bedoeld v o o r k o r t e - t e r m i j n v o o r s p e l U n g e n (0-12 u u r v o o r u i t ) . D e m o d e l s t r u c t u u r is i n p r i n c i p e hetzelfde als dat v a n de globale m o d e l l e n , echter er k u n n e n m e t meer d e t a i l bepaalde verschijnselen w o r d e n beschreven o m d a t de resol u t i e f i j n e r is ( r o o s t e r p u n t s a f s t a n d 10-50 k m ) . A l s r a n d v o o r w a a r d e n w o r d e n h i e r b i j d i k w i j l s de resuhaten v a n het globale m o d e l g e b r u i k t . 3. Foutengroei
en
onvoorspelbaarlxeid
U i t het bovenstaande v e r h a a l v o l g t dat het i n p r i n c i p e m o g e l i j k is o m , u i t g a a n d e v a n een gegeven b e g i n t o e s t a n d , het weer t o t i n lengte v a n dagen te v o o r s p e l l e n . H e t is een b e k e n d f e i t , dat d i t i n de p r a k t i j k beslist niet het geval is, a l h o e w e l u i t o b j e c t i e f m a t e r i a a l b l i j k t dat er i n de l o o p v a n de j a r e n de n o d i g e verbeteringen h e b b e n plaatsgevonden, zie f i g u u r 3. N i e t t e m i n h e e f t een hedendaagse w e e r s v e r w a c h t i n g een gemiddelde g e l d i g h e i d s d u u r v a n slechts een kleine week. O m te b e g r i j p e n hoe d h k o m t m o e t w o r d e n bedacht d a t t i j dens een s i m u l a t i e m e t een c o m p u t e r m o d e l a l t i j d kleine f o u t e n w o r d e n g e ï n t r o d u c e e r d . Z o z a l een u h w a a r n e m i n g e n geconstrueerde begintoestand slechts een b e n a d e r i n g z i j n v a n de w e r k e l i j k e a t m o s f e r i s c h e toestand o p dat m o m e n t . I m m e r s , o p aarde w o r d e n slechts o p een b e p e r k t a a n t a l plaatsen (die b o v e n d i e n n o g o n r e g e l m a t i g v e r d e e l d z i j n ) m e t i n g e n v a n t e m p e r a t u u r , w i n d s n e l h e i d en d e r g e l i j k e u i t g e v o e r d , z o d a t verschijnselen, die z i c h afspelen tussen twee w a a r n e m i n g s p u n t e n i n , niet w o r d e n geregistreerd. H e t z e l f de p r o b l e e m doet z i c h v o o r als gevolg v a n het discretiseren v a n de b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n gen o p v e r t i k a l e niveaus en r o o s t e r p u n t e n : verschijnselen die zich afspelen tussen twee r o o s t e r p u n t e n i n ( b i j v o o r b e e l d de v o r m i n g v a n een b u i o f kleinschalige depressie) k u n n e n i n eerste i n s t a n t i e d o o r het m o d e l over het h o o f d w o r d e n gezien. T e n s l o t t e is er een
76
Figuur
3. Voor ieder jaar gedurende
voor de 36-uursverwachting gelijk
aan 100% neerkomt
op een waardeloze 60%
gehanteerd.
men
te hangen
ginjaren
werd
computermodel derstelde veaus den
vooral
en het toelaten van de
gebruik
gemaakt
voorspelling,
wisselwerkingen verbeteringen
grens
waren hadden
van wisselwerkingen
Hierbij
een index wordt
in de gebruikte uit slechts
geldt
dikwijls
index
aan 0%
duidt
een waarde
van
blijken
sa-
computermodellen. grafische
methoden.
één vertikaal
niveau
tussen
het weer op het Noordelijk-
vooral
betrekking
tussen
bepaald
dat een
gelijk
Kwaliteitsverbeteringen
van subjectieve,
bestond
is een Icwaliteitsindex
weersdienst.
1970 bereikt.
wijzigingen
van de atmosfeer Latere
1955-1978
Als praktische
werd rond
met ingrijpende
dat er geen
lijk Halfrond.
op een perfecte
voorspelling. Deze
de periode
van de Amerikaanse
op het aantal
het weer op de verschillende
vaak
In de beHet
eerste
en
veron-
en
Zuide-
vertikale
ni-
Halfron-
aarde.
derde o o r z a a k v a n f o u t e n , n a m e l i j k de g e b r e k k i g e b e s c h r i j v i n g i n het m o d e l v a n fysische processen die n o g slecht w o r d e n begrepen. H e t b e t r e f t hier v o o r a l de stralings- en v o c h t h u i s h o u d i n g v a n de a t m o s f e e r , m a a r o o k de gecompliceerde w i s s e l w e r k i n g m e t de oceaan, w a a r a a n m o m e n t e e l veel o n d e r z o e k w o r d t gedaan. O p z i c h is het o n t s t a a n v a n a f w i j k i n g e n tussen gesimuleerde- en w e r k e l i j k e a t m o s f e r i sche t o e s t a n d niets b i j z o n d e r s , echter a t m o s f e e r m o d e l l e n hebben de eigenschap d a t derg e l i j k e f o u t e n i n de l o o p v a n de t i j d a l t i j d g r o t er w o r d e n . H e t gevolg is dat n a enige t i j d m o d e h o e s t a n d en w e r k e l i j k e t o e s t a n d zo veel v a n elkaar verschillen d a t n o g langer v o o r spellen z i n l o o s is; de voorspelbaarheidsgrens v a n het m o d e l is d a n b e r e i k t . D e precieze g e t a l w a a r d e v a n die grens b l i j k t sterk a f te hangen v a n de plaats en het t i j d s t i p w a a r o p g e k e k e n w o r d t . I n f i g u u r 4 is v o o r elke dag gedurende de w i n t e r v a n 1986-1987 aangegev e n hoe l a n g het c o m p u t e r m o d e l v a n het E . C . M . W . F . een b e t r o u w b a r e b e s c h r i j v i n g g a f v a n de w e e r s o n t w i k k e l i n g e n over de hele aarde. D a a r i n is goed te zien dat de v o o r s p e l b a a r h e i d v a n het weer de ene keer g r o t e r is d a n de andere keer. E e n b e l a n g r i j k e v r a a g h i e r b i j is o f f o u t e n g r o e i een gevolg is v a n onze g e b r e k k i g e k e n nis v a n de a t m o s f e e r o f dat het j u i s t een k e n m e r k e n d e eigenschap is v a n de a t m o s f e e r
77
Figuur
4. Variatie
in de geldigheidsduur
op het computermodel gen bepaald
dat deze
De gemiddelde zichtbaar, 10 dagen waarbij
van E. C.M. W.F.. een goede
geldigheidsduur
zowel
naar
beneden
op 14 december op iedere
datum
1986).
van numerieice
weersverwachtingen,
Van elke verwachting
beschrijving
gaf van het waargenomen
is ongeveer
6 dagen,
(3 dagen De vette
het gemiddelde
op 11 december lijn geeft
maar
er zijn
het aantal weer
grote
lopend
van de voorgaande
op
daaarde.
afwijkingen
1986) als naar boven
een 10-daags
is genomen
gebaseerd
is achteraf
(meer
gemiddelde 10
dan aan,
dagen.
z e l f . I n het eerste geval z o u het aanbrengen v a n verbeteringen i n de m o d e l l e n , zoals het beter vastleggen v a n de begintoestand d o o r meer en betere w a a r n e m i n g e n en het u i t b r e i d e n v a n het a a n t a l v e r t i k a l e niveaus en r o o s t e r p u n t e n , m o e t e n l e i d e n t o t een o n b e p e r k t e t o e n a m e v a n de g e l d i g h e i d s d u u r v a n weersverwachtingen. T o t i n de zestiger j a r e n w e r d deze o p v a t t i n g algemeen geaccepteerd. E c h t e r d a n k o m t u i t o n d e r z o e k , v a n m e t n a m e de A m e r i k a a n s e w i s k u n d i g e en m e t e o r o l o o g E d w a r d L o r e n z , naar v o r e n d a t o n v o o r spelbaarheid een eigenschap is v a n de a t m o s f e e r zelf. D a t betekend dat er een e s s e n t i ë l e b e p e r k i n g is aan de p e r i o d e w a a r o v e r het weer te v o o r s p e l l e n is, zonder dat de k w a l i t e i t v a n de dienstdoende m e t e o r l o o g o f het g e b r u i k t e c o m p u t e r m o d e l daar iets mee te m a k e n h e e f t . O m d i t d u i d e l i j k te m a k e n is het z i n v o l o m n u eerst i n te gaan o p de o o r z a a k en het gedrag v a n l u c h t s t r o m i n g e n .
4. Dynamica
van
luchtstromingen
C i r c u l a t i e s i n de a t m o s f e e r o n t s t a a n v o o r n a m e l i j k d o o r t o e d o e n v a n de z o n . V a n w e g e de b o l v o r m v a n de aarde o n t v a n g e n de t r o p e n meer z o n n e s t r a l i n g d a n de p o l e n , z o d a t een t e m p e r a t u u r v e r s c h i l ontstaat. H i e r d o o r k o m e n l u c h t s t r o m i n g e n o p g a n g , die p r o b e r e n d i t t e m p e r a t u u r v e r s c h i l o p te h e f f e n . D e stromingseigenschappen w o r d e n sterk be-
78
p a a l d d o o r het relatieve aandeel dat s c h i j n k r a c h t e n , v e r o o r z a a k t d o o r de d r a a i i n g v a n de aarde, hebben i n de d y n a m i c a . I n de t r o p e n is deze i n v l o e d g e r i n g , w a a r d o o r een zogeheten H a d l e y c i r c u l a t i e ontstaat: w a r m e l u c h t s t i j g t o p b i j de evenaar, spreidt zich u i t r i c h t i n g de p o l e n , daalt n a b i j de 30e breedtegraad en s t r o o m t vervolgens t e r u g naar de evenaar. A a n g e z i e n stijgende l u c h t d o o r a f k o e l i n g m i n d e r w a t e r d a m p k a n bevatten treedt n a b i j de evenaar w o l k e n v o r m i n g en neerslag o p , w a a r d o o r de t r o p i s c h e r e g e n w o u den k u n n e n bestaan. I n de gebieden w a a r dalende l u c h t b e w e g i n g e n p l a a t s v i n d e n w o r d e n j u i s t de w o e s t i j n g o r d e l s g e v o n d e n . I n het verdere v e r v o l g z u l l e n we ons beperken t o t de gematigde breedten, r u w w e g het gebied tussen de dertigste en zestigste breedtegraad w a a r i n zich o o k N e d e r l a n d b e v i n d t . D e d y n a m i c a is h i e r w e z e n l i j k anders, o m d a t s c h i j n k r a c h t e n (en m e t n a m e de C o r i o h s k r a c h t ) n u w e l een r o l spelen. I n eerste instantie o n d e r v i n d e n de l u c h t d e e l t j e s een d r u k k r a c h t , v e r o o r z a a k t d o o r het evenaar-pool t e m p e r a t u u r v e r s c h i l , w a a r d o o r ze g e d w o n gen w o r d e n r i c h t i n g de p o l e n te bewegen. E c h t e r i n goede b e n a d e r i n g stelt zich een evenw i c h t i n m e t de C o r i o l i s k r a c h t , die e r v o o r zorgt dat de luchtdeeltjes o p het N o o r d e l i j k H a l f r o n d een a f w i j k i n g naar rechts k r i j g e n : de bekende wet v a n Buys B a l l o t . D i t geeft een eenvoudige v e r k l a r i n g v o o r het bestaan v a n overwegend w e s t e n w i n d e n o p gematigde breedten. U i t w e e r k a a r t e n b l i j k t o n m i d d e l l i j k dat de s t r o m i n g niet precies e v e n w i j d i g aan breedtecirkels l o o p t , m a a r een m i n o f meer slingerend p a t r o o n v e r t o o n t . Z o z o r g e n de gebergtes o p aarde ( m e t n a m e de R o c k y M o u n t a i n s i n de Verenigde Staten en de H i m a l a y a i n A z i ë ) en het t e m p e r a t u u r v e r s c h i l tussen c o n t i n e n t e n en oceanen v o o r het o n t s t a a n v a n zogeheten planetaire g o l v e n . Deze h e b b e n k a r a k t e r i s t i e k e a f m e t i n g e n v a n t i e n d u i z e n d k i l o m e t e r en een levensduur v a n enkele w e k e n t o t m a a n d e n . Daarnaast z i j n o p de weerk a a r t de bekende hoge- en lagedrukgebieden te v i n d e n . Z e hebben a f m e t i n g e n v a n enkele d u i z e n d e n k i l o m e t e r s en bestaan slechts een a a n t a l dagen. Z e o n t s t a a n o m d a t de westel i j k e s t r o m i n g i n s t a b i e l is v o o r kleine v e r s t o r i n g e n . A l s d i t niet het geval was z o u het
plan. depresgolven sies
Figuur aantal
buien
5. De atmosferiscfie golven,
uiteengezet
circulatie
in de tekst
wordt
ven
wordt
schalen
van
en enkele
uiteindelijk beweging.
meters gevuld
golven),
levensduur
met name
geforceerd
1000 km (depressies
(microturbulentie). door
voorgesteld
golflengte,
de stroming
in de orde van 10000 km (planetaire 10 km (buien)
kan worden
elk met een kenmerkende
(m)
nietlineaire
microturb.
als de som van een en ontstaanswijze.
wisselwerkingen
Zoals
op ruimtelijke en
Het hele spectrum
groot schalen
hogedrukgebieden), van mogelijke tussen
gol-
verschillende
79
evenaar-pool t e m p e r a t u u r v e r s c h i l a a n z i e n l i j k g r o t e r z i j n d a n n u het geval is: hoge- en lagedrukgebieden z o r g e n dus v o o r een e f f e c t i e f p o o l w a a r t s w a r m t e t r a n s p o r t . D e atmosfeer is daarnaast o o k instabiel v o o r v e r s t o r i n g e n m e t n o g kleinere a f m e t i n gen. V o o r b e e l d e n z i j n b u i e n , die een typische o m v a n g v a n enkele k i l o m e t e r s h e b b e n , en kleinschalige wervels v e r o o r z a a k t d o o r obstakels ( b i j v o o r b e e l d g e b o u w e n ) i n de strom i n g . H e t resultaat is een heel scala aan bewegingen met allerlei verschillende t i j d - en lengteschalen. Deze k u n n e n echter niet als a f z o n d e r h j k e i d e n t i t e i t e n w o r d e n gezien, o m dat ze eikaars aanwezigheid v o e l e n . E r bestaan d o o r l o p e n d o n d e r l i n g e w i s s e l w e r k i n g e n tussen bewegingen m e t verschillende a f m e t i n g e n . I n veel gevallen k o m t d a a r b i j energie beschikbaar, die w o r d t g e b r u i k t o m nieuwe bewegingen te laten o n t s t a a n . D i t proces is schematisch weergegeven i n f i g u u r 5. E r is h i e r b i j sprake v a n een niethneair proces, waarmee w o r d t b e d o e l d dat een verander i n g i n de toestand v a n de atmosfeer niet evenredig is m e t de g r o o t t e v a n de o o r z a a k w a a r d o o r die v e r a n d e r i n g t o t stand k o m t . A l s b i j v o o r b e e l d het t e m p e r a t u u r v e r s c h i l tussen evenaar e f i p o o l gehalveerd z o u w o r d e n , d a n zorgen de n i e t l i n e a i r e w i s s e l w e r k i n g e n e r v o o r dat de w e s t e n w i n d e n niet o o k precies gehalveerd z u l l e n w o r d e n . Een b e l a n g r i j k g e v o l g h i e r v a n is dat s t r o m i n g e n i n de atmosfeer bestaan u i t een heel s p e c t r u m v a n bewegingen met allerlei verschillende t i j d - en r u i m t e s c h a l e n . N i e t l i n e a i r e interacties z i j n tevens de o o r z a a k v a n het f e i t dat f o u t e n zich d o o r het hele s p e c t r u m k u n n e n verspreiden. E d w a r d L o r e n z was é é n v a n de eersten die d i t proces o p systematische w i j z e bestudeerde. I n de volgende sectie z a l een s a m e n v a t t i n g v a n z i j n resultaten w o r d e n gegeven. 5. De experimenten
van
Lorenz
A a n het e i n d v a n de v i j f t i g e r j a r e n o n d e r z o c h t L o r e n z spectrale m o d e l l e n v a n a t m o s f e r i sche s t r o m i n g e n . Deze k u n n e n u i t de i n sectie 2 beschreven b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n g e n w o r den a f g e l e i d d o o r de s t r o m i n g v o o r te stellen als de s o m v a n een a a n t a l g o l v e n , elk met een eigen g o l f l e n g t e en een i n de t i j d v a r i ë r e n d e sterkte. Een spectraal m o d e l b e s c h r i j f t d a n de t i j d s o n t w i k k e l i n g v a n de sterktes x , , X2, etc. v a n de verschihende g o l v e n . M e e r details v a n deze techniek w o r d e n besproken i n de b i j d r a g e v a n D e S w a r t i n het b o e k v a n B r o e r en V e r h u l s t (1990). U i t de resultaten bleek dat zelfs r e l a t i e f eenvoudige spectrale m o d e l l e n al zeer gecompliceerde, chaotische oplossingen k u n n e n hebben. E é n v a n de meest i n het o o g springende eigenschappen is de gevoelige a f h a n k e l i j k h e i d v a n beginv o o r w a a r d e n : twee oplossingen, die starten v a n u i t nagenoeg dezelfde
begintoestand,
g r o e i e n i n de l o o p v a n de t i j d zo ver u i t elkaar dat ze elk een v o l l e d i g andere strom i n g s t o e s t a n d representeren. E e n v o o r b e e l d v a n een d e r g e l i j k e x p e r i m e n t is te zien i n f i g u u r 6. D i t b r a c h t L o r e n z o p de gedacht dat de beperkte v o o r s p e l b a a r h e i d v a n het weer w e l eens een eigenschap v a n de a t m o s f e e r zelf k o n z i j n . I m m e r s , i n de p r a k t i j k hebben we a l t i j d m e t k l e i n e v e r s c h i l l e n tussen m o d e l t o e s t a n d en w e r k e l i j k e toestand te m a k e n . D e c h a o d sche d y n a m i c a z o r g t er d a n v o o r dat d e r g e l i j k e f o u t e n a l t i j d z u l l e n g r o e i e n . T e g e n w o o r d i g bestaat er een g r o t e hoeveelheid l i t e r a t u u r w a a r i n de eigenschappen en relevantie v a n het b e g r i p chaos w o r d e n uiteengezet, zie Tennekes (1990) en B r o e r en V e r h u l s t (1990). E e n andere b e l a n g r i j k e eigenschap v a n m o d e l l e n met een chaotische d y n a m i c a is het zogeheten recurrente gedrag. H i e r m e e w o r d t bedoeld dat iedere toestand, w a a r i n z o ' n systeem t e r e c h t k o m t , sterk l i j k t o p i n het verleden opgetreden toestanden. V o o r een systeem m e t r e c u r r e n t gedrag is het m o g e l i j k k o r t e - t e r m i j n v o o r s p e l l i n g e n te m a k e n m e t be-
80
20-1
Figuur
6. Uitgaande
verscfiillen, ferische
zijn
circulatie.
van twee
oplossingen De figuur
tie van de tijd t (in dagen). gen steeds
verder
mingstoestanden
begintoestanden,
berekend toont
de sterkte
Als gevolg
uit elkaar,
zodat
die slecfits
van een cfiaotiscfi
dagen
dynamica
ze twee
beetje
model
x, van de westenwinden
van de chaotische
na enkele
een klein
spectraal
geheel
van
elkaar
van de
atmos-
(in m/s) groeien
de
verschillende
als
func-
oplossinstro-
beschrijven.
h u l p v a n de a n a l o g e n m e t h o d e .
D a a r b i j w o r d e n , v o o r een gegeven
begintoestand,
toestanden u i t het verleden geselecteerd die hier sterk o p l i j k e n . D e i n f o r m a t i e o m t r e n t de e v o l u t i e v a n het systeem u i t het verleden k a n w o r d e n g e b r u i k t o m een v o o r s p e l l i n g v a n t o e k o m s t i g e o n t w i k k e l i n g e n te m a k e n . E e n meer w i s k u n d i g e b e s c h r i j v i n g v a n deze t e c h n i e k is te v i n d e n i n de b i j d r a g e v a n G r a s m a n aan het b o e k v a n B r o e r en V e r h u l s t (1990). W e d e r o m was L o r e n z é é n v a n de eersten die probeerde deze m e t h o d e te g e b r u i k e n v o o r het opstellen v a n weersverwachtingen. H i j o n d e r v o n d echter het p r o b l e e m dat het m o e i l i j k is o m b i j een gegeven begintoestand atmosferische analogen u i t het verleden te v i n d e n . W e l i s w a a r was het m o g e l i j k o m v o o r een b e p e r k t gebied ( b . v . W e s t - en M i d d e n E u r o p a ) goede overeenstemming te v e r k r i j g e n , echter de s t r o m i n g s p a t r o n e n h a d d e n d a n elders o p aarde ( b . v . b i j J a p a n ) geen enkele zichtbare relatie m e t e l k a a r . W e r d e n d e r g e l i j k e a n a l o g e n d a n t o c h g e b r u i k t v o o r het m a k e n v a n voorspeUingen d a n b l e k e n de a f w i j k i n g e n ^ o snel toe te n e m e n dat de m e t h o d e p r a k t i s c h gezien z i n l o o s was. D e v r a a g die z i c h h i e r b i j aandiende was o f de a t m o s f e e r w e l r e c u r r e n t gedrag v e r t o o n t o f , m e t andere w o o r d e n , is er w e l sprake v a n een chaotisch systeem? O m d i t te o n d e r z o e k e n bestudeerde L o r e n z vervolgens f o u t e n g r o e i i n een m o d e l a t m o s f e e r , bestaande u i t e e i ï e i n d i g a a n t a l (zeg N-\-1)
schalen v a n b e w e g i n g . » Z o bevat de
eerste schaal ( m e t i n d e x i = 0) de allerlangste g o l v e n die v o o r k o m e n i n de a t m o s f e e r : deze h e b b e n a f m e t i n g e n tussen de 1000 en 10000 k m . I n de volgende schaal b e v i n d e n z i c h alle g o l v e n , die q u a a f m e t i n g e n een f a c t o r 10 k l e i n e r z i j n d a n de g o l v e n u i t de v o o r g a a n d e schaal. E r w e r d aangenomen
d a t de kinetische energie E (een m a a t v o o r de s t r o -
81
m i n g s s t e r k t e ) v a n de gemiddelde toestand o p de volgende m a n i e r over de verschillende g o l v e n was v e r d e e l d : E = aL»
.
(1)
H i e r b i j z i j n a en /3 positieve constanten, t e r w i j l L de a f m e t i n g v a n de g o l f v o o r s t e h . U i t deze f o r m u l e is a f te lezen d a t de meeste energie v a n de s t r o m i n g z i c h i n de langste g o l v e n b e v i n d t , iets dat o o k d o o r w a a r n e m i n g e n w o r d t bevestigd. Vervolgens n a m L o r e n z aan dat de toestand v a n alle expliciet meegenomen g o l v e n i n het m o d e l p e r f e c t is vast te leggen, behalve die v a n de allerkleinste g o l v e n . D a a r i n b r a c h t h i j een f o u t aan, die w e r d gedacht v e r o o r z a a k t te z i j n d o o r de beperkte hoeveelheid meetgegevens. D e g r o o t t e v a n deze f o u t was een bepaalde f r a c t i e v a n de kinetische energie behorende b i j die schaal. K o r t o m , n a a r m a t e de m o d e l r e s o l u t i e w e r d v e r g r o o t (A'^ neemt toe) w e r d de g r o o t t e v a n de b e g i n f o u t steeds k l e i n e r . Zoals v e r w a c h t b l e k e n de f o u t e n i n de l o o p v a n de t i j d a l t i j d te groeien en ten gevolge v a n n i e t l i n e a i r e wisselwerk i n g e n w e r d e n deze o p den d u u r o o k m e r k b a a r i n allerlangste g o l v e n . Z o d r a d h het gev a l is z i j n de f o u t e n zo g r o o t g e w o r d e n dat een v o o r s p e U i n g , gebaseerd o p d i t m o d e l , z i n l o o s is g e w o r d e n : de voorspelbaarheidsgrens is d a n b e r e i k t . E c h t e r de w i j z e v a n f o u t e n g r o e i was sterk a f h a n k e l i j k v a n de m a n i e r w a a r o p de kinetische energie over de verschillende g o l v e n was verdeeld. O p g r o n d v a n z o w e l theoretische o v e r w e g i n g e n als c o m p u t e r e x p e r i m e n t e n concludeerde L o r e n z dat de t i j d t,, die de f o u t n o d i g h e e f t o m d o o r te groeien v a n schaal / naar schaal i-l w e r d gegeven d o o r = c lè'^-'y
, (i = 1,2,3,
,N).
(2)
H i e r b i j is C een constante, die gerelateerd is aan de t i j d s c h a a l w a a r o p f o u t e n i n de allerlangste g o l v e n g r o e i e n . D e voorspelbaarheidsgrens f o u t er over doet o m v a n de
T(N),
g e d e f i n i ë e r d als de t i j d die de
naar de eerste schaal d o o r te groeien, w o r d t d a n gevon-
d e n d o o r de t i j d e n t, t / m
b i j elkaar o p te t e l l e n . I n f i g u u r 7 is deze v o o r s p e l b a a r -
heidsgrens geschetst als f u n c d e v a n het a a n t a l meegenomen schalen v a n b e w e g i n g . D i t
Figuur
7. Voorspelbaarheidsgrens
schalen
van beweging,
constante
gedefiniëerd
in formule
is van een zeer voorspelbaar teem den
systeem.
een voorspelbaarheidsgrens, vergroot
door
T(N)
van een atmosferisch
in afhankelijkheid
de resolutie
van N en voor (2). Het blijkt Echter
dat als /3 groter
in het geval
aangegeven
door
van het model
te
model,
verschillende P kleiner
de gestippelde vergroten.
bestaande waarden
uiï
is dan 3 er
is dan 3 heeft
N
van de sprake het
lijn, die niet kan
syswor-
82
is gedaan v o o r d r i e verscliillende w a a r d e n v a n de constante (3, die aangeeft hoe de k i n e t i sche energie v a n de atmosfeer is verdeeld over de verschillende g o l v e n , zie f o r m u l e (1). U i t f o r m u l e (2) is a f te lezen dat i n het geval
een waarde h e e f t g r o t e r d a n 3, de t i j d
tl toeneemt als / een grotere w a a r d e h e e f t . D i t betekent dat de snelheid w a a r m e e f o u t e n groeien a f n e e m t n a a r m a t e de a f m e t i n g v a n de beschouwde g o l v e n k l e i n e r w o r d t . K o r t o m , b i j v e r g r o t i n g v a n de m o d e l r e s o l u t i e (grotere w a a r d e n v a n N) z a l de v o o r s p e l b a a r heidsgrens steeds sterker t o e n e m e n , zoals d u i d e l i j k i n f i g u u r 7 is te zien. A l s (3 precies g e l i j k is aan 3 d a n v o l g t u i t f o r m u l e (2) dat t, = C, o f w e l de f o u t e n g r o e i s n e l h e i d h e e f t v o o r elke g o l f dezelfde w a a r d e . V e r g r o t i n g v a n de m o d e l r e s o l u t i e l e i d t d a n t o t een l i n e a i re toename v a n de voorspelbaarheidsgrens. T e n s l o t t e is er n o g de m o g e l i j k e situatie d a t i9 een w a a r d e h e e f t kleiner d a n 3. I n dat geval v o l g t u i t f o r m u l e (2) dat f o u t e n steeds sneller groeien n a a r m a t e de a f m e t i n g v a n de g o l f kleiner w o r d t . Z o a l s b l i j k t u i t f i g u u r 8 k a n de voorspelbaarheidsgrens n u niet meer v o o r b i j een zekere grenswaarde k o m e n , zelfs niet als het m o d e l u i t een oneindige hoeveelheid schalen v a n beweging z o u bestaan. U i t het bovenstaande v o l g t dus dat er n i e t l i n e a i r e systemen z i j n m e t een v o o r s p e l b a a r h e i d s h o r i z o n , die niet k a n w o r d e n v e r g r o o t d o o r de resolutie v a n het m o d e l te l a t e n toen e m e n . D e g r o t e v r a a g dient z i c h n u aan o f de atmosfeer o o k een d e r g e l i j k systeem is. D a a r t o e m o e t e n w e , b l i j k e n s het v o o r g a a n d e , k i j k e n naar de v e r d e h n g v a n de kinetische energie v a n l u c h t s t r o m i n g e n over de verschillende g o l v e n . E e n schets h i e r v a n is gegeven i n f i g u u r 8. H e t b l i j k t dat onderscheid m o e t w o r d e n g e m a a k t tussen g o l v e n m e t g o l f l e n g t e n groter en kleiner d a n z o ' n 100 k m . V o o r de lange g o l v e n geldt dat h u n h o r i z o n t a l e a f m e t i n g e n zeer veel groter z i j n d a n de v e r t i k a l e a f m e t i n g v a n de atmosfeer (ongeveer 10 k m ) . O p
Figuur
8. Verdeling
van beweging. voor tingen)
Deze
de lange golven
van Idnetische blijlct
(horizontale
en P = 5/3 voor
baarheidshorizon
goed
beziï.
de kortere
energie beschreven afmetingen golven.
in de atmosfeer te worden groot Hieruit
over de verschillende door formule
ten opzichte volgt
(1), waarbij
van de vertikale
dat de atmosfeer
een
schalen /3 = 5 afmevoorspel-
83
deze schaal spelen de bewegingen zich h o o f d z a k e l i j k a f i n een v l a k e v e n w i j d i g aan het a a r d o p p e r v l a k : de s t r o m i n g is nagenoeg t w e e - d i m e n s i o n a a l . V o o r d e r g e l i j k e s t r o m i n g e n is a f te leiden dat de energieverdeling w o r d t gegeven d o o r f o r m u l e (1) met /3 = 3. A n d e r z i j d s geldt v o o r de k o r t e r e g o l v e n dat de s t r o m i n g o p deze schaal w e z e n l i j k d r i e d i m e n s i o n a a l is. I n d a t geval geldt eveneens f o r m u l e ( 1 ) , m a a r d a n met (3 = 5/3. V o o r de voorspelbaarheidseigenschappen
v a n a t m o s f e r i s c h e s t r o m i n g e n h e e f t d i t de
volgende consequendes. Z o l a n g de k o r t s t e g o l v e n die w o r d e n meegenomen i n een atmosf e r i s c h m o d e l a f m e t i n g e n hebben groter d a n 100 k m z a l , aangezien /3 = 3, v e r g r o t i n g v a n de m o d e h e s o l u t i e ( b . v . het v e r k l e i n e n v a n de r o o s t e r p u n t s a f s t a n d i n een c o m p u t e r m o del) leiden t o t een evenredige t o e n a m e i n de voorspelbaarheidsgrens.
E c h t e r b i j steeds
verdere v e r f i j n i n g z u l l e n de k o r t e g o l v e n o p zeker m o m e n t a f m e t i n g e n kleiner d a n 100 k m k r i j g e n , zodat de waarde v a n 13 overgaat i n 5 / 3 , hetgeen kleiner is d a n 3. V a n a f dat m o m e n t geldt dat f o u t e n steeds sneller gaan groeien n a a r m a t e de a f m e t i n g v a n de g o l v e n kleiner w o r d t . Z o is b i j v o o r b e e l d de o n t w i k k e h n g v a n w o l k e n ( a f m e d n g enkele k m ) slechter te v o o r s p e l l e n d a n de o n t w i k k e l i n g v a n een 3000 k m g r o t e depressie. I n o n derstaande tabel is, o p basis v a n de keuze 13 = 5/3,
aangegeven w a t de behaalde w i n s t
is i n de voorspelbaarheidsgrens v a n een a t m o s f e r i s c h m o d e l . D u i d e l i j k is te zien d a t deze w i n s t zeer k l e i n w o r d t als de k o r t s t e g o l v e n a f m e d n g e n hebben kleiner d a n z o ' n 100 k m . D e consequenties v a n deze resultaten z u l l e n i n de volgende sectie w o r d e n b e s p r o k e n .
maasvdjdte
benodigde capaciteit
voorapelbaarheidagrens (dagen)
winst
1000 km
1
8
100 km
103
9.7
10 km
106
10.1
3 uren
Ikm
109
10.2
2 uren
1 mm
1027
10.2
0.7 seconde
T a b e l 1. Voorspelbaarheidseigenschappen
8 dagen 1.7 dagen
v a n een a t m o s f e e r , w a a r i n de energieverde-
l i n g is gegeven d o o r f o r m u l e (1) m e t (3 = 5 / 3 . Aangegeven z i j n de benodigde i n v e s t e r i n gen o m de m a a s w i j d t e v a n een c o m p u t e r m o d e l v a n d i t systeem te v e r k l e i n e n ( d . w . z . de resolutie te v e r g r o t e n ) en t o t w e l k e w i n s t dat zal leiden i n de
voorspelbaarheidsgrens.
V o o r elke extra schaal v a n beweging m o e t de c o m p u t e r c a p a c h e i t met een f a c t o r 1000 w o r d e n v e r g r o o t , de behaalde t i j d w i n s t staat daarmee echter i n geen enkele v e r h o u d i n g .
84
6.
Conclusies
L a n g e t i j d h e b b e n m e t e o r o l o g e n gemeend dat de geldigheidsduur v a n w e e r v e r w a c h t i n gen willelceurig z o u d e n k u n n e n w o r d e n v e r g r o o t d o o r bestaande c o m p u t e r m o d e l l e n verder te verbeteren en eveneens meer w a a r n e m i n g e n u i t te v o e r e n . D i t o p t i m i s t i s c h e standp u n t is echter i n m i d d e l s a c h t e r h a a l d d o o r t o e d o e n v a n o n d e r z o e k i n g e n u i t g e v o e r d d o o r L o r e n z . H i j t o o n d e aan dat de atmosfeer een v o o r s p e l b a a r h e i d s h o r i z o n bezit, die niet w o r d t bepaald d o o r de k w a h t e i t v a n de g e b r u i k t e modeUen o f de e r v a r i n g v a n de dienstdoende m e t e o r o l o o g . D i t k o m t o m d a t w e e r s o n t w i k k e U n g e n zeer gevoeUg z i j n v o o r de precieze keuze v a n de b e g i n t o e s t a n d . B i j het opstellen v a n een w e e r s v e r w a c h t i n g is a l t i j d sprake v a n k l e i n e a f w i j k i n g e n v a n de w e r k e l i j k e atmosferische toestand. Z o k u n n e n stor i n g e n met a f m e t i n g e n kleiner d a n de a f s t a n d tussen twee meetstations o f kleiner d a n de r o o s t e r p u n t s a f s t a n d v a n een c o m p u t e r m o d e l tussen de mazen v a n het net d o o r g h p p e n en i n eerste i n s t a n t i e niet d o o r het m o d e l w o r d e n meegenomen. D e d y n a m i c a v a n de atm o s f e e r zorgt er echter v o o r dat d e r g e l i j k e f o u t e n a l t i j d groeien en b i n n e n een t e r m i j n v a n enkele dagen de m e t b e h u l p v a n het m o d e l gemaakte v o o r s p e l l i n g , waardeloos m a k e n . H e t v e r g r o t e n v a n de m o d e l r e s o l u t i e , d . w . z . het v e r k l e i n e n v a n de m a a s w i j d t e , b l i j k t echter geen d o e l t r e f f e n d e oplossing te z i j n . W e l i s w a a r z i j n de s t o r i n g e n n u m i n d e r g r o o t , echter ze groeien o o k veel sneller, w a a r d o o r t o c h b i n n e n een week de v o o r s p e l baarheidsgrens w o r d t b e r e i k t . D e k e r n v a n d i t mechanisme k a n w o r d e n samengevat als " k l e i n e o o r z a k e n hebben grote g e v o l g e n " . L o r e n z sprak i n d i t v e r b a n d v a n het v l i n d e r e f f e c t , d . w . z . alleen a l de w i e k s l a g v a n een v h n d e r ergens o p aarde k a n b e p a l e n d z i j n v o o r het f e i t o f we over twee w e k e n i n N e d e r l a n d m e t m o o i o f slecht weer te m a k e n hebben! O p g r o n d v a n deze resultaten k a n onderscheid w o r d e n g e m a a k t tussen drie verschillende t y p e n d y n a m i s c h e systemen. D e eerste categorie b e t r e f t systemen w a a r i n geen f o u t e n g r o e i o p t r e e d t . V o o r b e e l d e n z i j n de meeste m o d e l l e n u i t de klassieke mechanica, zoals dat v a n de h a r m o n i s c h e slinger. I n de tweede categorie v a n systemen treedt wehswaar f o u t e n g r o e i o p , echter de voorspelbaarheidsgrens
is w i U e k e u r i g te v e r g r o t e n d o o r de
g r o o t t e v a n de b e g i n f o u t te v e r k l e i n e n . H i e r t o e b e h o r e n de v r i j recent o n t d e k t e m o d e l l e n m e t chaotisch g e d r a g , zie B r o e r en V e r h u l s t (1990). E e n a a n t a l b l i j k t i n goede benader i n g het gedrag v a n de grootschalige atmosferische c i r c u l a t i e te b e s c h r i j v e n , zie de b i j drage v a n D e S w a r t i n g e n o e m d b o e k . I n w e r k e l i j k h e i d b e h o o r t de a t m o s f e e r t o t de derde categorie v a n systemen, w a a r b i j de voorspelbaarheidsgrens
o n a f h a n k e l i j k is v a n de
g r o o t t e v a n de b e g i n f o u t : d i t is w a t L o r e n z h e e f t a a n g e t o o n d . H e t f e i t dat het weer slechts b e p e r k t v o o r s p e l b a a r is betekent g e l u k k i g n i e t het einde v a n het meteorlogische o n d e r z o e k . W e l vereist het andere d e n k b e e l d e n , n a m e l i j k het ler e n o m g a a n m e t i n f o r m a t i e die v a n n a t u r e onzeker is. V o o r l o p i g v a l t er n o g w e l v o o r u i t gang te b o e k e n i n de gemiddelde geldigheidsduur v a n weersverwachtingen d o o r de bestaande c o m p u t e r m o d e l l e n te verbeteren. D e laatste j a r e n k o m t er steeds meer het besef dat er een grens is aan deze o n t w i k k e U n g en dat w e l l i c h t meer a a n d a c h t m o e t w o r d e n besteed aan de variaties i n de b e t r o u w b a a r h e i d v a n de v e r w a c h t i n g e n . U i t z o w e l waarnem i n g e n als m o d e l r e s u h a t e n b l i j k t dat de voorspelbaarheidseigenschappen
i n sterke m a t e
w o r d e n b e p a a l d d o o r de actuele s t r o m i n g s t o e s t a n d . M e t andere w o o r d e n , de g r o e i v a n f o u t e n is sterk a f h a n k e l i j k v a n plaats en t i j d s t i p w a a r o p gekeken w o r d t . I n p r i n c i p e b l i j k t het m o g e l i j k de s t r u c t u u r h i e r v a n v o o r a f te bepalen. K e n n e l i j k is het dus m o g e l i j k o m aan een w e e r s v e r w a c h t i n g een b e t r o u w b a a r h e i d s m a a t
mee te geven. E e n m a n i e r
w a a r o p d i t t e g e n w o o r d i g , z i j het o p beperkte schaal, w o r d t toegepast is de zogeheten M o n t e C a r l o m e t h o d e . D a a r b i j w o r d e n , naast de t r a d i t i o n e l e v e r w a c h t i n g , n o g een aant a l andere v e r w a c h t i n g e n g e m a a k t , u i t g a a n d e v a n iets g e w i j z i g d e begintoestanden. A l s
85 de u i t e i n d e l i j k e resultaten o n d e r l i n g sterk o p elkaar l i j k e n is de v e r w a c h t i n g w a a r s c h i j n l i j k r e d e l i j k b e t r o u w b a a r , t e r w i j l b i j een grote s p r e i d i n g w e i n i g w a a r d e aan de v o o r s p e l l i n g m o e t w o r d e n t o e g e k e n d . N a d e l e n v a n de m e t h o d e z i j n de hoge k o s t e n (lange rekent i j d e n ) , o m d a t de v e r w a c h t i n g e n achter elkaar m o e t e n w o r d e n u i t g e v o e r d o p é é n c o m p u ter. Gezien de resultaten v a n L o r e n z pleiten s o m m i g e onderzoekers e r v o o r o m i n de toek o m s t te investeren i n meerdere c o m p u t e r s , w a a r d o o r M o n t e C a r l o berekeningen e f f i c i ë n t e r k u n n e n w o r d e n u i t g e v o e r d , i n plaats v a n de resolutie v a n bestaande m o d e l l e n verder te v e r h o g e n . E e n andere m a n i e r o m i n z i c h t te k r i j g e n i n de locale voorspelbaarh e i d v a n het weer is te k i j k e n naar v e r w a c h t i n g e n v a n een a a n t a l opeenvolgende dagen v o o r steeds h e t z e l f d e t i j d s t i p . H i e r b i j is eveneens de s p r e i d i n g i n de resultaten een m a a t v o o r de b e t r o u w b a a r h e i d v a n de v e r w a c h t i n g . D e resultaten v a n L o r e n z sluiten u i t dat het m o g e l i j k zal z i j n o m i n de t o e k o m s t gedetailleerde l a n g e - t e r m i j n weersvoorspellingen te d o e n . N i e t t e m i n bestaat er w e l h c h t w e l de m o g e l i j k h e i d dat u i t s p r a k e n k u n n e n w o r d e n gedaan over de gemiddelde k h m a t o l o g i sche toestand gedurende een bepaalde p e r i o d e . D a a r b i j m o e t gedacht w o r d e n aan u i t spraken zoals, dat een z o m e r k o u d e r zal z i j n d a n n o r m a a l e.d.. D e achterliggende gedachte d a a r b i j is d a t de k l i m a t o l o g i s c h e toestand i n sterke mate b e ï n v l o e d k a n w o r d e n d o o r f o r c e r i n g v a n b u i t e n a f . D a a r b i j speeh de t e m p e r a t u u r v a n het zeewater een grote r o l . E e n b e k e n d v e r s c h i j n s e l i n d i t v e r b a n d is E l N i f l o , dat z i c h ieder j a a r i n de k e r s t t i j d v o o r de k u s t v a n P e r u v o o r d o e t . D a a r b i j w o r d t k o u d zeewater, a f k o m s t i g u i t de diepzee, v e r d r o n g e n d o o r w a r m o p p e r v l a k t e w a t e r a f k o m s t i g u i t de streken r o n d I n d o n e s i ë . Z o n u en d a n doet d i t zich i n verhevigde mate v o o r , b i j v o o r b e e l d gedurende het j a a r 1982/83. U i t o n d e r z o e k is gebleken dat d e r g e l i j k e sterke en l a n g d u r i g e a f w i j k i n g e n v a n de z e e w a t e r t e m p e r a t u u r i n tropische gebieden v a n i n v l o e d k a n z i j n o p het weer i n onze streken. E e n meer gedetailleerde b e s c h r i j v i n g v a n E l N i f l o is te v i n d e n i n E n f i e l d (1989). Literatuur: B r o e r , H . en F . V e r h u l s t (eds.) 1990. Dynamische uit de wiskunde. Epsilon Uitg., Utrecht.
systemen
en chaos,
E n f i e l d , D . B . 1989. E l N i n o , o n a a n g e n a a m kerstcadeau. Natuur F l o o r , C . 1988. C o m p u t e r m o d e l l e n v a n de a t m o s f e e r . Zemt G l e i c k , J . 1989. Chaos, dam.
de derde
wetenschappelijke
revolutie.
een revolutie
en Techniek
57, 42-53.
15, 364-373. U i t g . Contact, Amster-
Opsteegh, J . D . 1988. Chaos i n de atmosfeer, grenzen aan de w e e r s v o o r s p e l l i n g . en Techniek
56, 274-285.
Tennekes, H . (ed.) 1990. De vlinder
van Lorenz.
van-
A r a r m i t h U h g . , Bloemendaal.
Natuur
W A T LEERT ONS V E R O U D E R I N G door D . L . Knook
Inleiding E e n al eeuwen bestaande u i t s p a n n i n g i n B e n n e b r o e k draagt de n a a m ' T n de o u d e geleerde m a n " . T o t v o o r enkele j a r e n was de b e t r e f f e n d e p e r s o o n o p een u i t h a n g b o r d a f g e beeld, w a a r b i j de eigenschap " g e l e e r d " w e r d gesymboliseerd d o o r een b o e k onder de a r m v a n de m a n als o o k d o o r een trapleer die h i j over de schouder d r o e g . I n deze b i j d r a ge z a l , v a n a f een d e n k b e e l d i g trapleer de leer v a n het v e r o u d e r e n (de g e r o n t o l o g i e ) overz i e n d , een k o r t o v e r z i c h t w o r d e n gepresenteerd v a n de processen die een m a n - en een v r o u w - o u d m a k e n , al o f niet geleerd. Geboortegolf
wordt
"ouderengolf"
D e d e m o g r a f i s c h e o n t w i k k e h n g v a n de Nederlandse b e v o l k i n g v e r t o o n t een a a n t a l i n g r i j p e n d e v e r a n d e r i n g e n . N i e t alleen zal er na een zeer lange p e r i o d e v a n g r o e i een a f n a m e i n de o m v a n g v a n de b e v o l k i n g o p t r e d e n , m a a r o o k v e r a n d e r t de samenstelling v a n de b e v o l k i n g sterk. D e k r i m p zal pas over enkele decennia gaan o p t r e d e n , omstreeks 2020. T o t die t i j d b l i j f t de b e v o l k i n g l i c h t groeien. D e v e r a n d e r i n g i n de samenstelling v a n de b e v o l k i n g is al een a a n t a l decennia geleden gestart. H e t a a n t a l o u d e r e n i n de bev o l k i n g s t i j g t , een toenemende " v e r g r i j z i n g " , t e r w i j l het a a n t a l j o n g e r e n sterk a f n e e m t , w a t " o n t g r o e n i n g " w o r d t g e n o e m d . Deze d e m o g r a f i s c h e v e r a n d e r i n g e n t r e d e n i n geheel W e s t - E u r o p a o p , m e t u i t z o n d e r i n g v a n I e r l a n d , en o o k i n b i j v o o r b e e l d de Verenigde Staten en J a p a n . D e c i j f e r s v o o r N e d e r l a n d spreken een d u i d e l i j k e t a a l . A l s we v o o r o u d e r e n de a r b i t r a i r e l e e f t i j d s g r e n s v a n 65 j a a r a a n h o u d e n zal het a a n t a l o u d e r e n i n ons l a n d t o e n e m e n v a n 1,9 m i l j o e n n u , t o t ongeveer 2,2 m i l j o e n i n 2000 en 3,7 m i l j o e n i n 2040. I n dat j a a r zal b i j n a 2 5 % v a n de b e v o l k i n g ouder d a n 65 j a a r z i j n , tegen 1 2 , 7 % n u . Deze sterke t o e n a m e i n de volgende eeuw w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r de g e b o o r t e g o l f n a de tweede w e r e l d o o r l o g , die een " o u d e r e n g o l f " w o r d t wanneer de generatie v a n v l a k n a de o o r l o g de l e e f t i j d v a n 65 j a a r b e r e i k t . Z o a l s al gesteld is de l e e f t i j d v a n 65 j a a r een a r b i t r a i r e grens tussen de m i d d e l b a r e leeft i j d en het " o p l e e f t i j d z i j n " . U i t het o o g p u n t v a n de gezondheidszorg is b i n n e n de categ o r i e 65 + de g r o e p v a n de h o o g b e j a a r d e n , de categorie 80-1-, v a n g r o o t b e l a n g . Degen e n die t o t deze groep b e h o r e n z u l l e n v r i j w e l a l t i j d enige v o r m v a n , a l o f n i e t g e i n s t i t u t i onaUseerde, medische z o r g n o d i g hebben. Z o w e l a b s o l u u t als p r o c e n t u e e l neemt deze g r o e p sterk t o e , het is de snelst i n o m v a n g groeiende l e e f t i j d s c a t e g o r i e . Deze toename w o r d t wel "dubbele v e r g r i j z i n g " genoemd. Ons l a n d k e n t thans ongeveer 420.000 h o o g b e j a a r d e n , circa 2 , 5 % v a n de b e v o l k i n g en deze categorie zal over enkele decennia gestegen z i j n t o t ongeveer 1 m i l j o e n en d a n 7 % v a n de t o t a l e b e v o l k i n g u i t m a k e n .
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 22 januari 1990.
87 Naast de v e r g r i j z i n g v a n de bevollcing treedt er o o k o n t g r o e n i n g o p , dat w i l zeggen een a f n a m e v a n het a a n t a l j o n g e r e n . Deze o n t g r o e n i n g is getalsmatig gezien n o g veel i n d r u k w e k k e n d e r d a n de v e r g r i j z i n g . I n 1960 v o r m d e n de j o n g e r e n onder de 20 j a a r n o g 3 8 % v a n de b e v o l k i n g , i n 1985 was d i t al gedaald t o t 2 8 % en d i t z a l volgens de p r o g n o s e verder a f n e m e n t o t slechts 1 8 % i n het j a a r 2030. I n het b e g i n v a n de volgende eeuw z u l len er v o o r het eerst i n onze geschiedenis meer o u d e r e n d a n j o n g e r e n z i j n . De
noodzaak
van
onderzoek
B i j o u d e r e n t r e d e n v a k e r d a n b i j j o n g e r e n l i c h a m e l i j k e , geestelijke en m a a t s c h a p p e l i j k e p r o b l e m e n o p die alle i n v l o e d k u n n e n hebben o p het w e l z i j n v a n de oudere mens. I n het v e r v o l g v a n deze b i j d r a g e z u l l e n v o o r a l de b i o l o g i s c h e , l i c h a m e l i j k e veranderingsprocessen b e h a n d e l d w o r d e n . Daarnaast z i j n geestelijke p r o b l e m e n als gevolg v a n d e m e n t i e , depressie o f eenzaamheid u i t e r a a r d o o k v a n g r o o t belang. O o k m a a t s c h a p p e l i j k e f a c t o ren zoals w o o n s i t u a t i e , f i n a n c i ë l e b e p e r k i n g e n en adequate v e r z o r g i n g z u l l e n g r o t e i n v l o e d hebben o p de kwetsbare gezondheid v a n de oudere mens. D o o r al de genoemde p r o b l e m e n eist de oudere p a t i ë n t veel t i j d en aandacht v a n de behandelend arts, temeer daar deze p a t i ë n t v a a k meer k l a c h t e n t e g e l i j k h e e f t , t e r w i j l de s y m p t o m e n v a n een bepaalde ziekte v a a k veel m i n d e r d u i d e l i j k z i j n . E r w o r d t i n het a l gemeen v a n uitgegaan dat de huisarts ongeveer een derde deel v a n z i j n t i j d besteedt aan de oudere p a t i ë n t e n i n z i j n p r a k t i j k . D e w i j k v e r p l e e g k u n d i g e besteedt een n o g g r o t e r deel v a n haar t i j d a a n t h u i s w o n e n d e o u d e r e n . V e r d e r bezetten o u d e r e n b i j n a de h e l f t v a n de ziekenhuisbedden en h o e w e l slechts ongeveer 1 0 % v a n de o u d e r e n als verpleeg- o f v e r z o r g i n g s b e h o e f t i g b e s c h o u w d w o r d t , is het o v e r e e n k o m s t i g a a n t a l oudere p a t i ë n t e n zo g r o o t dat v r i j w e l alle verpleeghuisbedden d o o r o u d e r e n w o r d e n bezet. D o o r de s t i j g i n g v a n het a a n t a l o u d e r e n en m e t name d o o r de snel toenemende d u b b e le v e r g r i j z i n g z u l l e n o u d e r e n steeds meer een beroep d o e n o p de g e z o n d h e i d s z o r g v o o r z i e n i n g e n . E e n en ander h e e f t g r o t e f i n a n c i ë l e consequenties. T h a n s al w o r d t r u i m een derde v a n de k o s t e n v a n gezondheidszorg aan o u d e r e n besteed (11-12 m i l j a r d g u l d e n per j a a r ) . O n d a n k s de v o o r g e n o m e n b e z u i n i g i n g e n b l i j v e n de k o s t e n v a n de gezondheidsz o r g s t i j g e n en a a n g e t o o n d k a n w o r d e n dat deze s t i j g i n g v r i j w e l geheel v e r o o r z a a k t w o r d t d o o r de v e r g r i j z i n g v a n de b e v o l k i n g en het daarmee gepaard gaande grotere ber o e p o p de g e z o n d h e i d s z o r g v o o r z i e n i n g e n . Gezien de k o s t e n die alleen al de gezondheidszorg v o o r o u d e r e n m e t z i c h meebrengt, is de j a a r l i j k s e i n v e s t e r i n g i n b i o m e d i s c h en k l i n i s c h g e r o n t o l o g i s c h o n d e r z o e k v e r b a z i n g w e k k e n d g e r i n g . D e meest v o l l e d i g e c i j f e r s over de w e t e n s c h a p p e l i j k e inzet o p het t e r r e i n v a n de g e r o n t o l o g i e dateren v a n 1985 ( K n o o k , 1988). I n dat j a a r bedroeg het t o t a a l v a n personele en m a t e r i ë l e k o s t e n v a n al het g e r o n t o l o g i s c h o n d e r z o e k dat i n Nederl a n d w e r d u i t g e v o e r d 35 m i l j o e n g u l d e n , w a a r v a n 20 m i l j o e n g u l d e n v o o r het b i o m e d i sche en k l i n i s c h e o n d e r z o e k . D h betekent dat ongeveer 1,35 g u l d e n per j a a r per h o o f d v a n de b e v o l k i n g w o r d t g e ï n v e s t e e r d i n o n d e r z o e k dat ten d o e l h e e f t i n z i c h t te k r i j g e n i n de onderliggende o o r z a k e n v a n de verschillende z i e k t e n v a n de o u d e dag, teneinde betere therapeutische m o g e l i j k h e d e n te c r e ë r e n . Deze uiterst beperkte f i n a n c i ë l e i n z e t k a n s c h r i j n e n d g e ï l l u s t r e e r d w o r d e n m e t b i j v o o r b e e l d de aandacht v o o r de ziekte v a n A l z h e i m e r en andere p r o b l e m e n als gevolg v a n , al o f niet p a t h o l o g i s c h e , h e r s e n v e r o u d e r i n g . Per h o o f d v a n de b e v o l k i n g w o r d t 25 cent per j a a r besteed aan o n d e r z o e k , o m t o t een m o g e l i j k e b e h a n d e h n g v a n deze ziekte te k o m e n en t o t een m o g e l i j k v o o r k ó m e n v a n de i m m e n s e p e r s o o n l i j k e , khnische en de psychosociale p r o b l e m e n die deze ziekte m e t z i c h meebrengt. Wat
is
veroudering?
V e r o u d e r i n g k a n n i e t als een e e n v o u d i g b i o l o g i s c h proces b e s c h o u w d w o r d e n . D i t is a l
88
d u i d e l i j k als w i j ons realiseren dat er geen algemeen geaccepteerde d e f i n i t i e v a n verouder i n g bestaat. I n de meest r u i m e z i n k a n v e r o u d e r i n g g e d e f i n i e e r d w o r d e n als de s o m v a n alle veranderingen die i n een organisme p l a a t s v i n d e n tussen conceptie en d o o d . B i j een meer beperkte o p v a t t i n g w o r d t v e r o u d e r i n g g e d e f i n i e e r d als een proces gebaseerd o p het o p t r e d e n v a n t i j d s - a f h a n k e l i j k e voorspelbare v e r a n d e r i n g e n b i j elke d i e r s o o r t i n c l u s i e f de mens, die u i t e i n d e l i j k resulteren i n een progressief verlies v a n l i c h a a m s f u n c t i e s leid e n d t o t de d o o d . B i j v e r o u d e r i n g treedt echter niet alleen a f t a k e l i n g o p , m a a r een deel v a n de l e e f t i j d s a f h a n k e l i j k e v e r a n d e r i n g e n bestaat u i t z i n v o l l e aanpassingen aan v e r a n derde eigenschappen. D a a r n a a s t is het v a a k zeer m o e i l i j k o m een l e e f t i j d s a f h a n k e l i j k e a c h t e r u i t g a n g te onderscheiden v a n een v e r a n d e r i n g die d o o r een ziekte w o r d t v e r o o r z a a k t . I m m e r s é é n v a n de " k e n m e r k e n " v a n v e r o u d e r i n g is de toename i n het o p t r e d e n v a n ziekten als k a n k e r en i n f e c t i e s . O o k i n v l o e d e n v a n u i t de o m g e v i n g , zoals v o e d i n g , stress en h c h a a m s b e w e g i n g , k u n n e n i n v l o e d hebben o p de
verouderingsprocessen.
E e n e e n d u i d i g a n t w o o r d o p de v r a a g w a t v e r o u d e r i n g is v a l t dus niet te geven. V r i j algemeen w o r d t aangenomen dat er verschillende o o r z a k e n v o o r v e r o u d e r i n g z u l l e n z i j n en dat we m e t verschillende, a l o f niet aan elkaar gekoppelde o f v e r w a n t e
ouder-
domsprocessen te m a k e n h e b b e n . Afname
van fysiologische
functies
Verschillende f u n c t i e s v a n o r g a n e n als de n i e r , de l o n g e n en het h a r t n e m e n a f b i j het ouder w o r d e n . D e relatieve a f n a m e over de gehele levensduur is v o o r elke f u n c t i e echter verschillend en het m o m e n t w a a r o p deze a f n a m e inzet, v e r s c h i h sterk v a n f u n c t i e t o t f u n c t i e . Z o b e g i n t de zenuwgeleidingssnelheid al tussen 10 en 20 j a a r a f te n e m e n o m d a a r n a n o g m a a r een zeer geringe verdere a c h t e r u i t g a n g te v e r t o n e n . D e f i l t r a t i e s n e l h e i d v a n de g l o m e r u l i i n de nieren b e g i n t g e m i d d e l d pas o p 45-jarige l e e f t i j d a f te n e m e n , m a a r daalt d a a r n a d a n o o k sterk. I n het algemeen is de a f n a m e het g r o o t s t v o o r die Uc h a a m s f u n c t i e s w a a r v o o r een g e c o ö r d i n e e r d e a c t i v i t e i t v a n een a a n t a l weefsels, o r g a n e n o f orgaansystemen vereist is. D i t b l i j k t d u i d e l i j k wanneer de a f n a m e v a n de zenuwgeleidingssnelheid, die u i t s l u i t e n d gerelateerd is aan het f u n c t i o n e r e n v a n het zenuwstelsel, vergeleken w o r d t m e t de o p n a m e d o o r het b l o e d v a n z u u r s t o f u i t de l o n g e n . B i j deze laatste f u n c t i e is een a a n t a l verschillende c o m p o n e n t e n b e t r o k k e n die elk v o o r z i c h verouderingsverschijnselen k u n n e n v e r t o n e n . U i t het bovenstaande z a l d u i d e l i j k z i j n g e w o r d e n dat verschillende l i c h a a m s f u n c t i e s elk h u n eigen p a t r o o n v a n v e r a n d e r i n g e n v e r t o n e n b i j het ouder w o r d e n . D a a r n a a s t is een extra c o m p l i c a t i e d a t b i j een en dezelfde p e r s o o n s o m m i g e l i c h a a m s f u n c t i e s m e t het o u d e r w o r d e n sterk a c h t e r u i t k u n n e n gaan, t e r w i j l andere f u n c t i e s n a u w e l i j k s een verand e r i n g v e r t o n e n . A l s gevolg v a n deze verschillen w o r d e n er b i j mensen v a n b o v e n de 70 j a a r zeer uiteenlopende w a a r d e n g e v o n d e n v o o r verschillende f u n c t i e s . D i t i l l u s t r e e r t d a t o u d e r w o r d e n een zeer " p e r s o o n l i j k " proces is. B a f i t i s en Sargent (1977) hebben d a n o o k d u i d e l i j k k u n n e n a a n t o n e n dat de v a r i a b i h t e i t i n verschillende f u n c t i e w a a r d e n sterk toeneemt b i j het ouder w o r d e n . D e h i e r b o v e n beschreven a f n a m e n i n f u n c t i e hebben d a a r o m b e t r e k k i n g o p gemiddelde w a a r d e n en k u n n e n n o o i t s p e c i f i e k v o o r é é n b e p a a l d i n d i v i d u v a n toepassing w o r d e n v e r k l a a r d . H e t gegeven d a t het verouderingsproces zeer i n d i v i d u e e l v e r l o o p t , is v a n g r o o t b e l a n g v o o r een goede gezondheidszorg v o o r o u d e r e n ; z i j k u n n e n niet als h o m o g e n e g r o e p w o r d e n b e h a n d e l d , b i j v o o r b e e l d b i j het v o o r s c h r i j v e n v a n m e d i c i j n e n . O o k k a n m e n niet b i j een oudere p e r s o o n b i j een v a n " d e n o r m " a f w i j k e n d e w a a r d e c o n c l u d e r e n dat de b e t r e f f e n d e a f w i j k i n g p a t h o l o g i s c h is en derhalve a a n l e i d i n g m o e t z i j n t o t een medische i n g r e e p . E l k e oudere p a t i ë n t h e e f t een s t r i k t i n d i v i d u e l e b e h a n d e l i n g n o d i g , gebaseerd o p z i j n gezondheidstoestand
en o p de m a t e v a n f u n c t i o n e r e n v a n b e l a n g r i j k e o r g a n e n .
89
zoals h a r t , lever en n i e r e n . Daarnaast z i j n u i t e r a a r d v o o r de b e l i a n d e l i n g oolc v a n belang het g e w i j z i g d e en c o m p l e x e p a t r o o n v a n veel ziektebeelden, alsmede de i n v l o e d e n v a n veranderde sociale en psychische o m s t a n d i g h e d e n . Oorzaken
van
orgaanveroudering
D e f u n c t i o n e l e capaciteit v a n o r g a n e n en weefsels k a n n e g a t i e f b e ï n v l o e d w o r d e n d o o r een a a n t a l " e x t r a c e l l u l a i r e " v e r a n d e r i n g e n die i n het verouderende organisme o p t r e d e n o f daarop invloed uitoefenen. A l s een d u i d e l i j k v o o r b e e l d v a n " e x t r a c e l l u l a i r e " v e r a n d e r i n g e n die het f u n c t i o n e r e n v a n cellen i n de o r g a n e n b e ï n v l o e d e n , k u n n e n v e r a n d e r i n g e n i n de b l o e d s o m l o o p gen o e m d w o r d e n . A l s gevolg v a n een b i j het ouder w o r d e n o p t r e d e n d e v e r m i n d e r i n g v a n de b l o e d v o o r z i e n i n g v a n de o r g a n e n , zoals l o n g e n en n i e r e n , k r i j g e n de cellen i n deze o r g a n e n m i n d e r z u u r s t o f en v o e d i n g s c o m p o n e n t e n , hetgeen h u n f u n c t i o n e r e n o n g u n s t i g zal b e ï n v l o e d e n . E e n b e l a n g r i j k k e n m e r k v a n het ouder w o r d e n d e organisme is een m i n d e r e f f i c i ë n t e c o ö r d i n a d e d o o r het h o r m o n a l e systeem en het centrale zenuwstelsel. Deze systemen bestaan u i t e r a a r d zelf o o k weer u i t ouder w o r d e n d e ceUen. A a n g e z i e n h o r m o n e n e n signal e n v a n het zenuwstelsel b e t r o k k e n z i j n b i j de i n g e w i k k e l d e interacties v a n verschillende cellen, weefsels en o r g a n e n , zal het d u i d e l i j k z i j n dat f o u t e n i n deze regulatieprocessen negatieve i n v l o e d e n k u n n e n h e b b e n o p allerlei cellulaire f u n c t i e s . D e m e t de l e e f t i j d samenhangende v e r a n d e r i n g e n i n het h o r m o n a l e e v e n w i c h t z i j n b e k e n d . T o c h z i j n o o k hier o o r z a a k en g e v o l g m o e i l i j k te onderscheiden. H e t is g o e d v o o r s t e l b a a r dat cellen i n verschillende endocriene o r g a n e n m i n d e r goed gaan f u n c t i o n e r e n b i j het ouder w o r d e n , w a a r d o o r de p r o d u k t i e v a n bepaalde h o r m o n e n z o w e l k w a h t a t i e f als k w a n t i t a t i e f m i n der goed v e r i o o p t . Deze m i n d e r goede, o f m i n d e r i n hoeveelheid z i j n d e , h o r m o n e n z u l l e n d a n een geringer e f f e c t h e b b e n o p de cellen w a a r o p z i j w e r k e n . Deze cellen k u n n e n o p h u n b e u r t als g e v o l g v a n het verouderingsproces b i j v o o r b e e l d weer over m i n d e r h o r m o o n r e c e p t o r e n b e s c h i k k e n en d a a r o m o p z i c h z e l f a l m i n d e r gevoehg z i j n v o o r h o r moonwerking. E r z i j n alleriei a a n w i j z i n g e n dat behalve de h i e r b o v e n genoemde externe o o r z a k e n v o o r o r g a a n v e r o u d e r i n g , o o k de cellen i n het o r g a a n z e l f b i j het o u d e r w o r d e n veranderingen
gaan v e r t o n e n . D e experimentele v r a a g l u i d t d a n o f de f u n d a m e n t e l e a c h t e r u i t -
gang v a n o r g a n e n m e t het ouder w o r d e n t e r u g te v o e r e n v a h o p p r i m a i r e v e r a n d e r i n g e n i n de cellen v a n het b e t r e f f e n d e o r g a a n , die o n a f h a n k e l i j k z i j n v a n de a l genoemde extracellulaire v e r a n d e r i n g e n zoals een g e w i j z i g d e b l o e d v o o r z i e n i n g o f h o r m o n a l e r e g u l a d e . Verschillende s o o r t e n cellen delen z i c h niet meer n a d a t z i j eenmaal i n een b e p a a l d stad i u m v a n de o n t w i k k e h n g z i j n g e v o r m d . T o t deze cellen b e h o r e n onder meer de z e n u w cellen en de cellen i n h a r t - en skeletspieren. Deze cellen z i j n g e p r o g r a m m e e r d v o o r een wehswaar lange, m a a r t o c h bepaalde levensduur. A a n g e z i e n z i j niet delen staat h u n t o t a le a a n t a l v a n a f het b e g i n v a n het leven vast en d i t a a n t a l z a l t i j d e n s het ouder w o r d e n alleen m a a r k u n n e n a f n e m e n . E r z i j n veel a a n w i j z i n g e n dat dezelang-levende, niet-vervangbare cellen v e r l o r e n k u n n e n g a a n b i j hpt o u d e r w o r d e n . D e v e r m i n d e r i n g i n het g e w i c h t v a n spieren en de daarmee g e p a a r d gaandfe a f n a m e aan s p i e r k r a c h t w o r d e n g e d e e l t e l i j k v e r o o r z a a k t d o o r verlies v a n d e r g e l i j k e cellen. H e t verlies aan zenuwcellen gedurende het leven is v r i j g e r i n g en w a a r s c h i j n l i j k zelfs te y e r w a a r i o z e n . E r z i j n echter a a n w i j z i n g e n v o o r een r e l a d e f h o o g verliespercentage i n h e p a a l d e delen v a n de hersenen. H e t is d a a r o m n j e t u i t g e s l o t e n d a t g r o t e verhezen b i j groepen e s s e n t i ë l e hersencellen, b i j het ouder w o r d e n o p t r e d e n . D e b i j d r a g e v a n d i t veriies aan een eventuele a c h t e r u h g a n g v a n hersenfuncties is echter n ó g n i e t vastgesteld.
90
Behalve een verhes aan cellen k a n o o k een m i n d e r goed f u n c t i o n e r e n v a n de o v e r b l i j vende cellen er de o o r z a a k v a n z i j n dat weefsels en o r g a n e n b i j het ouder w o r d e n m i n d e r goed gaan f u n c t i o n e r e n . V o o r een goed f u n c t i o n e r e n v a n de cel is het n o o d z a k e l i j k dat de a f b r a a k v a n oude c e l c o m p o n e n t e n g e k o p p e l d is aan de synthese v a n nieuwe c o m p o nenten en vice versa. D e a f b r a a k v a n diverse celonderdelen w o r d t v e r z o r g d d o o r de lysos o m e n . D e i n h o u d v a n het l y s o s o o m bestaat u i t een g r o o t a a n t a l verschillende enzymen met een hoge a f b r a a k c a p a c i t e i t . Z i j k u n n e n d a n o o k een g r o t e verscheidenheid aan s t o f fen
verteren.
De
hierbij
vrijkomende afbraakprodukten
f u n c t i o n e r e n weer
als
" b o u w s t e n e n " v o o r de a a n m a a k v a n nieuwe celonderdelen. D e b o u w s t e n e n w o r d e n niet alleen d o o r d i t cellulaire k r i n g l o o p p r o c e s v e r k r e g e n , m a a r o o k u i t v o e d i n g s s t o f f e n u i t het b l o e d . D e biosynthese v a n n i e u w e c e l c o m p o n e n t e n k o m t t o t stand o p basis v a n de i n f o r m a t i e die aanwezig is i n het genetisch m a t e r i a a l v a n de cel. H e t u i t l e z e n en v e r t a l e n v a n die i n f o r m a t i e v o o r de p r o d u k t i e v a n nieuwe enzymen en andere e i w i t t e n v e r l o p e n v i a een uitgebreide serie processen. O p h u n b e u r t reguleren de e n z y m e n de p r o d u k t i e en de c o n centratie v a n andere m o l e c u l e n , zoals suikers en l i p i d e n , d o o r de verschillende m e t a b o l e processen i n de cel o p gang te brengen, te versnellen o f te v e r t r a g e n . D e p r o d u k t i e v a n nieuwe c e l c o m p o n e n t e n is n a u w k e u r i g a f g e s t e m d o p de a f b r a a k v a n de o u d e , en o m g e k e e r d . E r bestaat dus i n elke cel een goed e v e n w i c h t tussen degradatie en synthese. I n het algemeen k a n v e r o u d e r i n g v a n cellen n u gezien w o r d e n als een verstor i n g v a n d i t e v e n w i c h t , hetgeen resuheert i n een slechter f u n c t i o n e r e n v a n de cel. Celveroudering,
orgaanveroudering
en
omgevingsfactoren
H e t i n g e w i k k e l d e samenspel v a n het proces v a n cellulaire v e r o u d e r i n g , de a l behandelde extracellulaire verouderingsverschijnselen en
andere
f a c t o r e n die b i j de
medisch-
biologische b e s t u d e r i n g v a n het verouderingsproces i n b e s c h o u w i n g g e n o m e n m o e t e n w o r d e n , is schematisch weergegeven i n f i g u u r 1. U i t d i t schema b l i j k t dat het veroude-
FYSIOLOCISCHE FACTOREN
LEEFWIJZE
OMGEVINGSFACTOREN
Bloedsomloop Regulatie door hormonen en zenuwstelsel Erfelijke aanleg
Voeding Stress Training
Microorganismen Straling Chemicaliën Geneesmiddelen
V E R O U D E R I N G VAN H E T ORGANISME
ORGAAN-EN C E L L U L A I R E VEROUDERING
VEROUDERINGSZIEKTEN
Celverlies Celdeling Cellulaire functies Bindweefsel
Kanker Dementie Hart en vaatziekten Infectie
MOLECULAIRE VEROUDERINCl ( E i w i t t e n , DNA, Lipiden)
Fig.
1; Schema
van het
verouderingsproces.
91
ringsproces w o r d t b e ï n v l o e d en bepaald d o o r een veelheid v a n f a c t o r e n die ellcaar o o k o n d e r h n g weer b e ï n v l o e d e n . De e f f e c t e n v a n de m e t de l e e f t i j d gerelateerde v e r a n d e r i n gen i n cellen, i n h u n o r g a n e l l e n en m o l e c u l e n , o p f u n c t i e s o p een hoger n i v e a u v a n de biologische organisatie laten zich echter niet g e m a k k e l i j k vaststellen. U i t e r a a r d zal een a c h t e r u i t g a n g i n het f u n c t i o n e r e n v a n celonderdelen dat leidt t o t een m i n d e r g o e d f u n c t i o n e r e n v a n cellen, o f zelfs t o t celverlies, repercussies hebben o p de f u n c t i e v a n weefsels o f o r g a n e n w a a r v a n de cellen deel u i t m a k e n . O p h u n b e u r t z u l l e n de v e r m i n d e r d e o f verslechterde f y s i o l o g i s c h e capaciteiten v a n weefsels en o r g a n e n v a n i n v l o e d z i j n o p het f u n c t i o n e r e n v a n een organisme als geheel. I n deze gedachtengang w o r d t de v e r o u d e r i n g v a n een i n d i v i d u p r i m a i r v o o r a l v e r o o r z a a k t d o o r v e r o u d e r i n g v a n z i j n ceUen, h o e w e l o o k de andere i n f i g u u r I . weergegeven f a c t o r e n het verouderingsproces o p het n i v e a u v a n het organisme z u l l e n b e ï n v l o e d e n . Z o laat het schema zien dat l e e f w i j z e en omgev i n g s f a c t o r e n een g r o t e i n v l o e d o p het verouderingsproces k u n n e n hebben.
Waar
gaat
de gerontologie
naar
toe?
W a t leert ons de kennis v a n het verouderingsproces v o o r de naaste t o e k o m s t . E r is i n dat o p z i c h t een a a n t a l positieve o n t w i k k e l i n g e n te v e r w a c h t e n . V e r o u d e r i n g h o e f t niet o n o n t k o o m b a a r gepaard te gaan met een a c h t e r u i t g a n g i n f u n c t i e s . U i t een a a n t a l l a n g l o p e n d e studies is gebleken dat b i j een deel v a n de o n d e r z o c h t e v r i j w i l h g e r s b i j v o o r b e e l d de n i e r f u n c t i e constant b l i j f t . D i t z o u k u n n e n betekenen dat verschillende a f n a m e s i n o r g a a n f u n c t i e s b i j het ouder w o r d e n niet zozeer het gevolg z i j n v a n het v e r o u d e r i n g s p r o ces, m a a r eerder het gevolg z i j n v a n ziekteprocessen. Deze o p v a t t i n g w i n t meer en meer terrein. D e t o t n u toe genoemde a f n a m e s i n o r g a a n f u n c t i e s z o u d e n d a n teruggevoerd d i e n e n te w o r d e n o p een niet correcte opzet v a n de studies, i n die z i n dat b i j de groepen onderzochte o u d e r e n geen strenge u i t s l u i t i n g s c r i t e r i a w e r d e n gehanteerd zodat o o k n i e t geheel gezonde o u d e r e n i n het o n d e r z o e k w e r d e n m e e g e n o m e n . E e n andere positieve o n t w i k k e l i n g is dat i n deze eeuw een t o e n a m e i n levensverwacht i n g is opgetreden v a n 20 t o t 25 j a a r , niet alleen i n de Westerse l a n d e n m a a r v r i j w e l over de gehele w e r e l d . V o o r a l b o v e n de 65 j a a r zal de l e v e n s v e r w a c h t i n g de k o m e n d e j a r e n nog blijven toenemen. N i e t alleen is het a a n t a l levensjaren t o e g e n o m e n , m a a r o o k de k w a h t e i t v a n het leven o p hogere l e e f t i j d is t o e g e n o m e n . Deze k w a h t e i t z a l n o g verder v e r h o o g d k u n n e n w o r d e n d o o r verbeterde m o g e l i j k h e d e n v o o r medische preventie, therapie en z o r g en d o o r betere socio-economische o m s t a n d i g h e d e n . D e t o e n a m e v a n het aantal o u d e r e n g e k o p p e l d aan de a f n a m e v a n het a a n t a l j o n g e r e n betekent een d e m o g r a f i s c h e r e v o l u t i e . B i j een meer bewust w o r d e n v a n de p o l i t i e k e m o g e l i j k h e d e n z u l l e n o u d e r e n , net zoals i n de V e r e n i g d e Staten, een b e v o l k i n g s g r o e p m e t een g r o t e p o l i t i e k e m a c h t k u n n e n v o r m e n . H i e r d o o r z u l l e n z i j beter i n staat z i j n o m v o o r h u n belangen o p te k o m e n . Conclusie " V e r g r i j z i n g " en " o n t g r o e n i n g " v a n de b e v o l k i n g z u l l e n t o t gevolg hebben d a t de k o m e n d e decennia steeds meer ouderen i n ons l a n d zullen leven. B e z o r g d h e i d o v e r de gev o l g e n v a n deze d e m o g r a f i s c h e veranderingen k o m t v o o r a l v o o r t u i t de g r o t e f i n a n c i ë l e consequenties. T h a n s a l w o r d t ongeveer een derde v a n de k o s t e n v a n de directe g e z o n d h e i d s z o r g aan o u d e r e n besteed ( + 1 1 m i l j a r d g u l d e n per j a a r ) , t e r w i j l o o k de k o s t e n v a n i n s t i t u t i o n e l e z o r g v o o r ouderen een v e r g e l i j k b a a r bedrag vergen. H o e w e l b e z o r g d h e i d i n het l i c h t v a n deze bedragen b e g r i j p e l i j k is, b e t r e f t het slechts é é n aspect v a n de v e r o u -
92
d e r i n g . H e t is m e r k w a a r d i g dat tioge o u d e r d o m en l e v e n s d u u r v e r l e n g i n g die i n het verled e n a h i j d als zeer begerenswaardig w e r d e n b e s c h o u w d , thans n u velen een hoge l e e f t i j d bereiken k e n n e l i j k niet meer p o s i t i e f gewaardeerd w o r d e n . V e r m o e d e l i j k is de f i n a n c i ë l e last die ouderen v o o r de samenleving z o u d e n v o r m e n mede debet aan deze o p v a t t i n g . M e r k w a a r d i g e p a r a d o x e n z i j n h i e r v a n het g e v o l g . - H o e w e l de gezondheidstoestand
v a n o u d e r e n steeds beter w o r d t , b e ë i n d i g t m e n (ge-
d w o n g e n ) o p steeds j e u g d i g e r l e e f t i j d de deelname aan het
arbeidsproces;
- H o e w e l de k o s t e n v a n medische v o o r z i e n i n g e n v o o r o u d e r e n zeer h o o g z i j n , is slechts 1 0 % v a n de o u d e r e n verpleeg- o f v e r z o r g i n g s b e h o e f t i g . D e o n t w i k k e h n g v a n de b i o m e d i s c h e en klinische g e r o n t o l o g i e z a l meer i n z i c h t verschaff e n i n de relatie tussen het verouderingsproces en het o n t s t a a n v a n ziekten en andere geb r e k e n op oudere l e e f t i j d . D i t zal leiden t o t een k w a h t a t i e v e v e r b e t e r i n g v a n de medische b e h a n d e l i n g v a n ouderen en t o t meer kennis b e t r e f f e n d e de i n v l o e d v a n l e e f w i j z e n en andere f a c t o r e n o p het verouderingsproces. O p deze w i j z e z a l ouder w o r d e n - i n gezondh e i d - zeker weer een begerenswaardige
zaak w o r d e n .
Referenties B a f i t i s , H . en F . Sargent. " H u m a n p h y s i o l o g i c a l a d a p t a b i l i t y t h r o u g h the l i f e sequenc e " . J. G e r o n t o l . 32, 1977. p p . 402-410. K n o o k , D . L . " B i o m e d i c a l G e r o n t o l o g y : Research f o r the H e a l t h o f the E l d e r l y : A N a t i o n a l Perspective. I n : J . J . F . Schroots, J . E . B i r r e n , A . S v a n b o r g ( E d s . ) , H e a h h a n d A g i n g , 1988 Swets & Z e h l i n g e r , Lisse, p p . 119-132.
MEMBRAANTECHNOLOGIE door C . A . Smolders
Inleiding M e m b r a a n f i l t r a t i e h e e f t z i c h de laatste t w i n t i g j a a r o n t w i l c k e l d v a n een l a b o r a t o r i u m m e t h o d e t o t een scheidingstechniek die e c o n o m i s c h k a n c o n c u r r e r e n m e t de c o n v e n t i o n e l e scheidingstechnieken zoals destiUatie, a d s o r p t i e , extractie en k r i s t a l l i s a t i e . O o k over de toekomstperspectieven v a n m e m b r a a n f i l t r a t i e z i j n zeer o p t i m i s t i s c h e geluiden te vernem e n . I n de h t e r a t u u r w o r d t aangegeven dat i n 1993 een omzet b e r e i k t zal w o r d e n v a n meer d a n 2 m i l j a r d d o l l a r , alleen al o p basis v a n de m e m b r a a n m o d u l e n , die slechts 10 t o t 2 5 % v a n de t o t a l e investeringskosten v a n een m e m b r a a n i n s t a l l a t i e u i t m a k e n . D e gem i d d e l d e g r o e i v o o r E u r o p a w o r d t v o o r de m o m e n t e e l beschikbare m e m b r a n e n en m e m braanprocessen geschat o p 1 2 % per j a a r . H i e r i n z i j n de nieuwere
membraanprocessen
zoals gasscheiding en p e r v a p o r a t i e (zie v e r d e r o p ) n o g niet meegenomen, t e r w i j l daar de o n t w i k k e l i n g v a n n i e u w e m e m b r a a n m a t e r i a l e n j u i s t het snelst gaat. E e n m e m b r a a n k a n w o r d e n g e d e f i n i e e r d als een b a r r i è r e tussen twee fasen. S c h e i d i n g w o r d t verkregen o p g r o n d v a n verschil i n t r a n s p o r t s n e l h e i d d o o r het m e m b r a a n , dat w i l zeggen het m e m b r a a n h e e f t de eigenschap te d i s c r i m i n e r e n tussen de c o m p o n e n t e n . H e t m e m b r a a n gedraagt z i c h dus als een selectieve b a r r i è r e . M e t z o ' n m e m b r a a n k u n j e mengsels v a n s t o f f e n scheiden (we z i t t e n m i d d e n i n de scheikunde!) a f h a n k e l i j k o.a. v a n het g r o o t t e v e r s c h i l v a n de te scheiden deeltjes. D e scheiding w o r d t lastiger b i j a f n e m e n d verschil i n d e e l t j e s g r o o t t e .
voeding
Wp
1 Figuur
1: Schema
van
een
7
concentraat
membraanscheidingproces
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 5 feruari 1990.
94
membraanprocessen
en
toepassingen
D e scheiding v a n s t o f f e n v i a een m e m b r a a n v e r l o o p t niet v a n z e l f ; er is een d r i j v e n d e Icracht n o d i g . Z o k o m t vaak een aangelegd v e r s c h i l i n d r u k over het m e m b r a a n
(een
d r u k g r a d i ë n t ) als d r i j v e n d e k r a c h t v o o r : v a n een oplossing v a n b i j v o o r b e e l d e i w i t m o l e culen i n water w o r d t b i j een geschikt ( u l t r a f i l t r a t i e - ) m e m b r a a n het water d o o r de m e m b r a a n p o r i ë n geperst t e r w i j l de e i w i t m o l e c u l e n w o r d e n
tegengehouden.
De v o o r n a a m s t e d r i j v e n d e k r a c h t e n die b i j membraanprocessen
gebruikt worden zijn:
* een d r u k g r a d i ë n t , A P * een c o n c e n t r a t i e g r a d i ë n t , A C * een g r a d i ë n t i n de electrische p o t e n t i a a l , A V * een t e m p e r a t u u r g r a d i ë n t , A T ( n o g n a u w e l i j k s toegepast). I n onderstaande tabel z i j n de verschillende membraanprocessen vende k r a c h t ingedeeld.
Tabel
1. Membraanprocessen
Proces
ingedeeld
naar
Drijvende kracht
drijvende
naar de g e b r u i k t e d r i j -
kracht.
Typische voorbeeld van m o g e l i j k scheiding
Microfiltractie, M F
B a c t e r i ë n / w a t e r i g e oplossingen
Ultrafiltratie, U F
E i w i t t e n / water -I- z o u t
Omgekeerde osmose
AP
Z o u t / water
(hyperfihratie), RO Gasscheiding,
GS
Zuurstof / stikstof
Dialyse, D
U r e u m / bloed
Pervaporatie, P V
A l c o h o l / water
Transport door
AC
vloeibare membranen, L M Electrodialyse, E D
Z w a r e m e t a l e n / water AV
I o n e n / water
U i t de v o o r b e e l d e n g e n o e m d i n t a b e l I . ziet m e n a l dat niet alleen het v e r s c h i l i n deeltjesg r o o t t e de v e r k l a r i n g v o o r deeltjesscheiding k a n leveren. I n M F en UF-processen m a a k t m e n i n d e r d a a d g e b r u i k v a n zeef wer k i n g : M F m e m b r a n e n h e b b e n p o r i ë n i n de g r o o t t e o r d e v a n 0.1 t o t 1 nm,
U F m e m b r a n e n v a n 1 t o t 5 n m . D a a r m e e k a n m e n suspensies
o f oplossingen v a n m a c r o m o l e c u l e n o n t d o e n v a n het l a a g m o l e c u l a i r e m a t e r i a a l zoals z o u t e n en het o p l o s m i d d e l . B i j processen als omgekeerde osmose, gasscheiding, pervap o r a t i e en dialyse gaat het o m uiterst geringe verschillen i n g r o o t t e v a n de te scheiden deeltjes. D i e m e m b r a n e n hebben d a n o o k een dichte s t r u c t u u r ( " p o r i ë n " <
Inm). De
scheiding berust o p een verschil i n a f f i n i t e i t tussen de c o m p o n e n t e n v a n het mengsel en het m e m b r a a n m a t e r i a a l (verschil i n o p l o s b a a r h e i d ) enerzijds en een v e r s c h i l i n transportsnelheid (diffusie coëfficiënt) anderzijds. B i j electrodialyse is er n o g weer een ander scheidingsmechanisme w e r k z a a m . D e m e m b r a n e n dragen h i e r een gefixeerde l a d i n g v a n é é n t y p e : p o s i t i e f o f negatief geladen i o n e n
95
van é é n s o o r t z i t t e n vast o p de m e m b r a a n m a t r i x . D a a r d o o r icunnen alleen i o n e n m e t een tegengestelde l a d i n g v r i j e l i j l c d o o r z o ' n m e m b r a a n passeren: g e l i j k e l a d i n g e n w o r d e n i m mers afgestoten. U i t e r a a r d is i o n t r a n s p o r t alleen maar m o g e l i j k d a n k z i j een aangelegd potentiaalverschil. E e n set m e m b r a n e n v a n a f w i s s e l e n d ladingsteken k a n i n z o ' n p o t e n t i a a l v e l d z o u t e n concentreren i n bepaalde c o m p a r t i m e n t e n en v e r w i j d e r e n u i t de aangrenzende c o m p a r t i m e n t e n . Z o w o r d t i n J a p a n k e u k e n z o u t u i t zeewater g e w o n n e n (er k o m t n o g w e l een i n dampingsstap b i j ) . N o g een tweetal processen i n t a b e l 1. vereisen enige t o e l i c h d n g : p e r v a p o r a t i e en scheid i n g met b e h u l p v a n vloeibare m e m b r a n e n . P e r v a p o r a t i e is een m e m b r a a n p r o c e s c o m p o n e n t een r o l speelt.
w a a r b i j een fase-overgang v a n de te v e r w i j d e r e n
E e n v l o e i s t o f m e n g s e l w o r d t i n contact gebracht m e t een niet-poreus m e m b r a a n en d o o r v e r l a g i n g v a n de d a m p d r u k aan de p e r m e a a t z i j d e v a n het m e m b r a a n w o r d t é é n c o m p o nent u i t het v l o e i s t o f m e n g s e l i n d a m p v o r m v e r w i j d e r d . U i t e r a a r d k a n deze d a m p weer t o t v l o e i s t o f gecondenseerd w o r d e n . H e t k e n m e r k e n d e is dat het v l o e i s t o f - d a m p evenw i c h t v a n het ingebrachte v l o e i s t o f m e n s e l geen r o l speeh: het m e m b r a a n bepaalt
de
d o o r l a a t b a a r h e i d en daarmee de d a m p s a m e n s t e l l i n g . Z o k a n m e n azeotropen v a n v l o e i s t o f f e n die d o o r eenvoudige destiUatie niet gescheiden k u n n e n w o r d e n , b i j v o o r b e e l d a l c o h o l - w a t e r b i j 96 gewichtsprocent a l c o h o l , t o c h n o g scheiden. Scheiding m e t b e h u l p v a n een v l o e i b a a r m e m b r a a n ( l i q u i d m e m b r a n e , L M ) k a n als v o l g t gereahseerd w o r d e n . I n de p o r i ë n v a n een m i c r o f i l t r a t i e m e m b r a a n ( p o r i ë n ter g r o o t t e v a n 0,1 t o t 1 nm; d e n k aan een totale p o r o s i t e h v a n g l o b a a l 5 0 % ) brengt m e n een niet m e t water mengbare v l o e i s t o f (een oUe) aan. W a n n e e r een d e r g e l i j k " o l i e f i h e r " tussen twee waterige oplossingen geplaatst w o r d t , v o r m t de laag olie een b a r r i è r e v o o r het t r a n s p o r t v a n water, z o u t e n en alle andere c o m p o n e n t e n die niet o f slecht i n olie o p l o s baar z i j n . W a n n e e r m e n n u i n de olielaag een " c a r r i e r " m o l e c u u l o p l o s t , d i t is een s p e c i f i e k , c o m p l e x v o r m e n d m o l e c u u l v o o r é é n bepaald t y p e i o n i n de oplossing, o f é é n b e p a a l d g a s m o l e c u u l i n een gasmengsel, d a n is het m o g e l i j k o m z o ' n specifieke scheiding te bew e r k s t e l l i g e n . E e n c o n c e n t r a t i e g r a d i ë n t z o r g t v o o r de d r i j v e n d e k r a c h t . H e t is zo i n p r i n cipe realiseerbaar o m zware m e t a l e n u i t w a t e r te v e r w i j d e r e n o f z u u r s t o f u i t l u c h t te halen.
H e t is o p deze plaats interessant o m o p te m e r k e n dat m e m b r a a n f i l t r a t i e i n de m o d e r n e u i t v o e r i n g s v o r m i n p r i n c i p e twee p r o d u k t u i t g a n g e n k e n t , zie f i g u u r 1: het p e r m e a a t d a t de d o o r g e l a t e n c o m p o n e n t e n bevat en het concentraat w a a r i n de tegengehouden c o m p o nenten zich b e v i n d e n . A f h a n k e l i j k v a n het f e i t o f het gewenste p r o d u k t w e l o f n i e t d o o r het m e m b r a a n passeert zal het permeaat o f het concentraat de beoogde p r o d u c t s t r o o m v o r m e n . I n een e n k e l geval z u l l e n beide s t r o m e n v a n economische waarde z i j n . E e n v o o r b e e l d ter i l l u s t r a t i e : b i j omgekeerde
osmose v a n zeewater
passeert o n t z o u t water het m e m b r a a n ;
het
p e r m e a a t is dus het beoogde p r o d u k t , d r i n k w a t e r . B i j p e r v a p o r a t i e , g e b r u i k t v o o r o n t w a t e r i n g v a n organische o p l o s m i d d e l e n , passeert o o k water het m e m b r a a n ; h i e r is het c o n c e n t r a a t , het gedroogde o p l o s m i d d e l , het gewenste p r o d u k t . T o t slot v a n deze p a r a g r a a f w o r d e n enkele b e l a n g r i j k e toepassingen v a n m e m b r a a n f i l tratie genoemd.
96
De v o e d i n g s m i d d e l e n i n d u s t r i e v o r m t een belangrijlc toepassingsgebied: t e r u g w i n n e n v a n e i w i t t e n u i t kaaswei ( R O en U F ) ; c o n c e n t r e r i n g v a n m e l k met g e l i j k t i j d i g e v e r w i j d e r i n g v a n lactose en z o u t e n , v o o r de kaasbereiding ( U F ) ; het v e r w i j d e r e n v a n b a c t e r i ë n u i t v l o e i s t o f f e n zoals w i j n , a z i j n en appelsap ( M F ) en het o n t z o u t e n v a n w e i ( E D ) . H e t gebied v a n de waterbehandeUng k e n t verschillende interessante toepassingen.
Zo
w o r d t i n de m i c r o - e l e c t r o n i c a u l t r a z u i v e r water g e b r u i k t als spoelwater t i j d e n s de bereid i n g v a n c h i p s . N i e t alleen is het water p r a k t i s c h i o n e n v r i j (weerstand g r o t e r d a n 18 M f i / c m ) m a a r o o k s t o f v r i j . E e n c o m b i n a t i e v a n membraanprocessen
( R O en M F ) en een
ontzoutingsproces m . b . v . i o n e n wisselaars z o r g t v o o r d i t hooggezuiverde water. O o k v o o r k e t e l v o e d i n g w a t e r h e e f t m e n i o n e n v r i j water n o d i g , o m corrosieprocessen en afzett i n g v a n z o u t e n te v o o r k o m e n . D r i n k w a t e r w o r d t i n droge gebieden v i a R O u i t b r a k g r o n d w a t e r v e r k r e g e n . B i j de z u i v e r i n g v a n a f v a l w a t e r w o r d e n
membraanprocessen
steeds meer ingezet ( M F , U F , R O ) . Tenslotte n o g w a t " o u d e en " n i e u w e " toepassingen: z u i v e r i n g v a n b l o e d m e t b e h u l p v a n dialyse m e m b r a n e n is al enkele t i e n t a l l e n j a r e n b e k e n d , evenals afscheiden v a n olieemulsies met U F en M F m e m b r a n e n ; recenter is het t e r u g w i n n e n v a n latexverven en v a n e l e c t r o f o r e s e l a k k e n u i t spoelbaden b i j v . i n de a u t o - i n d u s t r i e ( U F ) , het t e r u g w i n n e n v a n w a t e r s t o f u i t a f g a s i n de b e r e i d i n g v a n a m m o n i a k (GS) en het o n t w a t e r e n v a n organische v l o e i s t o f f e n ( P V ) . O p het gebied v a n scheiding v a n niet-waterige vloeistofmengsels i n de petrochemische sector z i j n d o o r b r a k e n i n membraantoepassingen
o p grote schaal te ver-
w a c h t e n . H e t k a n Pernis ( o p den d u u r ) een andere a a n b l i k geven! Membranen E r is een grote v a r i ë t e i t v a n m e m b r a a n t y p e n beschikbaar, die q u a s t r u k t u u r en m a t e r i aalsoort toegesneden z i j n o p de te v e r r i c h t e n f u n k t i e . W a t de m a t e r i a a l s o o r t b e t r e f t z i j n de m e m b r a n e n u i t p o l y m e r e m a t e r i a l e n het meest b e k e n d . V a n w e g e de g e m a k k e l i j k e verw e r k b a a r h e i d en enkele i n t r i n s i e k e eigenschappen (zoals d o o r l a a t b a a r h e i d , selectiviteit en beperkte z w e i b a a r h e i d ) hebben enkele p o l y m e e r t y p e n een uitgebreide toepassing gev o n d e n v o o r m e m b r a a n b e r e i d i n g : cellulose acetaat en p o l y a m i d e n ( R O ) p o l y s u l f o n en p o l y a c r y l o n i t r i l ( U F ) p o l y p r o p y l e e n en p o l y v i n y l i d e e n f l u o r i d e ( M F ) . K e n m e r k e n d is dat v o o r specifiekere scheidingen (gasscheiding, p e r v a p o r a t i e ) o o k meer b i j z o n d e r e p o l y m e ren en s t r u c t u r e n , zoals c o m p o s i e t m e m b r a n e n bestaande u i t meerdere lagen en m a t e r i a len (zie v e r d e r o p ) w o r d e n toegepast. V a n de m e m b r a n e n u i t andere m a t e r i a a l s o o r t e n z i j n de keramische m e m b r a n e n sterk i n o p k o m s t . Z e w o r d e n i n meerdere lagen o p elkaar, m e t a f n e m e n d e p o r i e g r o o t t e , vervaard i g d u i t m a t e r i a l e n zoals AI2O3 o f Z r O j . H u n meest o p v a l l e n d e k e n m e r k is de g r o t e t e m p e r a t u u r s t a b i l i t e i t : ze k u n n e n d a a r d o o r g e m a k k e l i j k gesteriliseerd w o r d e n o f ingezet w o r d e n b i j het b e ï n v l o e d e n v a n de e v e n w i c h t s l i g g i n g v a n chemische reacties b i j hoge t e m p e r a t u u r (200-600 ° C ) . N i e t alleen m i c r o f i l t r a t i e en u l t r a f i l t r a t i e t y p e n z i j n vervaard i g d u i t k e r a m i s c h m a t e r i a a l , o o k dichtere t o p l a g e n k u n n e n gemaakt w o r d e n die gasscheidingseigenschappen bezitten ( m o m e n t e e l is d i t laatste o p labschaal, b i j de U n i v e r s i teit T w e n t e , g r o e p p r o f . B u r g g r a a f , gereahseerd). Schematisch w o r d e n de verschillende bestaande m e m b r a a n s t r u k t u r e n goed weergegeven i n f i g u u r 2. W e zien dat homogene m e m b r a n e n , a l d a n niet poreus, een g e l i j k e d i c h t h e i d b e z i t t e n gaande v a n t o p naar b o d e m , ( f i g u u r 2a). M i c r o f i l t r a t i e m e m b r a n e n , v l o e i b a r e m e m b r a n e n , dialyse en e l e c t r o d i a l y s e m e m b r a n e n b e z i t t e n deze h o m o g e n e , over de d i k t e i s o m o r f e s t r u k t u u r . W a n n e e r de scheiding v a n deeltjes een m i n d e r poreus m e m b r a a n vereist ( v r i j w e l alle andere membraanprocessen)
h e e f t m e n een asymetrische
mem-
97
Homogeneous membranes
with straight pores
with a sponge-like pore structure
without pores
Asymmetric membranes
skin layer with pores
dense skin layer without pores
Composite membrane dense skin layer porous membrane
Figuur 2: Sctiematische weergave van verscliillende membraanstrukturen: b) asymmetrisch en c) samengesteld ud meer materialen (composiet).
a)
homogeen,
b r a a n s t r u k t u u r n o d i g . A n d e r s z o u er d o o r een b i j v . 100 ^tm " d i c h t " m e m b r a a n n a u w e l i j k s enige f l u x te v e r w a c h t e n z i j n . F i g u r e n 2b en 2c geven deze asymmetrische s t r u k t u r e n weer. I n d i t s t a d i u m v a n het b e t o o g is het interessant o m de geschiedenis v a n de o n t d e k k i n g v a n het a s y m m e t n s c h e m e m b r a a n v o o r omgekeerde osmose, geschikt v o o r de p r o d u k d e v a n d r i n k w a t e r u i t z o u t w a t e r , u i t de d o e k e n te d o e n . E i n d v i j f d g e r j a r e n kende m e n v a n de membraanprocessen de dialyse en m i c r o f i h r a t i e , o p kleine schaal g e b r u i k t i n de medische sector, en de u l t r a f i l t r a d e en electrodialyse, b e k e n d u i t l a b o r a t o r i u m g e b r u i k , eveneens o p kleine schaal. M e n was intensief o p zoek naar " o n t z o u t e n d e m e m b r a n e n ' . M e n h a d een n o t i e v a n m e m b r a a n t y p e n als m é é r o f m i n d e r g e z w o l l e n i n w a t e r . E r w a r e n w e l hele dichte m e m b r a n e n b e k e n d ( v a n het m a t e n a a l cellulose-acetaat) die v r i j w e l geen z o u t d o o r h e t e n , m a a r o o k p r a c d s c h geen water. I n het l a b o r a t o r i u m v a n de onderzoekers L o e b en S o u r h a j a n ( U n i v e r s i t e i t v a n L o s Angeles) h a d m e n de gewoonte alle m e m b r a n e n , c o m m e r c i e e l v e r k r e g e n o f z e l f g e m a a k t , een poos i n een heet w a t e r b a d te b r e n gen, v o o r een o p t i m a l e z w e l h n g . M e t een b e p a a l d c o m m e r c i e e l p r o d u c t (Schleicher en S c h ü U u i t D u i t s l a n d ) d a t als b a c t e r i e f i l t e r dienst deed en dus helemaal geen z o u t tegen-
98
h i e l d , leverde deze h i t t e b e h a n d e l i n g plots een m e m b r a a n o p met goede z o u t w e r e n d e eigenschappen è n hoge w a t e r d o o r l a a t b a a r h e i d . H e t bleek later dat de heetwaterbehandeh n g een soort d i c h t s c h r o e i - e f f e c t (een " c u r i n g " ) bewerkstelhgde i n de t o p l a a g v a n een a s y m m e t r i s c h gestructureerd p r o d u c t , zonder dat m e n v a n die s t r u c t u u r enige n o t i e h a d . Deze o n t d e k k i n g v a n de asymmetrische s t r u c t u u r v a n m e m b r a n e n was d é i m p u l s v o o r de o n t w i k k e h n g v a n een grote diversiteit v a n i n d u s t r i e e l toegepaiste m e m b r a n e n .
Daar
k w a m als e x t r a stimulans i n de o n t w i k k e l i n g b i j dat de Raster E l e c t r o n e n M i c r o s c o p i e ( R E M ) i n de zestiger j a r e n i n g e b r u i k k w a m . D a a r m e e k a n m e n veel beter ( d a n m e t gew o n e m i c r o s c o p i e ) zichtbaar m a k e n w e l k e s t r u c t u u r m e n verkregen h e e f t . Deze techniek h e e f t o o k het o n d e r z o e k naar het mechanisme v a n s t r u c t u u r v o r m i n g b i j m e m b r a a n b e r e i ding enorm gestimuleerd. E n k e l e v o o r b e e l d e n v a n m e m b r a a n s t r u c t u r e n zuUen we m . b . v . R E M - f o t o ' s v e r d u i d e l i j k e n . F i g u u r 3 g e e f t een beeld v a n twee verschillende m e m b r a n e n v o o r m i c r o f i l t r a t i e , m e t p o r i ë n i n de g r o o t t e - o r d e v a n 0.4 ;im. F i g u u r 3a, een M i l l i p o r e m e m b r a a n , laat de t y p i sche s p r e i d i n g i n p o r i e g r o o t t e zien die m e n k a n v e r w a c h t e n b i j m e m b r a n e n die v i a het p r e c i p i t a t i e m e c h a n i s m e u i t p o l y m e e r o p l o s s i n g e n g e v o r m d z i j n . F i g u u r 3b, een N u c l e p o re m e m b r a a n , w e r d g e v o r m d d o o r beschieting v a n een p o l y m e r e f o l i e met h o o g energetische m e t a a l i o n e n . H e t spoor v a n v e r b r o k e n polymeerketens k a n vervolgens i n een etsb a d w o r d e n omgezet i n m i n o f meer cyUndrische k a n a l e n , l o o d r e c h t o p het v l a k v a n de f o l i e . H o e w e l de p o r i ë n hier beter g e d e f i n i e e r d z i j n q u a g r o o t t e is het a a n t a l p o r i ë n per o p p e r v l a k t e - e e n h e i d b e p e r k t , zodat deze m e m b r a n e n t o c h slechts b e p e r k t i n z e t b a a r z i j n v o o r f i l t r a t i e i n de p r a k t i j k . E e n v o o r b e e l d v a n een asymmetrische m e m b r a a n v a n het u h r a f i l t r a t i e t y p e (1 t o t 50 n m p o r i e g r o o t t e ) w o r d t weergegeven i n f i g u u r 4 . D a t het hier een m e m b r a a n i n de v o r m v a n een h o l l e vezel b e t r e f t b l i j k t u h f i g u u r 4a. D e totale diameter bedraagt ca 0,3 m m . D e e i g e n l i j k e f i l t r e r e n d e laag b e v i n d t zich aan de l u m e n - z i j d e ( b i n n e n z i j d e ) v a n de h o l l e vezel. F i g u u r 4b l a a t zien dat die laag slechts een f r a c t i e v a n een m i c r o m e t e r d i k z a l z i j n (ongeveer 0,2 a 0,3 ^ m ) . D e p o r i ë n i n de t o p l a a g z i j n niet m e t deze e l e c t r o n e n m i c r o s c o o p techniek waar te n e m e n (beperkte v e r g r o t i n g ) .
Figuur
3: Poriën
b) Nuclepore
van ca 0,4 nm in twee membraan
typen
microfiltratiemembranen,
a)
Millipore,
99
100
Figuur
5: Asymmetrisch
membraan
met dilcice en compacte
toplaag.
I n f i g u u r 5 tenslotte w o r d t een a s y m m e t r i s c h m e m b r a a n afgebeeld m e t een d i c h t e en t a m e l i j k d i k k e t o p l a a g (ca 8 /tm d i k ) . I n de p r a k t i j k v a n m e m b r a a n b e r e i d i n g is het de b e d o e l i n g o m deze (gasdichte) t o p l a a g zo d u n m o g e l i j k te m a k e n . I n een reeks p r o m o t i e - o n d e r z o e k e n is aan de U n i v e r s i t e i t T w e n t e v a n a f 1973 systemat i s c h o n d e r z o e k v e r r i c h t naar het mechanisme v a n m e m b r a a n v o r m i n g d o o r p r e c i p i t a t i e v a n d u n n e f i l m s v a n een p o l y m e e r o p l o s s i n g . D e processen v a n g e k o p p e l d e d i f f u s i e v a n c o m p o n e n t e n en o n t m e n g g e d r a g z i j n n u zover beschreven en d o o r g e r e k e n d d a t bepaalde s t r u c t u r e n v o o r s p e l d k u n n e n w o r d e n u i t de condities b i j de m e m b r a a n v o r m i n g . W a t l a n ge t i j d een " k u n s t " was w o r d t l a n g z a a m m a a r zeker een w e t e n s c h a p p e l i j k beheersbare procedure. Modules M e m b r a n e n k u n n e n niet als losse f o h e s o f vezels g e b r u i k t w o r d e n , m a a r m o e t e n w o r d e n o n d e r s t e u n d en beschermd. D i t gebeurt d o o r m e m b r a n e n i n modules o n d e r te b r e n g e n . I n f e i t e z i j n twee m e m b r a a n v o r m e n m o g e l i j k , n a m e l i j k v l a k en b u i s v o r m i g ( c y h n d r i s c h ) . De moduulconfiguraties zijn hiervan afgeleid. V a n de v l a k k e v o r m z i j n de v l a k k e plaat- en s p i r a a l g e w o n d e n m o d u l e a f g e l e i d . V a n de b u i s v o r m z i j n a f g e l e i d de b u i s v o r m i g e , c a p i l l a i r e en holle-vezel m o d u l e ( f i g u u r 6 ) . D e laatste i n d e l i n g w o r d t g e m a a k t o p basis v a n a f m e t i n g e n : h o l l e vezel m e m b r a n e n h e b b e n een d i a m e t e r v a n hoogstens 0,5 m m ( b i j nierdialyse vezels zelfs een f a c t o r 10 k l e i n e r ) , c a p i l l a i r e m e m b r a n e n v e r t o n e n diameters tussen 0,5 en 5 m m en b u i s v o r m i g e m e m b r a n e n g r o t e r v a n 10 m m . E e n b e l a n g r i j k gegeven b i j de verschillende m o d u u l c o n f i g u r a t i e s is de p a k k i n g s d i c h t h e i d v a n de m e m b r a n e n , u i t g e d r u k t i n m e m b r a a n o p p e r v l a k per v o l u m e - e e n h e i d m o d u le. H o l l e vezel m o d u l e s hebben de hoogste p a k k i n g s d i c h t h e i d , t o t w e l 30.000 m ^ / m ^ a f h a n k e l i j k v a n de vezeldiameter.
101
Figuur
6: Schematisclie
weergave
van
moduulconfiguraties
B u i s v o r m i g e m o d u l e s k u n n e n sleclits 100 t o t 300 m^/vcr' bevatten. V l a k k e en s p i r a a l g e w o n d e n m e m b r a n e n z i t t e n q u a p a k k i n g s d i c h t h e i d daartussen i n : 500-1000 m V m ^ M e n m o e t z i c h reahseren dat b i j v l a k k e (en spiraalgewonden) c o n f i g u r a t i e s tussen de m e m b r a n e n n o g o p e n , textiele dragers aangebracht m o e t e n w o r d e n o m v o o r aan- e n a f v o e r r u i m t e n te z o r g e n . N a t u u r l i j k z u l l e n de m i n d e r d i c h t gepakte m e m b r a a n m o d u l e s weer beter geschikt z i j n v o o r het f i h r e r e n v a n deeltjesbevattende v l o e i s t o f f e n (emplsies, latices, suspensies) o f v o o r sterk v e r v u i l e n d e v l o e i s t o f f e n . T e n s l o t t e : een i n s t a l l a t i e v o o r m e m b r a a n f i l t r a t i e bestaat i n p r i n c i p e u i t een o f meer p o m p e n (evt. een v a c u u m p o r i i p ) en een a a n t a l m e m b r a a n m o d u l e s . D e p o m p z o r g t v o o r de b e n o d i g d e systeemdruk en langsstroomsnelheid. D e l a n g s s t r o o m s n e l h e i d is v a n g r o o t b e l a n g , v o o r a l o m v e r v u i l i n g en concentratiepolarisatie aan het m e m b r a a n o p p e r v l a k tegen te gaan. Slotopmerkingen M e m b r a a n f i l t r a t i e b i e d t enkele specifieke v o o r d e l e n i n v e r g e l i j k i n g m e t andere scheidingstechnieken; - de scheiding k a n c o n t i n u p l a a t s v i n d e n ; - het e n e r g i e v e r b r u i k is laag t o t zeer laag; - scheiding k a n b i j m i l d e t e m p e r a t u u r u h g e v o e r d w o r d e n ; - er z i j n geen h u l p s t o f f e n n o d i g ; - membraanprocessen k u n n e n e e n v o u d i g en i n g e m a k k e l i j k aan te passen capacheit als deelproces w o r d e n ingelast.
102
N a t u u r l i j k z i j n er o o k nadelen: - transportsnelheden en selectiviteiten v o r m e n vaak n o g een begrenzing; - levensduur k a n b e p e r k t z i j n ( v o o r a l b i j agressieve oplossingen); - de gevoeligheid v o o r v e r v u i l i n g is een directe bedreiging v o o r de g r o o t t e en selectiviteit van het
membraantransport.
T o c h b l i j f t het perspectief v o o r toepassing v a n m e m b r a a n f i l t r a t i e b u i t e n g e w o o n roosk l e u r i g , v o o r a l d o o r de intensieve studies naar betere m e m b r a a n m a t e r i a l e n en geavanceerde v o r m g e v i n g .
OMTRENT SONAR BIJ DOLFIJNACHTIGEN door C. K a m m i n g a
Inleiding O f s c l i o o n gedurende liet laatste d e c e n n i u m de belangstelling v o o r d o l f i j n e n , o f beter a a n g e d u i d de w a l v i s a c h t i g e n (orde Cetacea), b e d u i d e n d is t o e g e n o m e n , h e e f t de hoeveelh e i d wetenschappelijlce i n f o r m a t i e die beschikbaar k w a m , hiermee n a u w e l i j k s g e l i j k e tred g e h o u d e n . D i t is i n het b i j z o n d e r het geval v o o r de kleinere soorten, w a a r v a n een a a n t a l b e d r e i g d w o r d t d o o r vangst en veranderende oecologische o m s t a n d i g h e d e n . N o g steeds is het z o , dat de meeste kennis v a n d o l f i j n e n v e r g a a r d w e r d d o o r studie i n gevangenschap v a n v r i j w e l u i t s l u i t e n d de bekendste der d o l f i j n e n , de ( A t l a n t i s c h e ) t u i m e l a a r Tursiops
truncatus.
D i t leidt d a n o n m i d d e l l i j k t o t de v r a a g o f de verkregen kennis over
de t u i m e l a a r i n het algemeen geldig is v o o r andere d o l f i j n e n . E e n v r a a g , die we o p d i t m o m e n t even zuUen laten r u s t e n . B e l a n g r i j k e r is e i g e n l i j k de vraag o f het gedrag i n gevangenschap hetzelfde b a s i s p a t r o o n v e r t o o n t als i n het w i l d . V e l d w e r k aan d o l f i j n e n echter is een kostbare en t i j d r o v e n d e zaak met een kans o p succes die niet v o o r s p e l b a a r is. Enige kennis over de v e r g e l i j k i n g i n gedrag v a n een a a n t a l soorten is beschikbaar ( o . a . P r y o r & K a n g , 1980); o p g r o n d w a a r v a n een v o o r z i c h t i g e u i t s p r a a k k a n w o r d e n gedaan dat een v o r m v a n g e s t o o r d ged r a g i n gevangenschap, zoals we die b i j de t i j g e r a a n t r e f f e n , niet a a n g e t o o n d is b i j d o l f i j n e n . N a d e r o n d e r z o e k , en met n a m e z i n t u i g f y s i o l o g i s c h o n d e r z o e k , dient de n o d i g e k e n nis te v e r s c h a f f e n o m t r e n t de o p t i m a l e l e e f o m g e v i n g , v o o r a l v o o r de kleinere s o o r t e n d o l f i j n e n . U i t k o m s t e n v a n w e t e n s c h a p p e l i j k onderzoek i n gevangenschap z i j n niet alleen i j o o d z a k e l i j k o m a n t w o o r d te v e r k r i j g e n o p elementaire v r a g e n , d o c h k u n n e n eveneens b e l a n g r i j k e gegevens v e r s c h a f f e n v o o r een v e r a n t w o o r d milieubeheer. E e n v o o r b e e l d is de actuele status v a n de b r u i n v i s i n de N o o r d z e e , w a a r b i j m e n z i c h a f v r a a g t w a a r o m de p o p u l a t i e zo is a f g e n o m e n . R i c h t e n we de a a n d a c h t o p akoestische p o l l u t i e , d a n d i e n t b e k e n d te z i j n i n hoeverre de b r u i n v i s h i e r v o o r gevoelig is. O p g r o n d v a n kennis v a n het g e l u i d s p r o d u k t i e - en ontvangstsysteem, verkregen onder gecontroleerde
omstandighe-
d e n , k a n h i e r o v e r w o r d e n geoordeeld. Een m u l t i d i s c i p l i n a i r onderzoek is h i e r t o e v a n z e l f s p r e k e n d n o o d z a k e l i j k , w a a r i n b i o l o g e n , f y s i c i en p s y c h o l o g e n n a u w z u l l e n m o e t e n s a m e n w e r k e n . N o g teveel is i n de h u i d i g e beschikbare resultaten de c o n t e m j i i a t i e v e aanp a k te zien. H e t is verheugend te constateren dat de studie v a n de z i n t u i g e l i j ke capaciteiten v a n d o l f i j n e n meer en meer i n de belangstelhng k o m t ( D a w s o n , 1980; S c h u s t e r m a n , 1981). H i e t b i j is de studie v a n visuele- en auditieve perceptie v a n niet te o n d e r s c h a t t e n b e l a n g . D a a r i n de v r i j e n a t u u r over het algemeen het zicht dnder water b e p e r k t is, z a l de d o l f i j n n i e t zozeer o p visuele, d o c h grotendeels o p akoestische i n f o r m a t i e o m t r e n t
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 19 februari 1990
104
z i j n o m g e v i n g aangewezen z i j n . T e v e r w a c h t e n is d a n oolc dat we hiertoe b i j d o l f i j n e n een h o o g o n t w i l d c e l d zintuiglijlc systeem zuhen a a n t r e f f e n . I n d e r d a a d is a a n g e t o o n d dat een zeer v e r f i j n d alctief alcoestisch navigatiesysteem aanwezig is, w a a r b i j het d o o r de d o l f i j n geproduceerde ( u l t r a ) g e l u i d i n overeenstemming is met z i j n gehoorlcapaciteiten. M e t d i t gegeven Icomt d a n als vanzelfsprelcend de vraag naar v o r e n : w a a r o m stranden bepaalde soorten d o l f i j n e n d a n i n massa als ze z o ' n v o o r t r e f f e l i j l c echopeilingssysteem bezitten? E e n o n o m s t r e d e n v e r l d a r i n g v o o r d i t v e r s c h i j n sel is n o g steeds niet g e v o n d e n . V a n de verschillende t h e o r i e ë n hierover l i j l c t op d i t m o m e n t het o n t v a n g e n v a n o n j u i s t e i n f o r m a t i e d o o r het sonarsysteem een acceptabele p r o positie te z i j n . H e t is v e r w o n d e r l i j k , dat aan d i t strandingsaspect, i n v e r g e l i j k i n g t o t andere o n d e r z o e k i n g e n b i j d o l f i j n e n , zo w e i n i g aandacht is besteed, nadat i n de h t e r a t u u r reeds eind 1950, begin 1960, de eerste t h e o r i e ë n z i j n gepubhceerd met b e t r e k k i n g t o t de akoestische aspekten v a n d i t v e r s c h i j n s e l . De theorie v a n i n f o r m a t i e t r a n s m i s s i e en de sign a a l t h e o r i e bieden n l . v o l d o e n d e a a n k n o p i n g s p u n t e n v o o r een adequate b e s c h r i j v i n g v o o r het g e b r u i k v a n signaaltypen en h u n gevoeligheid v o o r s t o r i n g i n verschillende transmissie-omgevingen. Z o is o o k te n o e m e n de akoestische p r o p a g a t i e i n o n d i e p water, een a m p e l bestudeerd o n d e r w e r p . E i g e n l i j k geldt de h i e r b o v e n gemaakte o p m e r k i n g niet alleen v o o r het p r o b l e e m v a n de s t r a n d i n g e n , m a a r zeker o o k v o o r het onderzoek aan het sonarsysteem v a n d o l f i j n e n . I n d i e n al meer d a n 25 j a a r w e t e n s c h a p p e l i j k is a a n g e t o o n d dat d o l f i j n e n een akoestisch navigatie- en c o m m u n i c a t i e s y s t e e m b e z i t t e n , d a n is het i n f e i t e o n b e g r i j p e l i j k dat het akoestische signaal dat h i e r b i j i n het spel is, uiterst o n v o l l e d i g b e k e n d is v o o r de verschillende soorten d o l f i j n e n . Deze o n t b r e k e n d e kennis is zeker niet het gevolg v a n het niet beschikbaar z i j n v a n adequate o p n a m e a p p a r a t u u r en snelle c o m p u t e r s v o o r de bewerk i n g v a n de signalen. Het
sonarsignaal
van
dolfijnen
V o o r de eerste a a n w i j z i n g e n o m t r e n t het g e b r u i k v a n u l t r a g e l u i d s i g n a l e n d o o r d o l f i j n e n m o e t e n we t e r u g g a a n t o t 1956. I n dat j a a r deed A r t h u r F . M c B r i d e , directeur v a n " M a r i n e l a n d o f F l o r i d a " , een a a n t a l w a a r n e m i n g e n aan het gedrag v a n t u i m e l a a r s die v o o r h e m een a a n d u i d i n g w a r e n v o o r het bestaan v a n een zeer geavanceerd m e c h a n i s m e , dat het m o g e l i j k m a a k t dat een d o l f i j n veel v a n z i j n o m g e v i n g k a n w a a r n e m e n d o o r m i d d e l v a n g e l u i d . M c B r i d e m e r k t e dat deze dieren een f i j n m a z i g net k o n d e n v e r m i j d e n , m a a r niet een g r o o t m a z i g net m e t o p e n i n g e n v a n ca. 30 c m ^ D e v e r k l a r i n g v o o r het gedrag w e r d gezocht d o o r v e r g e l i j k i n g m e t het sonargedrag v a n v l e e r m u i z e n , w a a r reeds meer over b e k e n d was. I n 1961 w o r d t d a n d o o r N o r r i s et a l . het d e f i n i t i e v e b e w i j s geleverd dat Tursiops
truncatus
echolocatie g e b r u i k t o m obstakels te o n t w i j k e n en vis o p te spo-
ren. A n n o 1989 k u n n e n we constateren dat sinds de e x p e r i m e n t e n v a n N o r r i s veel echolocat i e o n d e r z o e k is v e r r i c h t , m a a r dat het signaal dat h i e r b i j b e t r o k k e n is, v o o r een a a n t a l v a n m i n d e r d a n 20 d o l f i j n e n adequaat is beschreven. D e g e ï n t e r e s s e e r d e lezer z i j v o o r een o v e r z i c h t verwezen naar de v o o r d r a c h t e n d o o r G r i f f i n (1980) en W o o d (1980), gepresenteerd o p " t h e second I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n A n i m a l Sonar S y s t e m s " , geh o u d e n o p Jersey i n 1979. H e t l i g t niet i n de b e d o e l i n g alle o p d i t m o m e n t beschikbare resuhaten v a n de signaalanalyse v a n d o l f i j n e n te bespreken, m a a r een keuze te m a k e n t e n gunste v a n d o l f i j n e n die i n k u s t w a t e r e n v o o r k o m e n . H i e r b i j k o m e n i n het b i j z o n d e r de b r u i n v i s phocoena
en de t u i m e l a a r Tursiops
truncatus
Phocoena
ter sprake. V o o r a l de b r u i n v i s is u i t sig-
105
n a a l a n a l y t i s c h o o g p u n t interessant. D e technologische v o o r u i t g a n g i n registratie- en verw e r k i n g s a p p a r a t u u r is hier d u i d e l i j k herkenbaar i n de m e t i n g e n die i n de l o o p der j a r e n z i j n gedaan. P r e m a t u r e g e v o l g t r e k k i n g e n , gebaseerd op dubieuze o f i n c o m p l e t e gegevens, dienden te w o r d e n herzien. W e dienen h i e r b i j tevens niet te vergeten dat het w e r k e n i n een o m g e v i n g w a a r geen l a b o r a t o r i u m c o n d i t i e s aanwezig k u n n e n z i j n , b e p e r k i n g e n i n h o u d t . V o o r een o v e r z i c h t v a n de registratie- en v e r w e r k i n g s t e c h n i e k e n w o r d t verwezen naar de sene ' T n v e s t i g a d o n s i n Cetacean S o n a r " , gepubhceerd i n het t i j d s c h r i f t Aquatic Mammals. (Ed.: V . J . A . M a n t o n , European Association f o r Aquatic M a m mals). Het
sonarsignaal
1. Phocoena
van enige
phocoena
/custbewoners
- de b r u i n v i s
Busnel, D z i e d z i c en A n d e r s e n (1963) hebben v o o r het eerst het sonarsignaal v a n
Phocoe-
na i n gevangenschap beschreven. D e echolocatiesignalen w e r d e n o p g e n o m e n gedurende het visvoeren. M e t b e h u l p v a n een spectrogramanalyse w e r d e n pulsen v a n een t i j d s d u u r v a n ca. 1,5 msec i n een p u l s t r e i n g e v o n d e n . D e f r e q u e n t i e b a n d bestreek het bereik v a n 1-6 k H z , met m a x i m a l e energie r o n d 2 k H z . D e g e b r u i k t e magneetbandrecorder h a d een bovengrens v a n ca. 50 k H z . I n latere e x p e r i m e n t e n w e r d d o o r B u s n e l et a l . (1965) geconstateerd dat b i j v r i j r o n d z w e m m e n de dieren i n staat w a r e n o m n y l o n d r a d e n m e t een diameter v a n 1,5 m m te o n t w i j k e n . D e conclusie naar a a n l e i d i n g v a n d i t e x p e r i m e n t was dat "leseuil dant
a environ
de perception 1/1500
acousdque
de la longueur
se situant d'onde
vers 0.2 mm, cette dimension
du signal",
correspon-
w e l k e w e r d gegeven zonder de-
ze p a r a d o x te v e r k l a r e n . L a t e r o n d e r z o e k d o o r D u b r o v s k n , K r a s n o v en T i t o v (1971) g a f aan dat er eveneens een h o o g f r e q u e n t e c o m p o n e n t i n de orde v a n 100 k H z aanwezig moest z i j n i n het sonarsignaal. Deze c o m p o n e n t is d o o r M o h l en A n d e r s e n (1973) aanget o o n d , echter z o n d e r g e l i j k t i j d i g e aanwezigheid v a n de l a a g f r e q u e n t e c o m p o n e n t . U i t deze m e t i n g e n w e r d d u i d e l i j k dat Busnel c.s. niet i n staat k o n d e n z i j n geweest o m een d e r g e l i j k e hoge f r e q u e n t i e te registreren, gelet o p de beperkte b a n d b r e e d t e v a n h u n apparatuur. D o o r A n d e r s e n (1970) w e r d e n eveneens auditieve f u n k t i e s o n d e r z o c h t , w a a r b i j een geh o o r g e v o e l i g h e i d t o t 140 k H z w e r d geconstateerd. H e t is o p z i j n m i n s t v r e e m d dat een dier m e t een d e r g e l i j k f r e q u e n t i e b e r e i k v a n het gehoor slechts g e b r u i k z o u m a k e n v a n een l a a g f r e q u e n t e c o m p o n e n t v a n 2 k H z , ca. 40 d B lager i n geluidsniveau d a n de h o o g frequente component. I n 1978 was de s c h r i j v e r i n de gelegenheid sonarregistraties te m a k e n v a n een b r u i n v i s die i n n o v e m b e r 1978 was gestrand o p T e x e l en vervolgens getransporteerd naar het d o l finarium in Harderwijk. D e analyse v a n deze o p n a m e n i n december 1978 k a n w o r d e n b e s c h o u w d als een m i j l p a a l i n het o n d e r z o e k en de classificatie en i n t e r p r e t a t i e v a n sonarsignalen v a n d o l f i j n e n , vanwege het b i j z o n d e r e aspect v a n het f r e q u e n t i e s p e c t r u m . A a n de h a n d v a n figuur l a is te zien dat de sonarpuls bestaat u i t een tweetal f r e q u e n t i e s ; aan het begin de h o o g f r e quente, v e r d e r o p i n de puls de l a a g f r e q u e n t e c o m p o n e n t . U i t het f r e q u e n t i e s p e c t r u m v a h o p te m e r k e n d a t deze twee c o m p o n e n t e n gesitueerd z i j n o p 125 k H z , resp. 20 k H z . E c h t e r , de l a a g f r e q u e n t e c o m p o n e n t v a n 20 k H z is niet de eerder d o o r B u s n e l e.a. en A n d e r s e n geconstateerde 2 k H z ! I n alle o p n a m e n bleek deze 2 k H z c o m p o n e n t a f w e z i g te z i j n .
T e n e i n d e de s i g n a a l s t r u c t u u r i n d e t a i l te bezien, w e r d een
filterprocedure
uhgevoerd,
w a a r v a n het resuhaat i n f i g u u r I b en l c te zien is. H e t sonarsignaal v a n de b r u i n v i s b l i j k t
106
Figuur
1.
a) Het echolocatiesignaal positie
van twee
van de bruinvis
componenten
b) De afzonderlijke c) De afzonderlijke deel van dh signaal deel.
laagfrequente
P h o c o e n a p h o c o e n a . Het signaal
met frequenties (20 kHz)
van 20 kHz, component
resp.
in het
120
is een
super-
kHz.
sonarsignaal.
hoogfrequente (120 kHz) component van de sonarpuls. Het tweede is een in tijd verschoven en in fase omgekeerde versie van het eerste
107
2
Figuur Het
I msec]
2.
sonarsignaal
(60 kHz)
wordt
van de Beluga na 0,75 msec
D e l p h i n a p t e r u s leucas. De hoogfrequente
gevolgd
door
een laagfrequente
50
component
component
100
150
van 1,6
kHz.
200 kHz
frequency
Figuur
3.
Het sonarsignaal gedrag
van Sotalia
van deze sonar
fluviatilis
is te zien
guianensis in tijd en frequentie.
in het spectrum
met pieken
Het
op 30 kHz,
resp.
bi-frequente 95
kHz.
d a n i n f e i t e een superpositie te z i j n v a n deze twee c o m p o n e n t e n . I n d i e n een a m p l i t u d e correctie ( n o o d z a l c e l i j k t e n gevolge v a n het f r e q u e n t i e g e d r a g v a n de h y d r o f o o n ) w o r d t u i t g e v o e r d , b l i j k t de energie i n het H F - d e e l en het L F - d e e l i n dezelfde o r d e v a n g r o o t t e te h g g e n . N a d e r e bestudering v a n het H F - d e e l v a n de sonarpuls ( f i g u u r l c ) brengt een m e r k w a a r d i g h e i d i n de samenstelling aan het l i c h t die, i n d i e n we ons t o t de b e s t u d e r i n g v a n het tijdsignaal van
figuur
l a b e p e r k t z o u d e n hebben, aan de aandacht o n t s n a p t z o u z i j n .
E e n z o r g v u l d i g e bestudering t o o n t aan dat we hier te m a k e n h e b b e n m e t een signaal dat w o r d t g e v o l g d d o o r een i n de t i j d verschoven versie h i e r v a n . I n het m i d d e n v a n deze samengestelde s i g n a a l v o r m v a n figuur l c is een d u i d e l i j k e d i s c o n t i n u ï t e i t a a n w e z i g . D e bel a n g r i j k e conclusie h i e r u i t is dat i n feite het H F - d e e l v a n de sonarpuls v a n de b r u i n v i s de h e l f t k o r t e r d u u r t d a n i n eerste i n s t a n t i e het geval leek. E e n v e r k l a r i n g v o o r de o p b o u w v a n d i t t w e e - c o m p o n e n t e n sonarsignaal h e e f t speculatieve elementen i n z i c h , m a a r het is niet a a n n e m e l i j k te veronderstellen, dat het L F en het H F - d e e l een verschillende akoestische f u n k t i e h e b b e n , tengevolge v a n de verschillende p r o p a g a t i e en resolutie-
108
f r e q u e n t i e
Figuur
2 0 0 k H z
4.
Ecliolocatiepuls condities.
van de tuimelaar
Dominante
frequentie
T u r s i o p s t r u n c a t u s onder is in de orde
van 46
suboptimale
signaal/ruis
kHz.
eigenschappen: het H F - d e e l h e e f t een g r o o t oplossend v e r m o g e n (X = 1,2 c m ) en een k o r t a f s t a n d s b e r e i k , het L F - d e e l een laag oplossend v e r m o g e n en groter a f s t a n d s b e r e i k . H e t h o o g f r e q u e n t e deel dient d a n v o o r v o e d s e l o p s p o r i n g en " d i c h t b i j n a v i g a t i e " , t e r w i j l het 20 k H z deel zorgt v o o r adequate navigatie o p enige a f s t a n d v a n de k u s t . O f s c h o o n d o o r deze g e v o l g t r e k k i n g het p r o b l e e m v a n s t r a n d i n g niet v e r k l a a r d w o r d t , k u n n e n we niet v o o r b i j g a a n aan het f e i t dat Phocoena
als k u s t b e w o n e r is toegerust met een zeer speci-
f i e k sonarsignaal, dat (nog) niet is a a n g e t r o f f e n b i j pelagische d o l f i j n e n . 2. Delphinapterus
leucas
- de
Beluga
B i j de beluga t r e f f e n we eveneens een t w e e - c o m p o n e n t e n sonarsignaal aan m e t f r e q u e n ties v a n resp. 1,6 k H z en 60 k H z . H e t i n f i g u u r 2 afgebeelde sonarsignaal als t i j d f u n k t i e w e r d geregistreerd te D u i s b u r g v a n reeds 9 j a a r i n gevangenschap levende d i e r e n . O p te m e r k e n v a l t dat de beluga eveneens een k u s t b e w o n e r is en i n o n d i e p water v a n de a r c t i sche k u s t e n l e e f t . 3. Sotalia
fluviaülis
M e t de kennis over de twee bovengenoemde bestudeerd v a n Sotalia
fluviatilis
guianensis,
kustbewoners is vervolgens het signaal
een Z u i d a m e r i k a a n s e k u s t b e w o n e n d e d o l -
f i j n . I n eerste o o g o p s l a g is het t w e e - c o m p o n e n t e n aspect niet te zien i n de t i j d f u n k t i e . E e n f r e q u e n t i e a n a l y s e laat echter zien w a t hier aan de h a n d is: ( f i g u u r 3) een L F c o m p o n e n t v a n 30 k H z en een H F - c o m p o n e n t v a n 96 k H z . Z o n d e r de v o o r a f g a a n d e kennis z o u d i t resultaat niet zo e e n v o u d i g naar v o r e n z i j n g e k o m e n . H o e w e l enigszins speculatief, k o m t n u de v e r o n d e r s t e l l i n g naar v o r e n o f b i j d o l f i j n e n i n k u s t w a t e r e n het t w e e - c o m p o n e n t e n sonargedrag algemeen aanwezig m a g w o r d e n v e r o n d e r s t e l d . 4. Tursiops
truncatus
D e veel b e s p r o k e n en bestudeerde t u i m e l a a r is eveneens v o o r n a m e l i j k een k u s t b e w o n e r .
109
1 1
sonar c l i c k from Tursiops aduncus recorded dec.6, 1982 i n the Oceanarium Jakarta s u b j e c t MIRAH 0 +
(
Figuur
time d u r a t i o n 40 ysec dominant f r e q . 54 kHz
5.
Sonarpuls van de Indo-pacifisclie tuimelaar T u r s i o p s aduncus. De dotninante ligt bij 54 kHz, de tijdsduur is ca. 40 usee.
Figuur
frequentie
6.
Het sonarsignaal van de vinloze bruinvis N e o p h o c a e n a phocaenoides van de kustpopulatie. Het spectrum (op logaritmische amplitudeschaal) wijst op een frequentie van 125 kHz.
Japanse dominante
Is hier o o k een b i - f r e q u e n t e sonar aanwezig? E e n visuele inspectie v a n het t i j d s i g n a a l geeft evenals b i j de Sotalia geen d u i d e l i j k e a a n w i j z i n g , t e r w i j l de f r e q u e n t i e a n a l y s e niet meer d a n een v e r b r e d i n g v a n het s p e c t r u m te zien geeft, i n plaats v a n twee d u i d e l i j k gescheiden c o m p o n e n t e n ( f i g u u r 4 ) . O o k het signaal v a n de i n d o p a c i f i s c h e t u i m e l a a r T. aduncus,
geregistreerd v a n
een
dier i n gevangenschap te J a k a r t a , v e r t o o n t geen t w e e - c o m p o n e n t e n sonargedrag ( f i g u u r
5. Neophoecaena
phocaenoides
- de vinloze b r u i n v i s
E e n r e c e n t e l i j k i n J a p a n ( T o b a a q u a r i u m ) bestudeerde k u s t b e w o n e n d e d o l f i j n , de r u g v i n l o z e b r u i n v i s , v e r t o o n t u i t de registratie v a n vier e x e m p l a r e n slechts é é n f r e q u e n t i e c o m p o n e n t en w e l b o v e n 100 k H z . ( f i g u u r 6).
no
Conclusies V a t t e n we b o v e n v e r m e l d e gegevens over Icustbewonende d o l f i j n e n samen o m i n altoestische z i n iets over de betelcenis v a n het sonarsignaal i n relatie t o t het verschijnsel " s t r a n d i n g " te c o n c l u d e r e n , d a n m o e t helaas vastgesteld w o r d e n dat o p d i t m o m e n t een duidelijlce u i t s p r a a l i niet mogelijlc is. O m enig i n z i c h t i n de betekenis en het gedrag v a n het sonarsysteem b i j s t r a n d i n g te v e r k r i j g e n , is het n o o d z a k e l i j k o m te b e s c h i k k e n over het sonarsignaal v a n pelagische ( d i e p w a t e r ) d o l f i j n e n . D a n zal u i t een v e r g e l i j k i n g v a n beide signaaltypen m o g e l i j k een a a n w i j z i n g gevonden k u n n e n w o r d e n o f de sonar v a n deze s o o r t e n zich al d a n niet leent als n a v i g a t i e m i d d e l i n k u s t w a t e r e n . W e d i e n e n w e l te bedenken dat deze u i t s p r a a k u i t s l u i t e n d w o r d t gedaan o p g r o n d v a n signaalanalytische aspecten en n o g niet de cognitieve aspecten v a n sonarsystemen bevat. H e t is n l . niet o n d e n k b a a r dat we o o k met een zeker leergedrag b i j sonar te m a k e n hebben. E e n d u i d e l i j k e v e r a n d e r i n g v a n o m g e v i n g , o p e n zee versus k u s t w a t e r e n , k a n d a n v o o r de d o l f i j n een panieksituatie opleveren. T e r u g k o m e n d o p enige o p m e r k i n g e n o m t r e n t conclusies u i t o n d e r z o e k , i n d o l f i n a r i a gedaan, w o r d e n we n o g steeds g e c o n f r o n t e e r d met de vraag o f deze conclusies g e ë x t r a p o leerd k u n n e n w o r d e n naar het sonargedrag v a n d o l f i j n e n i n het w i l d , d . w . z . i n o p e n w a ter. I n het b i j z o n d e r is d i t b e l a n g r i j k i n d i e n we het p r o b l e e m v a n s t r a n d i n g e n v a n u i t akoestisch o o g p u n t bezien. D e vraag m o e t b e a n t w o o r d w o r d e n o f het sonarsignaal v a n een pelagische d o l f i j n i n gevangenschap een aanpassing aan de veranderde
akoestische
o m g e v i n g ondergaat. E r is echter v r i j w e l geen m a t e r i a a l geregistreerd dat een d e f i n i t i e v e u i t s p r a a k h i e r o v e r toestaat. E x p e r i m e n t e n v e r r i c h t d o o r de " D e l f t s e e q u i p e " ( T U - D e l f t ) t o n e n aan dat i n ieder geval v o o r de t u i m e l a a r w e l een conclusie g e t r o k k e n k a n w o r d e n die echter i n tegenspraak met de algemene v e r w a c h t i n g is, n l . dat een z o r g v u l d i g opgezet echolocatie-experiment i n gevangenschap een d u i d e l i j k ander signaal z o u k u n n e n opleveren d a n i n o p e n zee g e b r u i k t w o r d t . V e r w a c h t m o c h t w o r d e n dat i n ieder geval de i n tensiteit v a n het sonarsignaal i n gevangenschap b e d u i d e n d lager z o u z i j n i n v e r b a n d met de h a r d e reflecterende w a n d e n en de begrensde r u i m t e . E e n aanpassing v a n de d o m i n a n te f r e q u e n t i e is m o e i l i j k e r te o m s c h r i j v e n . W a t b e t r e f t de intensiteit h e e f t onderzoek d o o r de T U - D e l f t v o o r de kust v a n Bretagne ( 1 9 8 5 / 8 6 ) , waar het sonarsignaal v a n een i n het w i l d levende t u i m e l a a r is geregistreerd, a a n g e t o o n d dat ten opzichte v a n gevangenschap het sonarsignaal g e l i j k o f m i n d e r v a n intensiteit is. W a t b e t r e f t de s t r u c t u u r v a n het sonarsignaal is de w i l d e t u i m e l a a r q u a g o l f v o r m v a n het signaal niet te onderscheiden v a n z i j n s o o r t g e n o o t Tursiops
truncatus
i n gevangenschap. Figuur
7 t o o n t het signaal
v a n de t u i m e l a a r v o o r de k u s t v a n Bretagne (Jeanne L o u i s e g e n o e m d ) .
JEAtSttSTE
Figuur Het
7.
sonarsignaal
op 2 juli 80
L O U I S E
kHz.
van de tuimelaar
1985 voor
de kust
9 Jeanne
van Bretagne.
Louise
(totale
De dominante
lengte
frequentie
3,5 m.)
geregistreerd
Ugt in de orde
van
AO
Figuur
BO
8.
De onzelcerlieidsrelatie van Gabor ondergrens. De Bretonse tuimelaar waarde van At. Af =J,05.
voor een drietal sonarsignalen t.o.v. de theoretische Jeanne Louise benadert deze grens het meest met een
N a a r a a n l e i d i n g v a n deze eerste conclusie is een v e r v o l g o n d e r z o e k uiterst gewenst, met n a m e v o o r andere d o l f i j n t y p e n en d a n i n het b i j z o n d e r de spectaculaire p o t v i s . B i j de s i g n a a l v e r g e l i j k i n g v o o r de w i l d e , m e t de i n gevangenschap gehouden t u i m e l a a r is geb r u i k gemaakt v a n een s i g n a a l m o d e l en w e l het z g n . elementaire signaal v a n G a b o r . I n analytische v o r m k a n d i t signaal w o r d e n geschreven als;
f ( t ) = exp
(t - to)2
cos (2-ir {„{t - tg) - f
to = t i j d s t i p v a n o p t r e d e n v a n f ( t ) fo = d o m i n a n t e f r e q u e n t i e At = tijdsduur van f(t) (p = fase v a n fg ten o p z i c h t e v a n t^ V o o r iedere f ( t ) geldt dat A t . A f
>1,
het g e l i j k l e k e n w o r d t b e r e i k t v o o r een Gaussisch signaal. D o l f i j n s i g n a l e n h e b b e n n a m e l i j k de eigenschap dat de theoredsche ondergrens v o o r het p r o d u k t v a n t i j d s d u u r en bandbreedte, de zogenaamde onzekerheidsrelatie v a n G a b o r , v r i j d i c h t benaderd w o r d t . F i g u u r 8 g e e f t de relatie t i j d s d u u r / b a n d b r e e d t e aan v o o r een d n e t a l d o l f i j n e n , w a a r v a n de " w i l d e " t u i m e l a a r Jeanne L o u i s e het meest de ondergrens benadert. V a n z e l f s p r e k e n d k o m t d a n de v r a a g , z o u d i t m o d e l v o o r andere d o l f i j n e n d a n T u r s i o p s o o k toepasbaar z i j n , en zeer speculatief gesteld, z o u d i t een algemeen g e l d i g m o d e l z i j n v o o r de 66 soorten d o l f i j n e n ?
112
Literalinir A n d e r s e n , S. (1970). A u d i t o r y sensitivity o f the h a r b o u r p o r p o i s e P h o c o e n a p h o c o e n a . I n : G . P i l l e r i (ed.). Investigations
on Cetacea
II; 255-260.
Busnel, R . G . , A . Dziedzic & S. A n d e r s e n (1965). Seuils de p e r c e p t i o n d u s y s t è m e sonar d u M a r s o u i n P h o c o e n a p h o c o e n a L . en f o n c t i o n d u d i a m è t r e d ' u n obstacle f i l i f o r m e . C o m p t e s Rendus A c a d . Sc. Paris 260: 295-298. Busnel, R . G . , A . Dziedzic & B . Escudie (1969). A u t o c o r r é l a t i o n et analyse spectrale des signaux de deux e s p è c e s de C é t a c é s O n d o n t o c è t e s u t i l i s a n t les basses f r é q u e n c e s . C o m p t e s Rendus A c a d . Sc. Paris 269: 365-368. D a w s o n , W . W . (1980). T h e cetacean eye. I n : Cetacean tions.
behavior,
meclmnisms
and
func-
E d . L o u i s H e r m a n , W i l e y & Sons, N e w Y o r k : 53-101.
D u b r o v s k n , N . A . , P.S. K r a s n o v & A . A . T i t o v (1971). O n the emission o f e c h o l o c a t i o n signals b i j the A Z O V sea h a r b o u r P o r p o i s e . Soviet Physics A c o u s t i c s 16(4): 44-448. G r i f f i n , D . R . (1980). T h e early h i s t o r y o f research o n e c h o l o c a t i o n . I n : Animal Systems,
Sonar
E d . R . G . Busnel en J . F . F i s h , P l e n u m Press, N e w Y o r k : 1-11.
K a m m i n g a , C . & H . W i e r s m a (1981). Investigations o n Cetacean sonar I I : A c o u s t i c a l similarities a n d d i f f e r e n c e s i n odontocete sonar signals. A q . IVIamm. 8, n o . 2: 41-63. M o h l , B . & S. A n d e r s e n (1973). E c h o l o c a t i o n : h i g h - f r e q u e n c y c o m p o n e n t i n the c l i c k o f the h a r b o u r p o r p o i s e ( P h o c o e n a p h o c o e n a ) . J. A c o u s t . Soc. A m . 5 4 :
1368-1373.
N o r r i s , K . S . , J . H . Prescott, P . V . A s a - D o r i a n & P. P e r k i n s (1961). D e m o n s t r a t i o n o f e c h o l o c a t i o n b e h a v i o r i n bet p o r p o i s e T u r s i o p s t r u n c a t u s . B i o l . b u U . 120(2): 163-176. P r y o r , K . & I . K a n g (1980). Social behavior a n d school structure i n pelagic porpoises d u r i n g purse seining f o r t u n a . F i n a l r e p o r t o n N a t i o n a l M a r i n e Fisheries Service, C o n tract N o . 01-027-1034. S c h u s t e r m a n , R . J . (1988). C o g n i t i o n a n d e c h o l o c a t i o n o f d o l p h i n s . I n : Animal
Sonar.
Eds. P . E . N a c h t i g a l l & P . W . B . M o o r e , P l e n u m Press, N e w Y o r k : 707-715. W o o d , F . G . & W . E . Evans (1980). Adaptiveness a n d ecology o f e c h o l o c a t i o n i n t o o t h e d whales. I n : Animal Y o r k : 381-427.
Sonar
Systems,
Eds. R . G . Busnel & J . F . F i s h , P l e n u m Press, N e w
W A A R H O U D T W E T E N S C H A P OP? door W i m ,1. v a n der Steen
Inleiding V r o e g e r is er gedaclit dat de ideale wetenscliap v a n de t o e k o m s t é é n gelieel z o u v o r m e n , dat er é é n overkoepelende t l i e o r i e m o g e l i j k z o u z i j n die alles v e r k l a a r d e . D a a r g e l o o f t n u b i j n a n i e m a n d meer i n . W e hebben aUerlei disciplines n o d i g , en wetenschap k a n a l leen goed f u n c t i o n e r e n als die b e h o o r l i j k a f g e b a k e n d z i j n . M e t die a f b a k e n i n g gaat het echter o p het o g e n b h k niet zo g o e d . I n t e r d i s c i p h n a i r e i n tegratie is i n de m o d e , en die staat daar haaks o p . I k zal l a t e n zien dat het belang v a n integratie w o r d t o v e r d r e v e n , en dat bepaalde v o r m e n v a n integratie r o n d u i t slecht z i j n . D a a r t o e zal i k twee v o o r b e e l d e n analyseren, onderzoek over stress en o n d e r z o e k over altruïsme. Vervolgens zal i k de a f b a k e n i n g v a n disciplines b i n n e n wetenschap i n v e r b a n d brengen m e t een ander t h e m a , de grenzen tussen wetenschap en andere d o m e i n e n . Deze grenzen w o r d e n t e g e n w o o r d i g naar m i j n idee v a a k te strak g e t r o k k e n . Wetenschap v o r m t bep a a l d niet een erg scherp omschreven d o m e i n . I k zal dat toehchten d o o r analyse v a n een voorbeeld: homeopathie. D e aanpak die i k zal v o l g e n k a n w o r d e n omschreven als m e t h o d o l o g i s c h e analyse. M e t h o d o l o g i e i n de hier bedoelde z i n is een onderdeel v a n de w e t e n s c h a p s f i l o s o f i e . I n de b i o l o g i e en de geneeskunde, de disciphnes w a a r i k m e o p richt, is m e t h o d o l o g i e zwaar o n d e r v e r t e g e n w o o r d i g d . D a a r d o o r k r i j g e n de t h e m a ' s die i k a a n s n i j d niet de aandacht die ze v e r d i e n e n . Stress V e e l mensen hebben t e g e n w o o r d i g last v a n stress. V o o r de gezondheidszorg is stress een u h e r m a t e b e l a n g r i j k gegeven. M a a r w a t is stress e i g e n l i j k ? K a n de wetenschap die vraag b e a n t w o o r d e n ? E e n v o u d i g zal dat niet z i j n , w a n t we zullen meer d a n é é n d i s c i p l i n e n o d i g h e b b e n . I n ieder geval b i o l o g i e en p s y c h o l o g i e . Eerst w i l i k o p m e r k e n dat w e t e n s c h a p p e l i j k e onderzoekers en m e t h o d o l o g e n o p de v r a a g w a t stress is v e r s c h i l l e n d z u l l e n reageren. E e n w e t e n s c h a p p e l i j k e o n d e r z o e k e r zal o v e r het a n t w o o r d gaan n a d e n k e n , een m e t h o d o l o o g over de v r a a g . I n d h geval z i j n er goede redenen o m over de vraag zelf na te d e n k e n , w a n t h i j is d u b b e l z i n n i g . W i e h e m steh k a n o p zoek z i j n naar f e h e n , m a a r het k a n o o k gaan o m een logische kwestie: w a t is de betekenis v a n het stressbegrip? B l i j k b a a r k a n het s c h i j n b a a r onschuldige w o o r d j e " i s " twee heel verschiUende relaties v e r t e g e n w o o r d i g e n . I k zal betogen dat m e n i n o n derzoek over stress niet goed onderscheid m a a k t tussen logische en f e i t e U j k e kwesties. L a t e n we het ons eerst e e n v o u d i g m a k e n . N i e t alleen mensen, en d i e r e n , h e b b e n last
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 5 maart 1990.
114
v a n stress. O o k p l a n t e n staan er aan b l o o t . E n v o o r i d e e ë n over p l a n t e n hebben we de psychologie niet n o d i g . L a t e n we eens k i j k e n w a t b o t a n i c i over stress te m e l d e n hebben. Stress h e e f t n a t u u r l i j k iets met het m i l i e u te m a k e n , d a a r o m h o o r t de bestudering ervan t o t de p l a n t e n o e c o l o g i e . P l a n t e n o e c o l o g e n hebben geconstateerd dat alle m o g e l i j k e m i h e u f a c t o r e n stress k u n n e n v e r t e g e n w o o r d i g e n . P l a n t e n hebben v o e d i n g s s t o f f e n n o d i g , een geschikte hoeveelheid l i c h t , geschikte t e m p e r a t u r e n , en ga zo m a a r d o o r . H e t l i j k t dus r e d e l i j k o m te veronderstellen dat een m i h e u w a a r i n een o f meer v a n d e r g e l i j k e f a c t o r e n een extreme waarde hebben stress v e r t e g e n w o o r d i g t . L a t e n we eens een v o o r b e e l d n e m e n . Een p l a n t k a n alleen groeien o p g r o n d waar v o l doende v o e d i n g s s t o f f e n i n z h t e n . A r m e g r o n d v e r t e g e n w o o r d i g t stress. W a a r u h zal dat b l i j k e n ? O p a r m e g r o n d zal de biologische p r o d u c t i e n a t u u r l i j k laag z i j n . D a t betekent dat p l a n t e n er niet h a r d z u l l e n groeien. W i e h a r d groeit p u t de b o d e m u i t , en legt al g a u w het l o o d j e o m d a t er niet v o l d o e n d e voedsel meer is. D a a r o m k o m e n o p a r m e g r o n d a l leen soorten v o o r die een lage groeisnelheid hebben. I n p r i n c i p e z i j n we met deze gedachtengang een wetmatige
relatie
en een wetenschap-
p e l i j k e v e r k l a r i n g d a a r v a n o p het spoor. E r bestaat een algemene relatie tussen een m i heueigenschap, de hoeveelheid voedsel, en een eigenschap v a n p l a n t e n , de groeisnelheid. P l a n t e n i n voedselarme miheus z i j n slechte groeiers. De relatie w o r d t v e r k l a a r d d o o r de o v e r w e g i n g dat snelle groeiers niet v o o r k o m e n o p arme g r o n d o m d a t ze die te snel z o u den u h p u t t e n . V o o r langzame groeiers geldt dat n i e t . Onze w e t m a t i g h e i d h e e f t een n o g a l specifiek k a r a k t e r , en i n de wetenschap z i j n we g e ï n t e r e s s e e r d i n algemene
w e t t e n en t h e o r i e ë n . H o e z o u d e n we meer algemeenheid k u n -
nen bereiken? H e t l i g t v o o r de h a n d o m eerst te p r o b e r e n p l a n t e n en m i l i e u s algemener te k a r a k t e r i s e r e n , en vervolgens o p zoek te gaan naar algemene, w e t m a d g e relaties tussen p l a n t en m i l i e u . D a t is de weg die de p l a n t e n o e c o l o o g G r i m e (1979) bewandelde. H i j f o r m u l e e r d e een t h e o r i e over relaties tussen p l a n t en m i h e u die veel i n v l o e d h e e f t i n de plantenoecologie. G r i m e deelde p l a n t e n en m i l i e u s is i n algemen c a t e g o r i e ë n , en h i j g i n g n a w a t de relaties z i j n tussen de twee t y p e n c a t e g o r i e ë n . Z o onderscheidde h i j een categorie v a n extreme m i l i e u s die stress
v e r t e g e n w o o r d i g e n . E n h i j stelde dat i n m i l i e u s die d a a r t o e b e h o r e n
p l a n t e n v o o r k o m e n die we stress-toleratoren k u n n e n n o e m e n . D e specifieke w e t m a t i g h e i d die i k besprak - p l a n t e n i n voedselarme m i l i e u s z i j n slechte groeiers - w o r d t n u een b i j z o n d e r geval v a n een algemenere w e t m a t i g h e i d - p l a n t e n i n stress-milieus z i j n stresstoleratoren. D a t k l i n k t g o e d , m a a r er z i t een a d d e r t j e onder het gras. H o e z o u j e een b e g r i p als "stress-tolerator"
k u n n e n definiëren!
G r i m e beschouwt eigenschappen zoals lage p r o -
d u c t i e (langzame groei) als d e f i n i ë r e n d v o o r stress-toleratoren.
Welke
eigenschappen
zouden k a r a k t e r i s t i e k z i j n v o o r stress als m i l i e u f a c t o r ? D a t is een lastige v r a a g . Stressm i l i e u s v o r m e n een heterogene categorie, het is de vraag o f ze eigenschappen
gemeen-
s c h a p p e l i j k h e b b e n . M a a r de p l a n t e n die erin v o o r k o m e n hebben w è l eigenschappen gem e e n s c h a p p e l i j k . D e n k m a a r aan de lage groeisnelheid. G r i m e d e f i n i e e r t d a a r o m streesm i l i e u s w a a r i n p l a n t e n v o o r k o m e n m e t eigenschappen zoals een lage groeisnelheid. E e n v o o r de h a n d liggende o p l o s s i n g . M a a r n u gebeurt er iets vervelends. Onze algemene wet - p l a n t e n i n stress-milieus z i j n stress-toleratoren - h o u d t n u i n dat i n m i l i e u s w a a r i n de groeisnelheid laag is p l a n t e n m e t een lage groeisnelheid v o o r k o m e n . W e l n u , dat z a l n i e m a n d verbazen. K e n n e l i j k z i j n hier w e t e n s c h a p p e l i j k e begrippen nieerd dat we tautologische
zo g e d e f i -
w e t m a t i g h e d e n k r i j g e n , en dat is o n t o e l a a t b a a r ( v o o r een
uhgebreidere analyse, zie V a n der Steen en Scholtens, 1985). D e m o e i l i j k h e d e n w o r d e n v e r o o r z a a k t d o o r het o n t b r e k e n v a n een goed onderscheid tussen logische en f e i t e l i j k e kwesties. Stress-toleratoren zijn
p l a n t e n die i n stress-miheus v o o r k o m e n . H e t w o o r d j e
115
" z i j n " staat hier tegelijlc v o o r een logische relatie en een feitelijlce relatie, en dat is ontoelaatbaar. H o e moet het d a n wel? Volgens m i j moeten we helemaal niet p r o b e r e n o m al die extreme milieus onder é é n noemer te brengen. Z o v e e l hebben ze niet gemeen. L a t e n we tevreden z i j n met naar v e r h o u d i n g specifieke u i t s p r a k e n over de a f z o n d e r l i j k e m i h e u t y p e n , en niet p r o b e r e n een algemene theorie over stress te o n t w i k k e l e n .
Genoeg over p l a n t e n . H o e zit het met stress b i j mens en dier? A l s we daar goed over w i l l e n d e n k e n hebben we verschillende disciplines n o d i g , en dat zal het opstellen v a n a l gemene t h e o r i e ë n niet eenvoudiger m a k e n . L a t e n we eens k i j k e n w a t onderzoekers hierover d e n k e n . I n de geneeskunde w e r d b e l a n g r i j k b i o l o g i s c h onderzoek over stress gedaan d o o r Selye i n de j a r e n d e r t i g en later ( v o o r een o v e r z i c h t zie Selye, 1983). H i j n a m waar dat r a t t e n o p heel verschillende schadelijke s t i m u h , stressoren (honger, k o u , i n f e c t i e , e n z o v o o r t ) , met eenzelfde respons reageren. H a r t s l a g , a d e m h a h n g en spierspanning w o r d e n anders. O o k z i j n er k a r a k t e r i s t i e k e v e r a n d e r i n g e n i n het zenuwstelsel, en i n h o r m o o n c o n c e n t r a ties. Selye sprak v a n een stress-respons. D e biologische betekenis d a a r v a n is goed te b e g r i j p e n . H e t Hchaam w o r d t onder o n gunstige o m s t a n d i g h e d e n i n een staat v a n p a r a a t h e i d gebracht. H e t organisme k a n daard o o r gevaar het h o o f d bieden, het k a n v l u c h t e n o f vechten. M a a r wanneer v l u c h t e n o f vechten niet m o g e l i j k is, en de schadelijke p r i k k e l s b l i j v e n bestaan, gaat het m i s . M a a g zweren en andere k w a l e n k u n n e n het gevolg z i j n . O o k hier l i j k e n we een algemene w e t m a t i g h e i d o p het spoor te z i j n : stressoren v e r o o r zaken een stress-respons. E n o o k hier zit een a d d e r t j e onder het gras. A l s we m e t onze w e t m a t i g h e i d bedoelen dat heel verschillende s t i m u l i een stress-respons v e r o o r z a k e n is er niets aan de h a n d . M a a r de u i t d r u k k i n g " h e e l v e r s c h i l l e n d e " is niet erg i n f o r m a t i e f . O m een echte wet te k r i j g e n z o u d e n we een nadere specificatie w i l l e n geven. W a t hebben al die stressoren gemeen? N i e t zo veel. H e t b e l a n g r i j k s t e gemeenschappelijke k e n m e r k is dat ze een stressrespons v e r o o r z a k e n . M a a r als we " s t r e s s o r " d e f i n i ë r e n als " v e r o o r zaker v a n een stressrespons" w o r d t onze w e t m a t i g h e i d een t a u t o l o g i e , net als i n het p l a n t e n v o o r b e e l d . O o k hier is m i j n conclusie dat we er goed aan d o e n specifieke theor i e ë n te o n t w i k k e l e n v o o r a f z o n d e r l i j k e f a c t o r e n . H e t is niet w i j s o m te streven n a a r een algemene w e t e n s c h a p p e l i j k e theorie over stress. N a a r een d e r g e l i j k e t h e o r i e w o r d t niettem i n o p g r o t e schaal w è l gestreefd. I n de laatste d e c e n n i ë n hebben niet alleen b i o l o g e n maar o o k p s y c h o l o g e n veel o n d e r zoek over stress gedaan. T e r w i j l Selye v o o r a l aandacht g a f aan de stress-respons, r i c h t ten p s y c h o l o g e n h u n aandacht meer o p de s d m u h die de respons v e r o o r z a k e n , en op i n terne toestanden v a n het organisme die een r o l spelen. D e n k i n d i t v e r b a n d b i j v o o r b e e l d aan emoties.
V o o r a l i n de psychosomatische geneeskunde v o n d m e n het bestaan v a n twee aparte onderzoekstradities o n b e v r e d i g e n d . A l o m is de stelling verdedigt dat integratie
interdisciplinaire
n o d i g is w i l l e n we een goede, algemene theorie over stress i n h a n d e n k r i j g e n .
W i e de gepresenteerde i n t e r d i s c i p l i n a i r e t h e o n e ë n n a u w k e u r i g analyseert k o m t echter t o t een o n t h u t s e n d e o n t d e k k i n g . E r is sprake v a n een g e ï n t e g r e e r d stress-begrip. H e t b e g r i p w o r d t vastgelegd o n d e r v e r w i j z i n g naar s t i m u h en i n t e r n e toestanden en responsen ( v o o r een u i t g e b r e i d e analyse zie V a n der Steen en T h u n g , 1988). T e g e l i j k e r t i j d p r o b e e r t m e n w e t m a t i g e relaties tussen deze elementen te v i n d e n . , M a a r zoiets k a n helemaal n i s t . D e relaties w a r e n al gegeven met het
begrippenapparaat.
116
Altruïsme De algemene t h e o r i e ë n over stress die i k problematiseerde v e r t e g e n w o o r d i g e n w a t i k speudo-integratie
z o u wiUen n o e m e n . Pseudo-integratie k a n zoals het v o o r b e e l d laat zien
v o o r k o m e n b i n n e n é é n discipline, m a a r k a n o o k verscheidene disciphnes o m v a t t e n . I n veel gevallen v e r o o r z a a k t o n z o r g v u l d i g e b e g r i p s v o r m i n g de p r o b l e m e n . M i j n i n d r u k is dat het o m een algemeen v e r s c h i j n s e l gaat. T e r i l l u s t r a t i e geef i k een tweede v o o r b e e l d , dat gaat over a l t r u ï s m e i n de s o c i o b i o l o g i e en andere vakgebieden. Sinds de b i o l o o g W i l s o n i n 1975 z i j n h a n d b o e k " S o c i o b i o l o g y " pubhceerde hebben veel h e f t i g e discussies gewoed over de relevantie v a n s o c i o b i o l o g i e v o o r het b e g r i j p e n van gedrag v a n mensen. S o c i o b i o l o g e n suggereren r e g e l m a t i g dat ze d a a r heel w a t over te zeggen h e b b e n , en daar k o m e n sociale wetenschappers tegen i n o p s t a n d . A l t r u ï s m e is é é n v a n de t h e m a ' s die aan de o r d e z i j n . S o c i o b i o l o g e n suggereren soms d a t z i j v a n u i t evolutionair
perspectief
een beter zicht hebben o p het o n d e r w e r p d a n sociale weten-
schappers en e t h i c i . I n grote l i j n e n redeneren ze d a a r b i j als v o l g t . V o o r z o v e r a l t r u ï s t i s c h gedrag v o o r k o m t b i j mensen w o r d t het k e n n e l i j k begunstigd d o o r n a t u u r l i j k e selectie, en dat h o u d t onder andere i n d a t het genetisch b e p a a l d is. H e t zal m o e t e n g a a n o m een g e d r a g s v o r m die e v o l u t i o n a i r v o o r d e U g is i n die z i n dat w i e z i c h a l t r u ï s t r i s c h gedraagt meer n a k o m e h n g e n h e e f t d a n w i e d i t niet doet. E n n a t u u r l i j k z a l deze g e d r a g s v o r m alleen b l i j v e n bestaan wanneer k i n d e r e n de neiging o m a l t r u ï s t i s c h te z i j n v a n h u n ouders erven. N u l i j k t het v r e e m d dat a l t r u ï s m e t o t meer n a k o m e l i n g e n z o u l e i d e n . E r z i j n d a a r o m speciale t h e o r i e ë n n o d i g o m deze v o r m v a n gedrag te v e r k l a r e n . G e l u k k i g b e s c h i k t de b i o l o g i e over z u l k e t h e o r i e ë n . O m te beginnen k u n n e n we b e g r i j p e n dat het h e l p e n v a n v e r w a n t e n soms v o o r d e U g is. A l s ons a h r u ï s m e h u n v o o r t p l a n tingskansen v e r g r o o t , w o r d t de v e r s p r e i d i n g v a n onze eigen genen o o k b e v o r d e r d . Per slot v a n r e k e n i n g gaat het o m v e r w a n t e n , die v o o r een b e l a n g r i j k deel d e z e l f d e genen h e b b e n als w i j . D e t h e o r i e v a n de verwantenselectie ( H a m i l t o n , 1946) k a n dus i n ieder geval s o m m i g e v o r m e n v a n a l t r u ï s m e v e r k l a r e n . M a a r o o k a h r u ï s t i s c h gedrag tegenover n i e t - v e r w a n t e n is soms e v o l u t i o n a i r v o o r d e l i g , n a m e l i j k wanneer de begunstigde als gev o l g v a n ons gedrag een meer a l t r u ï s t i s c h e h o u d i n g tegenover onszelf aanneemt.
De
t h e o r i e v a n het w e d e r k e r i g a l t r u ï s m e ( T r i v e r s , 1971) b i e d t dus een tweede v e r k l a r i n g s m o g e l i j k h e i d . I n de g r o n d v a n de zaak zeggen beide t h e o r i e ë n dat er niet sprake is v a n " e c h t " a l t r u ï s m e . Daarom
v o r m t a l t r u ï s m e b i j nader i n z i e n niet een p r o b l e e m v o o r de
b i o l o g i e . E c h t a l t r u ï s m e k o m t g e w o o n zelden o f n o o i t v o o r . V o o r het n a a r w a a r d e schatten v a n deze r e d e n e r i n g is het gewenst o m even s t i l te staan b i j een paar sleutelbegrippen. O m te b e g i n n e n genetische
bepaaldheid.
Z o u het echt w a a r
z i j n dat a l t r u ï s t i s c h gedrag genetisch b e p a a l d is? M e t z o ' n v r a a g m o e t j e g e w e l d i g u i t k i j ken.
L a a t i k een paar eenvoudige v o o r b e e l d e n geven o m dat te v e r d u i d e l i j k e n .
D e o o g k l e u r v a n mensen is een t y p i s c h v o o r b e e l d v a n een eigenschap d i e m e n "genet i s c h b e p a a l d " n o e m t . N u z i j n v o o r het k r i j g e n v a n b r u i n e o f b l a u w e o g e n i n d e r d a a d bepaalde genetische f a c t o r e n n o d i g , m a a r net zo goed o m g e v i n g s f a c t o r e n zoals voedsel, z u u r s t o f , en ga zo m a a r d o o r . Iets d e r g e l i j k s geldt v o o r alle eigenschappen. T o c h z i j n we geneigd o o g k l e u r genetisch b e p a a l d te n o e m e n en andere eigenschappen n i e t . W a t v e r k l a a r t deze t e g e n s t r i j d i g h e i d ? D e sleutel v a n de oplossing is dat we v o o r een n a u w k e u r i g e d e f i n i t i e v a n de b e g r i p p e n " g e n e t i s c h b e p a a l d " en " o m g e v i n g s b e p a a l d " niet m o e t k i j k e n naar eigenschappen v a n i n d i v i d u e l e o r g a n i s m e n , m a a r naar verschillen
i n eigenschappen tussen o r g a n i s m e n . I k
heb b r u i n e o g e n . A l s u b l a u w e o g e n hebt, d a n m o g e n we zeggen d a t het v e r s c h i l i n o o g k l e u r tussen ons het gevolg is v a n een genetisch verschil. Iets d e r g e l i j k s z a l gelden v o o r alle v e r s c h i l l e n i n o o g k l e u r tussen mensen. D a t is de betekenis v a n de s t e l l i n g dat o o g k l e u r genetisch bepaald is.
117 D e meeste eigenschappen z i j n niet " g e n e t i s c h b e p a a l d " i n deze z i n , en oolc niet " o m g e v i n g s b e p a a l d " . Denlc b i j v o o r b e e l d aan huidslcleur. H e t verschil i n huidslcleur tussen een neger en een b l a n k e is genetisch b e p a a l d , het k o m t v o o r t u i t een genetisch verschil. M a a r verschillen tussen vacantiegangers en t h u i s b l i j v e r s z u l l e n v a a k v o o r t k o m e n u i t o m gevingsverschillen. H u i d s k l e u r is dus niet "genetisch
bepaald".
N u gaan m e n i n g s v e r s c h i l l e n tussen s o c i o b i o l o g e n en sociale wetenschappers v a a k over de v r a a g o f gedragingen zoals a l t r u ï s m e al d a n niet genetisch bepaald z i j n . W e k u n n e n alleen m a a r c o n c l u d e r e n d a t de v r a a g i n deze algemene v o r m niet z i n n i g is. D e v e r s c h i l l e n i n gedrag die we i n een bepaalde situatie a a n t r e f f e n z u l l e n i n een bepaalde m a t e het g e v o l g z i j n v a n v e r s c h i l l e n i n e r f e l i j k e f a c t o r e n resp. m i h e u f a c t o r e n . M a a r i n een andere situatie k a n de v e r h o u d i n g tussen de b i j d r a g e n v a n e r f e l i j k h e i d en m i h e u heel anders z i j n . Algemene u i t s p r a k e n over de genetische bepaaldheid v a n gedrag z u l l e n dus v a a k wenselijk noch mogelijk z i j n . A l weer w o r d e n we g e c o n f r o n t e e r d m e t de n o o d z a a k o m de w a a r d e v a n algemene t h e o r i e ë n te r e l a t i v e r e n . I n veel gevallen hebben we veel meer aan specifieke t h e o r i e ë n m e t m i n d e r pretenties. B i j de sociobiologische k i j k o p a l t r u ï s t i s c h gedrag v a l l e n o o k andere k r h i s c h e n o t e n te plaatsen. I k k a n hier niet v o l l e d i g z i j n , en zal m a a r é é n ander p u n t n o e m e n ( v o o r een uitgebreidere analyse k a n m e n V o o r z a n g e r , 1987, raadplegen). I n de s o c i o b i o l o g i e h e e f t het b e g r i p " a l t r u ï s m e " de volgende specifieke betekenis. E e n o r g a n i s m e y l gedraagt z i c h a l t r u ï s t i s c h t e n o p z i c h t e v a n een organisme B wanneer A slechtere, en B betere, kansen h e e f t o p v o o r t p l a n t i n g . W e m o e t e n ons w e l reahseren dat het b e g r i p i n het gewone s p r a a k g e b r u i k , en i n de sociale wetenschappen en de ethiek, een t o t a a l andere betekenis h e e f t . H i e r zal het n i e t p r i m a i r g a a n o m v o o r t p l a n t i n g als m a a t s t a f . B o v e n d i e n w o r d t het b e g r i p v e r b o n d e n m e t intenties en m o t i e v e n , en daar zal de a a n d a c h t v a n de b i o l o o g niet direct naar u i t g a a n . A l l e e n a l d a a r o m m o e t e n biologische v e r k l a r i n g e n v a n a l t r u ï s m e i n de gewone betekenis v a n het w o o r d m e t een k h n k e k o r r e l z o u t w o r d e n genomen. H e t ziet er naar u i t dat e v o l u t i o n a i r e t h e o r i e ë n over a l t r u ï s m e w a a r b i j verschiUende disciphnes w o r d e n v e r b o n d e n een psuedo-integratie v e r t e g e n w o o r d i g e n die w o r d t gevoed door onzorgvuldige begripsvorming. Algemeenheid,
interdisciplinariteit
en
toetsbaarheid
D e v o o r b e e l d e n die i k g a f w a r e n b e d o e l d als o p s t a p j e . I k z a l ze n u i n een m e t h o d o l o g i s c h k a d e r plaatsen. I n wetenschap is het streven naar algemeenheid
een b e l a n g r i j k e
richtlijn.
m e e n h e i d m o e t e n we aan minstens d r i e d i n g e n d e n k e n . I n de eerste plaats
B i j algeuniversaliteU.
W e t e n s c h a p p e l i j k e t h e o r i e ë n v e r w i j z e n niet naar bepaalde i n d i v i d u e n , plaatsen o f t i j d e n . Z e zeggen dat bepaalde d i n g e n gelden v o o r alle i n d i v i d u e n , plaatsen en t i j d e n . D e u i t d r u k k i n g " a l l e " g e e f t aan dat we te m a k e n hebben m e t u n i v e r s a h t e i t als logische v o r m . I n de tweede plaats algemeenheid
als tegenhanger
van specificiteit.
De uitspraak
d a t alle p l a n t e n die o p a r m e g r o n d groeien een lage groeisnelheid h e b b e n is universeel, m a a r niet erg algemeen. H i j is o p een t r i v i a l e m a n i e r v a n toepassing o p alle p l a n t e n , m a a r g e e f t alleen i n f o r m a t i e over een b e p e r k t deel d a a r v a n . ( V g l . " V o o r alle
planten
g e l d t dat a f r ze o p a r m e g r o n d . . . " . D e u n i v e r s a l i t e h is gegeven m e t " a l l e " , de b e p e r k i n g m e t " a l s " . ) I n de derde plaats algemeenheid opgevat als algemene w a a r h e i d . I n t e c h n i sche t e r m e n : we v e r w a c h t e n v a n w e t e n s c h a p p e l i j k e u h s p r a k e n dat ze goed meerd
geconfir-
z i j n . I k z a l het b e g r i p h i e r n a ( t e n z i j anders v e r m e l d ) alleen i n de tweede betekenis
g e b r u i k e n o m v e r w a r r i n g te v o o r k o m e n . H e t g i n g i n de v o o r b e e l d e n v o o r a l o m algemeenheid i n deze betekenis. H e t h y p o t h e d -
118
sche s u m m u m v a n algemeenheid is een interdisciplinaire
integratie
w a a r b i j é é n weten-
schappelijlce t h e o r i e aUes te zeggen k r i j g t . M i j n o p m e r k i n g e n over de v o o r b e e l d e n z u l l e n w e l d u i d e l i j k g e m a a k t hebben d a t i k geen erg hoge v e r w a c h t i n g e n heb v a n algemeenheid i n deze z i n . Z u l k e v e r w a c h t i n g e n z i j n er i n d e r t i j d w e l geweest. I n de w e t e n s c h a p s f i l o s o f i e w e r d , t o e n het l o g i s c h p o s i t i v i s m e n o g h o o g t i j v i e r d e , gedacht dat wetenschap m o e t en k a n streven n a a r het s u m m u m v a n algemeenheid. M e n dacht d a a r b i j a a n een eenheid v a n wetenschappen, b e r e i k t d o o r reductie.
I n principe zou daarbij biologie volgen u i t
fysica, psychologie u i t biologie, enzovoort. I n deze v o r m v a n i n t e r d i s c i p l i n a i r e integratie g e l o o f t n i e m a n d meer. M a a r o o k andere, m i n d e r s t r a k k e , v o r m e n v a n i n t e g r a t i e z i j n d e n k b a a r , en t e g e n w o o r d i g is i n t e r d i s c i p l i n a i r e i n t e g r a t i e weer erg i n de m o d e . E r z i j n i n de laatste t i e n j a a r b i j v o o r b e e l d t a l v a n w e t e n s c h a p p e l i j k e t i j d s c h r i f t e n b i j g e k o m e n m e t titels als gie.
Psychoneuroendocrinolo-
I k v e r m o e d dat w a t d a a r i n v e r s c h i j n t v a a k pseudo-integratie v e r t e g e n w o o r d i g t .
E e n m e r k w a a r d i g gegeven is dat a l die integraties niet leiden t o t m i n d e r , m a a r t o t meer disciphnes. A l s we beginnen m e t 10 disciplines, en we c o m b i n e r e n die zo d a t we alle m o g e l i j k e t w e e t a l l e n k r i j g e n , d a n z i t t e n we a l m e t 45 nieuwe disciplines. E e n v e r o n t r u s t e n d e gedachte. N a a r m i j n idee h e e f t de w e t e n s c h a p s f i l o s o f i e hier een b e l a n g r i j k e t a a k . E r zal o p gewezen m o e t e n w o r d e n dat grenzen tussen disciphnes echt n o d i g z i j n , en dat het aant a l disciplines b i n n e n zekere p e r k e n z a l m o e t e n b l i j v e n . A l s we steeds m a a r nieuwe v a k k e n m a k e n d a n z u l l e n er oude m o e t e n v e r d w i j n e n . O o k binnen
disciplines z i j n de moge-
l i j k h e d e n o m algemeenheid te b e r e i k e n b e p e r k t . D a t is w a t b i j analyse v a n o n d e r z o e k over stress i n de plantenoecologie naar v o r e n k w a m . W a t i k naar v o r e n wUde brengen over algemeenheid i n de tweede betekenis is hiermee w e l gezegd. I k zal n u een b r u g slaan naar algemeenheid i n de derde betekenis. H i e r b i j gaat het o m de eis dat w e t e n s c h a p p e l i j k e u i t s p r a k e n " a l g e m e e n w a a r " o f , beter gezegd, g o e d g e c o n f i r m e e r d m o e t e n z i j n . C o n f i r m a t i e k o m t t o t stand d o o r t o e t s i n g . A a n c o n f i r m a t i e hgt dus toetsbaarheid
als f u n d a m e n t e l e eis ten g r o n d s l a g . V o o r i k het u h w e r k w i l
i k aandacht v r a g e n v o o r relaties tussen u n i v e r s a h t e i t , algemeenheid en t o e s t b a a r h e i d ( v o o r details k a n m e n V a n der Steen, 1982, raadplegen). T o e n het l o g i s c h p o s i t i v i s m e o p z i j n h o o g t e p u n t was, vatte m e n t o e t s b a a r h e i d o p als verifieerbaarheid.
M a a r onder i n v l o e d v a n P o p p e r z i j n f i l o s o f e n d a a r v a n t e r u g geko-
m e n . I n de wetenschap streven we naar universele u h s p r a k e n , en die z i j n niet v e r i f i e e r b a a r . E r z i j n a l t i j d niet-onderzochte gevallen, en die k u n n e n een s c h i j n b a a r w a a r b e v o n d e n universele u i t s p r a a k alsnog o n t m a n t e l e n . P o p p e r v e r v i n g d a a r o m v e r i f i e e r b a a r h e i d als t o e t s b a a r h e i d s p r i n c i p e d o o r falsifieerbaarheid.
H e t m o e t m o g e l i j k o m aan te t o n e n
d a t universele w e t e n s c h a p p e l i j k e u i t s p r a k e n o n j u i s t z i j n , als ze dat z i j n . M a a r o o k aan f a l s i f i e e r b a a r h e i d k l e v e n p r o b l e m e n . I k z a l er é é n n o e m e n . E e n algemene
universele u h -
s p r a a k die b i j toetsing d o o r de m a n d v a l t k u n n e n we a l t i j d r e d d e n d o o r h e m een meer specifieke
v o r m te geven.
W a n n e e r twee s o o r t e n i n eenzelfde gebied leven, en h e t z e l f d e voedsel n o d i g h e b b e n , d a n z a l een v a n beide s o o r t e n u i t het gebied v e r d w i j n e n . D a t is een universele u i t s p r a a k (lees: " v o o r alle p a r e n v a n twee s o o r t e n g e l d t . . . " ) die b e h o o r l i j k algemeen is. W a n n e e r we een u h z o n d e r i n g v i n d e n k a n dat a a n l e i d i n g z i j n o m de u i t s p r a a k w a t m i n d e r algem e e n te f o r m u l e r e n . W a n n e e r twee s o o r t e n i n eenzelfde gebied leven en h e t z e l f d e v o e d sel n o d i g h e b b e n , en voedsel i n beperkte m a t e aanwezig is, d a n z a l een v a n beide s o o r t e n u i t het gebied v e r d w i j n e n . W i e w a t verder d o o r d e n k t over d i t v o o r b e e l d z a l overigens a l snel t o t de conclusie k o m e n dat er n o g veel meer voetangels en k l e m m e n z i j n b i j het toetsen v a n w e t e n s c h a p p e l i j k e u h s p r a k e n . W e m o e t e n dus niet m i k k e n o p v e r i f i e e r b a a r h e i d , en al e v e n m i n o f f a l s i f i e e r b a a r h e i d . Confirmeerbaarheid
is het beste d a t we k u n n e n b e r e i k e n . N a z o r g v u l d i g e w e g i n g v a n be-
119
w i j s m a t e r i a a l dat v ó ó r respectievelijk tegen een w e t e n s c h a p p e l i j k e u i t s p r a a k p l e i t k u n nen we besluiten h e m te v e r w e r p e n o f , a l d a n niet na aanpassing, te accepteren. C o n f i r m e e r b a a r h e i d is een veel vager m e t h o d o l o g i s c h p r i n c i p e d a n v e r i e e r b a a r h e i d o f f a l s i f i e e r b a a r h e i d . D i t h e e f t g r o t e consequenties v o o r de afbakening andere
domeinen.
van wetenscfiap
en
H e t l i g t v o o r de h a n d o m de eis dat w e t e n s c h a p p e l i j k e u i t s p r a k e n
toetsbaar m o e t e n z i j n te beschouwen als een a f b a k e n i n g s p r i n c i p e . W a t w e l toetsbaar is k a n t o t wetenschap b e h o r e n , w a t niet toetsbaar is n i e t . A l s t o e t s b a a r h e i d niet een scherp c r i t e r i u m is zullen b i j g e v o l g o o k grenzen tussen wetenschap en niet-wetenschap, en tussen goede en slechte wetenschap, niet scherp z i j n . D e oudere w e t e n s c h a p s f i l o s o f i e , die v a n het l o g i s c h p o s i t i v i s m e , h a d als i d e a a l : het d o e n v e r d w i j n e n v a n grenzen tussen disciphnes b i n n e n het d o m e i n v a n wetenschap, en het b e w a k e n v a n grenzen tussen wetenschap en niet-wetenschap ( o n z i n , m e t a f y s i c a , r e h gie e.d.). H e t eerste deel v a n het ideaal bestreed i k h i e r v o o r . H e t tweede deel zal i k h i e r n a b e s t r i j d e n . D a a r t o e bespreek i k de tegenstelling tussen reguliere en alternatieve geneesk u n d e , w a a r b i j i k h o m e o p a t h i e als v o o r b e e l d neem ( i n meer u i t g e w e r k t e v o r m is het v o o r b e e l d b e s p r o k e n i n V a n der Steen en T h u n g , 1988; l i t e r a t u u r v e r w i j z i n g e n k a n m e n daarin vinden). Homeopathie A l t e r n a t i e v e geneeswijzen w i j k e n a f v a n gewone, " r e g u h e r e ' , geneeswijzen. I n w e l k o p zicht w i j k e n ze a f ? O p die v r a a g v a l t geen algemeen a n t w o o r d te geven, w a n t het gaat o m een heterogene categorie. M a a r we k u n n e n w e l zeggen dat het i n de meeste gevallen gaat o m geneeswijzen die niet o n d e r b o u w d z i j n m e t gangbare wetenschap. V o o r de beo o r d e h n g v a n alternatieve geneeswijzen zullen we ons d a n o o k m o e t e n bezig h o u d e n m e t w e t e n s c h a p p e l i j k h e i d als c r i t e r i u m . I k zal het m e g e m a k k e l i j k m a k e n d o o r een v o o r beeld te bespreken d a t n a a r v e r h o u d i n g d i c h t staat b i j reguhere geneeskunde: de h o m e o p a t h i e . A l l e r e e r s t v a t i k de p r i n c i p e s v a n de h o m e o p a t h i e k o r t samen. D e g r o n d p r i n c i p e s v a n de h o m e o p a t h i e w e r d e n i n de 18e eeuw g e f o r m u l e e r d d o o r Sam u e l H a h n e m a n n . H e t meest c e n t r a a l is het zogenoemde similia-principe.
S i m i h a simiU-
bus c u r a n t u r , g e l i j k geneest g e l i j k . E e n m i d d e l dat b i j gezonde personen s y m p t o m e n v a n een bepaalde ziekte o p r o e p t , is een goed m i d d e l o m die z i e k t é te b e s t r i j d e n . H a h n e m a n n f o r m u l e e r d e o o k het potentiëringsprincipe.
P o t e n t i ë r i n g is een b e p a a l d v e r d u n n i n g s p r o -
c é d é , w a a r b i j h o m o g e n i s e r e n en schudden een b e l a n g r i j k e r o l spelen. H e t p o t e n t i ë r i n g s p r i n c i p e h o u d t i n d a t de w e r k i n g v a n h o m e o p a t h i s c h e m i d d e l e n b i j v e r d u n n i n g k r a c h t i g e r w o r d t . D e twee p r i n c i p e s h e b b e n n o g steeds sleutelposides i n de h o m e o p a t h i sche leer. L a t e n w e , alvorens een o o r d e e l te geven over de h o m e o p a t h i e , eerst eens bezien h o e m e n i n de reguhere geneeskunde therapeutische behandeUngen o p h u n w a a r d e b e o o r deelt. H e t meeste v e r t r o u w e n z u l l e n we h e b b e n i n een b e h a n d e l i n g die aan twee eisen v o l d o e t . U i t t o e t s i n g m o e t gebleken^zijn dat de b e h a n d e l i n g e f f e c t i e f i s . E n er m o e t een t h e o r i e z i j n die 'zegt waarom
h i j d a t is. D e t h e o r i e z a l zelf toetsbaar m o e t e n z i j n , en n a
t o e t s i n g geaccepteerd. I k z a l v o o r a l o p de eerste eis i n g a a n . H o e k a n m e n toetsen o f een b e h a n d e h n g e f f e c t i e f is? N a t u u r l i j k is het n i e t v o l d o e n d e o m te constateren dat de p a t i ë n t n a b e h a n d e l i n g geneest. M i s s c h i e n z o u dat-oOk zonder b e h a n d e l i n g w e l z i j n g e b e u r d . W e h p b b e n dus een c o n t r o l e n o d i g . D a a r t o e z o u d e n we als v o l g t te w e r k k u n n e n g a a n . E e n a a n t a l p a t i ë n t e n m e t een bepaalde ziekte geven we de te b e o o r d e l e n b e h a n d e h n g , b i j v o o r b e e l d i n de v o r m v a n een b e p a a l d m e d i c i j n . E e h g r o e p andere p a t i ë n t e n w o r d t niet b e h a n d e l d . A l s de beh a n d e l d e p a t i ë n t e n snel beter w o r d e n , en de andere n i e t , d a n c o n c l u d e r e n we d a t het m e d i c i j n genezende w e r k i n g h e e f t .
120
Helaas zo e e n v o u d i g is het n i e t . M i s s c h i e n genazen de p a t i ë n t e n die het m e d i c i j n k r e gen w e l onder i n v l o e d v a n het plezierige idee dat ze behandeld w e r d e n , en h a d het m e d i c i j n helemaal geen e f f e c t . O m die m o g e l i j k h e i d u i t te sluiten m o e t e n we e r v o o r z o r g e n dat de p a t i ë n t e n niet weten o f ze al d a n niet behandeld w o r d e n . H e t o n d e r z o e k m o e t " b l i n d " z i j n . D a t k u n n e n we b i j v o o r b e e l d b e r e i k e n d o o r de niet behandelde p a t i ë n t e n een n e p - m e d i c i j n te geven, een z o g e n a a m d placebo.
M a a r o o k dat is niet genoeg. D e arts
k a n p a t i ë n t e n u i t de twee groepen o n b e w u s t verschiUend benaderen, en dat k a n i n v l o e d h e b b e n o p het genezingsproces. O o k de arts m o e t dus " b l i n d " z i j n . H i j m a g niet weten wanneer h i j echte p i l l e n g e e f t , en wanneer n e p p i l l e n . W e z i j n n u u i t g e k o m e n b i j de idealen m e t h o d o l o g i e v o o r toetsing i n de reguliere geneeskunde: e f f e c t i v i t e i t m o e t w o r d e n a a n g e t o o n d m e t dubbel-blind
onderzoek.
I n de h o m e o p a t h i e h e e f t d u b b e l - b h n d o n d e r z o e k m a a r i n beperkte m a t e plaatsgevond e n . E n de gevallen w a a r i n langs die weg een e f f e c t v a n h o m e o p a t h i s c h e m i d d e l e n leek te w o r d e n a a n g e t o o n d z i j n o m s t r e d e n . I n dat o p z i c h t staat de h o m e o p a t h i e dus niet sterk. D a a r k o m t n o g iets b i j . V o o r a l het p o t e n t i ë r i n g s p r i n c i p e staat haaks o p gangbare wetenschappelijke t h e o r i e ë n . M e n w e r k t v a a k m e t p r e p a r a t e n die zo sterk v e r d u n d z i j n dat v a n het geneesmiddel n a u w e l i j k s een m o l e c u u l i n de o p l o s s i n g aanwezig k a n z i j n . H o e k a n er d a n n o g w e r k z a a m h e i d z i j n ? H o m e o p a t e n v e r k l a r e n d i t d o o r aan te n e m e n dat de geneeskrachtige w e r k i n g v a n het p r e p a r a a t op de een o f andere m a n i e r w o r d t overgedragen aan het o p l o s m i d d e l . Deze m o g e l i j k h e i d w o r d t echter o p geen enkele m a n i e r o n d e r s t e u n d d o o r gangbare f y s i sche o f chemische t h e o r i e ë n , en h o m e o p a t e n h e b b e n geen alternatieve t h e o r i e o n t w i k k e l d . N a t u i i r l i j k b l i j f t het m o g e l i j k dat een d e r g e l i j k e t h e o r i e i n de t o e k o m s t z a l w o r d e n o n t w i k k e l d . V o o r a l s n o g r u s t de b e w i j s l a s t b i j h o m e o p a t e n . T e g e n w o o r d i g accepteren overigens l a n g n i e t alle h o m e o p a t e n het p o t e n t i ë r i n g s p r i n c i p e . M ö s s i n g e r (1984) staat er b i j v o o r b e e l d sceptisch tegenover. Hoe
z i t het m e t het s i m i l i a p r i n c i p e ? O o k h i e r v o o r geldt dat er geen o n d e r s t e u n i n g is
d o o r een c o n v e n t i o n e l e t h e o r i e . W e l is een alternatieve t h e o r i e o n t w i k k e l d d o o r de h o m e o p a a t V i t h o u l k a s (1980), m a a r die is zo vaag dat een gewone wetenschapper h e m als niet-toetsbaar z a l beschouwen ( v o o r een b e s c h r i j v i n g en b e o o r d e l i n g v a n de t h e o r i e , zie V a n der Steen en T h u n g , 1988). N u z i j n veel h o m e o p a t e n niet erg onder de i n d r u k v a n de a f w e z i g h e i d v a n o n d e r s t e u n i n g d o o r t h e o r i e ë n . Z i j z u l l e n de stelhng v e r d e d i g e n d a t de m o g e l i j k h e d e n v a n c o n v e n t i o n e l e t h e o r i e ë n v a n de geneeskunde o m te v e r k l a r e n w a t o p het n i v e a u v a n het hele o r g a n i s m e gebeurt erg b e p e r k t z i j n . D a a r k o m t b i j dat aUe o r g a n i s m e n u n i e k z i j n , iets w a a r m e e de reguliere geneeskunde naar h u n i n z i c h t te w e i n i g r e k e n i n g h o u d t . D e n a d r u k z o u d a a r o m niet zozeer m o e t e n v a l l e n o p de t h e o r i e , m a a r o p de e m p i r i e , opgevat als het d o m e i n v a n ervaringsgegevens dat de arts o p b o u w t i n het o m g a a n m e t i n d i v i d u e l e p a t i ë n t e n . " E r v a r i n g " staat hier v o o r een b e l a n g r i j k deel v o o r niet-rationele
kennis,
kennis w a a r we ons niet eens v a n bewust h o e v e n te z i j n . P o l a n y i
(1958) z o u s p r e k e n v a n " t a c i t k n o w l e d g e " , een v o r m v a n kennis die volgens h e m o o k i n gewone wetenschap een b e l a n g r i j k e r o l speelt. " I n t u ï t i e " l i j k t hier een geschikt woord. U i t deze s u m m i e r e weergave v a n de o p t i e k v a n h o m e o p a t e n k o m t é é n d i n g d u i d e l i j k n a a r v o r e n . W e z i j n w a t k o r t z i c h t i g als we een o o r d e e l vellen over de h o m e o p a t h i e o p basis v a n de m e t h o d o l o g i e v a n de reguhere geneeskunde. H o m e o p a t e n w e r k e n m e t een iets andere m e t h o d o l o g i e . D a a r o m z u l l e n we o o k m e t h o d o l o g i e ë n zelf m o e t e n b e o o r d e len. H o m e o p a t e n zuUen b i j v o o r b e e l d het s i m i h a - p r i n c i p e v e r d e d i g è n d o o r e r o p te w i j z e n d a t het i n de p r a k t i j k v a n artsen steeds weer bevestigd is gedurende een p e r i o d e v a n w e l twee eeuwen. E r is dus sprake v a n uitstekende c o n f i r m a t i e , en het o n t b r e k e n v a n een v e r k l a r e n d e w e t e n s c h a p p e l i j k e t h e o r i e doet daar niets aan a f . O p deze l i j n z i t b i j v o o r -
121
beeld M ö s s i n g e r . H i j geeft veel g e w i c h t aan die twee eeuwen v a n e r v a r i n g , al zegt h i j w e l m e t n a d r u k dat i n de h o m e o p a t h i e meer d u b b e l - b l i n d o n d e r z o e k n o d i g is. Vertegenwoordigers v a n de reguliere geneeskunde die de h o m e o p a t h i e a f w i j z e n geven niet veel v o o r die twee eeuwen v a n e r v a r i n g . E r is n a u w e l i j k s sprake v a n o b j e c t i e v e toetsing. Deze k r i t i e k is r e ë e l , m a a r h i j k a n als een b o e m e r a n g w e r k e n . K u n n e n we o o i t
alles
objectiveren? Nee n a t u u r l i j k . E r z i j n mensen die d e n k e n d a t we i n de geneeskunde t o t goede beslissingen k u n n e n k o m e n d o o r aUe relevante i n f o r m a t i e w a a r we i n een bepaalde situatie over b e s c h i k k e n i n een c o m p u t e r m o d e l te s t o p p e n , z o d a t we n i e t d o o r i n t u ï t i e k u n n e n w o r d e n m i s l e i d . M a a r een d e r g e l i j k e o n d e r n e m i n g h e e f t z i j n b e p e r k i n g e n . W i j z u l l e n m o e t e n bepalen w a t relevant is, w a t we w e l en w a t we n i e t i n een m o d e l s t o p p e n . O b j e c t i v i t e i t i n de v o r m v a n geheel mechanische b e s l u i t v o r m i n g is een f i c t i e (zie h i e r v o o r b i j v o o r b e e l d W a r t o f s k i , 1986). D a a r o m z o u de k r i t i e k dat h o m e o p a t e n o n t s p o r e n d o o r dat ze teveel g e b r u i k m a k e n v a n e r v a r i n g o f w e l i n t u ï d e evenzeer v a n toepassing k u n n e n z i j n o p reguliere geneeskunde. I k z a l daar é é n s p r e k e n d v o o r b e e l d v a n geven. U i t p s y c h o l o g i s c h o n d e r z o e k b l i j k t dat ons o o r d e e l s v e r m o g e n veel g r o t e r b e p e r k i n g e n h e e f t d a n we ons reahseren. Ons geheugen vertekent w a t we m e e m a a k t e n , we vergissen ons b i j g e t u i g e n v e r k l a r i n g e n , we bedriegen onszelf als we over ons eigen k a r a k t e r denken, en ga zo m a a r d o o r . V o o r ons o n d e r w e r p is v o o r a l b e l a n g r i j k dat we niet i n staat z i j n o m veel i n f o r m a t i e g o e d t e g e l i j k te v e r w e r k e n . U i t o n d e r z o e k d a t b e s p r o k e n w o r d t i n Faust (1984) k w a m b i j v o o r b e e l d naar v o r e n dat we u h e r s t w a n t r o u w i g m o e t e n staan tegenover de m a n i e r w a a r o p i n t e r n i s t e n o m s p r i n g e n m e t de e n o r m e hoeveelheden gegevens die ze t e g e n w o o r d i g b i j diagnoses g e b r u i k e n . D a t bleek u i t een z o r g v u l d i g opgezet o n d e r z o e k w a a r b i j twee groepen v a n i n t e r n i s t e n m e t elkaar w e r d e n vergeleken. D e ene groep
kreeg alleen algemene
i n f o r m a t i e over de p a d ë n t e n
(bijvoorbeeld leeftijd,
geslacht, aard v a n de k l a c h t ) . D e andere g r o e p h a d daarnaast o o k de b e s c h i k k i n g over de g e b r u i k e l i j k e l a b o r a t o r i u m - b e p a U n g e n en andere onderzoeksgegevens. E e n o n a f h a n k e l i j k e p r o c e d u r e v o o r het stellen v a n een diagnose was beschikbaar. N a g e g a a n w e r d , o f de twee groepen v e r s c h i l d e n i n de b e t r o u w b a a r h e i d v a n h u n diagnose. E r w e r d geen e n k e l v e r s c h i l g e v o n d e n . Faust concludeert h i e r u i t dat de hoeveelheid gegevens die i n t e r nisten i n r e k e n i n g m o e t e n brengen g e w o o n te g r o o t is. D e c o g n h i e v e vermogens v a n mensen z i j n daar niet tegen opgewassen. B i j g e v o l g z a l de diagnose v a n de i n t e r n i s t n o o d z a k e l i j k e r w i j s vaak het k a r a k t e r v a n een g o k h e b b e n , zonder d a t h i j z i c h dat reahseert. Faust p l e i t d a a r o m v o o r m e c h a n i s e r i n g v a n de b e s l u i t v o r m i n g . O n g e t w i j f e l d h e e f t h i j daarin gelijk, maar mechanisering heeft n a t u u r l i j k o o k z i j n beperkingen. B l i j k t u i t het o n d e r z o e k dat Faust bespreekt d a t we onze i n t u ï t i e v o o r a l m o e t e n w a n t r o u w e n ? I k denk het n i e t . M i j n i n d r u k is dat o o k d h o n d e r z o e k z i j n b e p e r k i n g e n h e e f t . E r b l i j k t u i t dat er m e t de m a n i e r w a a r o p mensen i n g e w i k k e l d e i n f o r m a t i e v e r w e r k e n iets m i s is i n bepaalde
gevallen. M a a r er z i j n o o k gevallen te n o e m e n w a a r i n het p r i m a
gaat. V e l d b i o l o g e n z i j n v a a k i n staat o m soorten o p het eerste gezicht g o e d te h e r k e n n e n , o o k als v o o r een beslissing die o p een meer f o r m e l e m a n i e r w o r d t b e r e i k t heel veel i n f o r m a t i e v e r w e r k t m o e t w o r d e n . Z e d o e n het v a a k veel beter d a n geleerden dip v o o r i d e n t i f i c a t i e v a n s o o r t e n netjes alle stappen d o e n die i n d e t e r m i n a t i e w e r k e n w ó r d e n v o o r g e schreven. W a n n e e r w e r k t onze i n t u ï t i e w e l g o e d , en wanneer niet? I k g e l o o f niet d a t psyc h o l o g e n o p deze v r a a g een b e v r e d i g e n d algemeen a n t w o o r d k u n n e n geven. T e r u g naar de e r v a r i n g v a n h o m e o p a t e n met het s i m i h a - p r i n c i p e . I n dit speciale geval is er b e p a a l d reden o m v o o r z i c h t i g te z i j n . Veel o n d e r z o e k h e e f t n u eenmaal a a n n e m e l i j k g e m a a k t dat placebo's een k r a c h t i g e w e r k i n g k u n n e n h e b b e n , en dat het niet g e m a k k e l i j k is o m het e f f e c t v a n een geneesmiddel g o e d te onderscheiden v a n p l a c e b o - e f f e c t e n . B i j de opzet v a n h u n o n d e r z o e k hebben h o m e o p a t e n dat veelal niet i n r e k e n i n g g e b r a c h t . B e t e k e n t d i t dat w e m o g e n keizen v o o r de m e t h o d o l o g i e v a n de reguliere geneeskunde.
122
o m o p basis d a a r v a n de h o m e o p a t h i e te beoordelen? Nee, niet zonder meer, w a n t oolc o p die m e t h o d o l o g i e k a n k r i t i e k geleverd w o r d e n (zie b i j v o o r b e e l d W h i t e , T u r s k y en S c h w a r t z , 1985). V e r o n d e r s t e l dat we een k e u r i g d u b b e l - b h n d o n d e r z o e k d o e n over een m i d d e l tegen h o o f d p i j n . S o m m i g e p a t i ë n t e n k r i j g e n het m i d d e l , andere een placebo. Stel dat alle p a t i ë n t e n die het echte m i d d e l o n t v a n g e n vervolgens m i n d e r v a a k h o o f d p i j n k r i j gen, dat er geen a f n a m e v a n de k l a c h t e n is i n de c o n t r o l e - g r o e p , en dat het v e r s c h i l tussen de groepen b l i j k e n s statistische analyse r e ë e l is. M o g e n we d a n c o n c l u d e r e n dat het m i d d e l e f f e c t h e e f t ? Nee, s t r i k t g e n o m e n n i e t . M i s s c h i e n h e e f t het m i d d e l w e l j e u k als b i j w e r k i n g . D e p a t i ë n t die de j e u k v o e l t k a n d a a r u i t c o n c l u d e r e n dat het m i d d e l w e r k t , en dat z o u het genezingsproces k u n n e n b e ï n v l o e d e n . E r is i n m i d d e l s u i t m e t h o d o l o g i s c h gebleken dat een d e r g e l i j k verschijnsel o p grote schaal v o o r k o m t . H e t h o e f t ons d a n o o k niet te verbazen d a t d u b b e l - b h n d o n d e r z o e k v a a k tegenstrijdige resultaten o p l e v e r t w a n neer het w o r d t h e r h a a l d . N u k a n hier w e l iets aan w o r d e n gedaan d o o r n o g i n g e w i k k e l der p r o e f o p z e t t e n , m a a r die z i j n i n de p r a k t i j k v a a k niet u i t v o e r b a a r . I k d e n k dat een v o l l e d i g w a t e r d i c h t e m e t h o d o l o g i s c h e opzet helemaal niet gerealiseerd k a n w o r d e n . W a t v o o r conclusies k u n n e n we u i t d i t alles t r e k k e n ? I k denk o m te b e g i n n e n dat een k r i t i s c h - r e l a t i v e r e n d e h o u d i n g o p z i j n plaats is. B i j genezingsprocessen spelen buitengew o o n veel f a c t o r e n een r o l , en die k u n n e n o n m o g e l i j k o p een v e r a n t w o o r d e m a n i e r i n é é n w e t e n s c h a p p e l i j k e t h e o r i e gestopt w o r d e n . V o o r de p r a k t i j k v a n de geneeskunde z i j n d a n o o k veel, t a m e l i j k los v a n elkaar staande, w e t e n s c h a p p e l i j k e t h e o r i e ë n v a n b e l a n g . D i e z u l l e n we m e t gezond verstand o p elkaar m o e t e n b e t r e k k e n ; er is niet é é n supertheorie die ons v e r t e l d hoe we dat m o e t e n d o e n . E r v a r i n g en i n t u ï t i e z i j n d a a r b i j o n m i s b a a r . D i e k u n n e n ons w e l d e g e l i j k goede diensten b e w i j z e n , m a a r het is goed o m b e p e r k i n g e n e r v a n te k e n n e n . V e r k e e r d g e b r u i k t e e r v a r i n g k a n gecorrigeerd w o r d e n d o o r o b j e c t i v e rende procedures, m a a r o o k die z u l l e n soms gecorrigeerd m o e t e n w o r d e n m e t m e t h o d o logie. I n m i j n v e r h a a l over h o m e o p a t h i e verwees i k n a a r allerlei verschillende l i t e r a t u u r c i r cuits. V o o r z o v e r i k weet w e r d e n die niet eerder t e g e l i j k aan de o r d e gesteld i n discussies over h o m e o p a t h i e . D a t k a n het chronische k a r a k t e r v a n de controverse over h o m e o p a t h i e v o o r een deel v e r k l a r e n . D e b e t r o k k e n e n baseren z i c h o p verschillende l i t e r a t u u r b r o n n e n , en g a a n d a a r b i j erg e e n z i j d i g te w e r k . D e b e l a n g r i j k s t e conclusie is misschien w e l dat het o n m o g e l i j k is o m een scherpe grens te t r e k k e n tussen w e t e n s c h a p p e l i j k e en n i e t - w e t e n s c h a p p e l i j k e b e n a d e r i n g e n . E r z i j n act i v i t e i t e n w a a r v a n het evident is dat ze t o t gewone wetenschap b e h o r e n ; het l i j k t m e niet n o d i g o m v o o r b e e l d e n d a a r v a n te geven. E n er z i j n o o k a c t i v i t e h e n die daar beshst b u i t e n v a l l e n . I k d e n k hier b i j v o o r b e e l d aan vele w o l l i g e en o n k r i t i s c h e g e s c h r i f t e n w a a r i n allerlei v o r m e n v a n alternatieve geneeskunde, en alternatieve wereldbeelden, w o r d e n v e r d e d i g d . Tussen deze twee e x t r e m e n b e v i n d t z i c h een g r o o t schermgebied d a t reguliere wetenschap o p e n z o u m o e t e n benaderen. Helaas w o r d e n o n d e r w e r p e n b u i t e n gangbare kaders z ó v a a k w o l h g en o n k r i t i s c h b e n a d e r d , dat i n de w e t e n s c h a p p e l i j k e w e r e l d een g r o o t verzet tegen, de o n d e r w e r p e n w o r d t opgeroepen. P a r a p s y c h o l o g i e w o r d t b i j v o o r beeld d o o r veel reguhere wetenschappers i n de b a n gedaan, naar m i j n m e n i n g v o l k o m e n t e n onrechte. H e t is g o e d o m wetenschap te beschermen tegen " v e r v u i l e n d e " i n v l o e d e n v a n b u i t e n . M a a r o p het o g e n b h k is er naar m i j n s m a a k te veel o v e r p r o t e c t i e .
Literatuur F a u s t , D . , 1984. T h e l i m i t s o f s c i e n t i f i c reasoning. U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t a Press, M i n neapolis.
123
G r i m e , J.P., 1979. P l a n t strategies a n d v e g e t a t i o n processes. W i l e y , Chichester. H a m i h o n , W . D . , 1964. T h e genetic e v o l u t i o n o f social b e h a v i o u r . J o u r n a l o f T h e o r e t i cal B i o l o g y 7, 1-6. M ö s s i n g e r , P . , 1984. H o m ö o p a t h i e u n d N a t u r w i s s e n s c h a f t l i c h t e M e d i z i n , z u r Ueberw i n d u n g der Gegensatze. H i p p o k r a t e s , S t u t t g a r t . P o l a n y i , M . , 1958. P e r s o n a l k n o w l e d g e , t o w a r d s a p o s t - c r i t i c a l p h i l o s o p h y . U n i v e r s i t y o f C h i c a g o Press, C h i c a g o . Selye, H . , 1983. T h e stress concept: past, present a n d f u t u r e . I n : C . L . C o o p e r ( e d . ) . Stress research, issues f o r the eighties. W i l e y , Chichester. Steen, W . J . v a n der, 1982. A l g e m e n e m e t h o d o l o g i e v o o r b i o l o g e n . B o h n , Scheltema & Holkema, Utrecht. Steen, W . J . v a n der en M . S c h o l t e n , 1985. M e t h o d o l o g i c a l p r o b l e m s i n e v o l u d o n a r y b i o l o g y I V , Stress a n d stress tolerance, a n exercise i n d e f i n i t i o n s . A c t a B i o t h e o r e o r e t i c a 34, 81-90. • Steen, W . J . v a n der en P . J . T h u n g , 1988. Faces o f m e d i c i n e , a p h i l o s o p h i c a l s t u d y . N i j h o f f , Dordrecht. T r i v e r s , R . , 1971. T h e e v o l u t i o n o f r e c i p r o c a l a l t r u i s m . Q u a r t e r l y Review o f B i o l o g y 46, 35-47. V i t h o u l k a s , G . 1980. T h e science o f h o m e o p a t h y . G r o v e Press, N e w Y o r k . V o o r z a n g e r , B . , 1987. W o o r d e n , w a a r d e n , en de e v o l u d e v a n gedrag. H u m a n e s o c i o b i o logie i n m e t h o d o l o g i s c h perspectief. Free U n i v e r s i t y Press, A m s t e r d a m . W a r t o f s k y , M . W . , 1986. " C l i n i c a l j u d g e m e n t , expert p r o g r a m s , a n d c o g n i t i v e style: a counter-essay i n the l o g i c o f d i a g n o s i s " . J o u r n a l o f M e d i c i n e a n d PhMosophy 1 1 , 81-92. W h i t e , L . , B . T u r s k y en G . E . S c h w a r t z , 1985. Placebo, t h e o r y , research, a n d mechan i s m s . G u i l f o d Press, N e w Y o r k . W h s o n , E . O . , 1975. S o c i o b i o l o g y , the new synthesis. H a r v a r d U n i v e r s i t y Press, C a m bridge Mass.
LASERS I N D E Z I E K E N H U I Z E N : K L I N I S C H E TOEPASSINGEN door M . J . C . van G e m e r t
1.1.
Inleidmg
tot de fysiscfte
achtergronden
D e k l i n i s c h e toepassingen v a n lasers refereren aan vier aspecten die i n o n d e r l i n g e a f h a n k e l i j k h e i d bepalen w e l k e laser v o o r w e l k e a f w i j k i n g , w a a r i n het l i c h a a m , o p t i m a a l k a n w o r d e n toegepast. Deze aspecten z i j n respectievelijk: A ) de w i j z e w a a r o p laserhcht met weefsel i n interactie k a n z i j n ; B ) de penetratiediepte v a n laserlicht i n weefsel; C ) de beschikbaarheid v a n lasers en D ) de b e s c h i k b a a r h e i d v a n fibers. A)
Interactiemechanismen
L a s e r s t r a l i n g w o r d t b i j p a t i ë n t e n o p v i j f m a n i e r e n toegepast: d o o r g e b r u i k te m a k e n v a n de f o t o - t h e r m i s c h e , f o t o - c h e m i s c h e o f f o t o - m e c h a n i s c h e i n w e r k i n g o p het weefsel en door foto-ablade o f foto-biosdmulatie. B i j foto-thermie
m a a k t m e n g e b r u i k v a n de w a r m t e die i n weefsel v r i j k o m t n a a b s o r p t i e
v a n laserstraling. Deze w a r m t e w o r d t meestal aangewend o m weefsel te vernietigen ( b i j v o o r b e e l d coagulatie v a n t u m o r e n ) o f o m b l o e d i n g e n t o t staan te brengen. Soms w o r d t die w a r m t e echter g e b r u i k t o m weefsels aan elkaar te
"puntlassen".
L a s e r s t r a h n g k a n reageren m e t lichtgevoelige s t o f f e n i n weefsels. Deze
foto-chemische
reactie k a n t o t v e r n i e t i g i n g v a n het weefsel l e i d e n . D o o r o p h o p i n g v a n z o ' n s t o f i n t u m o r w e e f s e l k a n m e t deze therapie ( f o t o - d y n a m i s c h e t h e r a p i e , P D T ) een gezwel v r i j selectief w o r d e n b e h a n d e l d , o m d a t o m r i n g e n d n o r m a a l weefsel gespaard b l i j f t . B i j de foto-mechanische
m e t h o d e m a a k t m e n g e b r u i k v a n een s c h o k g o l f die i n het weef-
sel optreedt d o o r (elektrische) d o o r s l a g , v o l g e n d o p een laserpuls v a n zeer hoge i n t e n s i t e i t . Deze m e t h o d e
w o r d t v o o r a l toegepast i n de o o g h e e l k u n d e
(behandehng
van
nastaar), m a a r l i j k t o o k veelbelovend v o o r de b e h a n d e l i n g v a n (nier- en gal-)stenen. B i j foto-ablatie
w o r d t laserstraling zeer sterk geabsorbeerd, w a a r d o o r slechts een d u n
laagje weefsel v e r d a m p t . H e t h c h t v a n " u l t r a v i o l e t t e " excimeerlasers e n ' s o m m i g e " i n f r a r o o d " lasers is h i e r v o o r geschikt, o m d a t d i t niet verder d a n enkele m i c r o - m e t e r s i n het weefsel d o o r d r i n g t . D e v e r d a m p i n g k a n d a a r o m goed beheerst w o r d e n . Toepassing v a n f o t o - a b l a d e b i j h o o r n v l i e s - c h i r u r g i e l i j k t goed m o g e l i j k . D e v o r m v a n het hoornvUes w o r d t d a a r b i j z o d a n i g bijgeslepen dat de n o o d z a a k v o o r het dragen v a n een b r i l o f v a n contactlenzen (nagenoeg) v e r v a l t .
Natuurkundige Voordrachten N.R. 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 19 maart 1990.
125
Foto-biostimulatie
h e e f t t o t doel o m weefsels te s t i m u l e r e n t o t h e l i n g . D e w a a r d e v a n
deze b e h a n d e l i n g l i j k t n o g steeds o m s t r e d e n . V o o r f o t o - b i o s t i m u l a t i e g e b r u i k t m e n laserstraling v a n l a a g v e r m o g e n ( b i j v o o r b e e l d v a n een h e l i u m - n e o n - o f diode-laser). Deze m e t h o d e w o r d t toegepast b i j w o n d h e h n g , p i j n b e s t r i j d i n g , i n de f y s i o t h e r a p i e , de s p o r t geneeskunde, b i j s c h o o n h e i d s b e h a n d e h n g , m a a r o o k b i j r a c e p a a r d e n . B) De penetratiediepte
van laserlicht
in
weefsel
H e t is niet z i n v o l te p r o b e r e n een t u m o r met laserhcht te coaguleren wanneer het h c h t het gezwel niet k a n b e r e i k e n . F i g u u r 1 geeft een g l o b a a l beeld v a n de a f h a n k e l i j k h e i d v a n de penetratiediepte v o o r o n g e k l e u r d weefsel als f u n c t i e v a n de g o l f l e n g t e . H e t b l i j k t dat de penetratie ( o p basis v a n een restpercentage v a n het laserlicht) varieert v a n m i n d e r d a n é é n celgrootte i n het v a c u ü m - u h r a v i o l e t ( b i j 0,2 m i c r o n ) en i n het i n f r a r o o d ( b i j 3 m i c r o n ) , t o t een p e n e t r a t i e v a n circa é é n centimeter i n het r o o d en het n a b i j e i n f r a r o o d ( b i j 0,5-1,0 m i c r o n ) .
Figuur Geschatte Ar,
Nd:
de Er: Gepulste
1: Lichtpenetratie penetratie YAG YAG
in ongekleurd van
(laser)licht
en CO2, en enkele bij 2,94
lasers
zijn
weefsel
micrometer, aangegeven
in ingekleurd
weefsel.
De meest
nog experimentele
lasers,
de excimeer
zijn met
op de horizontale
—-;
continu
golflengteschaal
te operen
lasers
met
gebruikte
lasers,
(bij 193 nm)
en
aangegeven. .
126
S a m e n v a t t e n d is de volgende k a r a k t e r i s t i e k v o o r de verscliillende lasersystemen te geven, w a t b e t r e f t penetratie en absorptie: Tabel
1: Penetratie
laser
CO,
en absorptie
van
laserlicht
golflengte
laser
(micron)
medium
penetratie
in
10,6
gas
gering
zeer g r o o t
vaste s t o f
zeer diep
zeer gering
( b l o e d : diep)
( b l o e d : gering)
r e d e l i j k diep
redelijk
(bloed: ondiep)
(bloed: groot)
absorptie
weefsel
in
weefsel
Nd: YAG
1,06 gas
Argon
0,49/0,52
Dye
0,45-0,60
Excimeer
0,20-0,35
C) De beschiicbaarheid
vloeistof
gas
van de
a f h . v a n g o l f l e n g t e en
a f h . v a n g o l f l e n g t e en
en k l e u r v a n het
en k l e u r v a n het
weefsel
weefsel
gering t o t zeer gering
g r o o t t o t zeer g r o o t
lasers
Helaas is het niet zo dat er v o o r iedere g o l f l e n g t e , v a n het verre u h r a v i o l e t t o t het verre i n f r a r o o d , lasers beschikbaar z i j n . G l o b a a l z i j n er twee c a t e g o r i e ë n lasers: a.
de gepulste
lasers,
die slechts ( o f v o o r n a m e l i j k ) i n k o r t e pulsen
kunnen
laseren, i n het
vacuüm-
u l t r a v i o l e t de z g . excimeerlasers ( b i j v o o r b e e l d A r F b i j 193 n m , K r F b i j 248 n m , X e C l b i j 308 n m ) , i n het r o o d de r o b i j n l a s e r (694 n m ) en i n het i n f r a r o o d de E r b i u m : Y t t r i u m - A l u m i n i u m - G r a n a a t l a s e r (2940 n m ) . b.
de continue
lasers
(continuous
wave
of CW
lasers),
die het laserhcht c o n t i n u k u n n e n p r o d u c e r e n ; i n de geneeskunde v o o r a l de " i o n e n l a s e r s " , de K r y p t o n - i o n l a s e r ( g o l f l e n g t e n i n het v i o l e t b i j ca. 410 n m , i n het geel b i j 532 n m en i n het r o o d b i j 647 n m ) , de A r g o n - i o n l a s e r ( g o l f l e n g t e n i n het b l a u w groen,
v o o r a l b i j 488 n m en 514,5 n m ) , de N e o d y m i u m :
Yttrium-Aluminium-
G r a n a a t o f N d : Y A G - l a s e r ( g o l f l e n g t e n b i j 1064 n m en 1320 n m i n het i n f r a r o o d ) en de C O j laser ( g o l f l e n g t e v o o r a l b i j 10600 n m , i n het verdere i n f r a r o o d ) . V a a k is het zo dat lasers die C W g e b r u i k t w o r d e n , o o k " g e p u l s t " k u n n e n w e r k e n . N d : Y A G lasers w o r d e n b i j v o o r b e e l d w e l z o g e n a a m d g e " Q - s w h c h e d " . D e h i e r b i j opgewekte energie k o m t als é é n " g i a n t p u l s e " v r i j , meestal m e t een p u l s d u u r v a n n a n o s e c o n d e n . E e n andere m o g e l i j k h e i d , " m o d e - l o c k i n g " geheten, k a n b i j de N d : Y A G - l a s e r bew e r k e n dat er een " t r e i n " v a n picoseconde-pulsen ontstaat. D) De beschikbaarheid
van
fibers
O m de laser-energie o p een d a a r t o e bestemde plaats te k r i j g e n , m o e t het laserhcht get r a n s p o r t e e r d w o r d e n . D e w i j z e v a n d i t t r a n s p o r t h a n g t onder andere a f v a n de g o l f l e n g te v a n het b e t r e f f e n d e l i c h t , w a a r b i j de opdes z i j n v i a een hoUe glasvezel (de " f i b e r " ) o f v i a spiegels.
127
L i c h t g e l e i d i n g d o o r fibers is gebaseerd o p bet f e n o m e e n v a n de " t o t a l e r e f l e c t i e " ; l i c h t d a t onder de j u i s t e hoek w o r d t i n g e l e i d , zal zich i n de f i b e r v o o r t p l a n t e n en divergent u i t t r e d e n . V o o r w a a r d e is dat er b i j het m e d i u m zeer w e i n i g absorptie v a n de g e b r u i k t e k l e u r l i c h t o p t r e e d t , maar o o k zeer w e i n i g v e r s t r o o ü n g , anders k a n het l i c h t o n d e r w e g de f i b e r t o c h n o g v e r l a t e n . V o o r c o n t i n u e lasers z i j n adequate f i b e r m a t e r i a l e n beschikbaar v o o r u l t r a - v i o l e t l i c h t , z i c h t b a a r l i c h t en n a b i j - i n f r a r o o d l i c h t . E é n v a n de o n t w i k k e l i n g e n die m o m e n t e e l de aandacht h e e f t is een g l a s f i b e r v o o r de 10,6 m i c r o n C O j laser. Deze f i b e r l i j k t n u beschikbaar te k o m e n . H e t p r o b l e e m was mater i a l e n te v i n d e n die w e i n i g a b s o r p t i e v e r t o o n d e n v o o r de b e t r e f f e n d e g o l f l e n g t e . E e n ander t e c h n o l o g i s c h p r o b l e e m is het g e b r u i k v a n f i b e r s b i j " Q - s w i t c h e d " o f " m o d e l o c k e d " laserpulsen. O o k hier l i j k e n technologische oplossingen beschikbaar te g a a n k o men. Behalve de o n t w i k k e l i n g v a n f i b e r - s y s t e m e n , k o m t i n de laatste j a r e n eveneens a a n d a c h t v o o r zogenaamde s a f f i e r e n t i p s , die i n c o m b i n a t i e met een f i b e r g e b r u i k t w o r d e n . S a f f i e ren tips z i j n f i b e r - u i t e i n d e n waarmee direct contact met weefsel m o g e l i j k w o r d t , zodat preciezer g e w e r k t k a n w o r d e n m e t hoger energetisch rendement - en dus m e t lagere energie-toevoer.
E)
Toekomstvisie
of
toekomstvisioen
M e t b e h u l p v a n endoscopische f i b e r g e l e i d i n g k a n het laserlicht n i e t - i n v a s i e f geleid w o r den naar de l u c h t p i j p en de l o n g e n , de s l o k d a r m en het m a a g d a r m k a n a a l , het blaasu r e t e r - n i e r b e k k e n - t r a j e c t en de vagina-baarmoederhals-baarmoeder-keten.
Invasief (via
een l i c h t e operatieve ingreep) k a n het laserlicht met b e h u l p v a n glasfibers o o k slagaderen en aderen, de b u i k h o l t e en de hersenen b e r e i k e n . Het
l i j k t r e d e l i j k te veronderstellen dat i n de t o e k o m s t de diversiteit v a n ( k l i n i s c h be-
s c h i k b a r e ) lasers z a l toenemen en dat de f i b e r t e c h n o l o g i e z i c h verder zal u i t b r e i d e n . D e t o e k o m s t v i s i e ( o f het visioen) is dus dat nagenoeg a l het laserhcht v r i j w e l iedere plaats i n het l i c h a a m zal k u n n e n b e r e i k e n , z o d a t naar believen f o t o - t h e r m i e , f o t o chemie, f o t o - a k o e s d e k , f o t o - a b l a t i e o f f o t o - b i o s t i m u l a d e k a n w o r d e n toegepast. Behalve technologische o n t w i k k e l i n g e n m o e t e n er o o k dosimetrische o n t w i k k e l i n g e n k o m e n , d . w . z . dat de l i c h t v e r d e l i n g i n het weefsel en de biologische respons o p de laserther a p i e a l t i j d e n s de b e h a n d e h n g zo k w a n t i t a t i e f m o g e l i j k b e k e n d m o e t z i j n . T o e p a s s i n g v a n d o s i m e t r i e h g t i n de m o g e l i j k h e i d t o t t e r u g k o p p e h n g v a n k l i n i s c h e f f e c t o p aangevoerde dosis, t i j d e n s behandehng. O p d i t m o m e n t staan deze dosimetrische o n t w i k k e l i n gen n o g i n de kinderschoenen en is er n o g a h i j d r e l a t i e f w e i n i g b e k e n d over de b i o l o g i sche repons t i j d e n s en na lasertherapie.
1.2 Klinische
indicatiegebieden
I n d i t h o o f d s t u k w o r d t verder gekozen v o o r een i n d e l i n g naar klinische den
indicatiegebie-
en niet v o o r b i j v o o r b e e l d een i n d e l i n g naar lasers g e v o l g d d o o r een s u b - i n d e l i n g
naar g e b r u i k e r s . Deze k l i n i s c h e indicatiegebieden z i j n samengevat i n t a b e l 2.
128
Tabel
2: Klinische
indicatiegebieden
voor
gebruik:
veel
lasergebridk redelijk
Algemene chirurgie
matig
weinig
x
Orthopaedic
x
Dermatologie/plast, chirurgie
x
Gastro-enterologie
x
Gynaecologie
x
Kaakchirurgie
x
KNO
X
Neurochirurgie
x
Oncologie ( P D T )
x
Oogheelkunde
x
Perifere-vaten
x
Pulmonologie
x
x
Urologie
x
x
Slechts de o o g h e e l k u n d e is een " g r o o t g e b r u i k e r " v o o r lasers; d i t k o m t onder andere t o t u i t i n g i n het f e i t dat lasertherapie een onderdeel is v a n de o p l e i d i n g t o t oogarts. G a s t r o - e n t e r o l o g i e , u r o l o g i e en p u l m o n o l o g i e laten een toenemend g e b r u i k v a n lasers zien, o m d a t hier é é n N d : Y A G laser m u l t i - d i s c i p h n a i r k a n w o r d e n toegepast. E r w o r d t een zeer sterke toename verwacht v a n het g e b r u i k v a n lasers ten behoeve v a n p e r i f e r e vaten ( r a d i o l o g i e , v a a t c h i r u r g i e en o o k c a r d i o l o g i e ) . O p d i t m o m e n t w o r d t h i e r v o o r eveneens een N d : Y A G laser g e b r u i k t (te zamen met s a f f i e r e n t i p s ) . W a n n e e r deze laatste therapie i n de t o e k o m s t zo b l i j f t , d a n l i j k t een m u h i - d i s c i p h n a i r e N d : Y A G - l a s e r een red e l i j k e t o e k o m s t te hebben i n het p e r i f e r e ziekenhuis (maag-darm-lever; l u c h t p i j p , blaas en p e r i f e r e slagaders). M o m e n t e e l w o r d t o n d e r z o c h t o f die s a f f i e r e n tips v o o r de algemeen c h i r u r g v a n n u t k u n n e n z i j n . P h o t o d y n a m i c T h e r a p y ( P D T ) is een locale oncologische b e h a n d e h n g , w a a r b i j een f o togevoelige s t o f intraveneus w o r d t toegediend. Deze therapie l i j k t n u o o k i n N e d e r l a n d vaker te gaan w o r d e n toegepast: was dat eerst slechts het geval i n R o t t e r d a m , m o m e n t e e l is het o o k i n G r o n i n g e n m o g e l i j k en i n de n a b i j e t o e k o m s t eveneens i n A m s t e r d a m , U t r e c h t en L e i d e n .
129
T a b e l 3 geeft aan welke s o o r t e n lasers i n N e d e r l a n d d o o r de diverse vakgebieden w o r d e n gebruikt. Tabel
3: Lasers
en verschillende
COjNd:
specialismen
Nd: Y A G Nd: Y A G Ar Kr
YAG
(CW +
ge-
( C W ) tip alg. c h i r u r . dermatol./
CW
647nm Dye
pulst
s
ms
CW
Dye
Dye
Dye
628nm 480nm
x
x
x
plast. c h i r .
x
gastr.-ent.
x
gynaecol.
677nm 577nm
(x?)
x
(x?)
(x)
kaakchirur.
x
KNO
X
X
(x?)
neurochirur.
x
x
x
oncol. ( P D T )
X
oogheelk.
x
pulmonoi.
x
x
x
X
urologie
x
x
vasculair
x
X wordt routinematig gebruikt (x) m o g e l i j k i n de n a b i j e t o e k o m s t (x?) onzeker
1.3 Stand
van zaken,
wat is er te
koop?
Oogheelkunde H e t g e b r u i k v a n lasers i n de oogheelkunde is deels r o u t i n e en deels sterk i n b e w e g i n g . H e t routine-deel o m v a t o n d e r andere retina-behandehng en g l a u c o o m - t h e r a p i e met de A r g o n laser. H e t behandelen v a n macula-degeneratie met de K r y p t o n laser (647 n m r o d e l i j n ) en recent met de (gele) dye laser is d u i d e l i j k m i n d e r r o u t i n e . D e
Q-switched/mode
l o c k e d gepulste N D : Y A G laser w o r d t eveneens r e d e l i j k r o u t i n e m a t i g toegepast ten behoeve v a n het v e r w i j d e r e n v a n nastaar na kunstlens i m p l a n t a t i e . A r g o n , K r y p t o n en gepulste N d : Y A G lasers z i j n b i j verschillende leveranciers te k o o p . D y e lasers z i j n n o g niet r u i m v e r k r i j g b a a r . E x c i m e e r lasers b i j 193 n m ten behoeve v a n cornea shaping z i j n n u b i j meerdere f i r m a ' s te k o o p . Gastro-enterologie,
urologie,
pulmonologie
N d : Y A G lasers z i j n b i j vele f i r m a ' s te k o o p . H e t g e b r u i k v a n de N d : Y A G laser (de " c o n t i n u e " versie) neemt snel toe i n N e d e r l a n d . Cardio-vasculair H e t g e b r u i k v a n een laag v e r m o g e n ( < 30 W a t t ) N d : Y A G laser i n c o m b i n a t i e m e t " s a f f i e r e n " t i p j e s is (sterk) toegenomen
in Nededand.
G e b r u i k v a n de zogenaamde " h o t
t i p " is i n N e d e r l a n d niet v a n de g r o n d g e k o m e n . E r z i j n speciale " k l e i n e " N d : Y A G lasers ( < 4 0 a 60 W a t t ) c o m m e r c i e e l beschikbaar. E c h t e r , alle N d : Y A G - f a b r i k a n t e n
130
hebben de m o g e l i j k h e i d van stabiele, lage vermogens en i n k o p p e l i n g i n de s a f f i e r e n tips. E r z i j n m o m e n t e e l meerdere lasersystemen commercieel beschikbaar v o o r c o r o n a i r laserangioplastiek, met a r g o n o f excimeer (308 n m ) lasers. O o k laser-assisted b a l l o n angioplastiek (van R i c h a r d Spears) is commercieel v e r k r i j g b a a r . Dermatologie De A r g o n laser is " s t a n d a a r d " v o o r het behandelen van w i j n v l e k k e n , tatoeages en andere h u i d a n o m a h e ë n . D i t soort A r g o n lasers is u i t g e b r e i d te k o o p . W i j n v l e k k e n k u n n e n echter veel d o e l t r e f f e n d e r en veiliger met een milhseconde ( f l i t s l a m p g e p o m p t e ) gele dye laser behandeld w o r d e n . Z o ' n laser is eveneens te k o o p ; o p d i t m o m e n t slechts b i j é é n f i r m a ; te v e r w a c h t e n is dat een d e r g e l i j k lasersysteem o o k d o o r andere f i r m a ' s g e f a b r i ceerd zal gaan w o r d e n . De gele k o p e r d a m p laser is o o k een c o m m e r c i ë l e k a n d i d a a t v o o r wijnvlekbehandehng. Kaakchirurgie Een CO2 laser w o r d t h i e r b i j toegepast die b i j vele f i r m a ' s i n de handel is. Gynaecologie CO2 laserchirurgie aan v u l v a , p o r t i o . Neurochirurgie E e n CO2 laser en een N d : Y A G laser met s a f f i e r e n t i p w o r d e n i n N e d e r l a n d toegepast. Deze lasers z i j n b i j meerdere f i r m a ' s te k o o p . KNO H i e r b i j w o r d e n C02 en N d : Y A G lasers g e b r u i k t , beide i n de handel v e r k r i j g b a a r . Oncologie V o o r de P h o t o D y n a m i c T h e r a p y ( P D T ) w o r d e n een A r g o n g e p o m p t e dye laser, een k o p e r d a m p g e p o m p t e dye laser (beide b i j 630 n m ) , o f een g o u d d a m p g e p o m p t e dye laser (628 n m ) toegepast. A l deze lasers z i j n te k o o p , z i j het (nog) niet b i j vele f i r m a ' s . L aserlith o trips ie M i c r o s e c o n d e dye lasers (504 n m ) en Q - s w i t c h N d : Y A G lasers z i j n h i e r v o o r c o m m e r cieel b e s c h i k b a a r .
NIKUWE DIAGNOSTISCHE TECHNIEKEN: M R l EN MRS door A.F. Mehlkopf
Inleiding
'
N M R (nuclear magnetic resonance) is, sinds de o o r s p r o n k e l i j k e publicaties i n 1946 d o o r de groepen van Bloch en P u r c e l l , een c o n t i n u verder o n t w i k k e l d , k r a c h t i g chemischa n a l y l i s c h gereedschap. Na de o c t r o o i - a a n v r a a g en p u b l i c a t i e over de toepasbaarheid van N M R i n de medische diagnostiek van respectievelijk D a m a d i a n (1972) en L a u t e r b u r (1973), heeft d i t nieuwe apphcatie-gebied een grote v l u c h t g e n o m e n . E r z i j n thans w e r e l d w i j d ca. 3000 g e ï n s t a l leerde medLsch-diagnostische M R - s y s t e m e n en de geschatte j a a r l i j k s e v e r k o o p v a n deze apparaten is ongeveer 800. Vanwege de beladenheid v a n het begrip nucleair is deze t e r m v o o r de medische a p p l i caties geschrapt en praat men daar n o g u i t s l u i t e n d over M R .
B i n n e n de medische M R w o r d e n de volgende gebieden onderscheiden¬ - M R l (magnetic resonance i m a g i n g ) , het gebied van de a f b e e l d i n g e n van een geselecteerde doorsnede, - M R S (magnetic resonance spectroscopy), het gebied v a n i n v i v o spectroscopie v a n een geselecteerd v o l u m e , - M R A (magnetic resonance a n g i o g r a p h y ) , een v o r m van M R l w a a r b i j selectief het bloedvatenstelsel afgebeeld w o r d t , - M R M (magnetic resonance m i c r o s c o p y ) , M R l met resoluties i n het s u m - m m gebied.
Vanwege de geringe bekendheid van het vakgebied M R en het toenemende belang van met name de medische toepassing w o r d e n eerst de beginselen v a n M R gepresenteerd H i e r d o o r heelt een deel v a n d i t stuk helaas het karakter v a n een college. Vervolgens k o m e n een aantal instrumentele aspecten aan de orde en w o r d e n tenslotte enkele toepassingen v a n M R l , M R A en M R S g e t o o n d . A a n degenen die niet (meer) d o l z i j n op theorie w o r d t verzocht i n elk geval de o n derstreepte begrippen en de b i n n e n kaders geplaatste f o r m u l e s te o n t h o u d e n .
Principes
MR
Algemeen: M a g n e t i s c h e resonantie
is een f e n o m e e n dat o p k a n treden b i j materie w a a r v a n de
Natuurkundige Voordrachten N . R . 68. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde Diligentia te 's-Gravenhage op 10 april 1989.
132
a t o o m k e r n een s p i n i m p u l s - m o m e n t J g e k o p p e l d aan een magnetisch m o m e n t /t bezit. H e t m a g n e t i s c h - m o m e n t Jl w o r d t gegeven d o o r : ji = y} 7 is de per i s o t o o p verschillende gyromagnetische v e r h o u d i n g . W i s s e l w e r k i n g tussen het magnetisch m o m e n t ji en een extern aangelegd statisch magneetveld B , , , levert volgens de klassieke iiiechanica een k o p p e l iT o p : T = /ixB„,
met
'
dJ_ T volgt: at =
H e t k o p p e l , i m m e r s g e l i j k aan het u i t w e n d i g p r o d u c t B o X / i , staat steeds l o o d r e c h t op het vlak d o o r de vectoren B^ en fi. D i t h e e f t de i n f i g u u r 1 g e ï l l u s t r e e r d e precessie v a n de magnetisatie r o n d o m het magneetveld B„ t o t g e v o l g .
Kenschetsen we deze precessie met de vector a)„ d a n m o e t gelden:
zodat v o o r de, hier klassiek afgeleide, L a r m o r f r e q u e n d e (co„) geldt: <^o=
-7B0
Z
y
Figuur
1: precessie
van n rondom
een statiscli
magneetveld
B„ itiet hoeksnelheid
o>„
133
Brengt men een s t o f met magnetische m o m e n t e n i n een extern magneetveld B„, d a n nemen de i n d i v i d u e l e microscopische magnetische m o m e n t e n /< slechts enkele discrete o r i ë n t a t i e s t . o . v . het m a g n e e t v e l d i n . De bezettingsverschiUen v a n deze o r i ë n t a t i e s resulteren i n een macroscopische wichtsmagnetisatie M .
even-
V o o r deze magnetisatievector M geldt dezelfde b e w e g i n g s v e r g e l i j k i n g als v o o r een i n d i viduele s p i n : =0}„xM
met co = -7B„
I n t h e r m i s c h e v e n w i c h t zal de magnetisadevector zich e v e n w i j d i g aan het externe statische magneetveld instellen. I n s t r a l i n g met een R F ( r a d i o f r e q u e n t e ) - p u l s die l o o d r e c h t o p B„ staat en w a a r v a n de f r e quentie g e l i j k is aan de L a r m o r f r e q u e n t i e brengt de magnetisade M u i t e v e n w i c h t . Deze u i t evenwicht z i j n d e en o m B,, precederende magnetisatie zal i n een o n t vangstspoel, die een l o o d r e c h t o p B„ staand magneetveld o m v a t , een electrische spann i n g met f r e q u e n t i e yB^^/nr i n d u c e r e n . H e t zenden v a n de R F - p u l s en het detecteren v a n de d a a r d o o r ontstane M R - r e s p o n s i e is het e i g e n l i j k e M R - e x p e r i m e n t . E r is een niet-lineair v e r b a n d tussen de a m p h t u d e v a n de R F - p u l s en de g r o o t t e v a n de M R - r e s p o n s i e . De o m B„ precederende c o m p o n e n t v a n M k a n n o o i t g r o t e r w o r d e n d a n de evenwichtsmagnetisatie. H i e r d o o r h e e f t M R een begrensde gevoehgheid.
Relaxatietijden: De magnetisatievector M o n t b i n d e n we i n een langs het magneetveld vallende l o n g i t u d i nale c o m p o n e n t M ^ en een l o o d r e c h t o p B„ staande transversale c o m p o n e n t M , - . De d o o r de R F - p u l s u i t evenwicht gebrachte magnedsatie zal z i c h , met een v o o r de bet r e f f e n d e materie (zie t a b e l 1) k a r a k t e r i s t i e k e t i j d c o n s t a n t e , weer e v e n w i j d i g aan het magneetveld B„ richten. De snelheid waarmede de magnetisatie naar de evenwichtsmagnetisatie M„ terugkeert w o r d t gekarakteriseerd d o o r de l o n g i t u d i n a l e r e l a x a t i e t i j d T , . D i t proces w o r d t beschreven d o o r :
M L = M „ - h ( M L - M J , , o exp De precederende transversale magnetisatie M-r v e r d w i j n t sneller d a n de l o n g i t u d i n a l e magnetisatie M ^ aangroeit. D i t w o r d t v e r a n t w o o r d d o o r de i n v o e r i n g v a n de f e n o m e nologische, eveneens v o o r de b e t r e f f e n d e materie k a r a k t e r i s t i e k e , transversale relaxadetijd T j : M, = (M,),,oexp
- ( L )
A f h a n k e l i j k v a n de w i j z e w a a r o p het spinsysteem met R F - p u l s e n ingestraald w o r d t o n t staan er a f b e e l d i n g e n w a a r v a n de contrasten v n l . d o o r de l o n g i t u d i n a l e r e l a x a t i e t i j d e n ( T , - g e w o g e n images) o f v n l . d o o r de transversale r e l a x d e t i j d e n (T;-gewogen images) bepaald w o r d e n .
134
M R l (magnetic resonance i m a g i n g ) : O m met M R a f b e e l d i n g e n te m a k e n is het n o o d z a k e l i j k een r u i m t e l i j k e c o d e r i n g i n de gedetecteerde MR-responsies aan te brengen. O m v a n een b e p e r k t gebied een a f b e e l d i n g te m a k e n is het verder gewenst dat slechts i n een geselecteerd v o l u m e de magnetisatie b e ï n v l o e d w o r d t . Beide doelstellingen w o r d e n b e r e i k t d o o r de i n t r o d u c t i e v a n g r a d i ë n t v e l d e n ( G ) . D e g r a d i ë n t v e l d e n staan e v e n w i j d i g aan B^ m a a r h u n sterkte is lineair evenredig met de d r i e o r t h o g o n a l e r u i m t e l i j k e c o ö r d i n a t e n : x , y o f z. D e g r a d i ë n t v e l d e n w o r d e n o p een constant m a g n e e t v e l d B^ gesuperponeerd zodat het t o t a l e v e l d B en de L a r m o r f r e q u e n tie w p l a a t s a f h a n k e l i j k w o r d t : B = B„ - f G , x
en
co = 7(B„ + G , x )
H i e r i n is G^ de hneair met de x - c o ö r d i n a a t evenredige veldsterkte. F i g u u r 2 g e e f t een i l l u s t r a t i e v a n deze v e r g e h j k i n g .
0) =r(B^+G^x^) B
B
O
B=B
+G O
-»X
Figuur
2: Gradiënt
0)
X X
G^ veroorzaalct
X
een van de x-as afhankelijke
Larmor-frequentie
Z o a l s u i t f i g u u r 2 b l i j k t leveren de buisjes a en b rechtstreeks m e t h u n plaats gerelateerde L a r m o r f r e q u e n t i e s i n de M R - r e s p o n s i e s . Deze f r e q u e n t i e is dus de r u i m t e l i j k e c o d e r i n g . D e m i n i m a l e a f s t a n d v a n twee onderscheidbare f r e q u e n t i e c o m p o n e n t e n is g e l i j k aan de r e c i p r o k e w a a r d e v a n de t i j d s d u u r dat de M R - r e s p o n s i e geacquireerd w o r d t . H e t scheidend v e r m o g e n is aldus evenredig met het p r o d u c t v a n de g r a d i ë n t a m p l i t u d e en de a c q u i s i t i e t i j d . A l d u s is de resolutie b i j M R l o n a f h a n k e l i j k v a n de g e b r u i k t e g o l f l e n g t e , d i t i n tegenstelling t o t andere fysische a f b e e l d i n g s t e c h n i e k e n . V o o r het r u i m t e l i j k e selectief i n s t r a l e n w o r d t g e b r u i k g e m a a k t v a n het gegeven
dat
slechts i n s t r a a l - f r e q u e n t i e s die g e l i j k z i j n aan de L a r m o r f r e q u e n t i e s inagnetisatievectoren b e ï n v l o e d e n . I n s t r a l e n m e t een i n bandbreedte begrensde R F - p u l s i n c o m b i n a t i e m e t een t e g e l i j k e r t i j d aangelegd g r a d i ë n t v e l d z a l slechts i n dat gebied de magnetisaties b e ï n v l o e d e n w a a r ,
135
de L a r m o r f r e q u e n t i e s o v e r e e n k o m e n met de frequenties v a n de R F - p u l s . V o l g e n s f i g u u r 2 zal een R F - p u l s m e t een bandbreedte r o n d o m co, enkel de magnetisatie v a n b u i s j e b wijzigen. M R l w o r d t b i j n a u i t s l u i t e n d aan p r o t o n e n bedreven. B i j p r o t o n e n is de L a r m o r f r e q u e n t i e (oii^/nr) b i j een v e l d v a n 1 tesla g e l i j k aan 42 6 MHz. De meest g e b r u i k t e v e l d s t e r k t e n v o o r M R l z i j n 0.5 en 1.5 tesla. M R S (magnetic resonance spectroscopy): T o t n u toe z i j n we er v a n uitgegaan dat b i j elk i s o t o o p slechts een enkele L a r m o r f r e quentie aanwezig is. D a t is i n het algemeen o n j u i s t . D e diamagnetische w e r k i n g v a n de r o n d de k e r n bewegende e l e c t r o n e n w o l k m a a k t het d o o r de k e r n ervaren m a g n e e t v e l d lager d a n het aangelegde m a g n e e t v e l d . D i t als chemi¬ sche v e r s c h u i v i n g b e k e n d staande f e n o m e e n m a a k t een correctie v a n de relatie tussen L a r m o r f r e q u e n t i e en magneetveld n o o d z a k e l i j k : o> =
yB,(l-a)
H i e r i n is cr de diamagnetische afschermingsconstante. Z u u r s t o f h e e f t een e l e c t r o n e n - a f f i n i t e i t . D i t resulteert i n een gedeeltelijke w e g z u i g i n g v a n de e l e c t r o n e n - w o l k die b . v . een p r o t o n k e r n o m r i n g t . D e m a t e v a n w e g z u i g i n g is a f h a n k e l i j k v a n de a f s t a n d tussen de z u u r s t o f k e r n en het beschouwde p r o t o n . H i e r d o o r ontstaat dus een v e r a n d e r i n g v a n de w a a r d e v a n cr. Deze en andere o o r z a k e n h e b b e n t o t gevolg dat de chemische v e r s c h u i v i n g , v o o r eenz e l f d e k e r n s o o r t die verschillende plaatsen i n een m o l e c u u l bezet o f t o t een ander m o l e c u u l b e h o o r t , verschillende w a a r d e n h e e f t . H i e r d o o r ontstaan o o k b i j een p l a a t s o n a f h a n k e l i j k magneetveld verschillende f r e quenties. D i t resulteert i n een s p e c t r u m . • M R S o f gelocahseerde spectroscopie is het m e t e n en o n d e r z o e k e n v a n de spectra v a n geselecteerde v o l u m e elementen. D e volume-selectie v i n d t o.a. plaats v i a de eerder beschreven M R I - t e c h n i e k e n . D e b e l a n g r i j k s t e k e r n e n w a a r a a n M R S bedreven w o r d t , z i j n : ' H , " P en " C , m e t als respectievelijke L a r m o r f r e q u e n t i e s b i j 1 tesla: 4 2 . 6 , 17.2 en 10.7 M H z . D e b e l a n g r i j k s t e v e l d s t e r k t e n v o o r M R S b i j mensonderzoek z i j n : 1.5, 2 en 4 tesla. B i j d i e r o n d e r z o e k w o r d e n v e l d s t e r k t e n t o t 10 tesla g e b r u i k t . Instrumentatie E e n M R I - M R S - s c a n n e r bevat de, i n het b l o k s c h e m a v a n figuur 3 weergegeven, systeemdelen: magneetsysteem: magneet, g r a d i ë n t s p o e l e n en g r a d i ë n t v o e d i n g e n RF-systeem zend- en o n t v a n g s t s p o e l , zender en o n t v a n g e r besturings-sysfeem dataverwerving en signaalbewerking viewen U I (user-interface), initialisatie en presentatie
136
De
f y s i o l o g i e - m o n i t o r e n ( f y s i o ) dienen o m de m e t i n g e n te synchroniseren met b . v .
hartslag o f a d e m h a h n g , d i t ter v e r m i n d e r i n g v a n bewegingsartefacten (zie tevens onder reductie v a n bewegingsartefacten).
gradiënt voeding
B
Ul
4-
E I N I T I A L I S A T I E
T U
^
zender
—>\
zendspoel
R I
fysio.
magneet
N G
> ontvanger <— o n t v . s p o e l realtime L
< >
Figuur
x - , y - en z grad.-spoel
S P R E S E N T A T I E
V
3: overzictit
Enkele instrumentele
deel
sigiiaalbëwëirïcefï & beeldbewerken van een
MRI/MRS-systeem
aandachtsgebieden:
v e r g r o t i n g v a n de gevoeligheid, reductie v a n de bewegingsartefacten en reductie v a n w e r v e l s t o r m e n Vergroting van de gevoeligheid: D o o r het verzadigingsgedrag v a n M R z a l b i j een v e r g r o t i n g v a n het ingestraalde v e r m o gen, na het b e r e i k e n v a n een m a x i m a l e M R - r e s p o n s i e , het responsie-signaal v e r k l e i n e n . H i e r d o o r is gevoehgheid de beperkende f a c t o r v a n M R . D i t m a n i f e s t e e r t z i c h i n een c o m b i n a t i e v a n m i n i m a l e resolutie en m i n i m a l e m e e t d u u r . Veel aandacht gaat d a a r o m u i t naar een o p t i m a l i s a t i e v a n de eigenschappen v a n de o n t v a n g s t s p o e l die i n b e l a n g r i j k e mate de gevoeligheid bepaalt. H e t ruisgetal v a n de o n t v a n g s t k e t e n d o e t u i t e r a a r d o o k mee i n de g e v o e l i g h e i d . Reductie van bewegingsartefacten: D e meeste M R - m e t i n g e n d u r e n l a n g t . o . v . b . v . hartslag, a d e m h a l i n g , p e r i s t a l t i e k v a n de d a r m e n , etc. A n a l o o g als b i j f o t o g r a f i e , w a a r onscherpte ontstaat als gedurende de t i j d dat de sluiter openstaat het te f o t o g r a f e r e n o b j e c t v e r a n d e r t , ontstaan b i j M R l de z . g . bewegingsartefacten.
137
E r bestaan w e l i s w a a r v r i j veel technieken ter reductie v a n bewegingsartefacten, m a a r ze h e b b e n alle h u n b e p e r k i n g e n . B i j regelmatige bewegingen (hartslag, a d e m h a l i n g ) k a n de M R - m e t i n g met deze bewegingen gesynchroniseerd w o r d e n ( v e r g e l i j k s t r o b o s c o o p ) . B i j een ziek en d a a r o m v a a k o n r e g e l m a t i g k l o p p e n d h a r t is synchronisatie echter niet a l t i j d a f d o e n d e en o p de onregelmatige bewegingen v a n de d a r m e n is niet te synchroniseren. T e g e n w o o r d i g is er een tendens o m d u s d a n i g snel te m e t e n dat het gemeten Uchaamdeel gedurende de m e t i n g p r a c t i s c h stilstaat. D i t betekent echter een grotere bandbreedte en d a a r d o o r een geringere signaal-ruis v e r h o u d i n g en tevens kostbaardere
systeemonder-
delen. Reductie van wervelstromen: O m s p i n a f b e e l d i n g e n te m a k e n m o e t e n de g r a d i ë n t v e l d e n i n - en uitgeschakeld w o r d e n . D e h i e r d o o r ontstane wisselende magnetische f l u x z a l niet alleen b i n n e n m a a r o o k b u i t e n de g r a d i ë n t s p o e l aanwezig z i j n . I n de m e t a l e n schermen v a n de supergeleidende magneet z u l l e n d o o r de wisselende f l u x w e r v e l s t r o m e n g e ï n d u c e e r d w o r d e n . O p h u n b e u r t v e r o o r zaken deze w e r v e l s t r o m e n weer magneetvelden, ondermeer b i n n e n de g r a d i ë n t s p o e l en dus ter plaatse v a n de p a t i ë n t . D i t alles h e e f t u i t e i n d e l i j k beeldverstoringen t o t g e v o l g . T e n einde deze v e r s t o r i n g e n v o l d o e n d e k l e i n te k r i j g e n , w o r d e n g r a d i ë n t s p o e l e n o n t w o r p e n die een c o m p r o m i s z i j n tussen het b e n o d i g d e g r a d i ë n t v e r m o g e n en het a f w e z i g z i j n v a n externe v e l d e n . Toepassmgen
MRl
D e o n d e r l i n g e verschillen v a n de r e l a x a t i e t i j d e n v a n de diverse bestanddelen v a n het m e n s e l i j k h c h a a m (zie t a b e l I ) en de r e l a x a t i e t i j d v e r s c h i l l e n tussen gezond en ziek w e e f sel z i j n de b e l a n g r i j k s t e o o r z a k e n v a n het contrast i n de M R - a f b e e l d i n g e n . H i e r i n s c h u i l t , samen met het f e i t dat zachte weefsels m e t andere m o d a l i t e i t e n ( r ö n t g e n , C T , u l t r a g e l u i d , nuclear m e d i c i n e ) niet met dezelfde d u i d e l i j k h e i d k u n n e n w o r d e n a f g e b e e l d , de b e l a n g r i j k s t e k r a c h t v o o r de toepassingen v a n M R l i n de medische d i a g n o s t i e k .
Weefsel
Tl (msec)
T2
Tj/Tj
(msec)
Vet
200
Vetweefsel
210
80
Merg
350
60
5.8
Witte stof
540
90
6
Grijze stof
650
Long
600
80
7.5
1 0 0
1 0 0
2 2.6
6.5
Lever
350
45
7.8
Nier
500
60
8.3
Milt
550
60
Bloed Hartspier CSF Lichaamsspier
1000
1 0 0
9.2 10
580
55
1800
160
11.3
Tabel
550
45
12.2
tiij 0.5
10.5 1: Waarden tesla
van T, en T2 van
protonen
138
A n d e r e verschillen met r ö n t g e n z i j n : - de o n s c h a d e l i j k h e i d v a n de golflengtes die b i j M R g e b r u i k t w o r d e n , - de m o g e l i j k h e i d onder w i l l e k e u r i g e hoeken doorsnedes te acquireren zonder het verdraaien van p a t i ë n t o f apparatuur, - de t r a n s p a r a n t h e i d v o o r b o t t e n . H e t centraal zenuwstelsel, z o w e l de hersenen als het r u g g e m e r g , is thans n o g het meest onderzochte ( 7 0 % ) hchaamsgebied. De reden h i e r v o o r is tweeledig: het is een v o o r de diagnostiek b e l a n g r i j k en overigens m o e i l i j k t o e g a n k e l i j k gebied en er z i j n w e i n i g p r o b l e m e n met
bewegingsartefacten.
D o o r het steeds k o r t e r w o r d e n v a n de o p n a m e t i j d e n (er w o r d e n thans h a r t - o p n a m e s g e m a a k t die slechts 30 msec d u r e n ) , z u l l e n de bewegende lichaamsdelen, i n d i e n medisch relevant, meer en meer i n de belangstelhng
komen.
Onderstaande M R - a f b e e l d i n g e n z i j n enkele v o o r b e e l d e n v a n de vele toepassingsgebieden v a n M R L D e f i g u r e n 4 t / m 6 z i j n aUe drie h o r i z o n t a l e p l a k k e n v a n het bovenste deel v a n het h o o f d . L e t h i e r b i j o p de a a n z i e n l i j k e verschillen tussen deze d r i e beelden.
Figuur deem.
4: het grote Deze
opname
witte
gebied
is enigszins
in de onderste gekanteld
rond
helft
is een tumor
met bijbehorend
de as die van oor tot oor
loopt.
oe-
139
Figuur
6:
een
voorbeeld MRA
van (magnetic
resonance angiografie): selectief
gemeten
vaatstelsel
van
deel
van het
een hoofd.
140
Toepassingen
MRS
M R l is thans een algemeen geaccepteerd en k l i n i s c h toegepast gereedschap. M R S o f gelokaliseerde spectroscopie heeft deze positie, o n d a n k s veelbelovende toepassingen,
nog
niet. De thans i n o p k o m s t z i j n d e a f b e e l d i n g e n v a n geselecteerde m o l e c u l e n , de z . g . spectroscopie images, k u n n e n hier misschien v e r a n d e r i n g i n brengen. M R S is w e l m o m e n t e e l de krachtigste techniek o m biochemische en physiologische processen n i e t - i n v a s i e f i n levende wezens te bestuderen. Deze processen k u n n e n onder n o r m a l e en pathologische o m s t a n d i g h e d e n bestudeerd w o r d e n , w a a r d o o r w a a r d e v o l l e khnische i n f o r m a t i e en o o k zeer f u n d a m e n t e e l i n z i c h t verkregen w o r d t . Voorbeelden hiervan zijn: - Pathologische m o d e l studies, - H e t v o l g e n v a n de e f f e c t e n v a n geneesmiddelen i n het algemeen en de e f f e c t e n v a n t u m o r t h e r a p i e i n het b i j z o n d e r , - H e t bestuderen v a n aUerlei s t o f w i s s e h n g s - a f w i j k i n g e n , - M o n i t o r i n g v a n afstotingsreacties na
orgaan-transplantaties.
M R S w o r d t vanwege deze toepassingen vaak als dier-onderzoek u i t g e v o e r d . F i g u u r 7 geeft een i l l u s t r a t i e v a n de instrumentele m o g e l i j k h e d e n v a n M R S . F i g u u r 8 geeft een v o o r b e e l d v a n het evalueren v a n therapeutische
behandeUngen.
De o p p e r v l a k t e n onder de a f z o n d e r l i j k e s p e c t r u m l i j n e n z i j n e s s e n t i ë l e k w a n t i t a t i e v e gegevens b i j het M R S - o n d e r z o e k . Beperkende eigenschappen
v a n de spectra (lage sig-
n a a l / r u i s v e r h o u d i n g , overlappende l i j n e n , zeer grote i n t e n s i t e i t s v e r h o u d i n g e n , v e r v o r m i n g e n , etc) m a k e n het veelal o n m o g e l i j k o m v i a standaardtechnieken de o p p e r v l a k t e n met v o l d o e n d e n a u w k e u r i g h e i d te bepalen. Geavanceerde signaalbewerkingstechnieken (aanpassingen aan m o d e l - f u n c t i e s ) , w a a r i n zoveel m o g e l i j k beschikbare a p r i o r i kennis v a n het spectrum i n g e b r a c h t k a n w o r d e n , z i j n d a n o o k n o o d z a k e l i j k e gereedschappen b i j het M R S - o n d e r z o e k (zie f i g u u r 9).
CHEMICAL
Figuur
7: spectroscopisclie
gemeten mm
proton-spectra
diepte
liggend
de wateiprotonen 1,5 ppm zijn
liggende
onder
meer
afbeelding zijn
is meer
Het
van lagen tussen
dan een factor
spectrumlijnen afkomstig
van de hersenen
afkomstig
schedeldak.
van
SHIFT
van een levende
4 en 5 ppm
10000
liggende
onderdrukt.
zijn van Itet beenmerg aminozuren.
rat. De bij 7 tesla
van 0,2 mm evenwijdig intensieve
De op geringe
uit de schedel.
aan het op O signaal diepte
De andere
van en bij pieken
141
Figuur 8: Zes in vivo fosfor-spectra van drie in verscltiilende muizen geimplementeerde tumoren (K, B en CJ. De onderste spectra zijn vóór een tlierapeutisclie behandeling, de bovenste spectra erna. De pieken 4, 5, 6 en 8 zijn hoog-energetische fosfor verbindingen, afkomstig van de tumor. Piek 2 is een anorganisch afbraak product. Bij de tumor volgens spectrum A is stralings-therapie toegepast, bij tumor B hyperthermie en bij tumor C de combinatie van de behandelingen bij A en B .
U.-A_^^
0.6
Frequentie (kHz)
b
-0-8
Figuur 9: Fosfor-spectrum van een deel van de hersenen van een vrijwilliger. Tijdens het acquireren van het fosforsignaal werd er op de proton-overgangen van het corresponderende hersendeel ingestraald (ontkoppelen). Spectrum a is verkregen via een standaard fouriertransforinatie. Spectrum b is verkregen via aanpassing aan een geschikte modelfunctie in het tijddomein volgens de z.g. mini- VARPRO methode en zonder gebruikmaking van voorkennis. Spectrum e is het resultaat van mini-VARPRO en voorkennis van een bekend spectrumgebied: het adenosine trifosfaat (A TP).
