NATUURKUNDIGE VOORDRACHTEN 1994-1995
NATUURKUNDIGE VOORDRACHTEN N I E U W E R E E K S No. 73 I n het seizoen 1994/1995 t r a d e n o p als sprekers: D r . R. B o d d e k e
P r o f . D r . H . J . G . Lamers
Drs. D . van Halsema
D r s . J. V o g e l z a n g
D r . Eveline W . Wuis
Prof. Dr. M . Wortel
Prof. D r . G . A . Acket
D r . R . C . Peters
Prof. Dr. Ir. M . Looijen
D r . G.S.F. Ruigt
P r o L D r . C J . Melief
M w . Dr. P.E.
OPGERICHT
Slagboom
1793
BESCHERMVROUWE H.M. DE
KONINGIN
D R U K K E R I J V I S O F F S E T A L P H E N A A N D E N R I J N 1995
I S B N 90-72644-07-7
KONINKLIJKE MAATSCHAPPIJ VOOR NATUURKUNDE onder de zinspreuk DILIGENTIA
BESCHERMVROUWE H.M. de Koningin
ERELEDEN Z.K.H. Prins Bernliard der Nederlanden Z.K.H. Prins Claus der Nederlanden
LID VAN VERDIENSTE Dr. W.P.J Lignac
BESTUURDERS Mw. J.W.M. Evers, secretaris Dr. Ir. G.P. de Loor, voorzitter Dr. E. Talman, penningmeester
treden af in 1996
Mw. Dr. M.P.M. Erlee Prof. Dr. R. van Furth Ir. P. Waasdorp
1997
Mr. L . van Solkema Dr. P.N.J. Wisse Drs. R. Arlman
1998
VERSLAG V A N DE SECRETARIS VAN DE KONINKLIJKE MAATSCHAPPIJ VOOR NATUURKUNDE DILIGENTIA over het seizoen 1994-1995 L i j s t v a n sprelcers: D r . R. Boddeke
P r o f . D r . H . J . G . Lamers
Drs. D . van Halsema
Drs. J. Vogelzang
D r . Eveline W . W u i s
Prof. Dr. M . Wortel
Prof. Dr. G . A . Acket
D r . R . C . Peters
P r o f . D r . I r . M . L o o i jlen
D r . G.S.F. Ruigt
Prof. Dr. C J . Melief
M w . D r . P.E. Slagboom
De m a a t s c h a p p i j telde o p 1 j a n u a r i 1995, 436 leden. D e algemene l e d e n v e r g a d e r i n g v o n d plaats o p 30 j a n u a r i 1995. De p e r i o d i e k a f t r e d e n d e bestuursleden: M w . D r . M . P . M . E r l e e , P r o f . D r . R . v a n F u r t h en I r . P . W a a s d o r p stelden z i c h v o o r een nieuwe p e r i o d e v a n 3 j a a r als b e s t u u r s h d bes c h i k b a a r en het b e s t u u r w e r d u h g e b r e i d m e t D r s . R . A r l m a n (chemicus, w e r k z a a m b i j T . N . O . te D e l f t ) . J . W . M . Evers secretaris.
INHOUD D R . R. B O D D E K E ( V i s s e r i j b i o l o o g , R I V O - D L O U m u i d e n ) H e t T A C - b e l e i d en de Europese visserij p o l i t i e k D R S . D . V A N H A L S E M A ( W e t e n s c h a p p e l i j k medewerker 's-Gravenhage) R a d a r i n t e r f e r o m e t r i e v a n u i t de r u i m t e
TNO-FEL,
M W . D R . E V E L I N E W . W U I S ( a f d . Klinische Farmacie A c a d . Ziekenhuis Nijmegen) H e t belang v a n c h i r a l i t e i t i n b i o l o g i s c h actieve s t o f f e n P R O F . D R . G . A . A C K E T ( P h i l i p s O p t o e l e c t r o n i c s Centre E i n d h o v e n ) Recente o n t w i k k e l i n g e n o p het gebied v a n halfgeleiderlasers P R O F . D R . I R . M . L O O I J E N ( T . H . D e l f t , Fac. T e c h n . W i s k u n d e ) J o h n N a p i e r en W i l h e l m S c h i c k a r d - Rekenen en mechaniseren R e k e n m e t h o d e n en r e k e n m a c h i n e P R O F . D R . C J . M E L I E F ( R . U . L e i d e n , a f d . i m m u n o h e m a t o l o g i e en Bloedbank) A f w e e r tegen k a n k e r c e l l e n P R O F . D R . H . L A M E R S ( S t e r r e n k u n d i g I n s t i t u u t en S R O N , U t r e c h t ) H e t leven v a n de sterren: v a n h u n geboorte t o t h u n d o o d D R S . J. V O G E L Z A N G ( R i j k s w a t e r s t a a t , R I K Z . R i j s w i j k ) H e t w a a r n e m e n en k a r t e r e n v a n de zeebodem m e t r a d a r P R O F . D R . M . J . R . W O R T E L (Fac. A a r d w e t e n s c h a p p e n , T e k t o n o f y s i c a U . U . ) D e d y n a m i c a v a n de l i t h o s f e e r i n het M i d d e l l a n d s e zeegebied D R . R . C . P E T E R S (Universitair H o o f d d o c e n t neuro-ethologie U . U . ) D e z i n t u i g w e r e l d v a n 'elektrische' vissen D R . G . S . F . R U I G T ( N e u r o f y s i o l o o g O r g a n o n Oss) H e t h e r k e n n e n v a n geneesmiddelen tegen depressies d o o r b i j de r a t
E.E.G.-onderzoek
M W . D R . P . E . S L A G B O O M ( I n s t i t u u t v o o r V e r o u d e r i n g s - en V a a t z i e k t e n o n d e r z o e k T . N . O . M e d . Fac. R . U . L e i d e n ) V e r o u d e r i n g , b i o l o g i s c h bekeken
UIT DE LEZINGEN V A N HONDERD JAAR
GELEDEN
1894 - 1895 door M . J . Boftema
De K o n i n k l i j k e M a a t s c h a p p i j v o o r N a t u u r k u n d e steh z i c h ten d o e l de n a t u u r w e t e n schappen te b e v o r d e r e n . Z o is dat i n de statuten vastgelegd. I n die n a t u u r w e t e n s c h a p b e i j v e r t m e n zich o m , d o o r p r o e f n e m i n g e n , een v e r b a n d te v i n d e n tussen verschijnselen i n de n a t u u r en de 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 een m o d e l daarvan. E e n reisverhaal past s t r i k t g e n o m e n niet i n dat kader. T o c h b e h o e f t f o r m e e l niet te w o r d e n b e t r e u r d , d a t D r . V a n B e m m e l e n h o n d e r d j a a r geleden de gelegenheid h e e f t gekregen o m v o o r D i l i g e n t i a mededehngen
te d o e n ' O v e r z i j n reistocht d o o r M i d d e n -
S u m a t r a onder l e i d i n g v a n den h o o f d i n g e n i e u r I J z e r m a n " . D e lezing geeft n a m e l i j k , o n b e d o e l d , een t r e f f e n d i n z i c h t i n de b i j die expeditie o n d e r v o n d e n m o e i l i j k h e d e n als gev o l g v a n het o n t b r e k e n v a n al die h u l p m i d d e l e n u i t de toegepaste n a t u u r w e t e n s c h a p die ons thans ten dienste staan, zoals b i j v o o r b e e l d het g e m o t o r i s e e r d vervoer, b e t r o u w b a r e k a a r t e n en de d a a r m e d e samenhangende n a u w k e u r i g e p l a a t s b e p a l i n g , b e r i c h t g e v i n g over a f s t a n d en v e r d u u r z a a m d e l e v e n s m i d d e l e n . V o o r a l onder de tropische o m s t a n d i g heden was d h laatste een f a c t o r v a n belang. H e t was als het ware een w e d s t r i j d tussen b e d e r f en f o u r a g e r i n g . H e t o n d e r w e r p v a n de lezing b e t r o f een expedide v a n F o r t v a n de CapeUen ( i n de b u u r t v a n P a d a n g ) naar L a n g g a n aan de r i v e r de K a m p a r , een a f s t a n d v a n z o ' n 70 k m . D o e l v a n de o n d e r n e m i n g was o m na te gaan o f i n die r i c h t i n g een s p o o r l i j n z o u k u n n e n w o r d e n aangelegd v o o r de d o o r v o e r v a n steenkolen u h de O m b i l i n - v e l d e n . V o o r de reis moest de expeditie geheel s e l f - s u p p o r t i n g z i j n . M e n m o c h t n a m e l i j k niet op p r o v i a n d e r i n g o n d e r w e g rekenen, n o c h o p voedsel dat u h het o e r w o u d z o u k u n n e n w o r d e n b e t r o k k e n . D a t betekende, dat alles moest w o r d e n meegedragen, niet alleen het voedsel v o o r de expeditieleden, m a a r o o k dat v o o r de dragers zelf en een reserve v o o r b e d e r f . V o o r de d u u r v a n een m a a n d k w a m dat, m e t de overige o n m i s b a r e z a k e n , o p een last v o o r 280 (!) dragers u h . D a t betekende n o g a l w a t , w a n t i n het o e r w o u d was m e n g e d w o n g e n o m achter elkaar aan te l o p e n , w a n t er k o n m a a r een heel s m a l p a d w o r d e n v r i j g e m a a k t . D e m o e i z a a m v o o r t z w o e g e n d e expeditie kreeg d a a r d o o r een lengte v a n m a a r hefst a n d e r h a l v e k i l o m e ter. D a t was n o g t o t daar aan toe, m a a r aangezien m e n i n het d i c h t begroeide o e r w o u d alleen z i j n v o o r g a n g e r en degeen die v o l g d e zag, moest het d o o r g e v e n v a n een b e r i c h t v a n m a n t o t m a n g a a n . Veel g e b r u i k w e r d er d a a r o m niet v a n g e m a a k t , w a n t het d u u r d e al g a u w een u u r , eer een b o o d s c h a p , v a n k o p naar staart, heen en t e r u g was. A a n het h o o f d v a n de stoet liepen vier E u r o p e a n e n en aan de staart n o g eens twee. E e n v a n de E u r o p e a n e n i n de achterhoede was V a n R a a h e . H i j was belast ' m e t d o e n der m e t i n g e n , w a a r t o e h i j zich bediende v a n een k o p e r d r a a d v a n bekende l e n g t e ' . Helaas
12
staat er i n liet verslag niet v e r m e l d w a t V a n Raalte n u precies m e t dat e i n d k o p e r d r a a d deed. Z i j n a c t i v i t e i t e n h e e f t h i j overigens d u u r m o e t e n b e k o p e n . H i j was w a t achtergebleven en ' w e r d o p ' t alleronverhoedst d o o r eene bende woeste i n b o o r h n g e n v a n achteren o v e r v a l l e n en neergeschoten'. D e c o l o n n e reageerde h i e r o p d o o r , met a c h t e r l a t i n g v a n de goederen, o p de v l u c h t te slaan. V o o r de o n d e r n e m i n g h a d d i t o n g e l u k geen gevolgen, w a n t het verslag m e l d t , dat m e n na het gebergte de moerassige, d o o r vele r i v i e r e n doorsneden, lager gelegen v l a k t e ber e i k t e . D e v o o r t g a n g w e r d daar evenwel ernstig b e l e m m e r d d o o r zware r e g e n v a l . D e r i vieren zetten steeds meer v a n de lage oeverstreken onder w a t e r . ' I n t u s s c h e n bleef de r i vier maar steeds wassen, z o o d a t w i j niet verder k o n d e n . D r o e v i g zaten w i j i n het k a m p b i j e e n , m a a r het water steeg al hooger en hooger, t o t w i j er e i n d e l i j k schier t o t den hals i n z a t e n ' . Begeleid d o o r hevige tropische b u i e n t r o k m e n n u een eindweegs t e r u g , naar een plek w a a r m e n al eens eerder een k a m p h a d opgeslagen. H o e w e l m e n n o g steeds h i n der v a n het w a t e r o n d e r v o n d , bereikte m e n enige dagen d a a r n a L a n g g a n , het e i n d d o e l v a n de reis. M e n z o u u h d i t relaas als g e v o l g t r e k k i n g k u n n e n v e r w a c h t e n , dat de aanleg v a n de s p o o r l i j n , na al die negatieve e r v a r i n g e n , ten sterkste te o n t r a d e n was. M a a r enigszins verrassend l u i d d e het oordeel d a t : ' D e t o c h t h a d geleerd, dat aan den b o u w v a n een s p o o r w e g langs d i e n weg geene o n o v e r k o m e l i j k e t e r r e i n b e z w a r e n z i j n v e r b o n d e n . . . ' . H e t zal w e l zo z i j n , dat v o o r de aanleg v a n de s p o o r w e g andere n o r m e n h e b b e n gegolden d a n alleen het reisgemak. T e d e n k e n v a l t b i j v o o r b e e l d aan het gegeven v a n het v r i j e r u i m t e p r o f i e l v o o r b a a n en t r e i n . I n dat v e r b a n d w o r d t de a c t i v i t e i t v a n de m a n met het k o p e r d r a a d , v a n bekende lengte, o o k w a t d u i d e l i j k e r . H i j z a l na hebben gegaan o f overal de vereiste d o o r t o c h t h o o g t e en -breedte v o o r de s p o o r w e g aanwezig was. O n d a n k s het positieve advies is de s p o o r w e g er t o c h niet g e k o m e n : ' E e n i n F e b r u a r i en M a a r t 1891 o n d e r n o m e n v e r k e n n i n g s t o c h t leerde, dat b i j de u i t v o e r i n g v a n dezen s p o o r w e g g r o o t e bezwaren z o u d e n m o e t e n o v e r w o n n e n w o r d e n . Sedert het k r a c h t i g o p treden v a n J a p a n o p de k o l e n m a r k t v a n O o s t - A z i ë , m a k e n echter veranderde o m s t a n d i g heden den b o u w o n g e r a d e n ' ( G e d e n k b o e k K I V I , 1847 - 1897, p g . 298). E e n v o o r d r a c h t , die w e l precies o p de doelstelhng v a n de M a a t s c h a p p i j a a n s l u h , is die van P r o f . D r . Oudemans, 'Over dubbelsterren'. B i j bet a a n d a c h t i g b e k i j k e n v a n de sterrenhemel h a d m e n o n t d e k t , dat het v e e l v u l d i g v o o r k o m t , dat er twee sterren i n b o o g a f s t a n d heel d i c h t b i j elkaar staan, m a a r alleen i n b o o g a f s t a n d , w a n t i n radiale r i c h t i n g z o u d e n z i j vele h c h t j a r e n v a n elkaar v e r w i j d e r d kunnen zijn. V o l g e n s een uitgevoerde k a n s b e r e k e n i n g ( M i c h e l l 1783) z o u d e n die visuele dubbelsterr e n , zoals ze w o r d e n g e n o e m d , niet zo v e e l v u l d i g m o g e n z i j n . D a t b r a c h t M i c h e h o p het idee, dat het merendeel v a n die dubbelsterren o o k w e r k e l i j k een paar, een d o o r g r a v i t a t i e k r a c h t e n g e b o n d e n geheel, z o u d e n v o r m e n ; twee z o n n e n dus, die o m een gemeenschappelijk zwaartepunt roteerden. N i e t ieder deelde die v e r o n d e r s t e l h n g . Volgens het teleologisch s t a n d p u n t v a n de 18e eeuw k o n dat n i e t , i m m e r s " t E e n o f ander verschijnsel v e r k l a r e n , zonder a p r i o r i het doel v a n het v e r s c h i j n s e l te k e n n e n , daarmede k o n m e n z i c h o n m o g e l i j k vereenigen'. O o k d i t m a g een, z i j het negatieve, fase i n de o n t s l u i e r i n g v a n de eigenschappen v a n d u b b e l s t e r r e n heten. E e n v r u c h t b a a r d e r schrede was een v o n d s t b i j een anders gericht o n d e r z o e k (zoals w e l vaker v o o r k o m t ) . D o o r H e r s c h e l (1738-1822) w e r d e n n a m e l i j k systemadsch
dubbelster-
13
ren o n d e r z o c h t . H e t g i n g h e m d a a r b i j speciaal o m het vaststellen v a n de paraUaxis, het k r i n g e t j e dat de ster b e s c h r i j f t wanneer de w a a r n e m e r de a a r d b a a n d o o r l o o p t . H i j k o o s daar b i j v o o r k e u r een z w a k sterretje v l a k b i j de te o n d e r z o e k e n ster u i t en bepaalde ten opzichte v a n die ster de bewegingen v a n de h o o f d s t e r . De keuze v a n het z w a k k e sterretje deed h i j op g r o n d v a n de o v e r w e g i n g , dat dat z w a k k e r e sterretje ( r a d i a a l ) w e l een heel e i n d v a n de h o o f d s t e r a f moest staan. N u l u k t e h e m die m e t i n g b i j een g r o o t a a n t a l d u b b e l s t e r r e n n i e t . E r was niets v a n een p a r a l l a x te v i n d e n . D a t betekende, dat die sterren, behalve o p t i s c h , derhalve o o k w e r k e l i j k d i c h t b i j e l k a a r moesten staan. Deze v o n d s t m a a k t e het m o g e l i j k o m , b i n n e n het ber e i k v a n de m e e t m e t h o d e , een scheiding te m a k e n tussen optische en ware d u b b e l s t e r r e n . B i j welke laatste g r o e p h o r e n o o k de spectroscopische d u b b e l s t e r r e n en de zogenaamde bedekkings v e r a n d e r l i j k e n . De overige lezingen v a n het seizoen 1894 - 1895 w a r e n (titels b e k o r t ) : Dr. P.C. Hoek
Z a l m en z a l m v i s s c h e r i j
Prof. D r . H . Wefers Bettink
R e u k en r e u k s t o f f e n
Prof. D r . A . A . W . . Hubrecht
V o o r h i s t o r i s c h e dieren (2)
D r . W . C . L . v a n Schaik
Phosphorescentie en f l u o r e s c e n t i e
U h de lezing over z a l m e n m a g het volgende n o g w e l even apart w o r d e n g e n o e m d . V o o r een statistisch o n d e r z o e k h a d spreker zich ' i n v e r b i n d i n g gesteld met een zeer dienstvaard i g g r o o t h a n d e l a a r i n visch, die h e m t o e s t o n d o m de visschen, w e l k e h i j v o o r z i j n e n h a n del a a n k o c h t , te m e t e n en te o n d e r z o e k e n ' . Z o w e r d e n gedurende twee j a a r n a u w k e u r i g alle b i j z o n d e r h e d e n v a n zeker 2000 stuks te b o e k gesteld. O p v a l l e n d was, dat de lengte v a n de o p het K r a h n g s c h e Veer o n d e r z o c h t e z a l m e n u i t z o n d e r l i j k g r o o t w a s . V e r g e l i j k i n g m e t de u h k o m s t e n v a n een o p de R i j n u i t g e v o e r d o n derzoek versterkte de o p v a l l e n d e a f w i j k i n g alleen m a a r . ' D e o o r z a a k v a n het verschil bleek spoedig, t o e n de z a l m h a n d e l a a r met de oprechte v e r k l a r i n g v o o r d e n d a g k w a m : ' i k zoek a l t i j d de g r o o t s t e z a l m e n v o o r m i j n b e d r i j f u i t ! ' Deze anekdote v e r o o r z a a k t v r o l i j k h e i d onder de t o e h o o r d e r s , m a a r v o o r de onderzoeker is het een diepe teleurstelhng. T w e e j a a r o n d e r z o e k s w e r k v e r l o r e n . H e t k e n m e r k t echter de w a r e o n d e r z o e k e r (dat was de spreker D r . H o e k zelf dus), d a t h i j ten eerste r o n d v o o r deze misslag u h k o m t en ten tweede dat h i j z i c h d o o r d h i n c i d e n t n i e t laat o n t m o e d i g e n en g e m o t i v e e r d weer v a n v o r e n a f aan b e g i n t .
HET T A C BELEID E N D E EUROPESE VISSERIJPOLITIEK door R. Boddeke
O p 25 j a n u a r i 1983 w e r d , na zeven j a a r v a n p o l i t i e k t o u w t r e k k e n , o v e r e e n s t e m m i n g ber e i k t over het laatste en b e l a n g r i j k s t e onderdeel v a n de G e m e e n s c h a p p e l i j k e V i s s e r i j P o h t i e k v a n de Europese C o m m i s s i e , het g e z a m e n l i j k beheer v a n de visstand i n de 200m i j l s z o n e s v a n de Udstaten. Deze g e z a m e n l i j k e 200-mijlszones w o r d e n i n d i t v e r b a n d v a a k , m a a r niet terecht, aangeduid als de C o m m u n a u t a i r e Zee. O v e r de andere onderdelen v a n de G V P , s t r u c t u u r b e l e i d , m a r k t b e l e i d en i n t e r n a t i o n a l e b e t r e k k i n g e n was m e n het zeven j a a r eerder al zonder vee! p r o b l e m e n eens g e w o r d e n . H e t u i t e i n d e l i j k e a k k o o r d w e r d met b l i j d e gezichten begroet. D e c h a m p a g n e vloeide r i j k e l i j k . De o p m a r s naar het Verenigde E u r o p a k o n o o k o p zee b e g i n n e n . W i j z i j n n u b i j n a 12 j a a r verder. D h is een goed m o m e n t v o o r een t e r u g b h k o p hetgeen is gebeurd en b e r e i k t . D e basis v a n het overeengekomen visstandsbeheer w o r d t g e v o r m d d o o r een systeem v a n zogenaamde T A C ' s , de Engelse a f k o r t i n g v a n T o t a a l Toegestane V a n g s t e n . J a a r l i j k s w o r d t d o o r de R a a d v a n M i n i s t e r s vastgesteld w a t i n t o t a a l v a n de b e l a n g r i j k s t e v i s p o p u laties i n de ' C o m m u n a u t a h e Zee' m a g w o r d e n gevangen. Deze T A C ' s ( o f het deel daarv a n v o o r de E u r o p e s e Gemeenschap, i n geval v a n bestanden die m e t derde l a n d e n m o e ten w o r d e n gedeeld) w o r d e n gesphtst i n n a t i o n a l e q u o t a volgens een vaste verdeelsleutel. H e t was v o o r a l die verdeelsleutel w a a r o v e r i n die zeven j a a r o n d e r h a n d e l e n z w a r e s t r i j d is geleverd. W a a r k o m t dat systeem v a n T A C ' s en q u o t a v a n d a a n en w a t is de w e t e n s c h a p p e l i j k e basis die er aan t e n g r o n d s l a g ligt? H e t is d a a r b i j n o o d z a k e l i j k onderscheid te m a k e n tussen b o d e m v i s en pelagische v i s . Pelagische v i s s o o r t e n z i j n b i j v o o r b e e l d h a r i n g , s p r o t , a n s j o v i s , sardines ( p i l c h a r d s ) , m a k r e e l en h o r s m a k r e e l . D e r g e l i j k e vissoorten z i j n niet aan de b o d e m g e b o n d e n en k o m e n v a n nature v o o r i n grote scholen, die meestal u i t é é n s o o r t bestaan. V a a k zelfs bestaan die scholen u i t vissen die ongeveer even g r o o t o f even o u d z i j n . Scholen pelagische vis k u n n e n met elektronische a p p a r a t u u r w o r d e n o p g e s p o o r d . D e ze a p p a r a t u u r is t e g e n w o o r d i g zo geavanceerd, dat zelfs s o o r t e n k u n n e n w o r d e n onderscheiden. M e n ziet b i j v o o r b e e l d dat een school u i t m a k r e e l bestaat d o o r de b l a u w e k l e u r v a n het beeld o p de m o n i t o r . A l s visserij b i o l o g e n over b e t r o u w b a r e schattingen b e s c h i k k e n v a n de g r o o t t e v a n visbestanden, z o w e l v a n j o n g e als v a n volwassen d i e r e n , k u n n e n z i j berekenen w e l k e hoe-
Natuurkundige voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 3 oktober 1994.
16
veelheid zonder r i s i c o k a n w o r d e n gevangen. B i j ongemengde scholen v a n é é n s o o r t k a n die hoeveelheid w o r d e n gevangen zonder dat m e n p r o b l e m e n k r i j g t met andere vissoorten. V a n g s t q u o t a w o r d e n al zestig j a a r g e b r u i k t v o o r het beheer v a n pelagische visbestanden. Reeds i n 1936 m a a k t e m e n v a n v a n g s t q u o t a g e b r u i k o m de visserij o p paaiende h a r i n g b i j V a n c o u v e r I s l a n d (Canada) te reguleren. I n late j a r e n , t o e n de Canadese v l o o t sneller en g r o t e r w e r d , k o p p e l d e m e n deze q u o t a aan een licentiesysteem en een gesloten seizoen. M e n vist daar m e t purse seiners. Deze schepen vissen m e t e n o r m lange d r i j v e n d e netten waarmee een gehele school h a r i n g w o r d t o m s i n g e l d . M e t d e r g e l i j k e netten k u n n e n reusachtige vangsten w o r d e n g e m a a k t . H e t visseizoen v o o r Canadese purse seiners is gew o o n l i j k slechts 2 u u r per j a a r , soms m a a r 15 m i n u t e n . H e t v i s s e r i j b e l e i d v a n de Europese C o m m i s s i e is een v o o r t z e t t i n g v a n dat v a n de N E A F C (de N o o r d - O o s t A t l a n t i s c h e V i s s e r i j C o m m i s s i e ) . W i l l e n w i j iets b e g r i j p e n v a n het E u r o pese v i s s e r i j b e l e i d , d a n m o e t e n w i j b i j de N E A F C beginnen. V a n a f 1965 stelde
de
N E A F C m i n i m u m m a t e n vast v o o r diverse v i s s o o r t e n en m i n i m u m m a a s w i j d t e n v o o r a l lerlei v i s t u i g e n . D e c o n t r o l e was i n h a n d e n v a n de l i d s t a t e n zelf en h a d niet veel o m het l i j f . Z o n u en d a n g a f m e n een proces v e r b a a l , g e v o l g d d o o r een lage boete. D e j a a r l i j k s e N E A F C - v e r g a d e r i n g i n L o n d e n was v o o r a l gezellig. I n 1969 b l i j k t echter de vangst v a n N o o r d z e e h a r i n g a f g e n o m e n te z i j n v a n 1.5 m i l j o e n t o n i n 1965 t o t 800.000 t o n i n 1968. B i j de bodemvisbestanden z i j n er n o g geen p r o b l e m e n . Geconstateerd w o r d t , dat de totale opbrengst i n gewicht v a n deze bestanden i n verg e l i j k i n g met de j a r e n v l a k na de 2e W e r e l d o o r l o g is gestegen en dat de bestanden eveneens z i j n
toegenomen.
O p 4-5 m e i 1970 belegt de N E A F C een v e r g a d e r i n g v a n een studiegroep v o o r N o o r d z e e h a r i n g bestaande u i t b i o l o g e n , e c o n o m e n en beleidsambtenaren, direct v o o r a f g a a n d aan de j a a r l i j k s e N E A F C - v e r g a d e r i n g . Deze v a k l u i spreken z i c h d u i d e l i j k u h v o o r een beperk i n g v a n de vangst v i a q u o t a . I n b e p e r k i n g v a n de visserij ziet m e n geen heU o m d a t o p h a r i n g m e t zeer verschillende v i s t u i g e n w o r d t gevist w a a r d o o r het e f f e k t v a n een d e r g e l i j ke b e p e r k i n g zeer m o e i l i j k is te k w a n t i f i c e r e n . E r k o m t een glashelder, goed g e f u n d e e r d advies dat d o o r de N E A F C w o r d t overgenom e n . H e l a a s , j u r i d i s c h e p r o b l e m e n h o u d e n i n t r o d u k t i e v a n het quota-systeem tegen. Pas vier j a a r later k o m t er een T A C v o o r N o o r d z e e - h a r i n g v a n 494.000 t o n , de o p t e l s o m v a n w a t ieder l a n d m i n i m a a l w i l d e hebben. H e t was meer d a n er t o e n n o g aan h a r i n g i n de Noordzee r o n d z w o m . Op 1 oktober
1975 adviseren v i s s e r i j b i o l o g e n de visserij o p
N o o r d z e e h a r i n g te s l u i t e n . D e N E A F C b l i j f t d e s a l n i e t t e m i n n o g enige j a r e n T A C ' s vaststellen die, als g e v o l g v a n j u r i d i s c h e protesten v a n de l i d s t a t e n , geen k r a c h t v a n w e t h a d den. T e n s l o t t e w o r d t o p 1 a p r h 1977, als m o s t e r d na de m a a l t i j d , o f liever u i t j e s na de har i n g , de visserij o p N o o r d z e e h a r i n g gesloten. E r z w e m t d a n n o g ongeveer 70.000 t o n har i n g i n de N o o r d z e e , het schamele restant v a n een bestand dat n o r m a a l enkele m i l j o e n e n t o n n e n g r o o t was! Pas i n 1985 w o r d t weer visserij o p r u i m e schaal toegestaan. Deze o n d e r b r e k i n g was v o o r de Nederlandse visserij o p m a a t j e s h a r i n g een c a t a s t r o f e . D e e n o r m e t e r u g v a l i n de h a r i n g s t a n d i n de N o o r d z e e i n de zeventiger j a r e n w e r d i n de eerste plaats v e r o o r z a a k t d o o r een p e r i o d e v a n geringe j a a r l i j k s e aanwas v a n j o n g e die-
17
ren. H e t o p t r e d e n v a n z u l k e p e r i o d e n is niet o n g e w o o n . W i j beleven n u z o ' n p e r i o d e b i j de h o r s m a k r e e l . V r i j w e l alle h o r s m a k r e e l die n u i n de N o o r d z e e r o n d z w e m t , is t w a a l f j a a r o u d . I n 1982 w e r d een e n o r m e j a a r k l a s geboren, daarna v r i j w e l niets meer. G r o t e r e vissoorten w o r d e n t i e n t a l l e n j a r e n o u d . P e r i o d e n met geringe aanwas v a n j o n g e d i e r e n w o r d e n onder n a t u u r l i j k e o m s t a n d i g h e d e n dus g e m a k k e l i j k o v e r b r u g d , al gaat de stand n a t u u r l i j k wel achteruit. A l s m e n echter i n een p e r i o d e v r i j w e l zonder j o n g e aanwas e n o r m e hoeveelheden vis b l i j f t vangen, stort de stand o n h e r r o e p e l i j k i n elkaar. D a t besef is thans algemeen. M e n is d o o r schade en schande w i j s g e w o r d e n . D a a r b i j pelagische vissoorten v o o r beheer d o o r m i d d e l v a n v a n g s t q u o t a een hechte b i o l o g i s c h e basis bestaat, is het met het beheer v a n de N o o r d z e e h a r i n g en b i j v o o r b e e l d o o k m e t m a kreel i n de ' C o m m u n a u t i a r e Zee' na 1985 niet slecht gegaan. Z e l f s de h o r s m a k r e e l s t a n d is thans, na t w a a l f j a a r v r i j w e l zonder j o n g e aanwas, n o g bevredigend d a n k z i j verantw o o r d beheer. V o o r pelagische vissoorten is het Europese v i s s e r i j b e l e i d r e d e l i j k succesv o l geweest. W i j gaan n u terug naar de b o d e m v i s s o o r t e n , die w i j i n 1969 hebben v e r l a t e n , t o e n de N E A F C deze bestanden zo p o s i t i e f beoordeelde. Pas na 1973 begint de N E A F C zich zorgen te m a k e n over een b o d e m v i s s o o r t , de t o n g . D e N E A F C s t u u r t een verzoek o m advies aan de I C E S . De I C E S is een organisatie w a a r i n m a r i e n - w e t e n s c h a p p e l i j k o n d e r z o e k i n het N o o r d a t l a n t i s c h e gebied al 90 j a a r w o r d t g e c o ö r d i n e e r d en w a a r i n o o k v i s s e r i j b i o l o gen i n w e r k g r o e p e n s a m e n w e r k e n : ' V e r z o c h t w o r d t o m t o n g - en scholbestanden i n de N o o r d z e e te bestuderen als v o o r b e r e i d i n g op een onderzoek naar de p r o b l e m e n die o n t staan b i j het gescheiden reguleren v a n soorten d o o r m i d d e l v a n v a n g s t q u o t a o f andere middelen'. U i t de vraag b l i j k t , dat m e n h i e r b i j t o e n al p r o b l e m e n v o o r z a g . H e t v o o r de h a n d liggende a n t w o o r d v a n de I C E S h a d m . i . m o e t e n z i j n : ' S c h o l - en tongbestanden i n de N o o r d z e e w o r d e n b i n n e n de I C E S al 70 j a a r bestudeerd. A a n u w verzoek o m v o o r b e r e i d i n g is d o o r ons dus al r u i m s c h o o t s v o l d a a n . A a n het o n d e r z o e k dat u w i l t d o e n u i t v o e r e n naar de p r o b l e m e n die ontstaan b i j het gescheiden reguleren van s o o r t e n , zullen w i j gaarne onze aandacht
geven.'
Helaas g i n g het geheel anders. D e I C E S riep een v e r g a d e r i n g v a n de P l a t v i s W e r k g r o e p b i j e e n i n augustus 1973, zonder v o o r die v e r g a d e r i n g T e r m s o f Reference vast te stellen. De wetenschapsmensen i n de w e r k g r o e p k o n d e n dus d o e n w a t z i j w U d e n en deden dat o o k . N o t a bene i n de i n l e i d i n g v a n h u n r a p p o r t w o r d t al g e c o n c l u d e e r d , dat er zeer sterke redenen z i j n v o o r het v e r m i n d e r e n v a n de v i s s e r i j s t e r f t e v a n t o n g . H e t advies dat v o l g t , is een zeer laag T A C advies v o o r n o o r d z e e t o n g . O m deze lage vangst te reahseren moest 40 o f 6 0 % v a n de v l o o t aan de k a n t o f de gehele v l o o t i n d e e l t i j d vissen. W a t b e t r e f t de w e r k e l i j k e vraag v a n de N E A F C , o m advies over de p r o b l e m e n die o n t staan b i j het gescheiden reguleren v a n s o o r t e n , deelde m e n mede dat d a a r v o o r n o c h de gegevens n o c h de b i o l o g i s c h e kennis aanwezig was. H e t h a d v o o r de h a n d gelegen, dat de N E A F C hier niet mee tevreden was geweest en een ad hoe studiegroep h a d bijeengeroepen ( a n a l o o g aan die v o o r de h a r i n g i n 1974) o m na te gaan hoe het n u verder moest met de b o d e m v i s . D a n was t o e n al aan het h c h t gekom e n , dat het beheren d o o r m i d d e l v a n T A C ' s v a n b o d e m v i s b e s t a n d e n die v e r s p r e i d en gemengd v o o r k o m e n , b u i t e n g e w o o n m o e i l i j k is en i n vele gevallen v o l s t r e k t o n m o g e l i j k . B o d e m v i s b e s t a n d e n z i j n i n de N o o r d z e e niet z ó gevarieerd als b i j v o o r b e e l d v o o r de kust van West A f r i k a . D a a r vangt een t r a w l e r d a g e l i j k s z o ' n d r i e h o n d e r d s o o r t e n b o d e m v i s d o o r elkaar. M a a r zelfs als m e n alleen met schol en t o n g te m a k e n h e e f t , z i j n de p r o b l e -
18
m e n v a n gescheiden beheer al g r o o t . O p de slanke t o n g m o e t met netten m e t m a z e n v a n 8 c m w o r d e n gevist. I n de z u i d e l i j k e N o o r d z e e v a n g t met daarmee veel
ondermaatse
schol, w a n t s c h o l is veel breder. O m aUeen maatse schol te vangen is een m a a s w i j d t e v a n 12 o f 14 c m n o d i g . U i t z o ' n net o n t s n a p t echter v r i j w e l alle t o n g ! I n de n o o r d e l i j k e N o o r d z e e k o m t geen t o n g v o o r , alleen schol. T h e o r e t i s c h k a n m e n de t o n g v i s s e r i j sluiten d o o r visserij o p schol met w i j d m a z i g e netten o f alleen i n de n o o r d e l i j k e N o o r d z e e toe te staan. D e visserij op schol s l u i t e n en d o o r gaan met t o n g v i s s e r i j k a n niet. E c h t e r , b i j visserij o p t o n g en schol v a n g t m e n niet alleen p l a t v i s , m a a r o o k andere s o o r t e n zoals b i j v o o r b e e l d k a b e l j a u w . K a b e l j a u w v a n g t m e n m e t alle m o g e l i j k e v i s t u i gen. B i j gerichte visserij o p k a b e l j a u w w o r d t i n de N o o r d z e e o o k veel schelvis en w i j t i n g gevangen. M e n spreekt d a a r o m v a n r o n d v i s v i s s e r i j . Schelvis is i n de n o o r d e l i j k e N o o r d zee vaak de b e l a n g r i j k s t e r o n d v i s , i n de z u i d e l i j k e N o o r d z e e is het soms w i j t i n g w a a r o p m e n gericht vist. Deze m e n g i n g v a n soorten en v i s m e t h o d e n levert b i j het vaststellen v a n T A C ' s en de v e r d e l i n g v a n q u o t a ware puzzels o p , o o k al d o o r het sterk v e r s c h i l l e n d bel a n g b i j deze s o o r t e n v a n de l i d s t a t e n . Sluiten v a n de visserij o p k a b e l j a u w , op d i t m o m e n t d r i n g e n d gewenst, is o n d e n k b a a r . D e N E A F C h a d daar allemaal geen boodschap aan. Z i j b e g o n i n 1975, z o n d e r verdere studie, v o o r de verschillende vissoorten apart, T A C ' s vast te stellen die v o l s t r e k t niet gerespecteerd w e r d e n . De G e m e e n s c h a p p e l i j k e V i s s e r i j p o l i t i e k v a n de Europese C o m m i s sie begon i n 1976. E e n nieuwe lente een n i e u w geluid? Bepaald niet. Over het beheer v a n de visbestanden bleef m e n het n o g zeven j a a r later oneens en de N E A F C - q u o t a w e r d e n slechts i n é é n j a a r d o o r de R a a d v a n M i n i s t e r s v a n de E G g o e d g e k e u r d . T A C ' s en q u o t a w a r e n al die t i j d een wassen neus, en het bereikte a k k o o r d was zo b r o o s , dat n i e m a n d drastische v e r a n d e r i n g e n wenste. B o v e n d i e n , dat k o n niet. D e basis v a n het beheer v a n de visbestanden i n de w a t e r e n v a n de Europese Gemeenschap is n a m e l i j k a r t i k e l 61 v a n de L a w o f the Sea C o n v e n t i o n . D a t a r t i k e l bepaalt, dat kuststaten v o o r de i n h u n Exclusieve E c o n o m i s c h e Zones v o o r k o m e n d e levende h u l p b r o n n e n T A C ' s m o e t e n vaststellen. D a t is een m e r k w a a r d i g e b e p a h n g . W a a r o m niet s i m p e l w e g g e ë i s t dat deze levende h u l p b r o n n e n v e r a n t w o o r d beheerd w o r d e n ? H e t gaat hier echter niet o m beheer, m a a r o m v e r d e h n g v a n de vangst. T A C ' s lenen z i c h goed v o o r de v e r d e h n g v a n de vangsten tussen l a n d e n . D e Europese Gemeenschap, met z i j n verscheidenheid aan l i d s t a t e n en diverse visbestanden die met derde l a n d e n m o e s t e n w o r den gedeeld, k w a m d i t a r t i k e l dus u i t e r m a t e goed v a n pas. V e r d e h n g v a n de vangst is een p u u r p o h t i e k o o g m e r k . D a t gemengde bodemvisbestanden zelfs t h e o r e t i s c h al niet o f n a u w e l i j k s m e t T A C ' s en q u o t a z i j n te beheren, laat staan i n de p r a k t i j k , h e e f t b i j a d o p t i e v a n deze basis geen r o l gespeeld. Beheer v a n b o d e m v i s b e s t a n d e n m e t T A C ' s en n a t i o n a l e q u o t a verdeeld o v e r zeer verschillende g r o e p e n v a n belanghebbenden h e e f t t o t bizarre shuaties geleid. E e n v o o r b e e l d is de zaak Oreel u i t 1987. De slechte k a b e l j a u w s t a n d leidde toen t o t de vaststelhng v a n lage T A C ' s . V r i j w e l het gehele, kleine Nederlandse q u o t u m w e r d toegekend aan de rondvissers die v o o r a l v a n k a b e l j a u w moesten bestaan. D e platvissers die veel k a b e l j a u w m e e v i n g e n , d i e n d e n de k a b e l j a u w o v e r b o o r d te g o o i e n . D o o d u i t e r a a r d . D e E G b e p a h n g v a n beheer v a n q u o t a v e r m e l d t : A l l e aangevoerde vis gaat v a n bet n a t i o n a l e q u o t u m a f . D a t spreekt v a n z e l f . I n de p o l i t i e k e p r a k t i j k w e r d d i t echter: A l l e e n aangevoerde vis gaat v a n het q u o t u m a f . De B o e r d e r i j der d i e r e n v a n George O r w e l l , waar geen dier m o c h t slapen i n een bed (met lakens) is n o g steeds niet gesaneerd.
19
O r e e l , een Vlissingse platvisvisser, b e k e u r d wegens aanvoeren v a n k a b e l j a u w , betoogde v o o r de r e c b t b a n k i n M i d d e l b u r g dat b i j bet d o o d o v e r b o o r d g o o i e n v a n k o s t e l i j k e vis niet o p k o n b r e n g e n . H i j w e r d a a n v a n k e l i j k v r i j g e s p r o k e n . D e rechter i n M i d d e l b u r g baseerde zich o p het p r i n c i p e dat het Nederlandse recht een v e r w i j t r e c h t is en dat h i j O r e e l i n r e d e l i j k h e i d niets k o n v e r w i j t e n . D e v e r p h c h t i n g dode vis o v e r b o o r d te w e r p e n zag h i j niet als z i n n i g . H i e r m e e s t o n d het visserijbeleid o p i n s t o r t e n en dat o n t g i n g de O f f i cier v a n J u s d t i e n a t u u r l i j k n i e t . I n hoger beroep v o o r het gerechtshof i n D e n H a a g w e r d Oreel t o c h v e r o o r d e e l d . H i e r was de rechter v a n m e n i n g dat het best w a a r k o n z i j n dat de k a b e l j a u w bescherming b e h o e f d e , m a a r dat h i j meer waarde hechtte.aan een e e r l i j k e v e r d e l i n g . E n d a t is exact het p o h t i e k e u i t g a n g s p u n t (verdeling) v a n het systeem v a n T A C ' s en q u o t a . E e n k o m i s c h e gebeurtenis i n die t i j d was een c o n f r o n t a t i e v a n M i n i s t e r B r a k s met p l a t visvissers die h e m de v r a a g stelden, hoe het m o g e l i j k was dat g r o t e , g l o e d n i e u w e schepen zonder een k i l o g r a m q u o t u m naar zee k o n d e n gaan o m o p p l a t v i s te vissen. N a snel overleg m e t een j u r i s t a n t w o o r d d e de m i n i s t e r , dat d i t k o n als die schepen z i c h b e p e r k t e n t o t de visserij o p niet gequoteerde s o o r t e n zoals b o t en schar. D a t was j u r i d i s c h j u i s t , m a a r technisch en f i n a n c i e e l n i e t . B o t en schar k o m e n tussen t o n g en schol v o o r en b r e n gen heel w e i n i g o p . H e t geloei u i t de zaal deed de v o o r z h t e r besluiten de v e r g a d e r i n g te sluiten met de mededeUng dat er v o o r iedereen twee gratis b o r r e l s w a r e n i n de bar. D a t kalmeerde de gemoederen, maar loste de p r o b l e m e n niet o p . P o g i n g e n i n N e d e r l a n d , een l o y a a l Ud v a n de E G , o m na j a r e n v a n p a p p e n en n a t h o u d e n via stringente o v e r h e i d s c o n t r o l e het T A C systeem o o k v o o r b o d e m v i s te l a t e n f u n c d o n e r e n , l e i d d e n v i a een s c h i m m i g debat i n de Tweede K a m e r t o t de v a l v a n m i n i s t e r B r a k s . D a t b r a c h t algehele p o l i d e k e b e z i n n i n g . Thans z i j n de vissers georganiseerd i n groepen die het beheer v a n de q u o t a v o e r e n . De c o n t r o l e is goeddeels i n h a n d e n v a n de vissers zelf. M e n h e e f t de b o k t o t hovenier g e m a a k t . D i t w e r k t u h s t e k e n d , w a n t het is thans usance i n de Europese Gemeenschap o m q u o t a v o o r b o d e m v i s zo h o o g vast te stellen dat ze ' n i e t al te zeer k n e l l e n ' . O m ons t o t N e d e r l a n d te b e p e r k e n , v r i j w e l geen e n k e l n a t i o n a a l q u o t u m is i n 1993 v o l l e d i g b e n u t . D e mededeUng v a n de Europese C o m m i s s i e a n n o 1994, over de toepassing v a n nieuwe elementen v a n het G e m e e n s c h a p p e l i j k V i s s e r i j b e l e i d , b e v a t t e n , na w a t i k u v e r t e l d h e b , w e i n i g n i e u w s . O p m e r k i n g e n als: 'de p a a i s t a n d m o e t b o v e n een v e i l i g m i n i m u m b l i j v e n ' , 'toepassing v a n u i t s l u i t e n d T A C ' s en q u o t a is o n t o e r e i k e n d : een c o m b i n a d e m e t inzetbeperkende maatregelen is n o o d z a k e l i j k ' en 'de veelheid v a n doelstellingen v a n het Gem e e n s c h a p p e l i j k V i s s e r i j Beleid m a a k t p o l i t i e k e keuzes n o o d z a k e l i j k ' , geven b l i j k v a n gegroeid reahteitsbesef, m a a r daarmee ontstaat n o g geen e f f e c t i e f b e l e i d . A l s u m o c h t c o n c l u d e r e n , dat er i n de a f g e l o p e n j a r e n geen sprake is geweest v a n d a a d w e r k e l i j k beheer v a n b o d e m v i s b e s t a n d e n en dat de kans d a a r o p i n de t o e k o m s t k l e i n is, spreek i k u niet tegen. De v r a a g is dus, hoe gaat het verder m e t de Europese
bodemvisbestanden?
H i e r b i j m o e t e n w i j twee verschillende shutaties onderscheiden, die i n het g r o o t s t e deel van E u r o p a en die i n N e d e r l a n d . I n het algemeen z i j n visserijen op b o d e m v i s i n E u r o p a k u s t g e b o n d e n , kleinschaUge act i v i t e h e n . E r bestaat een i n de l o o p v a n de t i j d gegroeid e c o n o m i s c h e v e n w i c h t tussen de p r o d u k t i v h e h v a n de k u s t w a t e r e n en de v i s s e r i j i n s p a n n i n g . D e o p b r e n g s t v a n de visserij m o e t i n e v e n w i c h t z i j n met de k o s t e n . Vissers bevissen b o v e n d i e n v o o r a l plaatsen w a a r sprake is v a n concentraties v a n w a a r d e v o l l e v i s . D a a r b u h e n z i j n echter uitgestrekte gebieden w a a r die vissen o o k v o o r k o m e n . D a t h e l p t mee b i j het bewaren v a n het even-
20
wicht i n biologische zin. V o o r b e e l d e n z i j n de G o l f v a n B i s k a j e en Keltische Zee. I n d i t e n o r m e zeegebied w o r d t met allerlei v i s t u i g e n o p een grote verscheidenheid aan b o d e m d i e r e n gevist. V a n beheer is geen sprake. M a t e n op vis en m a a s w i j d t e r e g e l i n g e n lapt m e n aan z i j n laars, q u o t a z i j n slechts papier. E e n g r o n d i g w e t e n s c h a p p e l i j k o n d e r z o e k b r a c h t aan het l i c h t d a t , als m e n al die verschillende visbestanden ideaal z o u bevissen, de opbrengst i n geld slechts m e t 2 5 % z o u s t i j g e n . D a t is b e p a a l d geen basis v o o r i n g r i j p e n d e v e r a n d e r i n g e n . V o o r d i t geb i e d , m a a r o o k v o o r de M i d d e l l a n d s e Zee en het K a n a a l , geldt: Brusselse heren d o e n a l s o f z i j beheren, b i o l o g e n d o e n a l s o f z i j advies geven, vissers d o e n w a t ze w i l l e n . E t les affaires marchent. De Nederlandse visserij o p b o d e m v i s en garnalen paste t o t bet b e g i n v a n de zestiger j a r e n geheel i n d i t Europese beeld. K l e i n e scheepjes, geringe vangsten, b e p a a l d geen v e t p o t . N a 1963 b e g o n n e n bestanden v a n b o d e m v i s , schaal- en schelpdieren i n de z u i d o o s t e l i j k e N o o r d z e e sterk i n o m v a n g toe te n e m e n en de vis g i n g o o k sneller g r o e i e n . D e N E A F C constateerde i n 1968 al dat deze bestanden t o e n a m e n , zoals w i j h e b b e n gezien. D e v e r g r o t e n a t u u r l i j k e p r o d u k t i e leidde t o t een geweldige o n t w i k k e h n g v a n de Nederlandse k o t t e r v i s s e r i j . Financieel gestimuleerd d o o r Nederlanse o v e r h e i d en E G w e r d e n steeds meer en grotere schepen g e b o u w d . D o o r de gunstige f i n a n c i ë l e resultaten en aant r e k k e l i j k e f i n a n c i e r i n g s r e g e h n g e n k w a m er b i o l o g i s c h gezien een overcapaciteit aan schepen. De aanvoer v a n k a b e l j a u w en schol n a m toe met een f a c t o r acht, die v a n t o n g met een f a c t o r d r i e en m e n bleef veel geld v e r d i e n e n . H e t e v e n w i c h t tussen p r o d u k t i v h e h en v i s s e r i j i n s p a n n i n g k w a m o p een veel hoger n i v e a u te liggen d a n v o o r h e e n . De a f g e l o p e n j a r e n h a d alleen U r k al een v i s e x p o r t ter w a a r d e v a n een m i l j a r d g u l d e n . M i j n collega H a g e l en i k hebben i n 1990 aangegeven, dat de meest w a a r s c h i j n l i j k e o o r z a a k v o o r d i t w o n d e r v a n U r k was, de i n 1960-1981 toenemende l o z i n g o p de k u s t z o ne v a n m e s t s t o f f e n , i n het b i j z o n d e r v a n f o s f a a t v i a de R i j n . Deze b e m e s t i n g h e e f t een sterke v e r h o g i n g v a n de n a t u u r l i j k e p r o d u k t i e i n de z u i d - o o s t e l i j k e N o o r d z e e v e r o o r zaakt. A l s g e v o l g v a n m i h e u m a a t r e g e l e n is na 1984 de f o s f a a t a f v o e r v a n de R i j n echter drastisch v e r m i n d e r d . H e t f u n d a m e n t w a a r o p de Nederlandse k o t t e r v i s s e r i j was geb o u w d , l i j k t goeddeels te z i j n v e r d w e n e n . H e t Nederlandse v i s s e r i j b e d r i j f is o p de weg t e r u g naar 1960. A a n hoge q u o t a zoals thans b i j v o o r b e e l d v o o r s c h o l , h e e f t een visser niets als de vis s i m p e l w e g niet meer te vangen is, en met schol o p papier n e m e n b a n k en oliehandelaar geen genoegen. H e t v i s s e r i j s t r u k t u u r b e l e i d v a n de E G was i n de zeventiger j a r e n gericht o p de b o u w v a n n i e u w e schepen, m e t subsidie. De Nederlandse visserij h e e f t daar gretig g e b r u i k v a n gem a a k t . N u Ugt de n a d r u k o p het slopen v a n schepen, eveneens met subsidie. T e vrezen v a h dat o o k h i e r b i j het Nederlandse v i s s e r i j b e d r i j f v o o r o p m o e t gaan l o p e n . V o o r u als buitenstaanders is het naar i k h o o p een interessant v e r h a a l , v o o r de b e t r o k k e n e n is het een d r a m a .
RADARINTERFEROMETRIE VANUIT DE RUIMTE door D . van Halsema
Inleiding H e t g e b r u i k v a n r a d a r s v o o r de aardobservatie is, vergeleken m e t het g e b r u i k v a n o p t i sche sensoren, b e t r e k k e l i j k n i e u w . D e eerste toepassing v a n r a d a r v o o r d i t d o e l stamt u i t het begin v a n de j a r e n zestig. D e v o o r n a a m s t e reden o m r a d a r te g e b r u i k e n is n a t u u r l i j k , dat r a d a r slechts w e i n i g w o r d t g e h i n d e r d d o o r b e w o l k i n g en dat de sensor niet a f h a n k e l i j k is v a n de z o n als belichtingsbron. I n 1978 lanceerde N A S A de eerste satelliet die de aarde observeerde m e t b e h u l p v a n r a d a r , de S E A S A T . Zoals de n a a m a l suggereerde, was deze satehiet p r i m a i r v o o r ocean o g r a f i s c h e d o e l e i n d e n g e m a a k t . I n de t i j d dat deze satehiet r o n d v l o o g (ca. 100 dagen) w e r d een e n o r m e hoeveelheid b e e l d m a t e r i a a l v e r z a m e l d , waar wetenschapsmensen t o t aan het einde v a n de tachtiger j a r e n mee v o o r u h k o n d e n . Behoudens een p a a r k o r t e v l u c h t e n met de Space Shuttle I m a g i n g R a d a r was er geen nieuwe radarsatelliet v o o r h a n den i n de tachtiger j a r e n . D e Europese r u i m t e v a a r t o r g a n i s a t i e E S A lanceerde i n j u h 1991 de eerste E u r o p e s e Rem o t e Sensing satelliet, de E R S - 1 , m e t aan b o o r d een Synthetische A p e r t u u r R a d a r . H o e w e l o o k deze satehiet o o r s p r o n k e l i j k was o n t w o r p e n v o o r v o o r a l oceanografische toepassingen, w o r d e n de gegevens v a n de S A R b o v e n l a n d o o k v e e l v u l d i g g e b r u i k t . Sinds de l a n c e r i n g v a n de E R S - 1 hebben de m e t r a d a r i n t e r f e r o m e t r i e v e r k r e g e n signal e n veel aandacht gekregen i n w e t e n s c h a p p e l i j k e k r i n g e n , m a a r o o k d a a r b u i t e n . Reden d a a r v o o r is o n g e t w i j f e l d , dat deze techniek grote b e l o f t e n i n h o u d t v o o r p r a k t i s c h e en c o m m e r c i ë l e toepassingen v a n aardobservatie. D i t a r t i k e l geeft een b e k n o p t o v e r z i c h t v a n de principes en t o e p a s s i n g s m o g e l i j k h e d e n v a n r a d a r i n t e r f e r o m e t r i e . Radar V a n u i t een v l i e g t u i g o f satehiet w o r d e n d o o r een r a d a r pulsen elektromagnetische stral i n g i n z i j w a a r d s e r i c h t i n g u i t g e z o n d e n naar het a a r d o p p e r v l a k . D e r e f l e c t i e v a n het o p p e r v l a k w o r d t opgevangen m e t dezelfde antenne en gedetecteerd. D i t proces v a n u i t z e n d e n - r e f l e c t i e - o n t v a n g e n w o r d t steeds h e r h a a l d t e r w i j l het v l i e g t u i g e n / o f satelliet z i c h i n een zo recht m o g e l i j k e b a a n v o o r t b e w e e g t . H i e r d o o r w o r d t i n f o r m a t i e over de r e f l e c t i e aan het a a r d o p p e r v l a k v e r k r e g e n v a n een lange s t r o o k t e r z i j d e v a n de geprojecteerde b a a n v a n de satehiet. H e t t i j d v e r l o o p tussen
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 17 oktober 1994.
22
u i t z e n d i n g en o n t v a n g s t v a n de r e f l e c t i e levert de i n f o r m a t i e over de a f s t a n d tussen p u n t e n o p het a a r d o p p e r v l a k en de antenne (de range
resolutie). D e h o e k tussen de v e r t i c a a l
en de ' k i j k r i c h t i n g ' v a n de r a d a r w o r d t de i n v a l s h o e k g e n o e m d . V o o r de E R S - 1 satelliet is deze h o e k ongeveer 23 g r a d e n . H e t oplossend v e r m o g e n dat o p deze w i j z e k a n w o r d e n v e r k r e g e n i n de v l i e g r i c h t i n g is v a n u i t een satehiet veel te k l e i n v o o r p r a k t i s c h e d o e l e i n d e n . D e p r a k t i s c h b r u i k b a r e a f m e t i n g v a n de antenne v a n ca. 8 meter is d a a r t o e veel te k l e i n . O m t o c h o p n a m e n m e t hoge resolutie te k u n n e n m a k e n v a n u i t de r u i m t e w o r d t een lange antenne gesynthetiseerd d o o r het o p s l i m m e w i j z e samenvoegen v a n achtereenvolgende p u l s e n . R e f l e c t i e v a n delen v a n het a a r d o p p e r v l a k w e l k e v o o r w a a r t s l i g g e n t e n o p z i c h t e v a n de satehiet k u n n e n w o r d e n onderscheiden v a n reflecties v a n achter de satelliet, d o o r d a t de eerste een positieve d o p p l e r v e r s c h u i v i n g v e r o o r z a k e n en de laatste een negatieve. H i e r d o o r k u n n e n i n p r i n c i p e t o c h deel-reflecties b i n n e n de b u n d e l w o r d e n onderscheiden en k u n n e n resoluties t o t theoretisch een halve antennelengte (4 meter) w o r d e n gehaald. Principe
van radar
interferometrie
I n t e r f e r o m e t r i e w o r d t i n ' V a n D a l e ' omschreven als de wetenschap v a n het bestuderen v a n d o o r i n t e r f e r e n t i e onstane beelden. I n t e r f e r e n t i e is de g e l i j k t i j d i g e w e r k i n g v a n twee bewegingen die elkaar b e l e m m e r e n o f elkaar versterken. B i j r a d a r i n t e r f e r o m e t r i e gaat het o m de i n t e r f e r e n t i e v a n de t e r u g o n t v a n g e n elektromagnetische s t r a l i n g , opgevangen d o o r twee verschillende antennes. W e h i c h t beter b e k e n d z i j n de optische i n t e r f e r o g r a m m e n en h o l o g r a m m e n . B i j r a d a r w o r d t het i n t e r f e r e n t i e p a t r o o n verkregen d o o r de o n t v a n g e n signalen u i t twee verschillende antennes te l a t e n i n t e r f e r e r e n . E i g e n l i j k is de suggestie die h i e r w o r d t gew e k t niet geheel j u i s t . Eerst w o r d e n de signalen fase-gevoeUg gedetecteerd en g e d i g i t a l i seerd. Vervolgens gebeurt het i n t e r f e r e r e n voUedig i n de c o m p u t e r . D e fase w a a r o v e r hier w o r d t geschreven is de fase v a n de g o l f b e w e g i n g v a n het elektrische v e l d . D e p e r i o d e w a a r m e e deze fase f l u c t u e e r t , w o r d t b e p a a l d d o o r de f r e q u e n t i e v a n de r a d a r (5.6 G H z v o o r de E R S - 1 ) . B e l a n g r i j k is u h e r a a r d , dat de fase v a n het o n t v a n g e n r e f l e c t i e s i g n a a l o n g e s t o o r d w o r d t doorgegeven d o o r de o n t v a n g e r en de elektronische c i r c u i t s en s o f t w a r e daarachter. D i t stelt hoge eisen aan m e t n a m e de s i g n a a l v e r w e r k i n g . I n r a d a r i n t e r f e r o m e t r i e w o r d t het faseverschil tussen twee overeenkomstige b e e l d p u n t e n i n twee S A R o p n a m e n bestudeerd. D h faseverschil is een zeer gevoelige m a a t v o o r het weglengteverschil. M e t d i t weglengteverschil w o r d t de a f s t a n d b e d o e l d tussen enerzijds een p u n t o p het a a r d o p p e r v l a k en de ene antenne en a n d e r z i j d s h e t z e l f d e p u n t o p het a a r d o p p e r v l a k en de andere antenne. E e n faseverschil v a n Tr r a d i a l e n is te i n t e r p r e t e r e n als een weglengteverschil v a n 1/4 g o l f l e n g t e ( v o o r de E R S - 1 is de g o l f l e n g t e 5.3 c m ) . E r k u n n e n dus zeer k l e i n e weglengteverschillen w o r d e n gemeten. E r w o r d t a l l é é n gekeken naar relatieve
v e r s c h i l l e n v a n de weglengte b i n n e n de S A R o p n a m e v a n 100 b i j 100 k m .
D a a r o m is het n i e t n o d i g o m de p o s i t i e v a n de satelliet m e t een grotere n a u w k e u r i g h e i d d a n ongeveer 10 t o t 30 c m te k e n n e n . Deze precisie is t e g e n w o o r d i g h a a l b a a r d o o r laserp e i l i n g e n v a n de satelliet u i t te v o e r e n i n c o m b i n a t i e m e t c o m p l e x e b a a n m o d e U e n .
Er
s c h u i h echter n ó g een a d d e r t j e onder het gras: als het weglengteverschil g r o t e r w o r d t d a n een h a l v e g o l f l e n g t e , d a n v o u w t de fase als het ware o m . E e n v o o r b e e l d : het faseverschil dat h o o r t b i j een weglengteverschil v a n een halve g o l f l e n g t e (2.7 c m ) is 2Tr r a d i a l e n , m a a r het faseverschil b e h o r e n d b i j 2 halve g o l f l e n g t e n is o o k 27r r a d i a l e n . H e t weglengteverschil k a n dus alleen m e t een a m b i g u ï t e i t v a n een halve g o l f l e n g t e w o r d e n gemeten. D i t
23
w o r d t het ' a m b i g u ï t e i t s ' - p r o b l e e m i n de S A R i n t e r f e r o m e t r i e g e n o e m d . H i e r m e e m o e t i n de s i g n a a l v e r w e r k i n g v o o r t d u r e n d r e k e n i n g w o r d e n g e h o u d e n . W e g l e n g t e v e r s c h i l l e n k u n n e n w o r d e n v e r o o r z a a k t d o o r een a a n t a l verschillende processen, zoals b e w e g i n g v a n het o b j e c t tussen beide o p n a m e i n , e n / o f d o o r h o o g t e v e r s c h i l l e n i n het t e r r e i n . I n de R e m o t e Sensing p r o b e e r t m e n een k o p p e h n g te leggen tussen enerz i j d s de gemeten faseverschillen en a n d e r z i j d s de o o r z a k e n v a n deze faseverschillen m e t als d o e l hier n u t t i g e i n f o r m a t i e u i t te extraheren.
Figuur
1
Schematisch ting
vanuh
" overzicht een
van de geometrie
vliegtuig.
' voor
een 'across-traclc'
interferometrische
me-
24
I n de n a v o l g e n d e p a r a g r a f e n zal k o r t w o r d e n g e ï l l u s t r e e r d hoe de met b e h u l p v a n radari n t e r f e r o m e t r i e gemeten faseverschillen k u n n e n w o r d e n gerelateerd aan interessante geofysische p a r a m e t e r s . E r w o r d t d a a r b i j een eenvoudige i n d e h n g a a n g e h o u d e n i n een d r i e t a l s o o r t e n v a n i n t e r f e r o m e t r i e : de 'across-track' i n t e r f e r o m e t r i e , de 'repeat-pass' i n t e r f e r o m e t r i e en de ' a l o n g - t r a c k ' i n t e r f e r o m e t r i e . D e t e r m 'across-track' slaat o p een meets i t u a t i e w a a r b i j de S A R - b e e l d e n w o r d e n o p g e n o m e n v a n u i t twee verschillende antennes die een kleine v e r p l a a t s i n g ten o p z i c h t e v a n elkaar hebben d w a r s o p de v o o r t b e w e g i n g s r i c h t i n g v a n het p l a t f o r m ( v h e g t u i g o f s a t e l ü e t ) . O v e r e e n k o m s t i g is ' a l o n g - t r a c k ' g e d e f i n i e e r d als een d i s p o s i t i e langs de v o o r t b e w e g i n g s r i c h t i n g . 'Repeat-pass' slaat op een c o n f i g u r a t i e w a a r b i j i n p r i n c i p e de tweede o p n a m e v a n u i t ongeveer h e t z e l f d e p u n t is gem a a k t , echter o p een ander t i j d s t i p . 'A cross-track'
radarin
terferometrie
F i g u u r 1 geeft het p r i n c i p e weer v a n een 'across-track' i n t e r f e r o m e t e r aan b o o r d v a n een v h e g t u i g . H e t systeem bestaat u i t twee antennes o p a f s t a n d B v a n elkaar, de zogenaamde 'baseline', d w a r s o p de v l i e g r i c h t i n g . I n de baseline k u n n e n we een h o r i z o n t a l e c o m p o nent By en v e r t i c a l e c o m p o n e n t
onderscheiden. E é n v a n beide antennes w o r d t ge-
b r u i k t o m r a d a r p u l s e n mee u i t te zenden. Beide antennes o n t v a n g e n het t e r u g v e r s t r o o i d e s i g n a a l . N a S A R b e e l d v e r w e r k i n g w o r d e n nagenoeg i d e n t i e k e o p n a m e n v e r k r e g e n . H e t faseverschil tussen beide o p n a m e n hangt samen met k l e i n e weglengteverschillen ten gev o l g e v a n iets verschillende i n v a l s h o e k e n . H e t gemeten faseverschil h a n g t als v o l g t sam e n m e t de baseline v a n de i n t e r f e r o m e t e r :
A'P =
4^5,.
s i n Q - B^ cos Q ]
(1)
A
F i g u u r 1 laat o o k z i e n , dat er een relatie is tussen de i n v a l s h o e k en de t e r r e i n h o o g t e ti: tl = Hg-v
cos Q
(2)
H i e r i n is Hg een r e f e r e n t i e h o o g t e en li een locale h o o g t e ten o p z i c h t e v a n de r e f e r e n t i e h o o g t e , /• is de a f s t a n d tussen antenne en o b j e c t . D o o r m e t i n g v a n het f a s e v e r s c h Ü k a n met b e h u l p v a n f o r m u l e 1 n a u w k e u r i g de i n v a l s h o e k w o r d e n b e p a a l d .
Gecombineerd
m e t Hg en de gemeten /• k a n hiermee i n f o r m u l e 2 de locale t e r r e i n h o o g t e w o r d e n u i t g e r e k e n d . A l d u s k a n v o o r ieder b e e l d p u n t deze h o o g t e w o r d e n u i t g e r e k e n d , hetgeen resulteert i n een d i g h a a l t e r r e i n h o o g t e m o d e l ( D T M ) . E c h t e r , de fase k a n , zoals h i e r b o v e n beschreven, slechts w o r d e n b e p a a l d b i n n e n de grenzen v a n O en 2%. E e n gemeten faseverschÜ v a n r a d i a l e n k a n z o w e l o p een w e r k e l i j k f a s e v e r s c h Ü v a n TT r a d i a l e n d u i d e n als o p een v e r s c h i l v a n TT -I- « * 2 * 7 r (« = i n t e g e r ) . D i t resulteert d i r e c t i n h o o g t e - a m b i g u ï t e i t e n die d o o r b e e l d v e r w e r k i n g m o e t e n w o r d e n opgelost. F i g u u r 2^ laat een v o o r b e e l d zien v a n een S A R beeld v a n het e i l a n d S a r d i n i ë b i j I t a l i ë . H e t e i l a n d is b e h o o r l i j k b e r g a c h t i g , met b i n n e n de beeldgrenzen een h o o g t e v e r l o o p v a n O t o t 1854 m e t e r . I n f i g u u r 2*" w o r d t het gemeten faseverschil weergegeven i n g r i j s t i n t e n . H i e r geldt d a t de v o l l e d i g e g r i j s s c h a a l w o r d t d o o r l o p e n v o o r f a s e v e r s c h i l l e n v a n O t o t 2TV. D e scherpe overgangen tussen w i t en z w a r t geven aan, w a a r de fase ' t e r u g - v o u w t ' i n het b e p e r k t e d o m e i n v a n O t o t 27r. Deze scherpe overgangen z i j n l i j n e n v a n g e l i j k e fase en d e r h a l v e o o k l i j n e n v a n g e l i j k e h o o g t e . Z e z i j n dus te i n t e r p r e t e r e n als h o o g t e l i j n e n . H e t h o o g t e v e r s c h i l tussen de h o o g t e l i j n e n is i n d i t beeld ongeveer 62 m e t e r . D u i d e l i j k is te z i e n , dat de e q u i - f a s e - ' h o o g t e l i j n e n ' de gevoelsmatige c o n t o u r e n v a n de bergen v o l -
25
Figuur ERS-1 eiland Figuur
2a opname Sardinië.
met de Synttietisctie Apertuur Weergegeven is in grijstinten
Radar van een gedeette het terugverstrooide
van tiet vermogen.
Italiaanse
2b
FaseverschÜ tussen twee SAR opnamen van het eiland Sardinië. Het faseverschÜ tussen O en 2ir is weergegeven met grijstinten tussen zwart en wh. De faseverschillen zijn min of meer evenredig met de hoogte van de bergen, zoals blijkt uh het vergelijken van figuur 4a en 4b. De scherpe overgangen tussen wh en zwart worden veroorzaakt door het ferugvouwen' van de fase in het basisdomein van 2%.
gen. H e t i n t e r f e r o g r a m bevat dus a a n t o o n b a a r i n f o r m a t i e over de t e r r e i n h o o g t e ! O p veel plaatsen i n de w e r e l d w o r d t m o m e n t e e l o n d e r z o e k gedaan naar de m o g e l i j k h e d e n o m m e t b e h u l p v a n deze techniek o p g o e d k o p e en n a u w k e u r i g e w i j z e d i g i t a l e t e r r e i n h o o g t e k a a r t e n te m a k e n . D e r g e l i j k e k a a r t e n bestaan n o g niet v a n veel gebieden o p de aarde. E c h t e r , het is niet zo e e n v o u d i g o m een c o m p u t e r a u t o m a t i s c h een d i g h a l e h o o g t e k a a r t te l a t e n m a k e n v a n gegevens zoals g e t o o n d i n F i g u u r 2 \ D e e q u i - f a s e - l i j n e n w o r d e n n a m e l i j k n o g a l eens o n d e r b r o k e n d o o r i n v l o e d v a n r u i s , iets w a t b i j echte h o o g t e l i j n e n niet v o o r k o m t . Daarnaast bestaan er gebieden w a a r de e q u i - f a s e - l i j n e n niet te traceren z i j n . A l deze p r o b l e m e n m o e t e n w o r d e n opgelost. G e l u k k i g z i j n niet ahe gebieden zo c o m p l e x als het getoonde gebied v a n S a r d i n i ë . D i t gebied is expres d o o r E S A als testgebied geselecteerd vanwege z i j n c o m p l e x i t e i t . D e v e r o n d e r s t e l l i n g is h i e r b i j , dat elk a l g o r h m e dat hier goede resuhaten p r o d u c e e r t , o o k elders goed zal w e r k e n .
Figuur 3 Schematisch af een satelliet
overzicht als de
van de geometrie ERS-L
voor
een 'repeat-pass
across-traclc'
meting
van-
27
AHB-
AhA=
<'^'I'B • A V
X
4n cos e
Figuur
4
Schematisch overzicht van de mogelijlcheid om met behulp van 'repeat-pass' metrie kleine hoogteveranderingen in de bodem te meten.
interfero-
D e o p n a m e v a n F i g u u r 2 is g e m a a l i t met de E R S - 1 satelliet. D i t is v e r b a z e n d , daar de E R S - 1 slechts b e s c h i k t over é é n antenne v o o r u i t z e n d e n en o n t v a n g e n . H o e k a n hiermee d a n t o c h een o p n a m e w o r d e n g e m a a k t als z o u het een 'across-track' i n t e r f e r o m e t e r z i j n ? H e t a n t w o o r d is, d a t hier g e b r u i k is g e m a a k t v a n twee o p n a m e n o p een verschUlend t i j d s t i p : 'repeat-pass' i n t e r f e r o m e t r i e : 'Repeat-pass'
in
terferometrie
Satellieten zoals de E R S - 1 w o r d e n i n een z o n - s y n c h r o n e b a a n g e b r a c h t , w e l k e repeteert i n een geheel a a n t a l dagen. D e E R S - 1 is t o t n o g toe i n een d r i e t a l verschillende baansequenties g e b r a c h t : een drie-daagse h e r h a l i n g , een 35-daagse h e r h a l i n g en een 176-daagse h e r h a l i n g . D e o p n a m e v a n F i g u u r 2 is g e m a a k t t i j d e n s een drie-daagse h e r h a l i n g s b a a n . H e t t i j d v e r s c h i l tussen beide o p n a m e n is zes dagen. D o o r allerlei e f f e c t e n is de satelliet niet i n exact d e z e l f d e positie t e r u g g e k o m e n , m a a r ongeveer 150 meter daarnaast. F i g u u r 3 laat de m e e t c o n f i g u r a t i e z i e n . D e a f s t a n d
was i n d h geval 150 m e t e r . D e c o n -
f i g u r a t i e l i j k t o p v a l l e n d veel o p die v a n de 'across-track' c o n f i g u r a t i e i n het v l i e g t u i g i n F i g u u r 1. S o o r t g e l i j k als v o o r de 'across-track' v l i e g t u i g m e t i n g e n bestaat v o o r de satelü e t een relatie tussen de h o o g t e v e r s c h i l l e n en de gemeten faseverschillen i n beide beelden. D a a r d o o r k a n , o n d a n k s het f e i t dat beide beelden niet g e l i j k e r t i j d z i j n o p g e n o m e n , t ó c h h o o g t e w o r d e n gemeten met de satelliet. H e t v o o r d e e l v a n satellietgegevens is, dat de gevlogen b a a n z i c h heel goed r e p r o d u c e e r t en dat deze zeer ' g l a d ' is.
28
E e n heel b e l a n g r i j k e v o o r w a a r d e v o o r het toepassen v a n 'repeat-pass' i n t e r f e r o m e t r i e is, dat de r a d a r r e f l e c t i e aan het a a r d o p p e r v l a k tussentijds niet al te veel m a g v e r a n d e r e n . R e p e a t - p a s s - i n t e r f e r o m e t r i e v a n het zeeoppervlak levert o m deze reden geen enkele i n f o r m a t i e o p , d o o r d a t het zeeoppervlak al n a ongeveer een tiende sekonde zozeer v e r a n d e r t , dat de f a s e - i n f o r m a t i e v e r l o r e n gaat. D i t w o r d e n g e ï l l u s t r e e r d i n het onderste deel v a n F i g u u r 2^. D h is een deel v a n de M i d d e l a n d s e Zee. H e t v a l t o p , dat de fase i n F i g u u r 2'' i n d e r d a a d v o l k o m e n r u i s i g is en geen i n f o r m a t i e bevat. E c h t e r , o o k het l a n d o p p e r v l a k v e r a n d e r t i n de l o o p der t i j d . D e n k d a a r b i j aan het groeien v a n gewassen en het oogsten d a a r v a n . D h s o o r t v e r a n d e r i n g e n leidt t o t r u i s . H e t is dus zaak o m beide o p n a men
zo snel m o g e l i j k na elkaar te m a k e n .
E e n andere zeer interessante toepassing v a n 'repeat-pass' i n t e r f e r o m e t r i e is het m e t e n v a n hele kleine v e r p l a a t s i n g e n v a n het a a r d o p p e r v l a k . G a er v o o r het g e m a k eens v a n u i t dat de satelliet na enige t i j d o p exact dezelfde locatie t e r u g k o m t . E r is n u een situatie o n t s t a a n als weergegeven i n F i g u u r 4. W a n n e e r er niets v e r a n d e r d is aan het a a r d o p p e r v l a k , d a n zal het faseverschil o v e r a l g e l i j k z i j n . E c h t e r , neem n u eens aan dat een deel v a n het o p p e r v l a k d o o r een o f ander geofysische proces een paar m i l l i m e t e r v e r z a k t is. O p die p l e k zal de weglengte, dat is de a f s t a n d tussen de antenne en het a a r d o p p e r v l a k , i n de orde v a n een halve centimeter langer z i j n g e w o r d e n . Zoals al eerder is beschreven, is de fase een gevoelige m a a t v o o r d h verschU. E r z a l dus i n het beeld o p deze plaats een ander faseverschh w o r d e n gemeten d a n o p de o n v e r a n d e r d e plaats ' A ' . M e t andere w o o r d e n : m e t deze m e t h o d e is m e n i n p r i n c i p e i n staat o m b o d e m d a h n g e n / o f b o d e m s t i j g i n g te m e t e n m e t een precisie v a n enkele m i h m e t e r s ! Deze techniek w o r d t m o m e n t e e l i n N e d e r l a n d o n t w i k k e l d o m te o n d e r z o e k e n o f hiermee de b o d e m d a l i n g i n m e t name de p r o v i n c i e G r o n i n g e n gemeten k a n w o r d e n . Z o a l s bek e n d d a a h de b o d e m i n deze p r o v i n c i e als gevolg v a n de aardgas w i n n i n g . Deze d a l i n g h e e f t b e l a n g r i j k e en k o s t b a r e consequenties v o o r de i n f r a s t r u c t u u r en v o o r a l v o o r de d i j ken en de b r u g g e n . M o m e n t e e l w o r d t de d a h n g gemeten m e t b e h u l p v a n waterpassingsm e t h o d e n . M e t i n g v a n u i t de satelliet z o u h i e r o p een w e l k o m e a a n v u h i n g v o r m e n . D e b o d e m d a a h echter niet spectaculair h a r d , i n de diepste ' p u t t e n ' ongeveer 0.5-1 c m per j a a r . D h betekent, d a t de t i j d tussen beide s a t e l h e t o p n a m e n m i n i m a a l een j a a r z a l m o e t e n bedragen o m het v e r s c h i j n s e l m e t deze techniek te k u n n e n w a a r n e m e n . I n die t i j d z u l l e n de l a n d b o u w g e b i e d e n zozeer v e r a n d e r d z i j n , dat deze w e i n i g i n f o r m a t i e meer b e v a t t e n . D i t geldt echter n i e t v o o r de reflecties aan h u i z e n en b o e r d e r i j e n i n de d o r p e n en de sted e l i j k e gebieden. D a a r o m k u n n e n deze gebieden goed w o r d e n g e b r u i k t v o o r d i t d o e l . A n d e r e t o e p a s s i n g s m o g e l i j k h e d e n v a n deze techniek z i j n ; - plaattectoniek - vulcanologie - deformatiemetingen - observatie v a n a a r d b e v i n g e n . I n p r i n c i p e k u n n e n z o w e l verticale als h o r i z o n t a l e d e f o r m a t i e s v a n het a a r d o p p e r v l a k w o r d e n gemeten. D e m e t h o d e is echter ongeveer twee keer gevoeliger v o o r v e r t i c a l e d a n v o o r h o r i z o n t a l e bewegingen.
29
Figuur
5
Scfiematiscfi overzictit van een vliegtuig.
'Along-traclc'
van de geometrie
van een 'along-traclc'
interferometer
aan
boord
Interferometrie
D e laatste v o r m v a n r a d a r i n t e r f e r o m e t r e is de zogenaamde ' a l o n g - t r a c k i n t e r f e r o m e t r i e . H e t p r i n c i p e v a n de v o r m w o r d t g e ï l l u s t r e e r d i n F i g u u r 5. A l o n g - t r a c k i n t e r f e r o m e t r i e w o r d t m o m e n t e e l u i t s l u i t e n d m e t vliegtuigsystemen u i t g e v o e r d . T w e e antennes w o r d e n g e m o n t e e r d i n de v l i e g r i c h t i n g v a n het v l i e g t u i g . D e tussenafstand tussen beide antennes w o r d t weer de b a s i s l i j n g e n o e m d . E é n v a n beide antennes w o r d t g e b r u i k t o m z o w e l te zenden als te o n t v a n g e n , de ander f u n c t i o n e e r t alleen als o n t v a n g s t a n t e n n e . N e e m eens aan dat een deel v a n de r a d a r v e r s t r o o h n g a f k o m s t i g is v a n een o b j e c t dat z i c h beweegt i n de r i c h t i n g v a n het v l i e g t u i g m e t een snelheid u. T e n gevolge v a n de dispositie v a n bei-
30
i
1
Figuur 6 Stromingskaart gemaakt met de OCRS 'along-track' interferometer van de 'Bay dy' aan de Canadese oostkust. De stroomsnelheid is weergegeven in grijstinten = O m/2, wit = 6 m/s). De pijltjes geven de stroomrichting weer.
ofFun(zwart
de antennes over de a f s t a n d B,. is er een k l e i n t i j d v e r s c h i l tussen beide o p n a m e n . I n d i t k l e i n e t i j d v e r s c h i l z a l het o b j e c t zich een beetje i n de r i c h t i n g v a n de antenne verplaatsen. D i t z a l een k l e i n faseverschil v e r o o r z a k e n tussen o n v e r e e n k o m s t i g e b e e l d p u n t e n i n beide S A R o p n a m e n . D e g r o o t t e v a n het faseverschil hangt als v o l g t samen m e t de snelheid u v a n het o b j e c t en de snelheid V v a n het v l i e g t u i g : 5,
(3)
D i t concept v a n ' a l o n g - t r a c k ' r a d a r i n t e r f e r o m e t r i e is u i t g e v o e r d i n het Canadese r a d a r systeem v a n het C a n a d a Center f o r R e m o t e Sensing. F i g u u r 6 laat een i n t e r f e r o m e t r i s c h e s t r o m i n g s k a a r t zien v a n een deel v a n de o o s t e l i j k e k u s t w a t e r e n v a n C a n a d a n a b i j de ' B a y o f F u n d y ' , die g e m a a k t is m e t d h radarsysteem. H e t b e t r e f t een r u i g k u s t g e b i e d m e t g r o t e i n h a m m e n , w a a r i n hoge stroomsnelheden o p t r e d e n als gevolg v a n de g e t i j d e n . D e g r i j s t i n t i n F i g u u r 6 is een m a a t v o o r de s t r o o m s n e l h e i d : hoe w i t t e r , hoe groter de s t r o o m s n e l h e i d . H e t z w a r t e deel i n de f i g u u r is een l a n d t o n g . D e p i j l t j e s geven de s t r o o m r i c h t i n g aan. D u i d e l i j k is te zien dat de s t r o m i n g m a x i m a a l is d i c h t b i j de l a n d t o n g . D i t is i n o v e r e e n s t e m m i n g m e t l o c a a l gemeten
stroomsnelheden.
31
Deze techniek k a n w o r d e n toegepast o m s t r o m i n g e n i n water te m e t e n , zoals h i e r b o v e n g e ï l l u s t r e e r d . E c h t e r , naast zeestromingen k u n n e n o o k stroomsnelheden i n r i v i e r e n gem e t e n w o r d e n . D i t k a n v o o r N e d e r l a n d v a n belang z i j n i n geval v a n h o o g w a t e r , d o o r d a t ten gevolge v a n het o n d e r l o p e n v a n de u i t e r w a a r d e n i n die o m s t a n d i g h e d e n het strom i n g s p a t r o o n k a n veranderen. O p z i j n b e u r t k a n d i t b e l a n g r i j k e gevolgen h e b b e n v o o r de erosie v a n de d i j k l i c h a m e n . Naast m e t i n g v a n snelheden v a n w a t e r o p p e r v l a k k e n z i j n er o o k m o g e l i j k h e d e n o m m e t deze techniek bewegende v o e r t u i g e n o p l a n d w a a r te n e m e n . D h is v o o r a l interessant v o o r m i U t a i r e toepassingen. Conclusie I n het bovenstaande is beschreven hoe i n t e r f e r o m e t r i s c h e s i g n a a l v e r w e r k i n g s m e t h o d e n i n de r a d a r r e m o t e sensing n i e u w e t o e p a s s i n g s m o g e l i j k h e d e n o p l e v e r e n . D o o r synthese a p e r t u u r radarsystemen u i t te r u s t e n m e t twee i n plaats v a n é é n o n t v a n g s t a n t e n n e k a n i n f o r m a t i e w o r d e n v e r k r e g e n over de locale t o p o g r a f i e o f de snelheden v a n o b j e c t e n en o p p e r v l a k k e n . Tevens k a n d o o r herhaalde m e t i n g b o d e m d a h n g e n / o f - s t i j g i n g w o r d e n gemeten met zeer hoge n a u w k e u r i g h e d e n . M o m e n t e e l w o r d t o p diverse plaatsen o p de w e r e l d h a r d g e w e r k t o m de m o g e l i j k h e d e n v a n deze t e c h n i e k e n o m te zetten i n concrete toepassingen. I n N e d e r l a n d l i g t v o o r a l s n o g de n a d r u k o p het g e b r u i k v a n s a t e l h e t i n t e r f e r o m e t r i e v o o r het m e t e n v a n zeer k l e i n e v e r z a k k i n g e n v a n de b o d e m i n G r o n i n g e n . D e h i e r v o o r te o n t w i k k e l e n p r o g r a m m a t u u r z a l i n p r i n c i p e o o k k u n n e n w o r d e n g e b r u i k t v o o r t e c t o n i e k en v u l c a n o l o g i s c h e toepassingen.
H E T B E L A N G V A N C H I R A L I T E I T I N BIOLOGISCH A C T I E V E STOEI E N ' door Eveline W . W u i s
Samenvatting I n de n a t u u r lijlct o p liet eerste gezicht veel s y m m e t r i e v o o r te k o m e n . O p m o l e c u l a i r n i veau d o m i n e e r t echter a s y m m e t r i e . D i t hangt ten nauwste samen m e t de a s y m m e t r i e i n b e l a n g r i j k e b o u w s t e n e n v a n biologische m a c r o m o l e c u l e n , zoals r e c e p t o r e n en e n z y m e n . B i o l o g i s c h actieve s t o f f e n w e r k e n selectief o p receptoren en e n z y m e n . D i t berust o p het chemisch c o m p l e m e n t a i r z i j n v a n s t o f en a a n g r i j p i n g s p u n t . H i e r b i j speelt de r u i m t e l i j k e s t r u c t u u r een b e l a n g r i j k e r o l . B i j een bepaald type v e r b i n d i n g e n , de z g . c h i r a l e s t o f f e n , bestaan twee verschillende r u i m t e l i j k e s t r u c t u r e n (twee stereoisomeren), die z i c h v e r h o u den als een rechter- en U n k e r h a n d . H e e f t de receptor v o o r de gewenste w e r k i n g het k a r a k t e r v a n een h n k e r h a n d s c h o e n , d a n zal alleen de l i n k s h a n d i g e isomeer w o r d e n geaccepteerd, de andere niet o f n a u w e l i j k s . Deze isomeer k a n echter zeer w e l eigen, ongewenste, e f f e c t e n teweegbrengen. Behoudens zeldzame u i t z o n d e r i n g e n v e r s c h i l l e n stereoi s o m e r e n i n w e r k i n g , b i j w e r k i n g e n , m e t a b o l i s m e etc. V a n alle geneesmiddelen die o p de m a r k t z i j n , bestaat 2 5 % u h r a c e m a t e n , 1:1 mengsels v a n stereoisomeren. B i j pesticiden doet z i c h een s o o r t g e l i j k e situatie v o o r . A a n g e z i e n slechts een v a n beide i s o m e r e n het gewenste e f f e c t z a l h e b b e n , bevatten deze m i d d e l e n dus 5 0 % 'isomere baUast', p o t e n t i e e l s c h a d e l i j k e s t o f f e n v o o r o r g a n i s m e en m i l i e u . A f z o n d e r l i j k e i s o m e r e n v e r d i e n e n d a a r o m de v o o r k e u r . D e isomere ballast z a l t o t het techn i s c h en e c o n o m i s c h haalbare m o e t e n w o r d e n teruggebracht. M e t de recente o n t w i k k e l i n g e n i n chirale syntheses en analyses is d i t b i n n e n bereik g e k o m e n . H e t v e r o n t a c h t z a m e n v a n chiraUteit h e e f t tevens geleid t o t het p r o d u c e r e n v a n veel k o s t b a r e ' n o n science', zoals berekeningen aan parameters die z i j n te v e r g e l i j k e n m e t de l e e f t i j d o f de schoenmaat v a n een echtpaar. E e n en ander zal aan de h a n d v a n v o o r b e e l d e n w o r d e n toegeUcht. Inleiding E e n k w a r t v a n alle geneesmiddelen bevat t e n m i n s t e 5 0 % o n w e r k z a m e , p o t e n t i e e l schad e l i j k e , chemische ballast. D i t is v r e e m d als m e n b e d e n k t , dat de o v e r h e i d strenge eisen steh aan het t o e l a t e n v a n geneesmiddelen o p de m a r k t : het m i d d e l m o e t de geclaimde w e r k i n g bezitten, het m a g niet t o x i s c h z i j n en de gedeclareerde hoeveelheid m o e t er d a a d w e r k e l i j k i n z i t t e n . Deze massale v e r o n t r e i n i g i n g die m e n a a n t r e f t b i j geneesmidde-
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 31 oktober 1994.
34
Figuur
L
Ciiiraliteit. tuenten
Alleen (a-d),
ren. In de overige moleculen
wanneer
bestaan
identiek
liet centrale
er 2 stereoisomeren
3 gevallen
C-atoom
is omringd
die eikaars
met l , 2 o f 3 versctiillende
aan de originele
moleculen.
door
spiegelbeeld substituenten
4 versctiillende
substi-
zijn , zg.
enantiome-
zijn de
gespiegelde
35
l e n , pesticiden en andere b i o l o g i s c h acdeve s t o f f e n met een c h i r a a l c e n t r u m , was a l bek e n d aan Pasteur i n het b e g i n v a n deze eeuw. T o c h h e e f t m e n t o t o p heden n a u w e l i j k s iets met deze kennis gedaan. H e t is de verdienste v a n de N i j m e e g s e f a r m a c o l o o g - t o x i c o l o o g A r i ë n s dat h i j r u i m tien j a a r geleden is b e g o n n e n i n een niet a f l a t e n d e artikelenreeks i n v a k - en lekenpers het bel a n g v a n c h i r a l i t e i t i n b i o l o g i s c h actieve s t o f f e n onder de aandacht te brengen ( 1 , 2 ) . D o o r een toevalhge o n t m o e t i n g m e t A r i ë n s t e n t i j d e v a n m i j n p r o m o t i e o n d e r z o e k m e t een, naar t o e n b l e e k , racemisch geneesmiddel is m i j n p e r s o o n l i j k e interesse v o o r d i t o n derwerp ontstaan. Basisprincipes
van chiraliteit
en implicaties
voor
biologische
activiteh
W a n n e e r een C - a t o o m i n een m o l e c u u l is o m r i n g d d o o r vier chemisch verschillende groep e n , m a a k t de t e t r a ë d r i s c h e c o n f i g u r a t i e het bestaan v a n twee stereoisomeren, zg. enant i o m e r e n , m o g e l i j k ( F i g . 1). Deze v o r m v a n stereoisomerie w o r d t c h i r a l i t e i t g e n o e m d , a f g e l e i d v a n het Griekse w o o r d v o o r h a n d ( c h i r o s ) . N e t als de l i n k e r - en de r e c h t e r h a n d is een c h i r a a l m o l e c u u l niet t o t samenvallen te brengen m e t z i j n spiegelbeeld. E n a n t i o m e ren gedragen zich f y s i s c h en chemisch v r i j w e l i d e n t i e k , t e n z i j ze i n w i s s e l w e r k i n g k o m e n met een c h i r a a l reagens. E e n e e n v o u d i g m o d e l v o o r d i t p r i n c i p e is g e ï l l u s t r e e r d i n F i g u u r 2. I n gepolariseerd l i c h t , dat k a n w o r d e n b e s c h o u w d als een f y s i s c h c h i r a a l reagens, gedragen ze zich v e r s c h i l l e n d . E n a n t i o m e r e n d r a a i e n d i t l i c h t i n tegenovergestelde r i c h t i n g , aangegeven als r e c h t s d r a a i e n d ( d e x t r o , d , - f ) en l i n k s d r a a i e n d (levo, 1, - ) . Deze d en 1 d i e n t m e n niet te v e r w a r r e n m e t de h o o f d l e t t e r s D en L , waarmee de absolute c o n f i g u r a tie v a n de vier s u b s t i t u e n t e n aan het chirale c e n t r u m k a n w o r d e n aangegeven. E e n heden ten dage meer g e b r u i k e l i j k e m a n i e r o m d i t type stereoisomeren te onderscheiden is de R , S - n o m e n c l a t u u r . M e n k e n t een bepaalde p r i o r i t e i t toe aan de s u b s t i t u e n t e n , en o p g r o n d v a n g e m a a k t e a f s p r a k e n h e e f t de ene isomeer d a n per d e f i n i t i e de R - c o n f i g u r a t i e , de andere de S. V o o r u h v o e r i g e r i n f o r m a t i e h i e r o v e r w o r d t verwezen naar m o d e r n e leerb o e k e n over organische chemie. W o r d e n m o l e c u l e n m e t vier verschillende substituenten gesynthetiseerd i n a f w e z i g h e i d v a n een c h i r a a l reagens, d a n h e b b e n rechts- en Unksdraaiende m o l e c u l e n een even g r o t e kans o m te o n t s t a a n . M e n v e r k r i j g t een 1:1 mengsel v a n de twee e n a n t i o m e r e n . H e t 1:1
slechte interactie met linkervoet
goede interactie met rechtervoet twee enantiomeren
Figuur
chiraal reagens
2.
Interactie van twee men uh Ref. 3).
enantiomeren
met een chiraal
reagens
(met toestemming
overgeno-
36
mengsel, dat racemaat w o r d t g e n o e m d , is o p t i s c h i n a c t i e f aangezien er evenveel rechtsdraaiende als h n k s d r a a i e n d e m o l e c u l e n aanwezig z i j n . Evenveel rechts- als Unksdraaiende m o l e c u l e n v a n b i j v o o r b e e l d m e l k z u u r v i n d t m e n i n s o m m i g e y o g h u r t s o o r t e n , alhoewel dat pas na nadere bestudering v a n de v e r p a k k i n g d u i d e l i j k w o r d t ( F i g . 3). B i j de meeste geneesmiddelen zoekt m e n t r o u w e n s tevergeefs naar iedere a a n d u i d i n g o m t r e n t c h i r a h t e i t o p de v e r p a k k i n g . A f z o n d e r l i j k e chirale m o l e c u l e n k u n n e n alleen o n t s t a a n i n a a n w e z i g h e i d v a n chirale reagentia. I n de n a t u u r , w a a r e n z y m e n de r o l spelen v a n (substraat) stereoselectieve en ( p r o d u k t ) stereospecifieke k a t a l y s a t o r e n , is d i t eerder regel d a n u i t z o n d e r i n g . D h w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r d a t a m i n o z u r e n en suikers, de b e l a n g r i j k s t e b o u w s t e n e n v a n b i o l o g i sche m a c r o m o l e c u l e n , c h i r a a l z i j n , en daarmee de e i w i t t e n en g l y c o p r o t e ï n e n w a a r u i t enz y m e n , r e c e p t o r e n en c a r r i e r - m o l e c u l e n bestaan. I n d i e n een receptor v o o r een b e p a a l d therapeutisch e f f e c t alleen 1-isomeren accepteert (de v o r m h e e f t v a n é é n schoen i n F i g u u r 2 ) , zal de d-isomeer v a n een r a c e m i s c h geneesmiddel (de andere v o e t ) i n a c t i e f z i j n o f een i n t e r a c t i e aangaan m e t andere stereospec i f i e k e r e c e p t o r e n , hetgeen k a n l e i d e n t o t ongewenste e f f e c t e n . H e t l o k a a l a n e s t h e t i c u m p r i l o c a ï n e is een v o o r b e e l d v a n een r a c e m i s c h geneesmiddel w a a r v a n é é n v a n beide isom e r e n v e r a n t w o o r d e l i j k is v o o r het o n t s t a a n v a n m e t h e m o g l o b i n e m i e . Deze s c h a d e l i j k e b i j w e r k i n g w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r stereoselectief m e t a b o h s m e v a n é é n isomeer t o t een toxisch p r o d u k t .
met
rechtsdraaiend melkzuur
Figuur Het
Eerlijke
Zuivel
3.
vermelden
is vereist, in deze
INHOUD 1 LITER e YOGHURT Het In de yogliurt aanwezige melkzuur is voor ca. 50% rechtsdraaiend (L+).
van de juiste
op de verpakking.
kan de Juiste yoghurt
verpakking kant
geneesmiddelen omtrent
melkzuur
het juiste
reoisomeren
ontbreekt op de
dat aanwezig
percentage.
de aanwezigheid
speurwerk van het
melkzuur
getraceerd:
gesuggereerd
rechtsdraaiend staat
enig
samenstelling
aanwezige
worden
wordt
samenstelling
Altioewel
Bij iedere
op de
op de
voor-
er
alleen
is, de
aanduiding
van lateerdere verpakking.
elders meeste ste-
37
D e m a t e v a n stereospecificiteit h a n g t a f v a n de positie v a n het c h h a l e c e n t r u m i n het m o l e c u u l . E e n h o g e mate v a n stereospecificiteit betekent dat het chirale c e n t r u m zich bev i n d t i n een gebied dat k r i t i s c h is v o o r b i n d i n g aan de receptor. P l a a t s i n g i n een nietk r i d s c h gebied l e i d t t o t w e i n i g o f geen stereospecificheh o f selectiviteit i n b i o l o g i s c h e eigenschappen, d w z . c h i r a h t e i t is alleen s t i l z w i j g e n d aanwezig. H i e r v a n is het a n t i h i s t a m i n i c u m t e r f e n a d i n e een v o o r b e e l d . M e n z o u b i j d e r g e l i j k e geneesmiddelen dechirahser e n k u n n e n o v e r w e g e n , aangezien é é n en h e t z e l f d e chirale c e n t r u m z i c h o p een nietk r i t i s c h e plaats k a n b e v i n d e n v o o r de w e r k i n g , m a a r t e g e l i j k e r t i j d w e l k r i t i s c h k a n z i j n v o o r andere r e c e p t o r e n o f v o o r e n z y m e n die b e t r o k k e n z i j n b i j b i j v o o r b e e l d het m e t a b o hsme. C h i r a l i t e h k a n dus meerdere i m p h c a t i e s h e b b e n , z o w e l v o o r w a t b e t r e f t de verschillende e f f e c t e n (inclusief ongewenste) v a n een m i d d e l als v o o r w a t b e t r e f t de processen b e t r o k k e n b i j o m z e t t i n g en u h s c h e i d i n g .
Chirale
geneesmiddelen
F i g u u r 4 geeft het percentage geneesmiddelen weer dat c h i r a h t e h v e r t o o n t , alsmede het aandeel dat als racemaat w o r d t toegepast. B i j de n a t u u r p r o d u k t e n en de s e m i s y n t h e t i sche geneesmiddelen overheersen de a f z o n d e r l i j k e i s o m e r e n . D e meeste synthetische geneesmiddelen z i j n o f w e l racemisch o f w e l a c h i r a a l . D i t onderstreept n o g eens het f e i t , zoals u i t de v o r i g e p a r a g r a a f al bleek, dat c h i r a h t e h geen v o o r w a a r d e is v o o r b i o l o g i s c h e a c t i v i t e i t . O f c h i r a h t e i t een r o l speelt, h a n g t a f v a n de d e s b e t r e f f e n d e r e c e p t o r e n , enzym e n e.d. D e racemische geneesmiddelen v e r d i e n e n speciale a a n d a c h t . B i j de n a t u u r p r o d u k t e n is een mengsel v a n e n a n t i o m e r e n meestal het gevolg v a n r a c e m i s e r i n g , een proces dat
Natuurlijk, semisynthetisch 28 %
^
Achiraal < 1 %
< /
Chiraal 28 % Geneesmiddelen 100 %
I n de handel als enkelvoudig isomeer 28 %
I n de handel als racemaat < 1 %
<
Achiraal 43 % Chiraal 29 %
< ^
I n de handel als enkelvoudig isomeer 3 %
In de handel als racemaat 26%
Figuur
4.
Chiraliteh bij geneesmiddelen: toepassing als enicelvoudig isomeer of als racemaat. meeste natuurhjke en semisynthetische geneesmiddelen zijn chiraal en in de handel enicelvoudig isomeer; de meeste synthetische chirale geneesmiddelen zijn in de handel racemaat.
De als als
38
m o e i l i j k te v e r m i j d e n is. B i j de synthedsche m i d d e l e n is er meestal sprake v a n een ongel u k k i g e e r f e n i s . D e aanwezigheid v a n 5 0 % , 7 5 % en soms n o g meer v a n de t h e r a p e u t i s c h o n w e r k z a m e en p o t e n t i e e l toxische isomeer (isomeren), de isomere baUast, is meestal d o m w e g v e r w a a r l o o s d . V o o r b e e l d e n v a n d e r g e l i j k e mengsels z i j n het s l a a p m i d d e l oxazep a m , het a n d d e p r e s s i v u m f l u o x e t i n e , bepaalde p i j n s d l l e r s ( o . a . i b u p r o f e n ) en h a r t m i d delen ( o . a . de z g . /3-blokkeerders), en vele andere. Behoudens enkele u i t z o n d e r i n g e n m o e t e n de e n a n t i o m e r e n i n een racemisch mengsel w o r d e n b e s c h o u w d als twee f u n d a m e n t e e l verschillende v e r b i n d i n g e n , elk met z i j n eigen chemische en b i o l o g i s c h e eigenschappen. I n bepaalde gevallen h e e f t d i t geleid t o t het o p de m a r k t brengen v a n de i n d i v i d u e l e , t h e r a p e u t i s c h e f f e c t i e v e enantiomeer ( T a b e l 1). B i j bepaalde racemische p i j n s t i l lers h e e f t m e n de ongewenste w e r k i n g k u n n e n e x p l o i t e r e n . Scheiding v a n de e n a n t i o m e r e n t o o n d e aan, d a t de twee e f f e c t e n o o k k o n d e n w o r d e n gescheiden: de i n d i v i d u e l e isom e r e n w e r d e n als a f z o n d e r l i j k e geneesmiddelen o p de m a r k t gebracht ( T a b e l 2 ) . Racemische
middelen
en farmacologische
parameters
H e t g e b r u i k v a n de t e r m 'actieve' en ' i n a c t i e v e ' enantiomeer is i n f e i t e m i s l e i d e n d . D e e n a n t i o m e e r m e t de gewenste w e r k i n g w o r d t eu tomeer g e n o e m d , de e n a n t i o m e e r zonder deze w e r k i n g de distomeer. D e distomeer d r a a g t d i k w i j l s b i j aan de ongewenste e f f e c t e n v a n f a r m a c a en pesticiden en k a n n o o i t als v o l l e d i g o n s c h a d e l i j k w o r d e n b e s c h o u w d . D e r a t i o v a n de a c t i v i t e i t e n v a n eutomeer en distomeer w o r d t de eudismische r a t i o g e n o e m d . Deze r a t i o is meestal v e r s c h i l l e n d v o o r de gewenste en ongewenste e f f e c t e n , teweeggeb r a c h t o p de verschillende r e c e p t o r e n . D e eudismische r a t i o is s p e c i f i e k v o o r een b e p a a l d racemaat ten o p z i c h t e v a n een b e p a a l d e f f e c t en is zelden g e l i j k aan 1. D e eudismische v e r h o u d i n g (Engels: p r o p o r t i o n ) is de v e r h o u d i n g tussen de concentraties v a n eutomeer en distomeer i n p l a s m a o f andere l i c h a a m s v l o e i s t o f f e n . Deze ver-
Tabel
1. Wertctng
Geneesmiddel
en bijwerlcingen
Eutomeer
van de individuele
Toegepast b i j
isomeren
Distomeer
van een
racemaat
Effect van isomere b a l l a s t
Levodopa
1-isomeer
parkinson
d-isomeer
Penicillamine
d-isomeer
reuma
1-isomeer
Tabel
agranulucytose neurotoxiciteit
2.
Racematen
waarvan
Isomerenpaar
beide
isomeren
Isomeer
als afzonderlij/c
geneesmiddel
Werking
Levorfanol
pijnstiller
Dextrorfan
hoestmiddel
Dextropropoxyfeen
pijnstiller
Levopropoxyfeen
hoestmiddel
in de handel
zijn
39
h o u d i n g is speciaal v a n belang i n de f a r m a c o k i n e t i e k , d w z . b i j r e s o r p d e , v e r d e h n g , met a b o h s m e en excretie v a n geneesmiddelen. E e n racemaat h e e f t per d e f i n i t i e een e u d i s m i sche v e r h o u d i n g v a n 1. D o o r stereoselectief m e t a b o h s m e zal de eudismische v e r h o u d i n g g e l e i d e l i j k k u n n e n v e r a n d e r e n t o t een zg. steady-state is b e r e i k t v o o r elk v a n beide isom e r e n . S t r i k t g e n o m e n b e v i n d t er z i c h n o o i t een racemaat i n h c h a a m s v l o e i s t o f f e n uitgez o n d e r d de gevallen v a n snelle i n v i v o r a c e m i s e r i n g . W e l k e e n a n t i o m e e r sneller w o r d t g e ë l i m i n e e r d , d w z o f de eudismische v e r h o u d i n g v e r a n d e r t i n w a a r d e n g r o t e r o f kleiner d a n 1, k a n alleen w o r d e n gedetecteerd m e t b e h u l p v a n zo genoemde c h i r a l e m e e t m e t h o den. D e ' s a m e n s t e l h n g ' v a n een racemaat i n h c h a a m s v l o e i s t o f f e n is niet alleen t i j d s - , m a a r soms o o k r o u t e - a f h a n k e l i j k . H e t h a r t m i d d e l v e r a p a m U is een geneesmiddel w a a r v a n de eudismische v e r h o u d i n g i n p l a s m a na orale en intraveneuze t o e d i e n i n g v e r s c h i l l e n d is. D e eudismische r a t i o ( R / S ) v o o r het gewenste e f f e c t is 10. N a orale t o e d i e n i n g w o r d t meer R- d a n S - v e r a p a m i l m e t a b o o l g e ë l i m i n e e r d vergeleken m e t i n t r a v e n e u z e toedien i n g . D h h e e f t t o t gevolg dat de eudismische v e r h o u d i n g i n p l a s m a 0,2 is n a orale en 0,5 na i n t r a v e u z e t o e d i e n i n g . D u s b i j een g e l i j k e 'racemische' p l a s m a c o n c e n t r a t i e is de c o n c e n t r a t i e aan eutomeer veel geringer na orale d a n na intraveneuze toepassing v a n d i t geneesmiddel. Plasmaconcentraties v a n een racemaat gemeten met niet-chirale m e t h o d e n geven a l leen i n f o r m a t i e over de s o m v a n eutomeer en distomeer. A a n g e z i e n de eudismische verh o u d i n g niet c o n st a n t is, zullen deze concentraties niet rechtstreeks a a n het e f f e c t z i j n te relateren. F a r m a c o k i n e t i s c h e c o n s t a n t e n zoals de h a l f w a a r d e t i j d v a n een racemisch geneesmiddel a f g e l e i d v a n 'racemische' concentraties gebaseerd o p n i e t - c h i r a l e meetmethodes, hebben i n f e i t e d a n o o k geen enkele betekenis. D h s o o r t b e r e k e n i n g e n z i j n net zo o n z i n n i g als de l e e f t i j d v a n een echtpaar o f de schoenmaat v a n een vierpersoons gez i n . M o e i l i j k h e d e n m e t racemische geneesmiddelen d o e n zich o o k v o o r o p het gebied v a n b i j w e r k i n g e n , a c t i e f t r a n s p o r t , b i n d i n g aan e i w i t en weefsels, o m z e t t i n g i n actieve m e t a b o h e t e n e.d. M i l j o e n e n guldens z i j n en w o r d e n n o g steeds v e r k w i s t m e t het m e t e n v a n p s e u d o - w e t e n s c h a p p e l i j k e en misleidende parameters. Racemische
geneesmiddelen
als bron
van vervuiling
en
pseudo-wetenschap
Helaas z i j n er n o g veel leerboeken w a a r i n b e g r i p p e n als stereoisomeren en c h i r a l i t e i t o n t b r e k e n , t e r w i j l parameters berekend aan ' e c h t p a r e n ' v e e l v u l d i g w o r d e n geciteerd. E e n eenvoudige en e f f e c t i e v e m a n i e r o m de l i t e r a t u u r niet verder te v e r o n t r e i n g e n m e t de 'non-science' die w o r d t g e p r o d u c e e r d b i j het bestuderen v a n r a c e m a t e n , is auteurs de volgende v e r p l i c h t i n g o p te leggen: ' H e t samengestelde k a r a k t e r v a n geneesmiddelen die i n f e i t e mengsels v a n stereoisomeren z i j n , m o e t aan de lezer w o r d e n d u i d e l i j k g e m a a k t . D e voorvoegsels ( R S ) - o f rac-, b i j v . r a c - v e r a p a m i l , i n het geval v a n r a c e m a t e n m o e t e n v e r p l i c h t w o r d e n gesteld. D e i m p l i c a t i e s v a n de samengestelde en c h i r a l e a a r d v a n de geneesmiddelen v o o r het i n t e r p r e t e r e n v a n de gemeten d a t a en de g e t r o k k e n conclusies m o e t e n expliciet w o r d e n v e r m e l d . ' H e t is hoogst o n w a a r s c h i j n l i j k dat de i s o m e r e ballast w e r k e l i j k i n e r t en v o l l e d i g o n s c h a d e l i j k is. A f w e z i g h e i d is de beste g a r a n t i e . D e o v e r h e d e n ( E C , U S A , J a p a n ) z i j n er u i t e i n d e l i j k toe overgegaan expliciete rechtv a a r d i g i n g te vereisen v o o r het o p de m a r k t b r e n g e n v a n racemische geneesmiddelen. E r z i j n n u speciale r i c h t l i j n e n v o o r c h i r a l e geneesmiddelen, met n a m e v o o r n i e u w e r a c e m i sche mengsels. N i e t alleen de chemische samenstelling v a n deze geneesmiddelen, m a a r o o k de f a r m a c o l o g i e en t o x i c o l o g i e v a n de a f z o n d e r l i j k e e n a n t i o m e r e n k r i j g e n a a n d a c h t . V o o r de h o n d e r d e n racemische geneesmiddelen die v ó ó r de i n v o e r i n g v a n de n i e u w e r i c h t l i j n o p de m a r k t w a r e n , is er echter niets v e r a n d e r d . M e n zal dus o p z i j n hoede m o e -
40
ten b l i j v e n v o o r een j u i s t e i n t e r p r e t a t i e v a n de Chirale
analyse
en
onderzoeksdata.
synthese
E e n v a n de redenen w a a r o m de aanwezigheid v a n isomere ballast i n geneesmiddelen en pesticiden zo l a n g is v e r w a a r l o o s d , is de b e w e r i n g dat het p r o d u c e r e n v a n schone m i d d e len m o e i l i j k en d u u r z o u z i j n . D e a f g e l o p e n 10 j a a r z i j n de m o g e l i j k h e d e n v o o r stereoselectieve syntheses en b e p a h n g s m e t h o d e n v o o r i n d i v i d u e l e e n a n t i o m e r e n d u i d e l i j k verbet e r d . D e k o s t e n w o r d e n beheersbaar, te meer n u m e n z i c h realiseert dat b i j de p r o d u k t i e v a n r a c e m a t e n 5 0 % v a n het d i k w i j l s dure u i t g a n g s m a t e r i a a l w o r d t v e r s p i l d aan riskante verontreinigingen. Het gebruik van hoge-druk vloeistofchromatografie met behulp van zg. chirale k o l o m m e n h e e f t een hoge v l u c h t g e n o m e n , m e t n a m e i n de analyse. O o k hier geldt weer het p r i n c i p e v a n F i g u u r 2. E e n chirale k o l o m h e e f t als het ware de v o r m v a n é é n ' s c h o e n ' . Zeer recent is een techniek o n t w i k k e l d o m zuivere i s o m e r e n i n h a n d e n te k r i j g e n d o o r scheiding over een m e m b r a a n . A a n weerskanten v a n de m e m b r a a n b e v i n d e n z i c h twee verschillende chirale selectoren (een rechter- é n een h n k e r - ' s c h o e n ' i n d i t geval), m e t als e s s e n t i ë e l k e n m e r k dat ze de m e m b r a a n niet k u n n e n passeren. H e t racem i s c h mengsel (de twee ' v o e t e n ' ) k a n w e l v r i j e l i j k de m e m b r a a n passeren, w a a r b i j de v o o r k e u r v a n een isomeer v o o r een bepaalde k a n t v a n het m e m b r a a n w o r d t bepaald d o o r de a a n w e z i g h e i d v a n de chirale selector. V o o r een u i t v o e r i g e r b e s c h r i j v i n g v a n d i t p r i n c i p e w o r d t verwezen naar het a r t i k e l v a n K e u r e n t j e s ( 4 ) . Slotopmerkingen C h i r a h t e i t is geen v o o r w a a r d e v o o r biologische a c d v h e h . E e n c h i r a a l c e n t r u m k a n z i c h o p een plaats i n het m o l e c u u l b e v i n d e n dat niet k r i t i s c h is v o o r het gewenste e f f e c t . Is d i t i n d e r d a a d het geval, d a n k a n beter w o r d e n gekozen v o o r een a c h i r a a l m o l e c u u l , aangezien c h i r a h t e i t n i e t alleen i m p l i c a t i e s h e e f t v o o r de w e r k i n g , m a a r o o k v o o r b i j w e r k i n gen, m e t a b o l i s m e en u i t s c h e i d i n g . Is c h i r a l i t e i t o n v e r m i j d e l i j k , d a n v e r d i e n t de a f z o n d e r l i j k e isomeer de v o o r k e u r . D e isomere bahast zal t o t het technisch en e c o n o m i s c h h a a l b a r e m o e t e n w o r d e n t e r u g g e d r o n g e n . H e e f t m e n de keuze u i t v e r g e l i j k b a r e m i d d e l e n , d a n dienen r a c e m a t e n te w o r d e n v e r m e d e n .
Noot 1. E e n gedeelte v a n deze tekst is eerder gepubliceerd d o o r A r i ë n s E J en W u i s E W i n de J o u r n a l o f the R o y a l College o f Phusicians o f L o n d o n 1994; 28: 395-8. Referenties 1. A r i ë n s E J . , Stereochemistry, and clinical pharmacology.
a basis for sophisticated nonsense in E u r J C l i n P h a r m a c o l 1984; 26: 663-8.
2. A n o n y m o u s . Chiral
the other
drugs,
hand.
3. Z w i k k e r J W . , Chirahteh; de basisprincipes. N i e u w s 1994; j u n i / j u h : 183-8. 4. K e u r e n t j e s J T F . , Racemische gazine 1994: 352-7.
geneesmiddelen
pharmacokinetics
T h e E c o n o m i s t , 4 december 1993: 9 1 . Janssen M e d i s c h - W e t e n s c h a p p e l i j k scheiden
met membranen.
Chem M a -
41
Meer 5.
literatuur
over
onderwerp:
A r i ë n s E J . , v a n Rensen JJS., W e l l i n g W . , Stereoselectivity d a m : Elsevier Science P u b l i s h e r s , 1988.
6. C r o m W R . , Isottier 49: s u p p l e m e n t 1. 7.
dit
tectinology:
implications
C a l d w e l l J . , Tfie importance of stereocfiemistry P h a r m a c o l 1992; 32; 925-9.
8. A r i ë n s E J . , Nonchiral, Sci 1993; 14: 68-75.
homochiral
for
tfie future.
of pesticides.
A m J H o s p P h a r m 1992;
in drug action
and composite
chiral
Amster-
and disposition.
drugs.
J Clin
Trends P h a r m a c o l
RECENTE O N T W I K K E L I N G E N OP H E T GEBIED V A N D E HALFGELEIDERLASERS door G.A. Acket 1.
Inleiding
D o e l v a n deze v o o r d r a c h t is een o v e r z i c h t te geven over een a a n t a l b e l a n g r i j k e o n t w i k k e h n g e n o p het gebied v a n halfgeleiderlasers i n de a f g e l o p e n 5-10 j a a r . Deze o n t w i k k e l i n gen b e t r e f f e n g o l f l e n g t e g e b i e d e n w a a r i n halfgeleiderlasers gerealiseerd k u n n e n w o r d e n , alsmede v e r b e t e r i n g e n i n de elektro-optische eigenschappen. N o o d z a k e l i j k v o o r d i t alles is w e l dat we eerst een a a n t a l basisprincipes v a n halfgeleiderlasers n o g even de revue m o e t e n laten passeren. 2. Basiseigensehappen
van
halfgeleiderlasers
a. Stralende overgangen De stralende overgangen i n h a l f g e l e i d e r lasers z i j n weergegeven i n F i g . 1. Essentieel is dat i n halfgeleiders twee t y p e n elektrische l a d i n g d r a g e r s bestaan, n a m e l i j k e l e k t r o n e n die z i c h energetisch o p o f b i j de b o d e m v a n de v r i j w e l lege geleidingsband ( c o n d u c t i o n b a n d ) b e v i n d e n en positieve ' g a t e n ' , die zich b i j de t o p v a n de v r i j w e l v o l l e v a l e n t i e b a n d (valence b a n d ) b e v i n d e n . Deze gaten z i j n e i g e n l i j k o n t b r e k e n d e e l e k t r o n e n i n een o v e r i gens v o h e b a n d en gedragen zich dus als positieve l a d i n g d r a g e r s .
c.b.
-7-7-7-7-7-7^7
Figuur
L
Stralende overgangen in een halfgeleiderlaser. Om optische versterldng door leerde emissie te kunnen verkrijgen is het noodzakelijk dat de elektronenen centraties voldoende hoog zijn, zodat een aanmerkelijke bezettingsomkeer bandkanten ontstaat.
gestimugatenconnabij de
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 14 november 1994.
44
Emissie v a n s t r a l i n g v i n d t plaats wanneer een e l e k t r o n i n de geleidingsband r e c o m b i n e e r t met een gat i n de v a l e n t i e b a n d , het energieverschil w o r d t d a n als een f o t o n u i t g e z o n d e n . D i t betekent dat de f o t o n e n e r g i e ongeveer g e l i j k is aan de b a n d a f s t a n d ( b a n d gap) v a n het b e t r e f f e n d e m a t e r i a a l . De b a n d a f s t a n d w o r d t met name b e p a a l d d o o r de c o m p o s i t i e v a n de h a l f g e l e i d e r en d i t bepaalt dus meteen de g o l f l e n g t e . Emissie v a n s t r a l i n g alleen is niet v o l d o e n d e v o o r l a s e r w e r k i n g . H i e r v o o r is, net als b i j p r a c t i s c h alle lasers, optische v e r s t e r k i n g n o o d z a k e l i j k en d i t laatste vereist p o p u l a t i e inversie. O n d e r p o p u l a t i e - inversie w o r d t verstaan dat hogere energietoestanden
meer
d o o r e l e k t r o n e n bezet z i j n d a n lagere. I n dat geval zal b i j het o p v a l l e n v a n een f o t o n de emissie v a n een n i e u w f o t o n w a a r s c h i j n l i j k e r z i j n d a n de absorptie v a n het invaUend f o t o n en treedt er dus n e t t o een toename v a n het optische veld o p . I n F i g . 1 k a n m e n zien dat b i j de overgangen b i j de b a n d k a n t p o p u l a t i e - i n v e r s i e bestaat m a a r b i j o v e r g a n gen verder v a n de b a n d k a n t niet meer. De toestand v a n g e l i j k t i j d i g e e l e k t r o n e n - en gat e n d i c h t h e d e n w o r d t i n de p r a k t i j k gerealiseerd d o o r de laag w a a r i n de l a s e r w e r k i n g m o e t w o r d e n gereahseerd i n te bedden tussen twee lagen m e t een grotere b a n d a f s t a n d , een n - t y p e gedoteerde laag ( e l e k t r o n e n als d o m i n a n t e ladingdragers) en een p-type laag (gaten als d o m i n a n t e l a d i n g d r a g e r s ) . B i j het aanleggen v a n een v o o r w a a r t s - s p a n n i n g ( n negatief en p p o s i t i e f ) w o r d e n de e l e k t r o n e n en gaten v a n w e e r s z i j d e n i n het tussengebied g e ï n j e c t e e r d en d a a r als gevolg v a n de geringere b a n d a f s t a n d ingevangen. O p deze w i j z e w o r d e n i n het tussengebied de vereiste hoge l a d i n g d r a g e r c o n c e n t r a t i e s gereahseerd. E e n en ander is weergegeven i n F i g . 2. De b u i t e n l a g e n w o r d e n m a n t e l l a g e n o f o p s l u h l a g e n g e n o e m d ( ' c l a d d i n g layers' o f ' c o n f i n e m e n t l a y e r s ' ) .
p-type cladding layer active layer
Figuur 2. Basis drielaagsstructuur
(dubbellieterojunctie)
zoals
deze
in lasers
vaak
gebruikt
wordt.
E e n laser m o e t n i e t alleen een versterkend m e d i u m b e z i t t e n , m a a r o o k een t e r u g k o p p e l mechanisme, z o d a t een zelfstandige h c h t o s c i l l a t i e k a n w o r d e n o p g e w e k t . D o o r het ter u g k o p p e l m e c h a n i s m e w o r d t een heenlopende g o l f aan een t e r u g l o p e n d e g e k o p p e l d en de t e r u g l o p e n d e o p z i j n b e u r t weer aan de heenlopende. G e w o o n l i j k gebeurt d i t d o o r spiegels o p de e i n d v l a k k e n ( F a b r y - P e r o t - l a s e r ) , m a a r de t e r u g k o p p e l i n g k a n o o k v i a een i n g e b o u w d traUe i n het v l a k v a n de s t r u c t u u r t o t stand w o r d e n gebracht ( D i s t r i b u t e d Feedback Laser ( D F B ) o f D i s t r i b u t e d B r a g g R e f l e c t o r Laser ( D B R ) . E e n v o o r b e e l d v a n een eenvoudige F a b r y - P e r o t laser is weergegeven i n F i g . 3. D e laterale breedte v a n het versterkende gebied is hier gereduceerd
(stripe laser) o.a.
p e l s t r o o m v o o r l a s e r w e r k i n g v o l d o e n d e laag te h o u d e n .
o m de b e n o d i g d e
drem-
45
Figuur
3.
Fabry-Perot
stripe
laser.
b . Optische g o l f g e l e i d i n g N a a r a a n l e i d i n g v a n F i g . 2 dient n o g een extra aspect te w o r d e n v e r m e l d v a n deze d r i e laagsstructuur. H e t b l i j k t dat als g e v o l g v a n het f e i t dat de b a n d a f s t a n d i n de b u i t e n l a g e n g r o t e r is de b r e k i n g s i n d e x daar j u i s t lager is d a n i n de centrale (actieve) laag. A l s gevolg h i e r v a n treedt optische g o l f g e l e i d i n g o p , dat w i l zeggen f o t o n e n die als g e v o l g v a n de gestimuleerde emissie i n de actieve laag w o r d e n o p g e w e k t , hebben d o o r de grotere brekingsindex daar ter plaatse de n e i g i n g o m i n de actieve laag te b l i j v e n . D i t is v a n g r o o t belang v o o r de l a s e r w e r k i n g . I n d i e n n a m e l i j k de f o t o n e n naar de b u i t e n l a g e n z o u d e n l e k k e n , z o u d e n z i j b u i t e n het versterkende gebied k o m e n en vervolgens a f s t r a l e n . D i t z o u betekenen dat de opdsche verhezen zeer g r o o t en de v e r s t e r k i n g g e r i n g z o u z i j n . E c h ter, d o o r de w e r k i n g v a n de g o l f g e l e i d i n g w o r d e n de f o t o n e n als het ware i n het versterkende gebied g e h o u d e n . I n t e r m e n v a n opdsche v e l d a m p h t u d e k a n m e n o o k stellen dat de s t r u c t u u r v a n F i g . 3 een symmetrische optische g o l f g e l e i d e r is w a a r v a n de b r e k i n g s i n dex i n de actieve laag het hoogste is. M e n k a n d a n met b e h u l p v a n de
Maxwell-
v e r g e l i j k i n g e n a a n t o n e n dat de laagste o r d e r geleide m o d e een g o l f is w a a r v a n de a m p h tude i n de actieve laag cosinusachtig v e r l o o p t en die exponentieel a f v a l l e n d e staarten i n de buitengebieden h e e f t (zie F i g . 4 ) .
Figuur
4.
Ainplitudeverdeling
van de golf
zoals
deze
in de laserstructuur
geleid
wordt.
De g o l f w o r d t o p z i j n t o c h t d o o r de laserstructuur v e r s t e r k t . D e v e r s t e r k i n g g v a n de m o d e (dimensie cm"') w o r d t gegeven d o o r g = r g"^'' w a a r i n F de z.g ' c o n f i n e m e n t f a c t o r ' is dat w i l zeggen de f r a c t i e v a n de energie v a n de g o l f die zich i n de actieve laag b e v i n d t en g""'- de v e r s t e r k i n g i n de actieve laag zelf. T y pische w a a r d e n v a n g'"^'- z i j n ca 100 c m ' ' , en F = 0.3 v o o r een n o r m a l e drielaagsstructuur.
46
c. D e m a t e r i a l e n . D e t i a l f g e l e i d e r m a t e r i a l e n die g e b r u i k t k u n n e n w o r d e n v o o r de actieve laag m o e t e n een z . g . 'directe b a n d o v e r g a n g ' hebben, dat w U zeggen dat e l e k t r o n e n en gaten direct onder u i t z e n d i n g v a n een f o t o n m e t elkaar k u n n e n r e c o m b i n e r e n . V e e l h a l f g e l e i d e r s v a n de f a milies I I I - V (element u i t de derde k o l o m v a n het p e r i o d i e k systeem v e r b o n d e n m e t elem e n t u i t v i j f d e k o l o m v a n het p e r i o d i e k systeem) en 11-VI hebben een d e r g e l i j k e directe b a n d o v e r g a n g . D e h e t e r o s t r u c t u r e n die m e n v a a k ziet en de b i j b e h o r e n d e g o l f l e n g t e gebieden z i j n h i e r o n d e r
weergegeven.
a)
AlGaAs GaAs AlGaAs g o l f l e n g t e = 870 n m
b)
InP InGaAsP InP golflengte =
c)
1200 -1600 n m
InGaAlP InGaP InGaAlP g o l f l e n g t e = 670 n m
d)
ZnSSe ZnSe ZnSSe g o l f l e n g t e = 460 n m
E r z i j n o o k variaties m o g e l i j k , zo k a n m e n b i j a) en c) een gedeelte v a n het g a l h u m d o o r a l u m i n i u m v e r v a n g e n zodat de g o l f l e n g t e k o r t e r w o r d t . O o k v o o r d ) z i j n er a l t e r n a t i e v e n die zelfs a a n m e r k e l i j k beter w e r k e n . H i e r gaan w i j n u niet o p i n . 2. Recente
ontwikkelingen
op tiet gebied
van de
hatfgeleiderlasers
De recente o n t w i k k e l i n g e n die sinds de eerste h e l f t v a n de tachtiger j a r e n h e b b e n plaatsg e v o n d e n z i j n de volgende: a. Q u a n t u m w e l l lasers
47
b . Strained layer q u a n t u m w e l l lasers c. R o d e z i c b t b a r e lasers d . B l a u w e ( b l a u w - g r o e n e ) zichtbare lasers. a. Quantum
well
lasers
Deze lasers onderscheiden z i c h v a n de eerder genoemde d u b b e l h e t e r o s t r u c t u u r lasers d o o r d a t i n de 'actieve l a a g ' een o f meer zeer d u n n e deellagen (de q u a n t u m wells o f q u a n t u m p u t t e n ) z i j n aangebracht. I n deze lasers v i n d t de optische v e r s t e r k i n g alleen i n de q u a n t u m wells plaats, de rest v a n de 'actieve l a a g ' v o r m t samen m e t de omUggende m a n tellagen een optische g o l f g e l e i d e r . H e t gedeehe v a n de 'tussenlaag' dat de q u a n t u m wells o m g e e f t , is n o o d z a k e l i j k o m d a t de q u a n t u m wehs zelf te d u n z i j n o m i n v o l d o e n d e m a t e optische g o l f g e l e i d i n g te i n t r o d u c e r e n . D e d i k t e v a n de q u a n t u m wehs is zeer g e r i n g , d o o r g a a n s kleiner d a n 10 n m , en is daarmee v e r g e l i j k b a a r met de de B r o g l i e - g o l f l e n g t e v a n de e l e k t r o n e n . Energetisch gezien v o r m e n de q u a n t u m wells een p o t e n t i a a l p u t v o o r z o w e l de e l e k t r o n e n als de gaten. D i t is weergegeven i n F i g . 5. A l s gevolg v a n de geringe a f m e t i n g e n en de o p s l u i t e n d e w e r k i n g v a n de p o t e n t i a a l m i n i m a splitsen de n o r m a l e geleidingsband en v a l e n t i e b a n d z i c h o p i n s u b b a n d e n , de laagste s u b b a n d i n de geleidingsband en de t o p v a n de hoogste s u b b a n d i n de v a l e n t i e b a n d l i g g e n respectievelijk iets b o v e n de b o d e m v a n de p u t i n de geleidingsb a n d en iets beneden de t o p v a n de v a l e n t i e b a n d . Deze ' q u a n t u m s h i f t ' is des te g r o t e r n a a r m a t e de e f f e c t i e v e massa v a n de ladingsdragers lager is; i n de g e b r u i k t e I I I - V h a l f g e leiders geldt d h dus meestal v o o r de e l e k t r o n e n .
C.b. n=2
n=2 Figuur
5.
Gequantiseerde
toestanden
van elelctronen
en gaten
in een quantum
welt.
48
A l s gevolg v a n de v o r m i n g v a n de s u b b a n d e n w o r d t de toestandsdichtheid v a n de b a n d meer s t a p v o r m i g en w o r d t het versterkingsspectrum ( a f h a n k e l i j k h e i d v a n de v e r s t e r k i n g v a n de g o l f l e n g e o f de f o t o n e n e r g i e ) meer g e p i e k t , z o d a t i n deze p i e k e n de verliezen eerder gecompenseerd k u n n e n w o r d e n en de d r e m p e l v o o r de l a s e r w e r k i n g dus eerder ber e i k t w o r d t . D e gepiekte s t r u c t u u r v a n het v e r s t e r k i n g s s p e c t r u m is weergegeven i n F i g . 6.
/bulk
\ \
O
\
Figuur
hv
*-
6.
Voorbeeld
van het versterkingsspectrum
van een quantum
weh
laser.
U i t het v o o r g a a n d e b l i j k t dat q u a n t u m w e l l lasers twee b e l a n g r i j k e v o o r d e l e n h e b b e n ten o p z o c h t e v a n lasers m e t een n o r m a l e ( ' b u l k ' ) actieve laag. L De drempelstroom
is duidelijk
lager
D i t w o r d t behalve d o o r het gepiekte v e r s t e r k i n g s s p e c t r u m mede v e r o o r z a a k t d o o r het f e i t d a t het v o l u m e v a n de q u a n t u m w e l l g e r i n g is, zodat reeds met een b e t r e k k e l i j k lage s t r o o m d i c h t h e i d p o p u l a t i e - i n v e r s i e k a n w o r d e n gereahseerd. V o o r n o r m a l e lasers is de d r e m p e l s t r o o m d i c h t h e i d i n de orde v a n enkele k A / c m ' t e r w i j l deze v o o r q u a n t u m w e l l lasers i n de orde v a n enkele m a l e n l O O A / c m ^
bedraagt.
2. De emissie-golflengte
van de quantum
hangt
af van de dikte
well
Dit w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r het f e i t dat de laserovergang p r a c t i s c h plaats v i n d t tussen het laagste q u a n t u m n i v e a u v a n de geleidingsband en het i n elektronenenergie
hoogste
q u a n t u m n i v e a u v a n de v a l e n t i e b a n d . D i t energieverschil is groter d a n de b a n d a f s t a n d en w e l des te meer n a a r m a t e de q u a n t u m w e l l d u n n e r is. Deze q u a n t u m s h i f t v a n de overg a n g g e e f t dus a a n l e i d i n g t o t een v e r k o r t i n g v a n de g o l f l e n g t e die des te g r o t e r is n a a r m a te de q u a n t u m wells d u n n e r z i j n en de ladingsdragers een lagere e f f e c t i e v e massa h e b b e n . Deze q u a n t u m s h i f t is zeer a a n z i e n l i j k en k a n t i e n t a l l e n n a n o m e t e r s en soms zelfs n o g meer
bedragen.
49
b . S t r a i n e d layer q u a n t u m w e l l lasers B i j de lasers die t o t dusver z i j n b e s p r o k e n , w o r d e n steeds een a a n t a l goed passende k r i s t a l l i j n e laagjes o p elkaar gegroeid. G o e d passend i n d i t v e r b a n d b e t e k e n t dat alle laagjes v r i j w e l de z e l f d e roosterconstante b e b b e n en dat deze r o o s t e r c o n s t a n t e g e l i j k is aan die v a n het substraat. H e t b l i j k t m o g e l i j k v o o r zeer d u n n e laagjes v a n een d i k t e verg e l i j k b a a r m e t die v a n de eerder b e s p r o k e n q u a n t u m wehs, de r o o s t e r c o n s t a n t e te l a t e n a f w i j k e n v a n die v a n de overige lagen, v o o r laagjes v a n 10 n m d i k t e k a n de a f w i j k i n g i n r o o s t e r c o n s t a n t e v a n de o r d e 1-2% bedragen zonder dat er r o o s t e r f o u t e n ( m i s f i t dislocaties) g e v o r m d w o r d e n . I n d i e n de roosterconstante v a n het d u n n e tussenlaagje w a t g r o ter is d a n die v a n de overige lagen, k o m t het o n d e r compressie te staan, i n het omgekeerde geval o n d e r t r e k s p a n n i n g . I n beide gevallen is de s p a n n i n g b i a x i a a l . H e t b l i j k t dat het aanbrengen v a n een d e r g e l i j k e biaxiale s p a n n i n g o.a. a a n l e i d i n g k a n geven t o t een a a n m e r k e l i j k e v e r m i n d e r i n g v a n de d r e m p e l s t r o o m , soms w e l m e t een f a c t o r d r i e o f vier. D a t d h gebeurt is niet e e n v o u d i g i n te zien. H e t e f f e c t berust o p het f e i t dat de v a l e n t i e b a n d v a n de halfgeleiders die w o r d e n g e b r u i k t niet e n k e l v o u d i g , is m a a r o p g e b o u w d is u i t verschillende deelbanden, die o v e r e e n k o m e n m e t de z . g . hchte en z w a re gaten. D o o r de b i a x i a l e s p a n n i n g w o r d e n deze deelbanden u h elkaar g e t r o k k e n en w o r d e n o o k de e f f e c t i e v e massa's, m e t name die i n het v l a k v a n de s t r u c t u u r , v e r a n d e r d . D o o r g a a n s treedt een v e r l a g i n g v a n de e f f e c t i e v e gatenmassa o p , hetgeen de a s y m m e t r i e tussen de hchte e l e k t r o n e n en de t o c h w a t zwaardere gaten reduceert. D i t resuheert i n lagere d r e m p e l s t r o m e n en, b i j l a n g g o l v i g e 1550 n m lasers, i n een v e r g r o t i n g v a n de d i f f e r e n t i ë l e e f f i c i e n c y . E e n v o o r b e e l d v a n de v a r i a t i e v a n de l a s e r d r e m p e l s t r o o m m e t g r o o t t e en t e k e n v a n de i n g e b o u w d e s p a n n i n g is weergegeven i n F i g . 7.
1500 nm laser InGaAs/InGaAsP/lnP
Figuur 7. Variatie van de drempelstroom functie
van de
strain.
van een 1550 nm strained
Temperature
layer
quantum
well laser
als
50
c. Z i c h t b a r e r o d e lasers Z o a l s b o v e n reeds w e r d v e r m e l d , is het m o g e l i j k o m lasers i n het 670 n m gebied te m a k e n met b e h u l p v a n I n G a A l P / I n G a P / I n G a A l P d u b b e l h e t e r o s t r u c t u r e n . A n a l o o g aan het A l G a A s geeft het a l u m i n i u m i n de buitengebieden a a n l e i d i n g t o t een grotere b a n d a f s t a n d en een lagere b r e k i n g s i n d e x . I n p r i n c i p e z o u m e n de g o l f l e n g t e k u n n e n v e r k o r t e n r i c h t i n g 633 n m (de g o l f l e n g t e v a n de h e l i u m - n e o n laser!) d o o r o o k aan de actieve laag a l u m i n i u m toe te voegen. D i t b l i j k t echter een a a n m e r k e l i j k e v e r h o g i n g v a n de starts t r o o m t o t g e v o l g te h e b b e n . H e t b l i j k t dat de realisade v a n h a l f g e l e i d e r 633 n m laser diodes het best k a n gebeuren d o o r g e b r u i k te m a k e n v a n q u a n t u m w e l l s , zoals b o v e n beschreven, en m e t n a m e d o o r het g e l i j k t i j d i g toepassen v a n s t r a i n . I n het 630 n m gebied k a n m e n z o w e l d r u k s p a n n i n g als r e k s p a n n i n g toepassen. I n d i e n roosteraangepast I n G a P i n de q u a n t u m wells w o r d t g e b r u i k t , h e e f t m e n een I n / G a v e r h o u d i n g v a n ca. 5 0 / 5 0 . I n d i e n m e n compressieve s p a n n i n g w i l realiseren, neemt m e n een o v e r m a a t i n d i u m ten opzichte v a n g a l l i u m . A a n g e z i e n I n - a t o m e n groter z i j n d a n G a - a t o m e n , z a l de roosterconstante t o e n e m e n en er zal dus een compressieve s p a n n i n g o n t s t a a n . O m g e k e e r d leidt een o v e r m a a t g a l l i u m ten opzichte v a n i n d i u m t o t een kleinere roosterconstante en dus tot trekspanning. I n Fig. 8 worden hchtoutput/stroom-karakteristieken getoond voor beide gevallen. D e s t r a l i n g v a n de lasers m e t compressieve q u a n t u m wells is TE-gepo¬ lariseerd, d . w . z . de elektrische v e l d v e c t o r staat e v e n w i j d i g aan het v l a k v a n de heter o s t r u c t u u r , b i j de tensile q u a n t u m wells is het T M , dus l o o d r e c h t o p het v l a k v a n de s t r u c t u u r gepolariseerd.
-
CW L = 150 pm X = 635 nm uncoated T = 20°G
i
0)
!
3 TM /
/
/
polarized
/
1
1
50 current (mA) Figuur
8.
Lichtoutput 633 nm
L versus lasers
stroom
I voor
coitipressive
en tensile
strained
layer
quantum
well
51
d . B l a u w e ( b l a u w - g r o e n e ) lasers I n sectie 2c ( m a t e r i a l e n ) , w e r d reeds een I I - V I h e t e r o j u n c t i e - s t r u c t u u r g e t o o n d die w a t b a n d a f s t a n d e.d. b e t r e f t i n staat z o u m o e t e n z i j n o m b l a u w e lasers te leveren. Deze s t r u c t u u r b l i j k t echter i n de p r a k t i j k niet goed te w e r k e n ( d r e m p e l s t r o m e n v o o r laserwerk i n g z i j n onacceptabel h o o g ) . D e o o r z a a k is, dat vanwege redenen v a n roosteraanpassing de ternaire ZnSSe laag slechts 6 % z w a v e l (S) bevat. D h g e e f t a a n l e i d i n g t o t een te k l e i n b a n d a f s t a n d s v e r s c h i l tussen de actieve laag en de ZnSSe b u i t e n l a g e n . Een sterk verbeterde versie, die echter b i j een iets langere g o l f l e n g t e (ongeveer 490-500 n m ) i n het b l a u w - g r o e n e m i t t e e r t , m a a k t g e b r u i k v a n de d r e m p e l s t r o o m v e r l a g i n g die m e n m e t strained q u a n t u m wells (hier c o m p r e s s i e f ) k a n b e r e i k e n . H i e r t o e g r o e h m e n C d Z n S e q u a n t u m wells m e t een c a d m i u m g e h a h e v a n ca. 2 0 % tussen b a r r i è r e l a g e n v a n ZnSSe. H e t zwavelgehahe v a n het ZnSSe is w e d e r o m o p 6 % gekozen z o d a t deze lagen k r i s t a l l i j n precies passen o p een G a A s substraat. D e b a r r i è r e l a g e n o p h u n b e u r t w o r d e n weer o m g e v e n d o o r q u a t e r n a i r e M g Z n S S e lagen die een n o g grotere b a n d a f s t a n d hebben en die k r i s t a l l i j n passen tevens o p het G a A s substraat. M e t d i t s o o r t s t r u c t u r e n z i j n lasers m e t e m i s s i e g o l f l e n g t e n i n de b u u r t v a n 500 n m gerealiseerd. Helaas is o p d i t m o m e n t (eind 1994) de levensduur v a n deze blauw-groene lasers n o g zeer k o r t , i n de orde v a n enige m i n u t e n . H e t b l i j k t dat d i t het gevolg is v a n het f e i t dat t i j d e n s de g r o e i aan het grensvlak tussen het G a A s substraat en de eerste M g Z n S S e m a n t e h a a g
roosterdefecten
( s t a p e l f o u t e n ) o n t s t a a n die z i c h t i j d e n s de g r o e i v o o r t z e t t e n t o t i n de C d Z n S e strained layer actieve laag. T i j d e n s het b e d r i j f b l i j k e n o p de d o o r s n i j d i n g v a n de s t a p e l f o u t e n en de actieve strained
layer laag defecten ( d i s l o c a t i e - d i p o l e n ) te groeien w a a r a a n
de
e l e k t r o n - Z g a t p a r e n k u n n e n r e c o m b i n e r e n . H e t zal dus v o o r een goede w e r k i n g v a n deze lasers de e s s e n t i ë l e v r a a g z i j n o f m e t h o d e n g e v o n d e n k u n n e n w o r d e n o m de v o r m i n g v a n de s t a p e l f o u t e n o p het eerste grensvlak te v e r m i j d e n . D e meest recente o n t w i k k e U n g , w a a r v a n m e n v e r w a c h t dat deze eerstdaags echte b l a u we en misschien w e l t o t u l t r a - v i o l e t emitterende laser diodes zal opleveren, is w e d e r o m een I l l - V systeem, n . l . het a l u m i n i u m n i t r i d e / g a l l i u m n h r i d e systeem ( A l G a N ) . G a l l i u m n i t r i d e h e e f t een zeer grote b a n d a f s t a n d , ca. 3.0 eV en a l u m i n i u m n i t r i d e een n o g aanm e r k e l i j k grotere. D e f o t o n e n e r g i e v a n 3.0 eV correspondeert m e t een emissiegolflengte v a n ca. 413 n m . Deze g o l f l e n g t e l i g t i n het v i o l e t , m e n z o u het n a a r het beter z i c h t b a r e b l a u w k u n n e n schuiven d o o r w a t i n d i u m ( I n ) aan een G a N actieve laag toe te voegen. B l a u w emitterende A l I n G a N L E D ' s z i j n r e c e n t e l i j k gereahseerd. H o e w e l de s t r u c t u r e n zeer veel r o o s t e r f o u t e n b e v a t t e n , is t o t op heden n o g w e i n i g degradatie
waargenomen.
Literatuur 1. Lasers i . h . a . : G.H.B.
Tltompson,
Tfie
Pfiysics
of Semiconductor
Laser
Devices,
J o h n W i l e y a n d Sons, L o n d o n 1980. 2. S t r a i n e d layer q u a n t u m w e l l lasers: G.A. Aclcet Semiconductor tor Interfaces
Lasers'
et at.: 'StrainedLayer
i n H . W . M . S a l e m i n k a n d M . D . Pashley (eds.)
at tfie Subnanometer
Scale',
Quantum
WeU
'Semiconduc-
241-249, (1993) K l u w e r A c a d e m i c P u b l i s -
hers. 3. B l a u w - g r o e n e lasers: J.M.Gaines 4. G a N - b a s e d L E D ' s : S. Nafcamura GaNdouble-fieterostructure 1689, (1994).
et al., A p p l . P h y s . L e t t . 62, 2462, (1993). et al: 'Candela-class
btue-llgfit-emittlng
diodes',
fiigfi
brigfitness
InOaN/Al-
A p p l . P h y s . L e t t . 64, 1687¬
JOHN NAPIER EN W I L H E L M
SCHICKARD
Rekenen en mechaniseren R e k e n m e t h o d e n en
rekenmachines
door M . Looijen
Samenvatting A a n ons h u i d i g e c o m p u t e r t i j d p e r k , w a a r i n allerhande h a r d w a r e en s o f t w a r e beschikbaar z i j n , is een periode v a n vele eeuwen v o o r a f g e g a a n w a a r i n d e r g e l i j k e p r o d u k t e n onbek e n d w a r e n . N i e t t e m i n was het een periode w a a r i n de mens bezig was ingenieuze a p p a r a ten te o n t w i k k e l e n o m daarmee het rekenen zo g e m a k k e l i j k m o g e l i j k te m a k e n . O o k het rekenen zelf o n t w i k k e l d e zich stap v o o r stap. Een b e l a n g r i j k e stap w e r d gezet d o o r de Schot J o h n N a p i e r , B a r o n v a n M e r c h i s t o n (1550-1617). H o e w e l h i j i n de eerste plaats b e r o e m d is vanwege de u i t v i n d i n g v a n de l o g a r i t m e n , is z i j n r e k e n m e t h o d e niet m i n d e r b e k e n d . H e t lag v o o r de h a n d dat h i j v o o r de b e r e k e n i n g v a n z i j n l o g a r h m e n t a f e l g r o o t belang h a d b i j een r e k e n a p p a r a a t . Z o o n t s t o n d z i j n R a b d o l o g i a , beter b e k e n d
als
N a p i e r ' s bones. D e z e l f d e r e k e n m e t h o d e w o r d t a a n g e t r o f f e n i n de pas i n 1957 o n t d e k t e r e k e n m a c h i n e v a n W i l h e l m S c h i c k a r d . D e o n t d e k k i n g haalde een streep d o o r de d r i e eeuwen geldende m e n i n g , dat Blaise Pascal als de vader v a n de eerste mechanische r e k e n m a c h i n e was te b e s c h o u w e n . O p g r o n d v a n b r i e f w i s s e l i n g e n tussen S c h i c k a r d en de grote a s t r o n o o m Johannes Kepler h e e f t m e n onlangs de r e k e n m a c h i n e v a n S c h i c k a r d k u n n e n reconstrueren. E e n m o d e l h i e r v a n doet niet alleen het verleden herleven, m a a r het laat tevens zien dat het heden i n het verleden h g t . Jolm
Napier
J o h n N a p i e r was de oudste z o o n v a n de n a u w e l i j k s zestien j a a r oudere A r c h i b a l d N a p i e r en Janet B o t h w e l l . H i j w e r d i n 1550 te M e r c h i s t o n b i j E d i n b u r g h geboren. I n 1563 w e r d h i j als student ingeschreven aan St. Salvator's College te St. A n d r e w s , w a a r z i j n n a a m na 1566 niet meer v o o r k o m t . W a a r s c h i j n l i j k zette h i j z i j n studie v o o r t aan de u n i v e r s i t e i t van Parijs. I n 1571 b e v o n d h i j zich echter weer i n S c h o t l a n d . N a de d o o d v a n z i j n vader b e t r o k h i j M e r c h i s t o n Castle. A l d a a r h i e l d h i j zich bezig m'et diverse w i s k u n d i g e o n d e r w e r p e n . Vanwege z i j n f e l a n t i - k a t h o h e k e o p s t e l l i n g besteedde b i j v o o r t s heel w a t t i j d aan het doen v a n a a n v a l l e n o p de Roomse K e r k . H o e w e l N a p i e r i n de eerste plaats b e r o e m d is o m de u i t v i n d i n g v a n de l o g a r h m e n , is z i j n r e k e n m e t h o d e niet m i n d e r b e k e n d . H e t lag v o o r de h a n d dat het b i j de b e r e k e n i n g v a n
Natuurkundige voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 28 november 1994.
54
z i j n l o g a r i t m e n t a f e l v a n belang was i n d i e n h i j z o u k u n n e n b e s c h i k k e n over een rekenapp a r a a t . Z o o n t s t o n d z i j n R a b d o l o g i a , beter b e k e n d als N a p i e r ' s bones. N a p i e r ' s bones z i j n c i j f e r s t a a f j e s w a a r o p onze welbekende tafels v a n v e r m e n i g v u l d i g i n g staan v e r m e l d . V o o r het u i t v o e r e n v a n een v e r m e n i g v u l d i g i n g v a n twee getallen w o r d e n eerst de staafjes zo naast elkaar gelegd, dat het getal ontstaat dat v e r m e n i g v u l d i g d m o e t w o r d e n . V e r v o l g e n s w o r d e n de r i j e n gekozen die het getal v o r m e n w a a r m e e v e r m e n i g v u l d i g d m o e t w o r d e n . I n een v o o r b e e l d is dat g e ï l l u s t r e e r d v o o r de getaUen 479 en 268. H e t gewenste resultaat ontstaat u i t een diagonale o p t e l l i n g v a n r e c h t s b o v e n naar Unkso n d e r , te b e g i n n e n b i j 8, d a n 6 en tenslotte 2. O m de tweede en derde m a c h t s w o r t e l v a n een getal te k u n n e n bepalen, b r e i d d e N a p i e r z i j n bones u i t m e t extra c i j f e r s t a a f j e s . I n de p r a k t i j k bleek het w e r k e n m e t de staafjes b u h e n g e w o o n o m s l a c h t i g en vervelend te z i j n . D i t inspireerde anderen t o t ingenieuze u i t v i n d i n g e n o m m i n d e r h a n d m a t i g en meer mechanisch m e t de s t a a f j e s te k u n n e n w e r k e n .
1
o/ /1
0/ o/
2
3
4
5
6
7
/ 7
X / l
/ 1
/ i
X
/ 8
1
/
1 /
X4 2X / 8
^/ / l 0 /
3 /
/ b
2X 3X
3X
X
sX
sX Xl
X 7X
/ l
X
bones
1 X
2/
X X
Napier's
x?
Xs
/ 5
/ 9
9
X
2/
0/
8
oX
q /
X
4
7
9
oX 1 X
iX Xs
X8
K
2X A / / A X2 3 X s X 1/ / l 7 /
2 6 8
1
H o e v i n d i n g r i j k de r e k e n m e t h o d e v a n N a p i e r o o k was, h i j is n o o i t zo ver d o o r g e d r o n g e n als z i j n l o g a r i t m e n . V o l g e n s N a p i e r zelf m a a k t e h i j meer n a a m m e t z i j n i n 1593 uitgegeven b o e k ' A P l a i n e D i s c o v e r y o f the W h o l e R e v e l a t i o n o f S t . J o h n ' . H e t b o e k was een p r o d u k t v a n nauwgezette b i j b e l s t u d i e . D e i n h o u d e r v a n was een regelrechte a a n v a l o p de R o o m s K a t h o h e k e k e r k i n die dagen. H e t w e r d zo p o p u l a i r , dat het i n meerdere u i t g a ven is verschenen i n diverse Westeuropese l a n d e n , w a a r o n d e r N e d e r l a n d . D i t alles, aang e v u l d m e t vele andere bezigheden, plaatste N a p i e r ' s w i s k u n d i g e a c t i v i t e i t e n , althans i n z i j n eigen gedachten, eerder o p een vierde d a n o p een derde plaats, laat staan o p de eerste. N i e t t e m i n w a r e n z i j n w i s k u n d i g o n d e r z o e k en de resultaten d a a r v a n v a n niet geringe betekenis. Logaritmen T o e n N a p i e r h a d o n t d e k t , dat een v e r m e n i g v u l d i g i n g v a n twee sinussen o v e r e e n k w a m m e t het a f t r e k k e n v a n twee cosinussen g e v o l g d d o o r een d e h n g , o n t s t o n d de gedachte
55
dat het w e l l i c h t m o g e l i j k was o m o m v a n g r i j k e v e r m e n i g v u l d i g i n g e n o m te zetten i n een c o m b i n a t i e v a n eenvoudige o p t e l l i n g e n en a f t r e k k i n g e n . D e l o g a r i t m i s c h e b e n a d e r i n g was geboren. T o c h o n t s t o n d e n de l o g a r i t m e n b i j N a p i e r niet v a n u i t de algebra en de gon i o m e t r i e , m a a r v a n u i t de geometrie. H i j n a m d a a r v o o r twee e v e n w i j d i g e l i j n e n i n bes c h o u w i n g met o p elke l i j n een p u n t . B e w o o g n u het ene p u n t m e t constante snelheid over z i j n l i j n , d a n v o l g d e het andere p u n t z o d a n i g , dat de v e r h o u d i n g tussen de zo o n t stane l i j n s t u k k e n o p de twee e v e n w i j d i g e l i j n e n v o o r t d u r e n d g e l i j k bleef. I n 1614 p u b l i c e e r d e N a p i e r z i j n l o g a r i t m e n i n ' M i r i f i c i L o g a r i t h m o r u m C a n o n i s Desc r i p t i e ' ( D e s c r i p t i o n o f the A d m i r a b l e C a n n o n ( T a b l e ) o f L o g a r i t h m s ) . T o e n de b e r o e m de w i s k u n d i g e H e n r y B r i g g s , hoogleraar aan het G r e s h a m Cohege, kennis n a m v a n de p u b h k a t i e v a n N a p i e r , m o e t h i j gezegd hebben: ' N a p i e r , l o r d o f M a r k i n s t o n , h a t h set m y head a n d h a n d s at w o r k w i t h his new a n d a d m i r a b l e l o g a r i t h m s . 1 hope see h i m this s u m m e r , i f i t please G o d ; f o r I never saw a b o o k w h i c h pleased m e better, a n d m a d e me m o r e w o n d e r ' . Briggs was zo g e ï n s p i r e e r d d o o r het w e r k v a n N a p i e r , dat h i j de b e r e k e n i n g v a n t a l v a n l o g a r i t m e n v o o r het g r o n d t a l 10 ter h a n d n a m . I n 1624 verscheen de ' A r i t h m e t i c a L o g a r i t h m i c a ' die de l o g a r i t m e n v a n de getallen 1-20.000 en v a n 90.000-100.000 bevatten. H e t o n t b r e k e n d e s t u k w e r d geleverd d o o r de N e d e r l a n d e r Ezechiel de D e c k e r . H i j publiceerde i n 1627 het ' T w e e d e deel v a n de N i e u w e T e l k u n s t ' . Spoedig d a a r o p volgde de ' A r i t h metica L o g a r h h m i c a ' van A d r i a e n Vlacq u h Gouda. H e t waren stuk voor stuk p r o d u k ten die grote i n v l o e d hebben u i t g e o e f e n d op het rekenen. Niet Tot
Blaise
Pascal
1957 k o n de Franse s c h r i j v e r , wijsgeer, n a t u u r k u n d i g e en w i s k u n d i g e Blaise Pascal
(1623-1662) als de vader v a n de mechanische r e k e n m a c h i n e w o r d e n b e s c h o u w d . H i j o n t w i e r p een r e k e n m a c h i n e o m z i j n vader b e h u l p z a a m te z i j n b i j diens vele b o e k h o u d k u n d i ge berekeningen. A n d e r e n p a k t e n het p r o d u k t o p en voegden er nieuwe r e k e n k u n d i g e m o g e l i j k h e d e n aan toe, o f o n t w i e r p e n zelfs geheel andere machines. G e d u r e n d e vele j a ren was m e n het er over eens, dat Pascal de eer t o e k w a m als eerste een mechanische rek e n m a c h i n e te h e b b e n o n t w i k k e l d , t o t d a t i n 1957 d e f i n i t i e f een streep w e r d gehaald d o o r dit a l o m erkende r e c o r d . I n dat j a a r h i e l d D r . Frans H a m m e r , g r o o t kenner v a n het w e r k van de s t e r r e n k u n d i g e Johannes K e p l e r , t i j d e n s een congres dat g e w i j d was aan de geschiedenis v a n de w i s k u n d e , i n bet i n s t i t u u t v o o r w i s k u n d i g o n d e r z o e k te O b e r w o l f a c h i n het Z w a r t e W o u d , een opvahende lezing. I n die lezing vertelde h i j dat niet Blaise Pascal de vader v a n de mechanische r e k e n m a c h i n e is, m a a r P r o f e s s o r W i l h e l m Schick a r d v a n de U n i v e r s i t e i t v a n T ü b i n g e n . Deze bezat reeds i n 1623, het g e b o o r t e j a a r v a n Pascal, een w e r k e n d e r e k e n m a c h i n e . H a m m e r was dat o p het spoor g e k o m e n u i t een b r i e f w i s s e U n g tussen S c h i c k a r d en Johannes K e p l e r . U i t deze b r i e f w i s s e l i n g k w a m een d u i d e l i j k beeld v a n een r e k e n m a c h i n e naar v o r e n , m a a r het a n t w o o r d o p de v r a a g hoe de w e r k i n g e r v a n was geweest, moest H a m m e r s c h u l d i g b l i j v e n . V o o r é é n v a n de c o n gresgangers, D r . B r u n o B a r o n v o n F r e y t a g L ö r i n g h o f f , was d h een u i t d a g e n d p r o b l e e m . Het
inspireerde h e m t o t het reconstrueren v a n de r e k e n m a c h i n e v a n S c h i c k a r d .
I n het navolgende w o r d t die eerste mechanische r e k e n m a c h i n e beschreven, tezamen m e t de m a k e r W i l h e l m S c h i c k a r d en de sterrenkundige Johannes K e p l e r . K e p l e r is n a m e l i j k degene die met S c h i c k a r d correspondeerde w a a r d o o r , z i j het h o n d e r d e n j a r e n later, een vergeten en hoogst interessant r e k e n i n s t r u m e n t w e r e l d k u n d i g k o n w o r d e n g e m a a k t . O m K e p l e r goed te k u n n e n plaatsen is het v a n belang o m iets over diens illustere v o o r g a n g e r s o p te m e r k e n i n h u n w o r s t e l i n g o m zonder c o m p u t e r s de n a t u u r k u n d i g e en w i s k u n d i g e aspecten v a n het heelal te d o o r g r o n d e n .
56
Vroege
astronomen
De Duitser Joliannes K e p l e r (1571-1630) h a d het grote v e d a n g e n het kosmische systeem i n haar w e r k e l i j k h e i d te d o o r g r o n d e n . H i j meende dat alleen d o o r de zuivere logica de s t r u c t u u r v a n het heelal o n t s l u i e r d k o n w o r d e n . V o o r h e m h a d d e n reeds velen zich met de s t r u c t u u r v a n het heelal bezig gehouden. D e antieke Griekse a s t r o n o m i e is daar een d u i d e l i j k b e w i j s v a n . B e k e n d z i j n de n a m e n H i p p a r c h o s v a n Niceae en P t o l e m a i o s v a n A l e x a n d r i ë . De eerste leefde v a n ca. 190-125 v . C . H i j w e r k t e o p R h o d e s , later waars c h i j n l i j k te A l e x a n d r i ë . H i j stelde een geocentrische p l a n e t e n t h e o r i e o p , die later d o o r P t o l e m a i o s nader w e r d u h g e w e r k t . B i j z i j n berekeningen b e t r e f f e n d e de bewegingen v a n de z o n en de planeten hanteerde H i p p a r c h o s de k o o r d e n r e k e n i n g , w a a r d o o r h i j als een der grondleggers v a n de t r i g o n o m e t r i e w o r d t b e s c h o u w d . A l g e m e e n w o r d t a a n g e n o m e n , dat h i j diverse o n t d e k k i n g e n h e e f t o n t l e e n d aan Chaldese a s t r o n o m e n die z i c h i n B a b y l o nië o p het gebied v a n de astrologie d a n i g heten gelden, zoals b l i j k t u i t het b i j b e l b o e k D a n i ë l . De Hellenistische s t e r r e n k u n d i g e C l a u d i u s P t o l e m a i o s u i t de tweede eeuw n . C . c r e ë e r d e de Ptolemaeische a s t r o n o m i e , die lange t i j d onaantastbaar z o u b l i j v e n . I n z i j n h o o f d w e r k , M e g a l e Syntaxis geheten, beter b e k e n d onder de A r a b i s c h e n a a m A l m a g e s t , geeft h i j een s a m e n v a t t i n g v a n alles w a t op a s t r o n o m i s c h gebied i n z i j n t i j d b e k e n d was. Veel ontleende h i j h i e r b i j aan het w e r k v a n H i p p a r c h o s . De i n v l o e d v a n oudere
filosofi-
sche b e s c h o u w i n g e n is e r i n te o n d e r k e n n e n , m a a r o o k vele b e l a n g r i j k e eigen w a a r n e m i n gen en o n d e r z o e k e n z i j n e r i n o p g e n o m e n . H e t geheel v o r m d e het Ptolemaeische stelsel, w a a r b i j de b e w e g i n g der h e m e l l i c h a m e n o m het w e r e l d c e n t r u m , a a r d c e n t r u m geheten, p l a a t s v o n d . E e n interessante v o o r g a n g e r v a n H i p p a r c h o s en P t o l e m a i o s was A r i s t a r c h o s van Samos. Deze Griekse a s t r o n o o m leefde v a n ca. 310-250 v . C . H i j doceerde, volgens een m e d e d e l i n g v a n A r c h i m e d e s , een voUedig heliocentrisch wereldstelsel, w a a r i n de aarde niet slechts een dagelijkse aswenteling kende, m a a r o o k een j a a r l i j k s e b a a n o m de z o n u i t v o e r d e . D i t was een b i j z o n d e r k n a p p e t h e o r i e , die v o o r de a a n v a a r d i n g e r v a n eeuwen te v r o e g w e r d geponeerd. Pas toen C o p e r n i c u s i n 1543 de ' R e v o l u t i o n i b u s O r b i u m ' liet v e r s c h i j n e n , w e r d het t i j d p e r k v a n de antieke a s t r o n o m i e v o o r g o e d a f g e s l o t e n . H e t klassieke t i j d p e r k n a m een a a n v a n g . De P o o l N i c o l a u s C o p e r n i c u s w e r d i n 1473 i n T o r u n geboren. A a n de u n i v e r s h e h te K r a k a u studeerde h i j geneeskunde en sterrenkunde en aan de u n i v e r s i t e i t te B o l o g n a kerk e l i j k recht. H i j o n t w i k k e l d e een opvaUend m o d e r n m o d e l v a n het zonnestelsel en berekende de a f s t a n d tussen de aarde en de m a a n op 60 keer de straal v a n de aarde; een u i t k o m s t die de w e r k e l i j k e w a a r d e d i c h t benadert. De eeuwenoude steUing v a n A r i s t a r c h o s , dat de z o n i n het m i d d e n v a n ons stelsel staat en de planeten er o m h e e n d r a a i e n , d u r f d e h i j te l a t e n herleven. N a een b e s c h r i j v i n g v a n z i j n systeem i n ' D e r e v o l u t i o n i b u s o r b i u m coelestium h b r i sex', w a a r a a n h i j z i j n o n v e r g a n k e l i j k e r o e m d a n k t , r e c h t v a a r d i g d e C o pernicus z i j n conclusie als v o l g t : ' T e m i d d e n v a n alles staat de z o n . W a n t wie z o u i n deze schoonste t e m p e l z i j n l a m p o p een andere o f betere plaats k u n n e n zetten d a n die v a n w a a r z i j t e g e l i j k e r t i j d het geheel k a n verlichten? D i e enkelen, niet ten onrechte, het licht der w e r e l d , anderen ziel o f heerser n o e m e n . Trismegistus n o e m t het de z i c h t b a r e G o d , de E l e c t r a v a n Sophocles, de al-ziende. Z o i n d e r d a a d bestuurt de z o n , gezeten o p de k o n i n g s t r o o n , de r o n d w e n t e l e n d e f a m i l i e der s t e r r e n ' . D o o r de vrees die h i j h a d dat h i j met z i j n b e s c h r i j v i n g v a n het zonnestelsel het k e r k e l i j k d o m e i n z o u betreden, alwaar de eeuwenoude steUing n o g heerste o m t r e n t de centrale p o sitie v a n de aarde i n de k o s m o s , w e r d z i j n w e r k pas v l a k v o o r z i j n d o o r i n 1543 g e p u b l i ceerd.
57
De m a n i e r w a a r o p C o p e r n i c u s liet zonnestelsel beschreef, inspireerde de A m e r i k a a n C . W . B a c h m a n , de m a n v a n het B a c h m a n - d i a g r a m , o m niet meer de c o m p u t e r centraal te stellen i n het t o t a a l v a n de geautomatiseerde gegevensverwerking en i n f o r m a t i e v o o r ziening, m a a r de gegevensbank. De gegevensbank is n a m e l i j k het o b j e c t w a a r alles o m d r a a i t . I n 1973 schreef h i j daarover i n z i j n a r t i k e l ' T h e P r o g r a m m e r as N a v i g a t o r ' i n ' C o m m u n i c a t i o n s o f the A C M ' onder meer het volgende: ' I raise the example o f C o p e r n i c u s t o d a y to h l u s t r a t e a p a r a l l e l t h a t I beheve exists i n the c o m p u t e r o r , m o r e p r o p e r l y , the i n f o r m a t i o n systems w o r l d . W e have spent the last 50 years w i t h a l m o s t P t o l e m a i c i n f o r m a t i o n systems. These systems,
and
m o s t o f the t h i n k i n g a b o u t systems, were based o n a ' c o m p u t e r - c e n t r e d ' concept. Just as the ancients v i e w e d the E a r t h w i t h the S u n r e v o l v i n g a r o u n d i t , so have the ancients o f o u r i n f o r m a d o n systems v i e w e d a tab m a c h i n e or c o m p u t e r w i t h a sequential f i l e f l o w i n g t h r o u g h i t . B u t a f t e r a w h i l e , each has been f o u n d to be i n c o r rect a n d i n a d e q u a t e , a n d h a d to be replaced b y an o t h e r w o r l d a n d its b e h a v i o r . C o pernicus presented us w i t h a new p o i n t o f view a n d l a i d the f o u n d a t i o n f o r m o d e r n celestial mechanics. T h a t view gave us the basis f o r u n d e r s t a n d i n g the f o r m e r l y m y s t e r i o u s tracks o f the Sun a n d the planets t h r o u g h the heavens. A new basis f o r u n d e r s t a n d i n g is available i n the area o f i n f o r m a t i o n systems. I t is archieved b y a s h i f t f r o m a c o m p u t e r - c e n t r e d to the database-centred
p o i n t o f v i e w . T h e new u n -
d e r s t a n d i n g w i l l lead to new solutions o f o u r database p r o b l e m s , a n d speed o u r c o n quest o f the n - d i m e n s i o n a l data structures w h i c h best m o d e l the c o m p l e x i t i e s o f the real w o r l d ' . V a n een o n m i d d e l l i j k e en algemene a a n v a a r d i n g v a n de Copernicaanse o p v a t t i n g e n was geen sprake. D a t b l i j k t ondermeer u i t de o p v a t t i n g e n v a n T y c h o B r a h e (1546-1691). Brahe Was een Deens edelman die a a n v a n k e l i j k rechten studeerde. D e z o n s v e r d u i s t e r i n g van 21 augustus 1560 was de a a n l e i d i n g o m z i j n rechtenstudie te verwisselen v o o r de a s t r o n o m i e . Z i j n eerste r o e m d a n k t e h i j aan de w a a r n e m i n g v a n een nieuwe ster i n het sterrenbeeld Cassiopeia. E e n v e r h a n d e h n g daarover leverde h i j i n ' D e n o v a steUa a n n i 1572'. A a n het v e r s c h i j n e n v a n een nieuwe ster kende m e n destijds u i t o n w e t e n d h e i d en b i j g e l o o f een diepe betekenis toe. Z o zag m e n b i j v o o r b e e l d i n deze nieuwe ster de terugkeer v a n de ster v a n B e t h l e h e m , die de tweede k o m s t v a n C h r i s t u s voorspelde. D e g r o t e vraag was echter: hoe past z o ' n nieuwe ster i n het t o t die t i j d algemeen geaccepteerde kosmische p l a n v a n A r i s t o t e l e s ? Deze a u t o r i t e h o p het gebied v a n de a s t r o n o m i e h a d i m mers v e r z e k e r d , dat de sterrenwereld eeuwig en o n v e r a n d e r l i j k was. Brahe t r a c h t t e deze en andere vragen te b e a n t w o o r d e n d o o r m i d d e l v a n directe waarnem i n g e n . V a n k o n i n g F r e d e r i k I I kreeg h i j het eUand H v e n , alsmede g e b o u w e n en i n s t r u m e n t e n o m z i j n w a a r n e m i n g e n te d o e n . Brahe v e r w i e r p het Copernicaanse stelsel en p o neerde een systeem tussen P t o l e m a i o s en C o p e r n i c u s . N a o n e n i g h e i d met de K o n i n g v a n D e n e m a r k e n v e r h e l h i j het e i l a n d H v e n en vestigde z i c h te P r a a g . O o k daar kreeg h i j een eigen o b s e r v a t o r i u m . Z i j n assistent w e r d Johannes K e p l e r , aan w i e h i j b i j z i j n d o o d in 1601 een lange en n a u w k e u r i g e l i j s t w a a r n e m i n g e n nahet. Johannes K e p l e r studeerde te T ü b i n g e n eerst t h e o l o g i e , en later w i s - en n a t u u r k u n d e . H i j b r a n d d e v a n v e r l a n g e n het kosmische systeem te d o o r g r o n d e n . H i j g e l o o f d e dat v i a zuivere l o g i c a de s t r u c t u u r v a n het heelal te o n t s l u i e r e n moest z i j n . D a n k z i j een overv l o e d aan w a a r n e m i n g e n v a n ondermeer T y c h o B r a h e v o n d K e p l e r het j u i s t e a n t w o o r d o p de d o o r z i j n voorgangers gestelde vragen over de s t r u c t u u r v a n het heelal. I n 1609 publiceerde h i j d a a r o v e r i n z i j n beroemde ' A s t r o n o m i a N o v a ' . T i j d e n s z i j n leven h a d K e p l e r geen r u s t i g bestaan. H i j was v a a k o n d e r w e g , niet het m i n s t
58
d o o r z i j n g e l o o f s o v e r t u i g i n g . D o o r d a t h i j een aanhanger was v a n de r e f o r m a t i e , moest h i j meer d a n eens u i t w i j k e n o m v e r o o r d e l i n g e n te o n t l o p e n . Z i j n godsdienstige o v e r t u i g i n g b r a c h t h e m meer zorgen d a n z i j n r e v o l u t i o n a i r e w e t e n s c h a p p e l i j k e d e n k b e e l d e n , die n o g n a u w e l i j k s begrepen w e r d e n . D i t laatste leidde er evenwel niet toe dat K e p l e r een onbekende bleef, integendeel zelfs. V a k g e n o t e n erkenden h e m als een g r o o t w i s k u n d i g e en een g r o o t a s t r o n o o m . T o e n h i j i n 1617 o p doorreis d o o r T ü b i n g e n g i n g , de stad w a a r h i j o o h studeerde, v o n d er een o n t m o e t i n g v a n f o r m a a t plaats. K e p l e r o n t m o e t t e namel i j k aan de U n i v e r s h e h v a n T ü b i n g e n W i l h e l m S c h i c k a r d . W a a r s c h i j n l i j k w e r d de o n t m o e t i n g gearrangeerd d o o r M i c h a e l M a e s t l i n , hoogleraar i n de a s t r o n o m i e aan de U n i versiteit. V a n enige p l a n n i n g v o o r a f was i n elk geval geen sprake, w a n t Kepler was slechts o p d o o r r e i s , o p weg naar L e o n b e r g w a a r z i j n moeder wegens h e k s e r i j v e r o o r deeld was en die h i j m e t r a a d en d a a d t e r z i j d e wenste te staan. Wilhelm
Schlclcard
W i l h e l m S c h i c k a r d w e r d i n 1592 geboren i n H e r r e n b e r g , een s t a d j e n a b i j S t u t t g a r t . H i j s t o n d b e k e n d als v r o e g w i j s en o o k t i j d e n s z i j n verdere leven bleef h i j een w i j s en v e e l z i j d i g mens. A a n de U n i v e r s i t e i t v a n T ü b i n g e n studeerde h i j t h e o l o g i e en v o o r t s specialiseerde h i j z i c h i n diverse Oosterse t a l e n . Daarnaast h i e l d h i j z i c h m e t a l l e r h a n d e wetenschappen bezig w a a r o n d e r w i s k u n d e , a s t r o n o m i e en m e t e o r o l o g i e . U i t z i j n p u b h k a t i e s b l i j k t , dat h i j veel aanleg h a d v o o r k a a r t t e k e n e n en graveren. D e o n t m o e t i n g tussen K e p l e r en S c h i c k a r d i n de w i n t e r v a n 1617 leidde t o t b l i j v e n d e v r i e n d s c h a p . Deze w e r d g e k e n m e r k t d o o r een g r o o t a a n t a l gemeenschappelijke
eigen-
schappen. E i g e n l i j k was er m a a r é é n v e r s c h i l tussen beide geleerden en dat was h u n leeft i j d . K e p l e r was v i e r e n t w i n t i g j a a r o u d e r . V o o r w a t b e t r e f t de o v e r e e n k o m s t e n g o l d , dat b e i d e n een sterke p e r s o o n l i j k h e i d h a d d e n , en dat beiden geleerd w a r e n en dezelfde godsdienst beleden. D e U n i v e r s i t e i t v a n T ü b i n g e n h a d beiden g e v o r m d o p het gebied v a n d i verse wetenschappen. Over en weer was er g r o t e a c h t i n g v o o r eikaars k e n n i s . Z o s t o n d niets een hechte v r i e n d s c h a p i n de w e g , en d i t o n d a n k s het gevaar dat er v o o r S c h i c k a r d b e s t o n d vanwege de d o o r K e p l e r niet onder stoelen o f b a n k e n gestoken a f w i j k e n d e m e n i n g e n t e n o p z i c h t e v a n heersende k e r k e l i j k e s t a n d p u n t e n . N a h u n eerste o n t m o e t i n g o n t s t o n d er een regelmatige c o r r e s p o n d e n t i e . D a a r i n bespraken ze de laatste w i s k u n d i g e en andere w e t e n s c h a p p e l i j k e o n t w i k k e l i n g e n . E e n b e l a n g r i j k o n d e r w e r p v a n b e s p r e k i n g was o n d e r m e e r de o n t d e k k i n g v a n de l o g a r i t m e n d o o r J o h n N a p i e r . K e p l e r stelde zelf een l o g a r i t m e n t a f e l samen ten behoeve v a n z i j n o m v a n g r i j k e r e k e n w e r k . O m d a t dat rek e n w e r k g e k e n m e r k t w e r d d o o r veel v e r m e n i g v u l d i g i n g e n , o n t w i k k e l d e h i j de zogeheten v e r k o r t e v e r m e n i g v u l d i g i n g s m e t h o d e . O p deze m e t h o d e stemde S c h i c k a r d z i j n r e k e n m a chine a f . De
briefwisseling
O p 20 september 1623 schreef S c h i c k a r d aan K e p l e r i n het L a t i j n d a t h i j een a p p a r a a t h a d o n t w i k k e l d , dat i n staat was berekeningen u i t te voeren die K e p l e r g e w e n d was o p logische w i j z e te v e r r i c h t e n . Deze b r i e f , en een volgende b r i e f v a n S c h i c k a r d aan K e p l e r v a n 25 f e b r u a r i 1624, eveneens i n het L a t i j n geschreven, z o u d e n d r i e h o n d e r d j a a r later meer d a n eens, z i j het k o r t samengevat, i n diverse g e s c h r i f t e n w o r d e n o p g e n o m e n . O p 24 o k t o b e r 1635 overleed S c h i c k a r d aan de pest. I n dezelfde t i j d v e r d w e e n o o k gaandeweg z i j n f a m i h e . M e t het v e r d w i j n e n v a n de f a m i l i e S c h i c k a r d v e r d w e e n tevens de rek e n m a c h i n e v a n W i l h e l m . G e l u k k i g bleven w e l enige b r i e v e n v a n h e m , w a a r o n d e r
de
twee b r i e v e n aan Kepler w a a r i n de r e k e n m a c h i n e w e r d g e n o e m d . D e b r i e f v a n 1623 g i n g
59
deel u i t m a k e n v a n een Kepler- collectie die v e r b l e e f i n het P u l k o v o s t e r r e n k u n d i g observ a t o r i u m even b u i t e n L e n i n g r a d . De b r i e f v a n 1624 w e r d o p g e n o m e n i n een v e r z a m e h n g K e p l e r - w e r k e n met als titel ' L i t t e r a e ad K e p p l e r u m ' , die i n 1718 verscheen. G e d u r e n d e een lange reeks j a r e n besteedde geen enkele onderzoeker aandacht aan de brieven v a n S c h i c k a r d , die overigens slechts een m i n u s c u u l deeltje v o r m d e n v a n de zeer o m v a n g r i j k e Kepler-coUectie. D a t veranderde echter i n de j a r e n d e r t i g v a n deze eeuw. I n D u h s l a n d besloot m e n het c o m p l e t e w e r k v a n K e p l e r te gaan p u b h c e r e n . K e p l e r experts, w a a r o n d e r D r . F r a n z H a m m e r , gingen z i c h m e t dat reusachtige w e r k b e z i g h o u d e n . O p een d a g i n 1935 viel het o o g v a n H a m m e r o p een schets die h e m deed d e n k e n aan een tekst i n ' L i t t e r a e ad K e p p l e r u m ' w a a r i n S c h i c k a r d over z i j n u i t v i n d i n g s c h r i j f t en aan een schets e r v a n refereert. A l h o e w e l H a m m e r z i c h e r v a n bewust was d a t h i j bel a n g r i j k e gegevens h a d o n t d e k t o m t r e n t een mechanische r e k e n m a c h i n e , pubhceerde h i j o p dat m o m e n t d a a r o v e r niets. T o e n h i j r u i m t w i n t i g j a a r later, t i j d e n s s p e u r w e r k i n de p a p i e r e n v a n S c h i c k a r d , weer een t e k e n i n g v a n een r e k e n m a c h i n e a a n t r o f , besloot h i j z i j n o n t d e k k i n g w e r e l d k u n d i g te m a k e n . D a t gebeurde i n 1957 t i j d e n s het eerder gen o e m d e congres o v e r de geschiedenis v a n de w i s k u n d e . H e t inspireerde de congresganger D r . B r u n o B a r o n v o n F r e y t a g L ö r i n g h o f f , hoogleraar i n de w i s k u n d e aan de U n i v e r s i t e i t v a n T ü b i n g e n een r e c o n s t r u c t i e v a n de m a c h i n e te m a k e n . I n 1960 resulteerde het w e r k v a n P r o f e s s o r V o n F r e y t a g i n een w e r k e n d m o d e l . N a h e m z o u d e n o o k a n d e r e n , waaronder de N e d e r l a n d e r R o u b o s , er i n slagen de m a c h i n e v a n S c h i c k a r d na te m a k e n . De v e r t a h n g v a n de b r i e f v a n S c h i c k a r d aan K e p l e r u i t 1623 l u i d t als v o l g t : 'Zeer D o o r l u c h t e en V o o r t r e f f e l i j k e H e e r K e p l e r , zeer te p r i j z e n Begunstiger, I k h o o p dat U m i j niet ten onrechte e r v a n beschuldigt k o r t v a n s t o f te z i j n , m a a r n u w o r d i k w e d e r o m g e d w o n g e n k o r t te z i j n , w a n t M a s t l i n h e e f t m i j aan de l i j n g e h o u d e n , zodat i k n u i n deze impasse ben, h o e w e l i k h e m de laatste acht dagen elke dag g e m a a n d heb m i j U w ' L o g a r h h m e n ' terug te geven. I k b e g r i j p o o k niet precies w a a r o m h i j z i c h zo m o e i l i j k opstelt. V e r d e r heb i k d a t z e l f d e w a t G i j d o o r berekening d o e t , onlangs langs mechanische weg g e p r o b e e r d en i k heb een m a c h i n e geconstrueerd bestaande u i t e l f v o l l e d i g e t a n d w i e l e n en zes w a a r a a n een a a n t a l t a n d e n o n t b r e k e n , die met gegeven getallen t e r s t o n d a u t o m a d s c h r e k e n t , deze o p t e h , a f t r e k t , v e r m e n i g v u l d i g t en deelt. G i j d o o r l u c h t e , z o u d t lachen i n d i e n U hier was en z o u d t zien hoe deze m a c h i n e de getallen aan de l i n k e r z i j d e , wanneer deze het d e n t a l o f het h o n d e r d t a l hebben overschreden u i t eigen beweging opslaat o f b i j bet proces v a n het a f t r e k k e n er iets v a n a f h a a l t . M a a r luister: hoe verdraagt G i j het dat i k zo v r i j m o e d i g b e n m e t U v a n m e n i n g te verschillen inzake de N o v a C y g n i ? I k doe dat stelhg niet u h zucht naar een meningsverschh: dat v e r k l a a r i k p l e c h t i g , m a a r o m d a t het v o o r t d u r e n d b l i j k t u h eigen w a a r n e m i n g . Vergeef m i j als i k o n b e s c h a a m d heb gehandeld en vergeef het m i j o m der w h l e v a n de wetenschap. W a n t : 'Deze t w i s t is g o e d v o o r de s t e r v e h n g e n ' . P.S. D e p o s t b o d e h a d deze b r i e f gewis bestemd v o o r g i s t e r e n m i d d a g ; i k heb er i n haast iets aan toegevoegd. I n m i d d e l s heb i k na veel getreuzel e i n d e l i j k v a n M a s t h n U w ' L o g a rithmen'
teruggekregen. I k z a l deze b i j m i j h o u d e n t o t d a t U er een b r i e f aan L a n d g r a f
aan toevoegt, die i k t e g e l i j k e r t i j d aan h e m zal toezenden. Weest gegroet, 20 september 1623, na de m a a h i j d . ' D e v e r t a h n g v a n een gedeehe v a n de b r i e f v a n S c h i c k a r d aan K e p l e r u i t 1624 l u i d t als volgt: ' D e r e k e n m a c h i n e z a l i k b i j een andere gelegenheid n a u w k e u r i g e r b e s c h r i j v e n , w i h u a l -
60
vast het volgende - i n haast - v e r n e m e n . aaa z i j n de k o p p e n v a n verdcale cilinders w a a r o p de v e r m e n i g v u l d i g i n g e n v a n de c i j f e r s z i j n aangebracht en z i j w o r d e n z i c h t b a a r , v o o r zover z i j n o d i g z i j n , d o o r de beweegbare vensters b b b . ( D e assen) aaa hebben v a n b i n n e n d a a r a a n bevestigde t a n d w i e l e n met 10 t a n d e n , zo geconstrueerd dat als een r e c h t e r w i e l 10 m a a l r o n d g e d r a a i d w o r d t , het l i n k s d a a r v a n gelegen w i e l eenmaal r o n d d r a a i t , o f wanneer d i t eerste 100 m a a l r o n d g e d r a a i d w o r d t , het derde w i e l eenmaal r o n d d r a a i t , etc. E n w e l i n dezelfde r i c h t i n g . O m d i t te bereiken h a d i k een s o o r t g e l i j k tussenwiel h n o d i g . E l k tussenwiel doet alle w i e l t j e s l i n k s d a a r v a n bewegen i n de vereiste v e r h o u d i n g ; geen echter rechts e r v a n , hetgeen een b i j z o n dere b e h o e d z a a m h e i d vereist. O m de hoeveelste v a n hen het gaat is z i c h t b a a r d o o r de o p e n i n g e n ccc o p bet m i d d e n p a n e e l . T e n s l o t t e geeft e o p het onderste paneel de wervels aan en evenzo f de o p e n i n g e n v o o r het z i c h t b a a r m a k e n v a n de getallen die t i j d e n s de b e w e r k i n g n o d i g z i j n . Deze zaken k u n n e n echter niet zo haastig beschreven w o r d e n . Z i j w o r d e n g e m a k k e l i j k e r begrepen d o o r het zelf te zien. I k h a d al v o o r U een exemplaar laten m a k e n b i j onze l a n d g e n o o t J o h . P f i s t e r , maar dat is - n o g slechts h a l f v o l t o o i d - t e g e l i j k met een a a n t a l andere zaken v a n m i j , i n het b i j z o n der enkele k o p e r e n p l a t e n , drie dagen geleden i n v l a m m e n opgegaan b i j een n a c h t e l i j k e b r a n d die p l o t s e h n g o n t s t a a n was. M u t s c h l i n weet d a a r o v e r meer te v e r t e l l e n . M e t d i t verlies heb i k het m o e i l i j k , v o o r a l o m d a t er geen t i j d is o m zo spoedig andere te laten m a k e n . W h h e l m S c h i c k a r d aan K e p l e r i n L i n z T ü b i n g e n , 2 5 f e b r u a r i 1624' De eerste
rekenmachine
De r e k e n m a c h i n e v a n S c h i c k a r d heeft het aanzien v a n een mechanisch kasregister.
In
feite bestaat h i j u i t twee machines. H e t p r i n c i p e v a n de bovenste m a c h i n e stemt overeen met de c i j f e r s t a a f j e s ( ' r o d s ' o f 'bones') v a n N a p i e r . I n plaats v a n s t a a f j e s z i j n zes c i h n ders a a n g e b r a c h t . E l k e c i l i n d e r bevat echter niet é é n , m a a r negen c i j f e r s t a a f j e s . M e t beh u l p h i e r v a n is geheel o v e r e e n k o m s t i g de u i t v i n d i n g v a n N a p i e r de v e r m e n i g v u l d i g i n g v a n twee getallen u i t te v o e r e n . De zes cilinders z i j n naast elkaar en v e r t i c a a l bevestigd i n een h o u t e n kast. Negen latjes v o r m e n het v o o r f r o n t v a n de kast en d e k k e n daarmee de cilinders af. E l k l a t j e bevat echter zes o p e n i n g e n , é é n per c i l i n d e r . W i l m e n een getal dat niet g r o t e r is d a n zes c i j f e r s v e r m e n i g v u l d i g e n met een getal dat groter is d a n 1 m a a r kleiner d a n 10, d a n d r a a h m e n de cihnders z o d a n i g , dat het te v e r m e n i g v u l d i g e n getal d o o r de o p e n i n g e n i n het b o venste l a t j e z i c h t b a a r w o r d t . A h e overige o p e n i n g e n z i j n i n eerste instantie gesloten d o o r acht h o r i z o n t a l e s c h u i f s t o k jes die z i j n g e n u m m e r d v a n 2 t o t en met 9. Deze stokjes z i j n echter z o d a n i g te v e r s c h u i ven dat z i j de o p e n i n g e n i n de latjes v r i j m a k e n , waardooB de c i j f e r s o p de cihnders z i c h t baar w o r d e n . H e t h o r i v m t a l e s c h u i f s t o k j e dat verschoven w o r d t , v e r t e g e n w o o r d i g t het getal w a a r m e e het eerder gekozen getal v e r m e n i g v u l d i g d m o e t w o r d e n . H e t resultaat v a n de v e r m e n i g v u l d i g i n g is n u v a n de cihnders a f te lezen. D a a r b i j w o r d t g e b r u i k g e m a a k t van de c i j f e r s t a a f j e s v a n N a p i e r . E e n o p v a l l e n d o n g e m a k v a n de s t a a f j e s v a n N a p i e r is, dat niet aansluitende r i j e n o o k niet a a n s l u h e n d z i j n te m a k e n . AUeen d o o r de b e t r e f f e n d e r i j e n over te s c h r i j v e n w o r d e n deze aansluitend gemaakt w a a r n a de diagonale o p t e i h n g e n z i j n u i t te v o e r e n . I n v e r b a n d met d i t o n g e m a k z i j n w e l ingenieuze v o o r z i e n i n g e n te t r e f f e n m a a r die z i j n n o o i t echt p o p u l a i r g e w o r d e n . Een ander o n g e m a k ontstaat wanneer een getal is o p g e b o u w d u i t é é n
61
o f meer dezelfde c i j f e r s , b i j v o o r b e e l d 339. H e t betekent dat m e n d a n s t a a f j e 3 t w e e m a a l beschikbaar m o e t h e b b e n . V o o r het g e m a k m o e t dus een set N a p i e r ' s bones een a a n t a l d u b b e l e staafjes bevatten zodat m e n als het ware elk w i l l e k e u r i g getal k a n v o r m e n dat v e r m e n i g v u l d i g d m o e t w o r d e n . W a t het laatste b e t r e f t , d h h e e f t S c h i c k a r d i n z i j n rekenm a c h i n e h a n d i g opgelost d o o r o p elke cilinder ieder s t a a f j e 1 t o t en met 9 te plaatsen. D o o r d a t er slechts zes cihnders z i j n , k a n het te v e r m e n i g v u l d i g e n getal niet g r o t e r z i j n d a n 999999. V o o r t s zal v o o r een directe a f l e z i n g v a n een v e r m e n i g v u l d i g i n g , de vermen i g v u l d i g e r niet t w e e m a a l eenzelfde c i j f e r m o g e n b e v a t t e n ,
omdat
de
horizontale
s c h u i f s t o k j e s elk slechts é é n c i j f e r (2 t o t en met 9) v e r t e g e n w o o r d i g e n . D i t w o r d t echter opgelost d o o r een interessante a a n v u l h n g op N a p i e r ' s bones. D i e a a n v u l h n g bestaat u i t een tweede m a c h i n e , die z i c h onder de cUinders b e v i n d t . H e t is een mechanische o p t e l l e r , die i n u i t e r l i j k e v o r m u h een zestal k n o p p e n bestaat. D o o r deze k n o p p e n te d r a a i e n w o r den t a n d w i e l e n i n beweging gezet en v i n d t een mechanische o p t e h i n g v a n getallen plaats. Een
rekenvoorbeeld
Stel dat het getal 479 met 54 v e r m e n i g v u l d i g d m o e t w o r d e n . D e verdcale cUinders w o r den z o d a n i g g e d r a a i d dat het getal 000479 z i c h t b a a r w o r d t . D o o r het h o r i z o n t a l e s c h u i f s t o k j e 4 te v e r s c h u i v e n w o r d t o v e r e e n k o m s t i g het v o o r g a a n d e r i j 4 z i c h t b a a r .
0 o / / O
/
0
/ O
0
4
0 / 1 / O / 6
7
9
/ 2 / 3 / 8 / 6
O ,-' O ,-' I ,-' 9 / ' ' I ,-' 6 / '
/ •<—
tussenresultaat
D o o r de k n o p p e n v a n de a c c u m u l a t o r achtereenvolgens v a n rechts naar l i n k s te d r a a i e n w o r d e n de c i j f e r s die i n dezelfde d i a g o n a a l staan b i j elkaar opgeteld en ontstaat het eerste tussenresultaat, n a m e l i j k 001916. Vervolgens w o r d t s c h u i f s t o k j e 5 verschoven o m r i j 5 z i c h t b a a r te m a k e n .
0 o / / O
0 o / / O
0 0 / O
4
7
/ 2 / 3 / O
/ 5
9
/ 4 / / 5
D o o r w e d e r o m de k n o p p e n v a n de a c c u m u l a t o r v a n rechts naar h n k s te d r a a i e n , m a a r d a n w e l met u i t z o n d e r i n g v a n de meest rechtse, w o r d e n z o w e l de c i j f e r s v a n r i j 5 d i a g o naalsgewijs o p g e t e l d als b i j g e t e l d b i j het eerste tussenresultaat. Z o ontstaat het eindresuhaat 025866.
62
H e t delen v e r l o o p t als v o l g t . Stel dat 278 gedeeld m o e t w o r d e n d o o r 73. H e t getal 278 w o r d t d a n als v o l g t i n het onderste gedeelte v a n de r e k e n m a c h i n e geplaatst: 278000. V e r volgens w o r d t het getal 73 er é é n m a a l v a n a f g e t r o k k e n . D i t gebeurt d o o r eerst de derde k n o p v a n h n k s d r i e m a a l i n een r i c h t i n g te draaien zodat er een a f t r e k k i n g ontstaat en d a a r n a de tweede k n o p v a n l i n k s zevenmaal te d r a a i e n , eveneens i n é é n r i c h t i n g waard o o r een a f t r e k k i n g ontstaat. O p de plaats v a n 278000 staat n u 205000. Vervolgens w o r d t het a f t r e k k e n zo vaak h e r h a a l d t o t de rest 59 o v e r b l i j f t . H e t a a n t a l m a l e n dat het a f t r e k k e n p l a a t s v i n d t m o e t m e n zelf b i j h o u d e n . D o o r m i d d e l v a n venstertjes i n het o n derste gedeelte v a n de r e k e n m a c h i n e z i j n z o w e l de tussenresultaten als het eindresultaat direct afleesbaar. B i j het o p t e l l e n m o e t r e g e l m a t i g v o o r o v e r l o o p naar l i n k s w o r d e n gez o r g d . D i t w o r d t gedaan d o o r t a n d w i e l e n . De w i j z e w a a r o p ligt niet z o n d e r meer v o o r de h a n d . S c h i c k a r d m a a k t e h i e r v o o r g e b r u i k , zoals h i j dat i n z i j n b r i e f a a n K e p l e r ber i c h t t e , v a n e l f c o m p l e t e en zes i n c o m p l e t e t a n d w i e l e n . H i e r u i t ontstaat een ingenieus mechanisme met b e h u l p w a a r v a n o p t e h e n en o v e r l o o p is te regelen. O p het geheel k u n nen overigens a a n z i e n l i j k e k r a c h t e n o n t s t a a n , v a n d a a r dat S c h i c k a r d de m o g e l i j k h e d e n v a n z i j n m a c h i n e beperkte t o t het b e w e r k e n v a n getahen die u i t m a x i m a a l zes c i j f e r s bestaan. Vanwege deze b e p e r k i n g m a a k t e S c h i c k a r d g e b r u i k v a n een a a n t a l r i n g e t j e s die over de vingers geschoven k o n d e n w o r d e n , z o d r a er sprake was v a n getallen die te g r o o t w a r e n v o o r z i j n m a c h i n e . O n g e t w i j f e l d h e e f t h i j d i t o o k gedaan o m K e p l e r daarmee v a n dienst te k u n n e n z i j n , o m d a t deze m e t grote getallen moest rekenen. Helaas is deze m a chine n o o i t i n bezit v a n K e p l e r g e k o m e n ten gevolge v a n een r a m p z a l i g e b r a n d . W e s t - D u i t s l a n d h e r d a c h t i n de j a r e n zeventig het f e i t dat S c h i c k a r d 350 j a a r geleden z i j n r e k e n m a c h i n e o n t w i k k e l d e , m e t de uitgave v a n een postzegel w a a r o p de v e r m e n i g v u l d i g i n g 100722*4 staat afgebeeld. T o t slot w o r d t het schema v a n de m a c h i n e v a n S c h i c k a r d gegeven zoals dat d o o r D r . F r a n z H a m m e r w e r d a a n g e t r o f f e n , met een a f b e e l d i n g v a n de r e c o n s t r u c t i e die d o o r D r . B r u n o B a r o n v o n F r e y t a g L ö r i n g h o f f t o t stand w e r d gebracht.
O"» ©"
O e
ff \
Literatuurverwijzingen G r a v e l a a r , N . W . L . A . , J o h n N a p i e r ' s W e r k e n , A m s t e r d a m , Johannes M ü l l e r 1899. L o o i j e n , M . , G r e p e n u i t de geschiedenis v a n de a u t o m a t i s e r i n g , K l u w e r B e d r i j f s w e t e n schappen,
1992.
IMMUNOTHERAPIE V A N KANKER* door C . J . M . Melief
1. Inleiding H e t idee dat de n a t u u r l i j Ice a f w e e r k r a c h t e n v a n het l i c h a a m bescherming b i e d e n tegen k a n k e r , is al zeer o u d . A l aan het begin v a n deze eeuw veronderstelde P a u l E h r l i c h dat v o o r a l de cellulaire i m m u n i t e i t , v e r t e g e n w o o r d i g d d o o r l e u c o c y t e n , beschermt tegen t u morgroei. L a t e r w e r d zelfs gepostuleerd dat é é n v a n de b e l a n g r i j k s t e f u n c t i e s v a n de c e l l u l a i r e i m m u n i t e i t b e w a k i n g tegen t u m o r g r o e i b e t r e f t . T h a n s weten we dat deze t h e o r i e i n ieder geval geldt v o o r v i r u s g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n zoals m e t E p s t e i n B a r r v i r u s ( E B V ) i n f e c t i e samenhangende t u m o r e n en baarmoederhals k a n k e r , v e r o o r z a a k t d o o r h u m a a n p a p i U o m a v i r u s . V o o r a l b i j v i r u s g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n z i j n de v e r a n d e r i n g e n i n de t u m o r c e l l e n g r o o t genoeg o m ze herkenbaar te m a k e n als lichaamsvreemde elementen v o o r het specifieke immuunsysteem. D e laatste t i j d is echter d u i d e l i j k g e w o r d e n dat o o k s o m m i g e t u m o r e n v a n n i e t - v i r a l e o o r s p r o n g zoals m e l a n o m e n , i m m u u n r e a k t i e s k u n n e n o p w e k k e n b i j de p a d ë n t . D e r g e l i j ke i m m u u n r e a k t i e s z i j n t o t n u toe niet b i j ahe p a t i ë n t e n met m e l a n o o m g e v o n d e n en het is d u i d e l i j k dat z o w e l v i r u s g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n als m e l a n o m e n en andere m a l i g n h e i ten h e t z i j o n v o l d o e n d e i m m u n i t e i t h e b b e n o p g e w e k t d a n w e l aan een e f f e c t i e v e i m m u n i teit hebben w e t e n te o n t k o m e n . H e t f e i t echter dat p a t i ë n t e n met i m m u n o d e f i c i e n t i e s o f o n d e r i m m u n o s u p p r e s s i e v e therapie veel vaker v i r u s - g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n k r i j g e n g e e f t aan dat het i m m u u n s y s t e e m het o n t s t a a n v a n veel v a n z u l k e t u m o r e n i n de k i e m s m o o r t . 1.1 Specifieke
immuniteit
tegen
tumorcellen
Essentieel v o o r i m m u n o g e n i c i t e h v a n t u m o r c e l l e n is dat lichaamsvreemde i m m u n o g e n e p e p t i d e n g e v o r m d w o r d e n v a n een lengte v a n ongeveer 8-16 a m i n o z u r e n die gepresenteerd w o r d e n i n de antigeen-presenterende groeve v a n klasse I o f klasse I I H L A m o l e c u l e n o p het o p p e r v l a k v a n de t u m o r c e l . A l l é é n d a n z i j n T cellen i n staat o m de t u m o r c e l te h e r k e n n e n . C D 4 positieve helper T l y m f o c y t e n h e r k e n n e n i m m u n o g e n e p e p t i d e n gepresenteerd d o o r klasse I I H L A m o l e c u l e n , t e r w i j l C D 8 positieve c y t o t o x i s c h e T l y m f o c y t e n i m m u n o g e n e p e p t i d e n h e r k e n n e n die gepresenteerd w o r d e n d o o r klasse I H L A moleculen.
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 12 december 1994. *Dit artikel is ook gepubliceerd i n Mediator, gemeenschappelijke uitgave van F M W V en M W NWO
64
V o o r de weerstand tegen i m m u n o g e n e t u m o r e n z i j n de c y t o t o x i s c i i e T l y m f o c y t e n ( C T L ) v a n g r o o t belang, enerzijds o m d a t z i j zeer k r a c h t i g w e r k z a a m z i j n ( é é n C T L k a n i n p r o e f d i e r e n i n v i v o w e l 1000 t u m o r c e l l e n o p r u i m e n ) , a n d e r z i j d s o m d a t klasse I H L A m o l e c u l e n o p v r i j w e l alle k e r n h o u d e n d e cellen, i n c l u s i e f t u m o r e n v o o r k o m e n . D i t betek e n t tevens d a t t u m o r c e l l e n t h e o r e d s c h , o o k a l z i j n ze o o r s p r o n k e l i j k i m m u n o g e e n , o p t e n m i n s t e twee m a n i e r e n k u n n e n o n t k o m e n aan destructie d o o r C T L , n a m e l i j k d o o r a f schakeling v a n H L A klasse I expressie o f d o o r a f s c h a k e h n g v a n expressie v a n i m m u n o gene p e p t i d e n ( v a n b . v . v i r a l e o o r s p r o n g i n v i r u s - g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n ) . D e r g e l i j k e ' o n t s n a p p i n g e n ' v a n i m m u n o g e n e t u m o r e n aan de greep v a n het i m m u u n systeem z i j n i n d i e r m o d e l l e n o v e r t u i g e n d a a n g e t o o n d en b i j m e n s e l i j k e k a n k e r a a n n e m e l i j k g e m a a k t . C D 4 positieve T helper ( T ^ ) cellen k u n n e n direct reageren o p H L A klasse 11 p o s i t i e ve t u m o r c e l l e n . H L A klasse I I expressie k o m t v o o r n a m e l i j k v o o r o p cellen v a n het i m m u u n s y s t e e m zelf en dus o o k o p t u m o r e n a f k o m s t i g v a n i m m u u n cellen zoals B cel l y m fomen. I m m u n o g e n e p e p t i d e n v a n klasse I I negatieve t u m o r e n k u n n e n alleen n a t u m o r c e l f r a g m e n t a t i e d o o r H L A klasse I I positieve antigeen presenterende cellen v a n het i m m u u n s y s t e e m ( m a c r o f a g e n , dendritische cehen, B l y m f o c y t e n ) aan T j j cellen w o r d e n gepresenteerd. A c t i v a t i e v a n C D 4 - I - T H cellen leidt t o t c y t o k i n e p r o d u k d e , die o n d e r meer k a n leiden t o t specifieke a n t i l i c h a a m v o r m i n g d o o r B l y m f o c y t e n . H e t arsenaal v a n het i m m u u n s y s t e e m tegen i m m u n o g e n e t u m o r e n bestaat dus u i t C T L , T j j cellen, d o o r T j j cellen geproduceerde c y t o k i n e n , en a n t i s t o f f e n . T e r w i j l C T L en a n t i s t o f f e n v o o r h u n biologische a c t i v i t e i t c r u c i a a l a f h a n k e l i j k z i j n v a n antigeen herk e n n i n g , geldt d i t niet v o o r c y t o k i n e n . W e h s w a a r hangt de i n d u c t i e v a n c y t o k i n e p r o d u k t i e d o o r T j j cellen a f v a n specifieke antigeen h e r k e n n i n g , m a a r eenmaal c y t o k i n e n w e r k e n a n t i g e e n - o n a f h a n k e l i j k . T o t de b e l a n g r i j k s t d o o r
gevormde
cellen g e v o r m d e
c y t o k i n e n b e h o r e n i n t e r l e u k i n e - 2 en i n t e r f e r o n 7, die beiden v a n b e l a n g z i j n v o o r de k a n k e r therapie. D a a r n a a s t is de a n t i - t u m o r w e r k i n g v a n i n t e r f e r o n - a o v e r t u i g e n d a a n g e t o o n d . D i t cyt o k i n e w o r d t d o o r n i e t - l y m f o i d e cellen g e p r o d u c e e r d . E e n n i e u w c y t o k i n e m e t m o g e l i j k e a n t i k a n k e r w e r k i n g is i n t e r l e u k i n e 12 ( I L - 1 2 ) , dat N K cellen activeert, evenals T helper cellen en c y t o t o x i s c h e T l y m f o c y t e n . 1.2 Passieve
immunotherapie
Z o a l s gezegd spelen bovengenoemde
v o r m e n v a n specifieke i m m u n o l o g i s c h e a f w e e r
d o o r de p a t i ë n t zelf (actieve i m m u n i t e i t ) een ondergeschikte r o l b i j de meeste v o r m e n v a n k a n k e r . V o o r therapeutische toepassing k a n echter w e l g e b r u i k g e m a a k t w o r d e n v a n b u i t e n de p a t i ë n t o m v e r k r e g e n i m m u n o t h e r a p e u t i c a (passieve i m m u n i t e i t ) , die v e r v o l gens aan de p a t i ë n t k u n n e n w o r d e n toegediend. V o o r a l m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n en rec o m b i n a n t c y t o k i n e n w o r d e n thans o p grote schaal k l i n i s c h o n d e r z o c h t o p t h e r a p e u t i sche w e r k i n g . 1.3 Passieve
immunotherapie
met zuivere
componenten
danlczij
biotechnologische
ontwiickelingen. O n d a n k s het o n t b r e k e n v a n t u m o r antigenen die i n staat z i j n een k r a c h t i g e specifieke a f w e e r reactie o p te r o e p e n is d a n k z i j passieve i m m u n o t h e r a p i e t o c h een therapeutische m o g e l i j k h e i d g e c r e ë e r d . Verschillende v o r m e n v a n passieve i m m u n o t h e r a p i e w o r d e n i n tensief o n d e r z o c h t o p therapeutische w e r k z a a m h e i d . D a n k z i j b i o t e c h n o l o g i s c h e m e t h o d e n z i j n de i n d i v i d u e l e c o m p o n e n t e n v a n passieve i m m u n o t h e r a p i e n u i n zuivere v o r m
65
en i n weliiaast o n b e p e r k t e v o o r r a a d v o o r h a n d e n . D a t w i l u i t e r a a r d niet zeggen dat deze m i d d e l e n o o k w e r k e l i j k e f f e c t i e f z i j n . Veel onderzoek i n p r o e f d i e r e n en i n de k l i n i e k is n o d i g o m m e t de b i o t e c h n o l o g i s c h verkregen i n g r e d i ë n t e n een e f f e c t i e v e therapie te o n t w i k k e l e n , zo d i t al m o g e l i j k is. D i t onderzoek m o e t b o v e n d i e n z i j n toegesneden o p ieder t u m o r type a f z o n d e r l i j k . D e volgende c o m p o n e n t e n staan o p d h m o m e n t i n de belangstelling: 1. M o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n 2. R e c o m b i n a n t c y t o k i n e n , zoals i n t e r f e r o n ( I F N - a en I F N - 7 ) en interleukine-2 (IL-2) en interleukine-12 (IL-12) 3. L y m f o ï d e cellen met c y t o t o x i s c h e activiteit tegen t u m o r c e l l e n , m e t n a m e c y t o t o x i s c h e T lymfocyten. H e t b e l a n g r i j k s t e n i e u w e element i n deze passieve i m m u n o t h e r a p e u t i s c h e v o r m e n is gelegen i n het f e i t dat de o n v o l d o e n d e a f w e e r v a n de p a t i ë n t tegen z i j n eigen t u m o r o m z e i l d w o r d t en g e b r u i k g e m a a k t w o r d t v a n b u i t e n het l i c h a a m bereide b i o m o l e c u l e n o f gekweekte cellen. E e n b e l a n g r i j k bezwaar v a n de passieve i m m u n o t h e r a p i e ë n is dat de verm o e d e l i j k meest actieve therapie v o r m , n l . H L A - gerestricteerde c y t o t o x i s c h e T l y m f o cyten ( C T L ) , thans n o g niet als therapeutische modaUteit v o o r h a n d e n is en technisch m o e i l i j k te reahseren is, m e t u i t z o n d e r i n g v a n de behandeling v a n E B V - g e ï n d u c e e r d e l y m f o m e n b i j p a t i ë n t e n met i m m u n o d e f i c i ë n t i e na beenmergtransplantatie. 2. Immunotherapie van kanker in diermodellen 2.1 Monoclonale
antistoffen
M e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f therapie z i j n b i j een b e p e r k t aantal dierexperimentele t u m o r e n , meestal v a n h e m o p o ï e t i s c h e o r i g i n e ( l e u k e m i e ë n , l y m f o m e n ) interessante therapeutische resultaten v e r k r e g e n , w a a r b i j uitgebreide gedissemineerde t u m o r m a s s a ' s geheel v e r d w e n e n . P r o b l e m e n die zich echter i n veel m o d e l l e n v o o r d o e n z i j n : 1. T e r u g k e e r v a n de o o r s p r o n k e l i j k e t u m o r o f v a n antigeen negatieve ( ' o n t s n a p t e ' ) t u m o r c e l l e n , meestal na k o r t e t i j d . 2. P a r t i ë l e remissies gevolgd d o o r verdere t u m o r u i t g r o e i m e t n a m e b i j u i t g e b r e i d e t u m o r m a s s a ' s w a a r i n m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n soms o n v o l d o e n d e penetreren. Recent is gebleken d a t de therapeutische w e r k i n g v a n m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n versterkt k a n w o r d e n d o o r s o m m i g e c y t o k i n e n , zoals I L - 2 en I F N - a . D i t synergisme berust t e n dele o p v e r s t e r k i n g v a n de A D C C activiteit v a n N a t u r a l K i l l e r ( N K ) cellen en v a n de t u morcel dodende w e r k i n g van macrofagen. I n een aantal studies is o v e r t u i g e n d a a n g e t o o n d dat het therapeutisch resultaat v a n m o n o c l o n a l e a n t i s t o f therapie versterkt k a n w o r d e n d o o r k o p p e l i n g v a n de m o n o c l o n a l e a n t i s t o f aan r i c i n e o f aan radioactieve i s o t o p e n . 2.2
Cyto/cinen
C y t o k i n e n z i j n o o k zonder a n t i s t o f f e n i n d i e r m o d e l l e n w e r k z a a m tegen verschillende t y pen t u m o r e n . V o o r a l r e c o m b i n a n t I L - 2 (rIL-2) en IL-12 (rIL-12) z i j n i n d h o p z i c h t actief tegen vele experimentele t u m o r e n b i j m u i z e n . I n het algemeen h e e f t r I L - 2 a l d a n niet gec o m b i n e e r d passieve o v e r d r a c h t v a n geactiveerde l y m f o c y t e n b i j n i e t - i m m u n o g e n e m u i z e - t u m o r e n slechts een zeer b e p e r k t i m m u n o t h e r a p e u t i s c h e f f e c t . A h e e n m i c r o m e tastasen o f zeer k l e i n e t u m o r e n k u n n e n (veelal slechts t i j d e l i j k ) t o t v e r d w i j n e n w o r d e n
66
gebracht. Geheel anders ligt de situatie b i j i m m u n o g e n e t u m o r e n , d . w . z . t u m o r e n die een specifielce T cel respons k u n n e n o p w e k k e n , m i t s de gastheer v o l d o e n d e i m m u n o l o gisch g e s t i m u l e e r d w o r d t . Deze i m m u n o g e n e t u m o r e n v e r d w i j n e n v a a k geheel na r I L - 2 therapie o o k als reeds sprake is v a n grote u i t z a a i i n g e n . E e n v a r i a n t v a n c y t o k i n e therapie is i m m u n i s a t i e met t u m o r c e l l e n w a a r i n c y t o k i n e genen d o o r t r a n s f e c t i e o f r e c o m b i n a n t v i r u s - i n f e c t i e z i j n i n g e b r a c h t (somatische gen ther a p i e ) . V o o r a l i m m u n i s a t i e met ' g r a n u l o c y t e - m o n o c y t e c o l o n y s t i m u l a t i n g f a c t o r ' ( G M - C S F ) p r o d u c e r e n d e t u m o r c e l l e n z o u de i m m u u n respons tegen z w a k i m m u n o g e n e t u m o r e n sterk verbeteren. 2.3
Combinatie
van IL-2
en specifietc
cytotoxisciie
T
cellen
I n p r o e f d i e r e n is de c o m b i n a t i e v a n C D 8 ' ' ' c y t o t o x i s c h e T cellen en r I L - 2 b i j z o n d e r eff e c t i e f gebleken. M e t n a m e zeer grote v i r u s - g e ï n d u c e e r d e t u m o r e n k u n n e n d o o r deze therapie restloos en p e r m a n e n t t o t v e r d w i j n e n w o r d e n gebracht zoals a a n g e t o o n d i n ons laboratorium. C D 8 ^ c y t o t o x i s c h e T l y m f o c y t e n h e r k e n n e n kleine v i r a l e p e p t i d e n v a n ongeveer 8-10 a m i n o z u r e n die gepresenteerd w o r d e n i n associatie met klasse I H L A m o l e c u l e n o p het o p p e r v l a k v a n t u m o r c e U e n . Deze p e p t i d e n k u n n e n a f k o m s t i g z i j n u i t alle c o m p a r t i m e n t e n v a n een t u m o r c e l , dus o o k v a n b . v . een e i w h u h de celkern. D i t b i e d t de theoretische m o g e l i j k h e i d o m de therapie te r i c h t e n o p i n t r a c e l l u l a i r e e i w i t t e n , zoals nucleaire o n c o gen p r o d u k t e n . Vaccins gebaseerd o p i d e n t i f i c a t i e v a n d e r g e l i j k e p e p t i d e n z i j n i n p r o e f dieren reeds m e t succes toegepast. 3. Immunotherapie
van kanker
bij de
mens
Sinds 1985 h e b b e n bovenbeschreven principes geleid t o t b e l a n g r i j k e , m a a r n o g steeds grotendeels experimentele o n t w i k k e l i n g e n o p het gebied v a n de i m m u n o t h e r a p i e v a n k a n k e r b i j de mens. Deze b e t r e f f e n v o o r a l behandehng m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n en r e c o m b i n a n t l y m f o k i n e n , w a a r v a n I L - 2 en de i n t e r f e r o n e n n u de b e l a n g r i j k s t e z i j n . D o o r de r u i m e b e s c h i k b a a r h e i d
v a n r e c o m b i n a n t c y t o k i n e n en de v e r b e t e r i n g v a n
k w e e k t e c h n i e k e n b e h o o r t n u o o k adoptieve cellulaire i m m u n o t h e r a p i e t o t de p r a k t i s c h e m o g e l i j k h e d e n . H i e r b i j w e r d e n a a n v a n k e l i j k l y m f o c y t e n d o o r celseparatie u i t het b l o e d v a n p a t i ë n t e n g e z u i v e r d , i n het l a b o r a t o r i u m (ex v i v o ) m e t r I L - 2 gekweekt en i n geactiveerde c y t o l y t i s c h e staat weer aan de p a t i ë n t toegediend. Deze geactiveerde
cellen
bestonden v o o r n a m e l i j k u h geactiveerde ( n a t u r a l k i h e r ) cellen en geactiveerde T cellen. O m d a t z i c h o n d e r de geactiveerde T cellen o n v o l d o e n d e H L A gerestricteerde
daadwer-
k e l i j k t u m o r - s p e c i f i e k e T cellen b e v o n d e n z i j n deze t h e r a p i e ë n wegens o n v o l d o e n d e eff e c t i v i t e h en zeer hoge kosten gestaakt. T h a n s is de aandacht gericht o p het k w e k e n v a n g r o t e aantallen c y t o t o x i s c h e T cellen tegen gedefinieerde t u m o r a n t i g e n e n . D e v e r w a c h t i n g is g e w e t t i g d dat adoptieve cellulaire therapie m e t zuivere populaties v a n bewezen t u m o r s p e c i f i e k e T cellen een k r a c h t i g e a n t i - t u m o r w e r k i n g k a n h e b b e n . Z o als reeds v e r m e l d z i j n de eerste resultaten b i j p a t i ë n t e n m e t E B V geassocieerde l y m f o m e n na allogene b e e n m e r g t r a n s p l a n t a t i e b e m o e d i g e n d . I n deze gevallen is i n f u s i e v a n d o n o r l y m f o c y t e n een r n a a n d l a n g gestimuleerd i n v i t r o d o o r autologe E B V g e t r a n s f o r m e e r d e B cellen v a n dezelfde d o n o r , v o l d o e n d e o m de v a n u i t d o n o r b e e n m e r g o n t s t a n e E B V g e ï n d u c e e r d e B cel l y m f o m e n als sneeuw v o o r de z o n te d o e n v e r d w i j n e n . M e n m o e t z i c h evenwel reahseren dat deze l y m f o m e n i n een i m m u n o l o g i s c h v a c u ü m k o r t n a t r a n s p l a n tatie z i j n o n t s t a a n b i j p a t i ë n t e n w i e r i m m u u n s y s t e e m k r a c h t i g o n d e r d r u k t is o m het t r a n s p l a n t a a t te d o e n aanslaan. Deze t u m o r e n hebben d a n o o k een veel g r o t e r scala v a n
67
E B V g e ï n d u c e e r d e antigenen d a n n a t u u r l i j k e m e t E B V i n f e c t i e sameniiangende t u m o r e n zoals het B u r k i t t l y m f o o m o f het nasopharyngeaal c a r c i n o o m . Geen w o n d e r dat i n f u s i e v a n i n v i t r o v e r r i j k t e v i r u s - s p e c i f i e k e T cehen v a n de i m m u n o c o m p e t e n t e d o n o r deze t u m o r e n snel o p r u i m t . D e d o n o r h e e f t i m m e r s zelf o o k een e f f e c t i e v e ' s u r v e i l l a n c e ' tegen de o n t w i k k e l i n g v a n d e r g e l i j k e t u m o r e n . H e t staat dus n o g te bezien o f even e f f e c t i e v e T cellen k u n n e n w o r d e n g e ï d e n t i f i c e e r d b i j p a t i ë n t e n w i e r t u m o r niet i n een toestand v a n i m m u n o d e f i c i ë n t i e is o n t s t a a n . N i e t t e m i n is het resuhaat b e m o e d i g e n d o m d a t het p r i n c i pe w e r k t en o m d a t o o k b i j andere p a t i ë n t e n t u m o r s p e c i f i e k e T cellen g e v o n d e n z i j n o f g e ï n d u c e e r d k u n n e n w o r d e n . D e r g e l i j k e T cellen m o e t e n onder zogenaamde G M P regels ( G o o d M a n u f a c t u r i n g Practice) groeien en het k w e k e n v a n de T cellen onder de j u i s t e o m s t a n d i g h e d e n is d u u r . V o o r l o p i g b l i j f t d i t een experimentele b e h a n d e l i n g i n gespecialiseerde centra. H e t beleid v a n de o v e r h e i d , de academische ziekenhuizen en de gespeciahseerde k a n k e r c e n t r a i n A m s t e r d a m en R o t t e r d a m m o e t erop gericht z i j n o p k o r t e t e r m i j n i n een b e p e r k t a a n t a l geavanceerde behandelcentra G M P condities v o o r k l i n i s c h experimentele b e h a n d e l i n g v a n k a n k e r met g e d o n e e r d e T-cellen te reahseren. 3.1 Monoclonale
antistoffen
Z o a l s o o k i n de p r o e f d i e r m o d e l l e n z i j n m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n v o o r a l toegepast als therapie b i j h e m o p o ï e t i s c h e m a l i g n i t e i t e n . Recent z i j n interessante resuhaten
geboekt.
Deze gelden b e h a n d e l i n g v a n n o n - H o d g k i n l y m f o o m ( N H L ) v a n B cel o r i g i n e m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n tegen zogenaamde i d i o t y p i s c h e antigenen v a n het m e m b r a a n i m m u n o g l o b u h n e o p de B l y m f o o m cellen. I d i o t y p i s c h e antigenen z i j n antigenen die u n i e k z i j n v o o r het c l o n a a l t o t expressie k o m e n d e m e m b r a a n i m m u n o g l o b u l i n e v a n de m a l i g n e B cellen v a n een bepaalde p a t i ë n t . H e t is m o g e l i j k gebleken een verzameUng v a n ongeveer 50 m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n te c r e ë r e n w a a r v a n t e n m i n s t e é é n o f meer a n t i s t o f f e n reageren met m a h g n e B cellen v a n een bepaalde p a t i ë n t . B i j b e h a n d e h n g m e t deze m o n o clonale a n t i s t o f f e n b i j p a t i ë n t e n m e t B t y p e N H L w e r d een c o m p l e t e remissie g e ï n d u ceerd b i j een laag percentage v a n de p a t i ë n t e n en een p a r t i ë l e remissie b i j ongeveer 2 0 % v a n de p a t i ë n t e n . T h e o r e t i s c h hebben m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n twee nadelen. T e n eerste w o r d t s o o r t v r e e m d e i w i t i n g e b r a c h t waartegen a n t i s t o f f e n g e v o r m d w o r d e n , w a a r d o o r t h e r a p i e resistentie k a n o n t s t a a n . T e n tweede is de i n t e r a c t i e v a n m u i z e - a n t i s t o f f e n m e t m e n s e l i j k e e f f e c t o r cellen en m e n s e l i j k c o m p l e m e n t niet o p t i m a a l . Beide p r o b l e m e n k u n n e n w o r d e n o n d e r v a n g e n d o o r de variabele delen v a n de m u i z e i m m u u n g l o b u l i n e n v i a genetische m a n i p u l a t i e te k o p p e l e n aan constante delen v a n h u m a n e i m m u u n g l o b u l i n e n ( ' h u m a n i s e r i n g ' ) . D e kans o p therapie resistentie is d a a r d o o r sterk v e r m i n d e r d en de i n t e r a c t i e v a n het constante h u m a n e i m m u u n g l o b u U n e f r a g m e n t , het zogenaamde Fc deel, met Fc receptoren o p h u m a n e e f f e c t o r cellen en h u m a a n c o m p l e m e n t is sterk v e r b e t e r d . N o g betere resultaten k u n n e n v e r m o e d e l i j k w o r d e n b e r e i k t m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n tegen de B a n t i - c e l d i f f e r e n t i a t i e a n t i g e n e n C D 19 en C D 2 0 . D a a r b i j k a n de t u m o r d o dende w e r k i n g d o o r ' h u m a n i s e r i n g ' v a n de m u i z e - m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n v e r m o e d e l i j k n o g verder versterkt w o r d e n d o o r c o m b i n a t i e met subtoxische doses v a n c y t o k i n e n zoals I L - 2 , die de a n t i s t o f g e ï n d u c e e r d e c y t o t o x i t e i t v a n e f f e c t o r c e l l e n als N K cellen en m a c r o f a g e n versterken. D i t e f f e c t w e r d d o o r ons met n a m e gezien m e t a n t i - C D 2 0 a n t i s t o f f e n i n een naakte-muis m o d e l m e t een getransplanteerd h u m a a n B cel l y m f o o m . M e t het genetisch sleutelwerk is het p r o b l e e m v a n therapie resistentie echter n i e t geheel opgelost, o m d a t o o k a n t i s t o f f e n tegen het variabele deel v a n de i n g e b r a c h t e i m m u n o g l o b u h n e n k u n n e n w o r d e n g e v o r m d . H i e r is w e i n i g k r u i d tegen gewassen. M e n z a l m o e t e n
68
m i k k e n o p b e l i a n d e l i n g v a n k o r t e d u u r m e t lioge doses m o n o c l o n a l e a n t i s t o f . M o c h t zich d a n t o c h resistentie v o o r d o e n , d a n zal m e n m o e t e n overschakelen o p andere ant i s t o f f e n g e r i c h t tegen dezelfde m e m b r a a n s t r u c t u u r . E e n v o l g e n d reeds b i j de p r o e f d i e r m o d e l l e n gesignaleerd p r o b l e e m is dat er v a n een t u m o r c e l v a a k v a r i a n t e n v o o r k o m e n w a a r b i j de m e m b r a a n s t r u c t u u r waartegen de m o n o c l o n a l e a n t i s t o f gericht is, is afgeschakeld o f g e m u t e e r d . D a a r d o o r slaagt de behandeh n g slechts ten dele en z u l l e n de v a r i a n t e n v a n de t u m o r c e l die de dans o n t s p r i n g e n , u i t g r o e i e n . O m d i t p r o b l e e m te o n d e r v a n g e n z o u m e n therapie m e t een c o c k t a i l v a n m o n o clonale a n t i s t o f f e n tegen verschillende t u m o r - a n t i g e n e n k u n n e n o v e r w e g e n . V o o r i n v i t r o v e r w i j d e r e n v a n t u m o r c e l l e n u i t m e n s e l i j k beenmerg z i j n d e r g e l i j k e c o c k t a i l s a l succesvol gebleken. T e n s l o t t e z i j v e r m e l d dat i m m u n o t h e r a p i e m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n de beste kans o p genezing b i e d t b i j een zo g e r i n g m o g e l i j k a a n t a l t u m o r c e l l e n i n de p a t i ë n t . D i t betekent dat m o n o c l o n a l e a n t i s t o f t h e r a p i e ( o f andere v o r m e n v a n i m m u n o t h e r a p i e ) v a n k a n k e r het best k u n n e n w o r d e n ingezet als a d j u v a n s therapie na ' d e b u l k i n g ' m e t c h i r u r gie, r a d i o t h e r a p i e o f c h e m o t h e r a p i e . I n een recent o n d e r z o e k kregen p a t i ë n t e n met c o l o rectaal c a r c i n o o m direct n a chirurgische v e r w i j d e r i n g v a n h u n t u m o r e n m o n o c l o n a l e ant i s t o f f e n t o e g e d i e n d tegen een adhesiemolecuul o p c o l o n e p i t h e e l cellen. D e m e t m o n o clonale a n t i s t o f f e n behandelde p a t i ë n t e n h a d d e n een 3 0 % betere 5 j a a r s o v e r l e v i n g , w a a r s c h i j n l i j k o m d a t n o g o n z i c h t b a r e micrometastasen i n een a a n t a l gevallen e f f e c t i e f w a r e n o p g e r u i m d direct na operatie. 3.2
Interferon
H o e w e l m e n de i n t e r f e r o n e n a a n v a n k e l i j k bestudeerde o m h u n a n t i - v i r a l e eigenschapp e n , is i n m i d d e l s d u i d e l i j k g e w o r d e n dat ze o o k b i j een aantal k w a a d a a r d i g e a a n d o e n i n gen w e r k z a a m z i j n . R e c o m b i n a n t a - i n t e r f e r o n e n z i j n n u het meest o p t h e r a p e u t i s c h eff e c t o n d e r z o c h t . S o m m i g e t u m o r e n , zoals ' h a i r y c e l l ' l e u k e m i e , c h r o n i s c h m y e l o ï d e leuk e m i e en c a r c i n o i d , k u n n e n m e t deze s t o f f e n b i j vele p a t i ë n t e n w o r d e n t e r u g g e d r o n g e n . B i j de meest g a n g b a r e (solide) t u m o r e n is het resultaat v a n deze b e h a n d e l i n g echter nagenoeg n i h i l . D e redenen v o o r deze verschillen i n succes b l i j v e n v o o r l o p i g o n d u i d e l i j k . 3.3 Interleul(ine-2
(rIL-2)
betiandeling
I n t e r l e u k i n e - 2 ( r I L - 2 ) is thans een geregistreerd geneesmiddel v o o r de b e h a n d e l i n g v a n n i e r c a r c i n o o m . O o k b i j m e l a n o o m is het m i d d e l w e r k z a a m . Helaas w o r d e n c o m p l e t e remissies laat staan genezingen, slechts b e r e i k t b i j een laag percentage v a n de p a t i ë n t e n en de t o x i c i t e i t is h o o g b i j w e r k z a m e doses, T o t o p heden is niet te v o o r s p e l l e n w e l k e p a t i ë n t e n baat z u l l e n h e b b e n b i j r I L - 2 b e h a n d e l i n g . Veel p a t i ë n t e n w o r d e n d a a r d o o r b l o o t gesteld aan een toxische b e h a n d e l i n g w a a r ze geen baat b i j h e b b e n . H e t is a a n n e m e l i j k dat het a n t i - t u m o r e f f e c t v a n r I L - 2 b i j de mens berust o p enerzijds het d o o r r I L - 2 g e ï n d u c e e r d e v r i j k o m e n v a n andere c y t o t o x i s c h e s t o f f e n zoals I F N - a en T N F , a n d e r z i j d s o p i n v i v o i n d u c t i e v a n geactiveerde t u m o r - specifieke T cellen die h u n d o d e n d e f f e c t d a n k e n aan de h e r k e n n i n g v a n t u m o r geassocieerde a n t i g e n e n . D i t z o u d a n de v e r k l a r i n g v o r m e n w a a r o m r I L - 2 therapie v o o r a l e f f e c t i e f is b i j n i e r k a n k e r en m e l a n o o m ; deze t u m o r t y p e n brengen w a a r s c h i j n l i j k b i j een deel v a n de p a t i ë n t e n a n t i genen t o t expressie die een t u m o r - specifieke T cel respons o p w e k k e n i n de gastheer.
69
3.4 Adoptieve
immunotherapie
en
'targeting'
Specifieke ' l i o m i n g ' v a n c y t o t o x i s c i i e T cellen b i j k a n k e r k a n op twee m a n i e r e n w o r d e n b e r e i k t . B i j de eerste m e t h o d e r i c h t m e n z i c h o p de p r o U f e r a d e en acdvatie v a n t u m o r specifieke l y m f o c y t e n . Deze l y m f o c y t e n w o r d e n verkregen d o o r p r i m a i r o f metastatisch t u m o r weefsel i n k w e e k te brengen m e t r I L - 2 , w a a r b i j m e n i n een a a n t a l w e k e n g r o t e aantallen ( l O ' ^ - l O " ) t u m o r i n f i l t r e r e n d e l y m f o c y t e n ( T I L ) doet u i t g r o e i e n . O o k u i t per i f e e r b l o e d k u n n e n t u m o r specifieke c y t o t o x i s c h e T l y m f o c y t e n w o r d e n o p g e k w e e k t . I n d e r d a a d b l i j k e n C D 8 + c y t o t o x i s c h e l y m f o c y t e n ( C T L ) i n T I L populaties o f u h p e r i feer b l o e d , g e r e s t i m u l e e r d i n v i t r o met autologe m e l a n o o m cellen, i n veel gevallen gericht te z i j n tegen melanoomgeassocieerde
antigenen. T a b e l 1 geeft een o v e r z i c h t v a n recent
g e ï d e n t i f i c e e r d e melanoomgeassocieerde
antigenen h e r k e n d d o o r n a t u u r U j k b i j s o m m i g e
patiënten voorkomende C T L . I m m u n o h i s t o c h e m i s c h o n d e r z o e k b i j de m u i s h e e f t laten zien dat t u m o r specifieke C T L selectief naar de t u m o r lokahsaties g a a n ( ' h o m i n g ' ) . I n een t o t dusver b e p e r k t o n derzoek b i j m e l a n o o m p a t i ë n t e n w o r d t de selectieve ' h o m i n g ' bevestigd v a n m e l a n o o m specifieke C T L . N a d e l e n v a n T I L z i j n dat de p a t i ë n t l a n g o p z i j n therapie m o e t w a c h t e n (6 w e k e n T I L k w e e k ) en dat de techniek zeer c o m p l e x en k o s t b a a r is. verder z i j n er aanw i j z i n g e n dat T I L w e l i s w a a r t u m o r specifiek k a n z i j n b i j het m e l a n o o m en m o g e l i j k b i j n i e r k a n k e r , m a a r niet b i j andere sohde t u m o r e n . U h de zeer beperkte k l i n i s c h e onderzoeken met T I L k o m t alleen m e l a n o o m naar v o r e n als een t u m o r die respondeert, z i j het b i j n a steeds p a r t i e e l . E e n tweede m a n i e r o m het ' h o m i n g ' p r o b l e e m o p te lossen bestaat e r u i t dat m e n een geactiveerde m a a r o p zichzelf niet t u m o r specifieke T cel en een k a n k e r c e l b i j elkaar brengt d o o r g e b r u i k te m a k e n v a n bispecifieke a n t i s t o f f e n . B i s p e c i f i e k e a n t i s t o f f e n k u n nen w o r d e n v e r v a a r d i g d d o o r chemische k o p p e l i n g v a n de Fc f r a g m e n t e n v a n 2 i m m u n o g l o b u l i n e s , o f d o o r somatische h y b r i d i s a t i e v a n 2 h y b r i d o m a s . D e laatste techniek b i e d t de m o g e l i j k h e i d o m alleen m e t F ( a b ) f r a g m e n t e n te w e r k e n . I n v i t r o en i n de n a a k te m u i s b l i j k t deze techniek w e r k z a a m . H e t ene F ( a b ) f r a g m e n t is specifiek v o o r een activatie a n t i g e n o p de T cel, bv C D 2 o f C D 3 , het andere F ( a b ) f r a g m e n t v o o r een t u m o r geassocieerd a n t i g e n . O p deze w i j z e w o r d t de T cel niet alleen op z i j n d o e l g e r i c h t , m a a r o o k t o t cytolyse geactiveerd. B o v e n d i e n p r o d u c e r e n en i n d u c e r e n deze geactiveerde T l y m f o c y t e n ter plaatse v a n de t u m o r verschillende andere cytokines die t o t een a n t i t u m o r respons k u n n e n b i j d r a g e n . H e t khnische o n d e r z o e k m e t deze m e t h o d e is pas begonnen. 3.5
Vaccinatie
tegen
Ican/cer
D e i d e n t i f i c a t i e v a n H L A b i n d e n d e p e p t i d e n o p k a n k e r v a n v i r a l e en n i e t - v i r a l e o o r s p r o n g en de o p h e l d e r i n g v a n de eiwhsequentie w a a r v a n deze p e p t i d e n a f k o m s t i g z i j n , m a k e n het thans m o g e l i j k o m a n t i - k a n k e r vaccins te o n t w i k k e l e n . Deze vaccins hebben ten d o e l een t e k o r t schietende i m m u n i t e i t b i j de k a n k e r p a t i ë n t tegen z i j n / h a a r k a n k e r cellen te s t i m u l e r e n , eventueel g e v o l g d d o o r i n v i t r o expansie en r e ï n f u s i e v a n t u m o r s p e c i f i e k e T cehen als o n d e r 3.4 beschreven. D e e s s e n t i ë l e H L A - b i n d e n d e d o e l w i t p e p t i d e n v a n C T L ' s dienen i n d e r g e l i j k e vaccins v e r t e g e n w o o r d i g d te z i j n . D e r g e l i j k e vaccins z i j n thans i n o n t w i k k e l i n g v o o r E B V - en H P V - g e ï n d u c e e r d e m a l i g n i t e i t e n en v o o r het m e l a n o o m . De p e p t i d e n k u n n e n o p verschillende m a n i e r e n aan het i m m u u n s y s t e e m w o r d e n aangeboden ( T a b e l 2 ) .
70
Tabel
1
M e l a n o o m geassocieerde andgenen herkend door cytotoxische T lymfocyten
I
Tumorspecifielce antigenen
Expressie o p m e l a n o o m
Expressie o p andere
cellen
weefsels
MAGE- 1
+ +
Testis
MAGE- 3 11 D i f f e r e n t i a t i e antigenen gp 100 tyrosinase
Testis
+ + +
Melanocyt Melanocyt Melanocyt
Mart-l/Melan A
Tabel
2
K a n k e r v a c c i n soorten die thans i n ontwikkeling zijn
W i j z e v a n presentatie v a n i m m u n o g e n e
Opmerkingen*
immunogene H L A - b i n d e n d e peptiden afkomstig van
tumorgeassocieerde
antigenen. - peptide i n adjuvans
- soms niet e f f e c t i e f wegens i n d u c t i e v a n immunologische tolerantie
- eiwit
- C T L ' s alleen g e ï n d u c e e r d wanneer e i w i t i n o n o p l o s b a r e v o r m (deeltjesgebonden) w o r d t toegediend.
- v i r a l e v e c t o r e n (levende vaccins)
- g e v a a r l i j k b i j i n b o u w v a n v i r a l e o f cell u l a i r e oncogenen als d o e l w i t m o l e c u l e n .
- kaal D N A coderend voor t u m o r geassocieerd
- veelbelovend, m a a r n o g w e i n i g gegevens
antigeen
*) Meeste gegevens bekend uit waarnemingen b i j proefdieren, inclusief HLA-transgene dieren. Klinische trials sinds kort gestart, maar nog niet gepubliceerd.
H e t gegeven dat C T L tegen categorie I I antigenen ( T a b e l I I ) i n wezen g e r i c h t z i j n tegen d i f f e r e n t i a t i e a n t i g e n e n , die behalve o p m e l a n o o m cellen o o k o p m e l a n o c y t e n v o o r k o m e n , k a n de k h n i s c h e observatie v e r k l a r e n d a t een g u n s t i g k l i n i s c h b e l o o p b i j m e l a n o o m p a t i ë n t e n soms g e p a a r d gaat m e t d e p i g m e n t a t i e o f v i t i l i g o . E e n d i r e c t v e r b a n d tussen dep i g m e n t a t i e en C T L tegen m e l a n o c y t d i f f e r e n t i a t i e a n t i g e n e n is echter n o g niet gelegd.
71
4.
Conclusie
D i t o v e r z i c l i t b e p e r k t z i c h t o t de theoretische u i t g a n g s p u n t e n v a n en de n i e u w e m o g e l i j k heden i n de i m m u n o t h e r a p i e sinds 1985. T h e r a p i e m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n eventueel i n c o m b i n a t i e met c y t o k i n e n b e h o e f t verdere e x p l o r a t i e . D e b e h a n d e h n g v a n pat i ë n t e n m e t u i t g e z a a i d n i e r c a r c i n o o m o f m e l a n o o m m e t r l L - 2 met o f z o n d e r ex v i v o geactiveerde a u t o l o g e l y m f o c y t e n k a n leiden t o t c o m p l e t e o f p a r t i ë l e t u m o r regressies v a n beperkte d u u r . E r z i j n verdere verbeteringen v a n de therapie n o d i g , m e d e d o o r de u i t g e s p r o k e n b i j w e r k i n g e n v a n de h u i d i g e b e h a n d e l i n g s w i j z e n met hoge doses i n t r a v e neuze r I L - 2 . I n f u s i e v a n t u m o r - s p e c i f i e k e T cellen opent de m o g e l i j k h e i d v a n lage doses r I L - 2 , zodat de e f f e c t i v i t e i t verbetert en de t o x i c i t e i t a f n e e m t zoals i n d i e r m o d e l l e n reeds is a a n g e t o o n d . H e t i d e n d f i c e r e n en d o n e r e n v a n verschillende s u b p o p u l a t i e s v a n i m m u u n c e l l e n l i j k t d a a r b i j een b e l a n g r i j k e m o g e l i j k h e i d t o t v o o r u i t g a n g . D e m o l e c u l a i r e i d e n t i f i c a t i e v a n d o o r c y t o t o x i s c h e T l y m f o c y t e n herkende a n t i g e n o p t u m o r e n v a n v i r a l e en n i e t - v i r a l e o o r s p r o n g betekent een d o o r b r a a k i n het o n d e r z o e k en opent de m o g e l i j k h e i d t o t de o n t w i k k e l i n g v a n specifieke vaccins v o o r verschillende t u m o r s o o r t e n . Z u l k e vaccins z i j n thans i n o n t w i k k e l i n g v o o r b e h a n d e l i n g / p r e v e n t i e v a n m a U g n i t e i t e n g e ï n d u c e e r d d o o r de virussen E B V en H P V en v a n het m a l i g n e m e l a n o o m . I n het algemeen zal vaccinade o f b e h a n d e l i n g m e t m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n k u n n e n v o l s t a a n als a d j u v a n s therapie b i j micrometastasen n a v e r w i j d e r i n g v a n g r o t e t u m o r massa's met c o n v e n t i o n e l e therapie. B i j grote t u m o r m a s s a ' s z u l l e n d e r g e l i j k e t h e r a p i e ë n zelden a f d o e n d e z i j n en m o e t gestreefd w o r d e n naar therapie m e t b u h e n het l i c h a a m t o t g r o t e a a n t a l l e n o n d e r G M P condhies opgekweekte t u m o r s p e c i f i e k e T cellen. I n N e d e r l a n d is, m e t n a m e d o o r b e l a n g r i j k e subsidies v a n de Nederlandse K a n k e r b e s t r i j d i n g ( K o n i n g i n W i l h e l m i n a F o n d s ) een goede k e n n i s - i n f r a s t r u c t u u r o p
bovengenoemde
t e r r e i n e n aanwezig. Helaas bestaat geen goede i n f r a s t r u c t u u r v o o r de vertaalslag v a n deze kennis naar de k l i n i e k . V o o r p r o d u k t i e v a n k a n k e r i m m u n o t h e r a p e u t i c a ( p e p t i d e n , v i r a l e v e c t o r e n , m o n o c l o n a l e a n t i s t o f f e n , genetisch g e m o d i f i c e e r d e t u m o r c e l l e n , synthetisch D N A T cel l i j n e n ) onder zogenaamde G M P condities bestaan n a u w e l i j k s o f geen v o o r z i e n i n g e n . Deze v o o r z i e n i n g e n m o e t e n er k o m e n w i l de p a t i ë n t o p t i m a a l p r o f i t e r e n v a n alle v e r k r e g e n k e n n i s . K l i n i s c h e p r o e f b e h a n d e h n g e n m o e t e n onder de vereiste c o n d i ties k u n n e n w o r d e n u h g e v o e r d . D e r g e l i j k e v o o r z i e n i n g e n k u n n e n het best r e g i o n a a l t o t s t a n d k o m e n . Tevens dient a a n s l u i t i n g te w o r d e n g e v o n d e n b i j b i o t e c h n o l o g i s c h g e o r i ë n teerde f a r m a c e u t i s c h e b e d r i j v e n . Helaas is er o p d i t m o m e n t i n N e d e r l a n d geen f a r m a ceutisch b e d r i j f d a t z i c h i n deze r i c h t i n g p r o f i l e e r t , zodat s a m e n w e r k i n g m e t b u i t e n l a n d se b e d r i j v e n geboden is z o l a n g de Nederlandse i n d u s t r i e z i c h niet h e r o r i ë n t e e r t onder d r u k v a n de e n o r m e k a n k e r p r o b l e m a t i e k en de t o e g e n o m e n kansen o p succes en z o l a n g i n N e d e r l a n d geen nieuwe b e d r i j v e n o p d i t t e r r e i n w o r d e n o p g e r i c h t .
Referenties 1.
B o o n T . , J . C . C e r o t t i n i , B . v a n den E i j n d e , P . v a n der B r u g g e n , A . v a n P e l . mor
2.
antigens
recognized
by T lymphocytes,
Tu-
A n n . R e v . I m m u n o l . 12: 337-65 (1994)
G r o s s b a r d M . L . , O . W . Press, F . R . A p p e l b a u m , I . D . B e r n s t e i n , L . M . N a d l e r . Monoclonal
antibody-based
therapies
of leukemia
and lymphoma.
B l o o d 80: 863-78
(1992). 3.
H o o i j b e r g E . , J.J. Sein, P . C . M . v a n d e n B e r k , A . A . M . H a r t , M . A . v a n der V a l k , W . M . K a s t , C . J . M . M e h e f , A . H e k m a n . Eradication
of large human
B cell
tumors
72
in nude
mice
with
unconjugated
CD20
monoclonal
antibodies
and interleulcin
2./
Cancer Res. 55: 2627-34 (1995) 4.
Kast W . M . , R. O f f r i n g a , P . J . Peters, A . C . V o o r d o u w , R . H . M e l o e n , A . J . v a n der E b , C . J . M . M e l i e f . Eradication specific
5.
cytotoxic
T lymptiocytes.
El
induced
tumors
M a l o n e y D . G . , T . M . Liles, D . K . Czerwinski, C. W a l d i c h u k , A . G r i l l o - L o p e z , R . L e v y . Phase of chimeric rent
6.
of adenovirus
B-cell
anti-CD20 lytnphoma.
M e l i e f C . J . M . Tumor
by
ElA-
Cell 59, 603-614, 1989. I clinical
monoclonal
trial using escalating
antibody
(IDEC-C2B8)
J.
single
Rosenberg,
dose
in patients
infusion
with
recur-
B l o o d 84; 2457-66 (1994) eradication
by adoptive
transfer
of cytotoxic
T
lymphocytes.
A d v . C a n c e r Res. 58: 143-75 (1995) 7.
Ressing M . E . , A . Sette, R . B r a n d t , J. R u p p e r t , P . A . W e n t w o r t h , M . H a r t m a n , C . O s e r o f f , H . M . G r e y , C . J . M . M e l i e f , W . M . K a s t , Human ded by human vitro
papiUomavirus
itnmunogenicity
type
studies
16E6 and E7 identified
of HLA-A*0201
CTL
epitopes
enco-
in vivo
and in
through
bindingpetpides.
J. I m m u n o l .
154;
5934-(1995) 8.
R i e t h m ü U e r G . , E . Schneider-Gadicke,
G . S c h l i m o k , W . Schmiegel, R . R a a b ,
K . H ö f k e n , R . G r u b e r , H . P i c h l m a i e r , H . H i r c h e , R. P i c h l m a y r , P . B u g g i s c h , J. W i t t e , a n d the G e r m a n Cancer A i d 1 7 - l A study g r o u p . Randomised noclonal
antibody
for adjuvant
therapy
of resected
Dulces'
trial of
C colorectal
mo-
carcinoma.
L a n c e t 343; 1177-83 (1994) 9.
R o b b i n P F , M . E L G a m h , Y . K a w a k a m i , S . A . Rosenberg, Recognition
of
se by tumor-infiltrating
immunotherapy.
lymphocytes
from
a patient
responding
to
tyrosina-
Cancer Res. 54; 3124-(1994) 10.
Rosenberg
S.A.,
B.S. Packard,
P . M . Abersold, D , Soloman,
S.L. Topelian,
S.T. T o y , P . S i m a n , M . T . L o t z e , J . C . Y a n g , C . A . Seipp, C . S i m p s o n , C . C a r t e r , S. B o c k , D . S c h w a r t z e n t r u b e r , lymphocytes melanoma: 11.
and interleukln-2 a preliminaiy
J.P. W e i , D . E . W h i t e , Use of tumor in tite immunotherapy
report.
of patients
infihrating
with
metastatic
N e w E n g . J . M e d . 319; 1676-(1988)
Visseren M . J . , A . v a n Elsas, E . I . H . v a n der V o o r t , M . E . Ressing, W . M . K a s t , P . I . Schrier, C . J . M . M e l i e f , Cytotoxic autoantigen
can be induced
from
T lymphocytes
healthy
donor
blood
specific to lyse
for
the
melanoma
tyrosinase cells.
J . I m m u n o l . 154: 3991-(1995) 12.
W a l d m a n n T . A . , Monoclonal 1657-62 (1991)
antibodies
in diagnosis
and
therapy.
Science 252:
ONTSTAAN, LEVEN EN D O O D V A N STERREN door H.J.G.L.M. Lamers
Inleiding Sterren leven niet e e u w i g : ze o n t s t a a n , leven een lange t i j d , en sterven. G e d u r e n d e h u n leven k u n n e n ze helderder en z w a k k e r w o r d e n , k r i m p e n en u i t z e t t e n , heter en k o u d e r w o r d e n , materie u i t s t o t e n o f o n t p l o f f e n . Deze e v o l u d e v a n sterren is het g e v o l g v a n nat u u r k u n d i g e processen die z i c h i n de ster afspelen. De e v o l u t i e v a n sterren gaat zeer l a n g z a a m en v o h r e k t z i c h o p t i j d s c h a l e n v a n m i l j o e nen t o t m i l j a r d e n j a r e n . D a t is veel langer d a n een mensenleven: we k u n n e n dus niet a f w a c h t e n en k i j k e n h o e een ster evolueert. T o c h k u n n e n we u h w a a r n e m i n g e n een heleboel te w e t e n k o m e n over de e v o l u d e v a n sterren. W e k u n n e n d h v e r g e l i j k e n m e t het p r o b l e e m v a n h y p o t h e d s c h e r u i m t e w e z e n t j e s die het leven v a n mensen wUIen bestuder e n , m a a r slechts een dag o p aarde k u n n e n v e r b l i j v e n . Z i j zuhen m a n n e n en v r o u w e n zien g r o t e en k l e i n e mensen (volwassenen en k i n d e r e n ) , sterke rechte volwassenen en z w a k k e g r i j s a a r d s . M i s s c h i e n zien ze o p die dag een paar mensen sterven en het zal h u n o p v a l l e n dat het v o o r a l g r i j z e volwassenen z i j n . M i s s c h i e n zien ze o o k een p a a r geboorten en het zal h u n o p v a l l e n dat de nieuwe mensen a h i j d heel k l e i n z i j n . A l s ze t e r u g z i j n o p h u n eigen planeet, k u n n e n ze u i t de veelheid v a n gegevens v a n die ene dag a f l e i d e n dat de mensen k e n n e l i j k k l e i n geboren w o r d e n en o m d a t er o o k veel g r o t e mensen w a r e n , m o e t e n de mensen k e n n e l i j k groeien i n h u n leven. U h de stadstiek v a n a a n t a l l e n grote en kleine mensen k u n n e n ze zelfs a f l e i d e n hoe snel mensen g r o e i e n , en u i t het aant a l g e b o o r t e n en s t e r f g e v a l l e n per mens per dag k u n n e n ze berekenen hoe o u d de mensen gemiddeld worden. Z o w e r k t een a s t r o n o o m o o k . H i j neemt aheriei s o o r t e n sterren w a a r , v a n r o d e en b l a u w e reuzen o f superreuzen t o t w i t t e d w e r g e n en pulsars. H i j m o e t p r o b e r e n die te verk l a r e n als verschillende fasen i n de levensloop v a n sterren v a n verschillende massa's. D a a r b i j h e e f t de a s t r o n o o m een heel b e l a n g r i j k h u l p m i d d e l : h i j k e n t de n a t u u r k u n d i g e processen die i n sterren k u n n e n o p t r e d e n en d a a r u i t k a n h i j d a n o o k v o o r s p e l l i n g e n d o e n over de te v e r w a c h t e n ster-evolutie. D i e v o o r s p e l l i n g e n , gebaseerd o p b e r e k e n i n g e n v a n w a t er i n de ster k a n gebeuren, m o e t h i j v e r g e l i j k e n m e t w a a r n e m i n g e n . A l s z i j n v o o r spellingen k l o p p e n m e t de w a a r n e m i n g e n , is z i j n idee over de ster-evolutie w a a r s c h i j n l i j k c o r r e c t . A l s de w a a r n e m i n g e n niet k l o p p e n met de t h e o r i e d a n m o e t h i j z i j n i d e e ë n over ster-evolutie b i j s t e l l e n . I n het eerste deel bespreek i k een a a n t a l grondslagen v a n de ster-evolude. H e t tweede deel gaat over de berekende en w a a r g e n o m e n e v o l u t i e v a n sterren v a n verschillende mas-
Natuurkundige voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 16 januari 1995.
74
sa's. T e n slotte bespreek i k bet einde v a n de sterren. I k zal i n d i t a r t i k e l het s y m b o o l -ó- g e b r u i k e n v o o r de z o n . D e meeste g r o o t h e d e n v a n sterren, zoals de massa en de s t r a a l , d r u k i k u i t t . o . v . de z o n ; b i j v M = 2M^
v o o r een
ster die t w e e m a a l zo zwaar is als de z o n . A l l e t e m p e r a t u r e n w o r d e n u i t g e d r u k t i n K e i v i n . M e n k a n de t e m p e r a t u u r i n K e i v i n o o k naar graden Celsius o m r e k e n e n d o o r er 273 v a n af te t r e k k e n . fVal kunnen
we van de sterren
meten?
Helderheid, kleur en temperatuur Sterren aan de hemel hebben een g r o o t bereik aan helderheden. Tussen de beldersten, die we met bet b l o t e o o g k u n n e n zien, en de z w a k s t e n , die alleen m e t g r o t e telescopen en gevoelige i n s t r u m e n t e n z i j n te m e t e n , ligt een f a c t o r 1 0 ' ° i n h e l d e r h e i d . W a n n e e r de h e l d e r h e i d v a n sterren w o r d t gemeten d o o r verschUlende f i h e r s die alleen Ucht v a n een bepaalde k l e u r o f g o l f l e n g t e - b a n d d o o r l a t e n , d a n k a n heel secuur de k l e u r v a n de ster w o r d e n b e p a a l d . A l s d i t gebeurt met f i l t e r s over het hele g o l f l e n g t e b e r e i k v a n u l t r a v i o l e t ( U V ) , zichtbaar t o t i n f r a r o o d ( I R ) , d a n k a n de ' e n e r g i e - v e r d e l i n g ' o f het spect r u m v a n de ster w o r d e n b e p a a l d . U h de k l e u r o f het s p e c t r u m k a n de t e m p e r a t u u r v a n de ster w o r d e n a f g e l e i d . D a t is d a n de t e m p e r a t u u r v a n de b u i t e n l a a g v a n de ster die het h c h t u i t z e n d t : d h w o r d t de e f f e c d e v e t e m p e r a t u u r , T^^j, g e n o e m d . Z i e F i g u u r 1. H o e r o d e r de ster, des te koeler; hoe b l a u w e r de ster, des te heter. D e k o u d s t e sterren (rode superreuzen) h e b b e n een o p p e r v l a k t e t e m p e r a t u u r v a n T^^^ = 2500 K , de heetste sterren ( w i t t e dwergen) hebben T^jj = illQ
T^^ = 150.000 K . De z o n is een v r i j koele gele ster m e t
K . ( I n w e r k e l i j k h e i d m o e t e n de k l e u r e n v a n sterren eerst gecorrigeerd w o r -
d e n v o o r de v e r r o d i n g t . g . v . interstehair s t o f v o o r d a t de T^jj- b e p a a l d k a n w o r d e n ) . D e afstanden van sterren De a f s t a n d e n v a n de d i c h t s b i j z i j n d e sterren t o t ongeveer 100 h c h t j a a r =
(llichtjaar(lj)
9.46 X l O ' ^ m . ) k u n n e n w o r d e n gemeten m e t b e h u l p v a n de ' p a r a U a x ' . D o o r de be-
w e g i n g v a n de aarde o m de z o n b e s c h r i j v e n de d i c h t b i j staande sterren j a a r l i j k s aan de h e m e l een heel k l e i n e ellips ten opzichte v a n de a c h t e r g r o n d s t e r r e n . ( F i g . 2) D i t is te verg e l i j k e n m e t de s c h i j n b a r e beweging die u w d u i m m a a k t t e n opzichte v a n de a c h t e r g r o n d als u m e t 'een' o o g naar u w d u i m k i j k t o p a r m l e n g t e a f s t a n d en d a n u w h o o f d een k l e i n beetje naar l i n k s o f rechts beweegt. H o e verder u w d u i m , hoe k l e i n e r de u i t s l a g v a n de s c h i j n b a r e b e w e g i n g . Z o o o k k a n m e n u h de g r o o t t e v a n de ellips v a n d i c h t b i j staande sterren de a f s t a n d m e t e n . D a t is t o t n u toe gedaan v o o r ongeveer 6000 s t e r r e n , m a a r de H i p p a r c h o s - s a t e l l i e t v a n E S A zal d i t a a n t a l b i n n e n k o r t u i t b r e i d e n t o t 100.000! V a n verder w e g staande sterren w o r d t de a f s t a n d i n d i r e c t b e p a a l d , H i e r b i j neemt m e n aan dat twee sterren m e t precies h e t z e l f d e s p e c t r u m o o k evenveel h c h t u i t z e n d e n , d . w . z . dezelfde i n t r i n s i e k e h e l d e r h e i d h e b b e n . A l s de s c h i j n b a a r helderste een gemeten a f s t a n d h e e f t d . m . v . p a r a h a x - b e p a l i n g , d a n k a n u i t de s c h i j n b a r e h e l d e r h e i d s v e r h o u d i n g v a n die twee sterren o o k de a f s t a n d v a n de andere ster w o r d e n a f g e l e i d . I m m e r s , de o p aarde gemeten h e l d e r h e i d is o m g e k e e r d evenredig m e t het k w a d r a a t v a n de a f s t a n d t o t de sterren. D e d i c h t s t b i j s t a a n d e ster ( P r o x i m a C e n t a u r i ) h e e f t een a f s t a n d v a n 4.37 IJ. D e verst v e r w i j d e r d e sterren die m e n a f z o n d e r l i j k k a n zien ( i n het melkwegstelsel M 8 1 ) h e b b e n een a f s t a n d v a n l . S x l O ' / j . D e afmetingen v a n sterren De gemeten h e l d e r h e i d v a n sterren h a n g t a f v a n h u n a f s t a n d , h u n t e m p e r a t u u r T^fp en
75
h u n s t r a a l U i t de n a t u u r k u n d e is bekend hoeveel s t r a h n g een o b j e c t met een o p p e r v l a k t e t e m p e r a t u u r T per seconde en per u i t s t r a a l t . Volgens de wet v a n P l a n c k is d i t F = iraTlfp w a a r b i j F de f l u x is ( i n J/mh) en a = 5.61 xlO^^J/m'^K'^s de B o l t z m a n constante. E e n ster met een straal R en een o p p e r v l a k v a n 4iri^^ zal dus per seconde een totale hoeveelheid h c h t u i t s t r a l e n v a n L = 4irR^V = A-KR^ai:'lfi
(1)
H i e r b i j is L de ' l i c h t k r a c h t ' v a n de ster, dat is de s t r a h n g v a n alle g o l f l e n g t e n samen die de ster per seconde u h z e n d t .
Figuur
1
D e s t r a h n g v a n sterren v a n verschillende t e m p e r a t u r e n . H e t e sterren zoals R i g e l z i j n b l a u w - w i t v a n k l e u r en zenden veel U V s t r a l i n g u i t . K o e l e sterren zoals Betelgeuze z i j n r o o d v a n k l e u r en zenden v o o r a l z i c h t b a a r l i c h t en i n f r a r o d e s t r a l i n g u i t .
76
\
•
/
/
Oistam Stars >
«
Nearoy Star
sun
/
Angle
P o a m o n s oi t a r m . 6 Montns A o a n
Figuur
2
De a f s t a n d s b e p a l i n g v a n sterren d o o r m i d d e l v a n p a r a l l a x m e t i n g . D o o r de b e w e g i n g v a n de aarde o m de z o n zien we d i c h t b i j staande sterren bewegen t . o . v . de verre achtergrondsterren. A l s we hier o p aarde de s t r a l i n g v a n een ster b i j alle g o l f l e n g t e n k u n n e n m e t e n en we k e n n e n de a f s t a n d v a n de ster, d a n k u n n e n we bepalen hoeveel s t r a h n g , L, de ster per seconde u i t z e n d t . A l s we u i t de k l e u r v a n de ster o f de energieverdehng d a n de t e m p e r a t u u r v a n de ster, T^p, kennen d a n v o l g t u i t v e r g e l i j k i n g (1) de straal v a n de ster. De z o n h e e f t een straal v a n als de aarde (0.01 R.^).
= 3x
lO^m.
W i t t e d w e r g e n z i j n ongeveer zo g r o o t
R o d e superreuzen z i j n veel g r o t e r , n . l . 10^ i?.^..
De z o n h e e f t een l i c h t k r a c h t v a n
= 3.83 X iO^^J/s.
D e zwakste sterren h e b b e n
L = 0.05 L ^ . en de helderste ster ( E t a C a r i n a e ) heeft L = 5 x 10*^ L.^,. E r zit dus een f a c t o r 10' i n l i c h t k r a c h t tussen de zwakste en de helderste sterren. De massa v a n sterren E r z i j n twee m a n i e r e n o m de massa v a n sterren te bepalen. A l s sterren deel u i t m a k e n van een 'dubbelster-systreem' d . w . z . twee sterren die onder i n v l o e d v a n eikaars zwaartek r a c h t o m het gemeenschappelijke z w a a r t e p u n t d r a a i e n , d a n k a n u h b u n b a a n b e w e g i n gen de massa v a n die sterren w o r d e n a f g e l e i d m . b . v . de w e t t e n v a n N e w t o n . Z o v i n d t men
u i t de
M^. =
baan
van
de
aarde
om
de
zon
dat
de
zon
een
massa
heeft
van
1.99x103°^.?.
V o o r e n k e l v o u d i g e sterren k a n u i t de detailstudie v a n h u n s p e k t r u m , die we bier niet verder behandelen, w o r d e n a f g e l e i d hoe g r o o t de z w a a r t e k r a c h t s v e r s n e l h n g aan h u n o p p e r v l a k is. A l s de straal d a n b e k e n d is, d a n v o l g t de massa u i t de wet v a n N e w t o n g =
GM/R^
(2)
77 De zwaarste sterren die we kennen hebben M = 120M^,. De lichtste sterren M = 0.6Me,_. Waardoor
stralen
hebben
sterren?
Sterren z i j n gasboUen die d o o r de z w a a r t e k r a c h t b i j e e n gehouden w o r d e n . I n f e i t e is de o p b o u w v a n een ster bepaald d o o r het k r a c h t e n e v e n w i c h t tussen de naar b i n n e n gerichte z w a a r t e k r a c h t en de naar b u i t e n gerichte expansiedrang v a n het hete gas d o o r de g a s d r u k (soms geholpen d o o r s t r a h n g s d r u k ) . D e ster past z i j n i n w e n d i g e s t r u c t u u r d . w . z . het verl o o p v a n de t e m p e r a t u u r ( T ) , d r u k ( P ) en d i c h t h e i d ( e ) precies zo aan, dat er i n elke laag van de ster e v e n w i c h t is. H i e r d o o r heerst er i n het c e n t r u m v a n alle sterren een zeer hoge t e m p e r a t u u r en d r u k . I m m e r s , o m het g e w i c h t v a n de bovenhggende lagen te dragen m o e t er i n het c e n t r u m v a n de sterren een zeer hoge d r u k z i j n . I n het c e n t r u m v a n de z o n is T =
l.SxlO'iT,
de d i c h t h e i d g = 1 6 0 g / c / n \ en de d r u k P = 3xlO"a//7?. B i j z u l k hoge t e m p e r a t u r e n en d r u k k e n k a n k e r n f u s i e o p t r e d e n . D a a r b i j gaat een heel kleine f r a c t i e v a n de massa v e r l o r e n . D i e w o r d t omgezet i n energie volgens Einsteins ber o e m d e relatie E = ittc^ w a a r b i j c = 3.00x
(3)
I t f i n / s de hchtsnelheid is. B i j v o o r b e e l d b i j de fusie v a n w a t e r s t o f
( H ) t o t H e l i u m ( H e ) i n het c e n t r u m v a n de z o n w o r d t 0.7 procent v a n het fuserende w a t e r s t o f omgezet i n energie. De energie die d o o r k e r n f u s i e i n bet c e n t r u m v a n de ster w o r d t g e p r o d u c e e r d , w o r d t i n de v o r m v a n w a r m t e en v a n s t r a h n g v a n het c e n t r u m a f g e v o e r d d o o r alle sterlagen heen naar de b u i t e n k a n t v a n de ster. A a n het o p p e r v l a k v a n de ster w o r d t die energie i n de v o r m v a n Ucht u i t g e s t r a a l d . D u s de l i c h t k r a c h t L v a n de ster (zie de a f m e t i n g e n v a n sterren) geeft aan hoeveel energie er per seconde i n het sterinwendige d o o r k e r n f u s i e w o r d t g e p r o d u c e e r d . ( F i g . 3)
Figuur
3
Schema v a n een ster. I n het zeer hete binnenste ( l O ' A ^ w o r d t energie
geproduceerd
d o o r kernfusiereacties (gearceerd). D i e energie w o r d t d o o r s t r o m i n g en s t r a l i n g d o o r g e geven naar de koelere b u i t e n l a g e n (lO^iQ en daar als licht u i t g e s t r a a l d .
78
Hoe
oud kunnen
sterren
worden?
Sterren k u n n e n stralen t o t h u n e n e r g i e v o o r r a a d o p is. De m a x i m a l e o u d e r d o m h a n g t dus af v a n de e n e r g i e v o o r r a a d en v a n h u n e n e r g i e v e r b r u i k . D e m a x i m a l e l e e f t i j d v a n de z o n k a n m e n berekenen. W e weten hoeveel massa de z o n h e e f t en w a a r u i t die massa bestaat. N e t als b i j n a alle sterren b e s t o n d de z o n b i j z i j n o n t staan u i t 70 p r o c e n t H , 27 p r o c e n t H e en 3 p r o c e n t zwaardere elementen. D a t H k a n f u s e r e n t o t H e w a a r b i j energie v r i j k o m t . D o o r d a t fusieprocessen alleen i n het c e n t r u m v a n sterren k u n n e n o p t r e d e n , k a n niet alle H v a n de z o n f u s e r e n , m a a r slechts 15 p r o cent. Rekent m e n u i t hoeveel energie d i t o p l e v e r t , d a n v o l g t dat de z o n 7 x 1 0 ' j a a r m e t de h u i d i g e l i c h t k r a c h t k a n stralen. D e f u s i e v a n H e t o t k o o l s t o f k a n d i t hoogstens m e t 3 X l O ' j a a r verlengen. D e m a x i m a l e l e e f t i j d die de z o n k a n h a l e n , w o r d t d a n o o k geschat o p 10 m i l j a r d j a a r . D a a r v a n is al ongeveer de h e l f t verstreken, w a n t de h u i d i g e l e e f t i j d v a n de z o n is 4,8 m i l j a r d j a a r . M e t d h gegeven k u n n e n we n u e e n v o u d i g de m a x i m a l e l e e f t i j d v a n andere sterren schatten. I n v e r g e l i j k i n g t o t de z o n zal de l e e f t i j d evenredig z i j n met de massa v a n de ster ( e n e r g i e v o o r r a a d ) en o m g e k e e r d evenredig m e t het h c h t k r a c h t ( e n e r g i e v e r b r u i k ) : \.QX\Q'\M/M^)/(L/L^)jaar
(4)
T a b e l 1 geeft de resultaten v o o r sterren v a n verschillende massa's. I n k o l o m 3 staan de geschatte m a x i m a l e l e e f t i j d e n v a n de sterren en i n k o l o m 4 staan de resultaten v a n preciesere berekeningen. L e t w e l : d i t z i j n niet de l e e f t i j d e n die de sterren N U h e b b e n , m a a r de m a x i m a l e l e e f t i j d e n die ze k u n n e n b e r e i k e n ! B i j v o o r b e e l d , als we een ster v a n lOM.^, zien, weten we d a t die m i n d e r d a n 10 m i l j o e n j a a r geleden m o e t z i j n g e v o r m d , m a a r de ster k a n n a t u u r l i j k w e l j o n g e r z i j n . W e zien dat de zwaarste sterren o n d a n k s h u n grotere massa z o ' n g r o o t energieverb r u i k hebben (grote L ) dat ze maar een paar m i l j o e n j a a r o u d k u n n e n w o r d e n . D a t is k o s m i s c h gezien een heel k o r t leven. H e t heelal is ca 20 m i l j a r d j a a r o u d en de z o n is 4.8 m i l j a r d j a a r o u d . D e hchtste sterren daarentegen gaan heel z u i n i g o m met h u n energie en k u n n e n daard o o r veel ouder w o r d e n . De lichtste sterren v a n 0.6 M^. d a n het heelal n u is.
M a x i m a l e l e e f t i j d v a n sterren M
L
t(geschat)
t(exact)
in M ^ .
i n L_i^
in jaren
in jaren
0.5 0.8
6.0x10-2 3.8x10-'
2.1x10'°
1.0
1.0
1.0x10'°
1.0x10'°
2
1.5X 10'
1.3x10'
9.3 x 10"
5
5.0 x l O ^
l . O x 10**
6.9x10'
10
5.0x10'
2.0 X 10'
2.1x10'
30
l . O x 10'
3 . 0 X 10«
5.8 X 10*5
60
5.1 x l O '
l . O x 10**
3.6x10*^
120
2.0 X 10*5
6 . 0 X 10'
2.6xl0«
8.0x10'" 2.0X 10'°
k u n n e n zelfs o u d e r w o r d e n
79
D e gegevens i n T a b e l 1 bebben een a a n t a l interessante consequenties: A l l e ' z w a r e ' sterren v a n meer d a n lOM^.
die we w a a r n e m e n z i j n j o n g e r d a n 2 x 1 0 ' j a a r en dus
k o s m i s c h gezien pas N E T g e v o r m d . D i t is een d u i d e l i j k b e w i j s dat de v o r m i n g v a n sterren niet e e n m a l i g en l a n g geleden h e e f t plaats g e v o n d e n , maar dat er n o g steeds n i e u w e sterren w o r d e n g e v o r m d . A l l e sterren lichter d a n 0.8
k u n n e n ouder w o r d e n d a n de
l e e f t i j d v a n het heelal (20 m i l j a r d j a a r ) . D u s alle sterren lichter d a n 0.8 M . ^ . die o o i t gev o r m d z i j n bestaan n o g ! Geen enkele d a a r v a n is al aan z i j n e i n d g e k o m e n .
Het
ontstaan
van
stetren
O v e r a l i n ons melkwegstelsel is er zeer i j l gas tussen de sterren, ' i n t e r s t e l l a i r gas' met een d i c h t h e i d v a n slechts 1 atooin/cin^.
E r z i j n o o k dichtere gebieden, zg 'intersteUaire w o l -
k e n ' met een d i c h t h e i d v a n 10 atonten/cm^,
diameters v a n ca 50 h c h t j a a r en een massa
v a n 100 M ^ . . I n de s p i r a a l a r m e n v a n ons melkwegstelsel k o m e n n o g dichtere w o l k e n v o o r m e t d i c h t h e d e n v a n 10' a IO"* atomen/cm^,
diameters v a n 30 t o t 300 l i c h t j a a r en een massa
v a n 10' a 10' M ^ ^ . Z u l k e w o l k e n b e v a t t e n o o k a h i j d ' s t o f ' , dat bestaat u i t k l e i n e k o r r e l tjes v a n v o o r n a m e l i j k k o o l s t o f , een soort r o e t dus. W e spreken d a n o o k v a n gas- en s t o f w o l k e n . De t e m p e r a t u u r v a n g a s - s t o f - w o l k e n is extreem laag, slecht 10 K ( i . e . ^ 2 6 3 C ) . I n het sterrenbeeld O r i o n zit een spectaculaire g a s - s t o f - w o l k . Sterren o n t s t a a n u h zulke g a s - s t o f - w o l k e n . D a t k o m t d o o r twee o o r z a k e n . T e n eerste: de w o l k heeft zoveel massa dat h i j d o o r z i j n eigen z w a a r t e k r a c h t de m a t e r i e naar z i c h t o e t r e k t . T e n tweede: d o o r de zeer lage t e m p e r a t u u r is de gasdruk zo laag, d a t die niet tegen de z w a a r t e k r a c h t o p k a n . D a a r d o o r gaan g a s - s t o f - w o l k e n s a m e n t r e k k e n . D i t geb e u r t eerst heel l a n g z a a m , m i l j o e n e n j a r e n , m a a r het gaat steeds sneller als het gas meer is samengebald. N u z o u m e n k u n n e n d e n k e n dat u h een g a s - s t o f - w o l k v a n 10' ster v a n 10'
een superzware
o n t s t a a t . D a t is niet zo. T i j d e n s de c o n t r a c t i e v a n de w o l k k u n n e n k l e i -
nere gebiedjes d a a r i n z i c h o n a f h a n k e l i j k o o k weer s a m e n t r e k k e n w a a r d o o r kleinere c o n centraties v o r m e n . T e n s l o t t e w o r d e n die kleine concentraties sterren. D i t is geschetst i n F i g . 4. Z o ontstaat u i t e i n d e l i j k u i t de g a s - s t o f - w o l k een g r o o t a a n t a l sterren m e t massa's tussen de 0.2 en 120
o p een k l u i t j e . W e spreken d a n v a n een ' s t e r h o o p ' .
HET ONTSTAAN V A N EEN STERHOOP
contractie van IS-woIk
Figuur
contractie van l o k a l e concentraties
stervorming in concentraties
sterhoop
4
Schema v a n het o n t s t a a n v a n een s t e r h o o p u i t het s a m e n t r e k k e n en opspUtsen v a n een grote gas-stof-wolk.
80
E r z i j n spectakulaire v o o r b e e l d e n v a n sterhopen b e k e n d . D e m o o i s t e z i j n de ' b o l h o p e n ' v a n soms IO*" sterren i n een gebied m e t een diameter v a n slechts 30 l j . ( F i g . 5). Deze b o l h o p e n z i j n z o c o m p a c t , dat de sterren a l t i j d b i j elkaar b l i j v e n . E r z i j n o o k lossere s t e r h o p e n v a n 100 t o t 1000 sterren i n een gebied v a n 20 l j , de ' o p e n s t e r h o p e n ' . D e sterren i n z u l k e o p e n sterhopen d r i j v e n l a n g z a a m u i t elkaar, zodat we na lange t i j d de sterren als a f z o n d e r l i j k e sterren zullen zien. O o k de z o n is o o i t g e v o r m d als l i d v a n een o p e n s t e r h o o p . M a a r n u , na 4.8 m i l j a r d j a a r , k u n n e n we de andere leden v a n die s t e r h o o p niet meer h e r k e n n e n .
Figuur
5
E e n o p e n s t e r h o o p ( h n k s ) bevat h o n d e r d e n sterren i n een gebied m e t een d i a m e t e r v a n 20 l j . E e n b o l v o r m i g e s t e r h o o p (rechts) bevat m i l j o e n e n sterren i n een gebied m e t een d i a m e t e r v a n 30 l j .
Protosterren A l s de sterren net z i j n o n t s t a a n u i t een g a s - s t o f - w o l k , d a n spreken we v a n ' p r o t o s t e r r e n ' . H o e w e l de k e r n f u s i e i n het c e n t r u m v a n de ster n o g niet is gestart, straalt de ster t o c h a l . D i t k o m t d o o r d a t b i j het s a m e n t r e k k e n het gas i n het c e n t r u m steeds heter w o r d t . I m m e r s , als j e gas samenperst, w o r d t het heter en d i c h t e r . H e t hete binnenste v a n de ster g e e f t die w a r m t e a f aan de b u i t e n l a g e n en die stralen het u i t . O m d a t die b u i t e n l a gen v r i j k o e l z i j n , n . l . 1000 a 2000 K , w o r d t het meeste h c h t u i t g e s t r a a l d i n het i n f r a r o o d ( I R ) . Z u l k e sterren z i j n d a n o o k heel z w a k i n het z i c h t b a r e l i c h t m a a r heel helder i n het I R . D e I n f r a r e d A s t r o n o m i c a l Satellite ( I R A S ) h e e f t h o n d e r d e n v a n z u l k e p r o t o s t e r r e n ontdekt! D e p r o t e s t e r fase d u u r t ongeveer 10 m i l j o e n j a a r v o o r een ster v a n 1 M^..
Voor
zwaardere sterren d u u r t het k o r t e r . A l die t i j d straalt de ster z i j n energie u i t die h i j w i n t d o o r l a n g z a a m samen te t r e k k e n : zwaartekrachtsenergie w o r d t omgezet i n w a r m t e en een g r o o t deel d a a r v a n w o r d t u h g e s t r a a l d . Ondertussen w o r d t de ster i n het c e n t r u m steeds heter en d i c h t e r . A l s de t e m p e r a t u u r is o p g e l o p e n t o t b o v e n de lO^A", d a n start i n het c e n t r u m v a n de ster de k e r n f u s i e v a n H t o t H e . V a n a f dat m o m e n t is het een echte ster.
81 De evolutie
van een lichte
ster
van 1
De levensloop v a n sterren hangt a f v a n h u n beginmassa. Z w a r e sterren e v o l u e r e n heel anders d a n lichte sterren. A l s v o o r b e e l d zal i k de e v o l u t i e v a n een hchte ster v a n 1 M . ^ (de z o n ) en v a n een zware ster v a n 50 bespreken. H i e r b i j m o e t e n we b e d e n k e n , dat b i j n a alle sterren i n ons melkwegstelsel b e g i n n e n met ongeveer dezelfde samensteUing, n l . 70 p r o c e n t H , 27 p r o c e n t H e en 3 p r o c e n t zwaardere elementen, v o o r a l k o o l s t o f ( C ) , s t i k s t o f ( N ) en z u u r s t o f ( O ) . T i j d e n s het leven v a n een ster is er een v o o r t d u r e n d e s t r i j d tussen de z w a a r t e k r a c h t die de ster p r o b e e r t ineen te d r u k k e n en de g a s d r u k die p r o b e e r t de ster te d o e n u i t z e t t e n . W e zuUen zien dat elke keer als het evenwicht is v e r s t o o r d , de z w a a r t e k r a c h t het w i n t en het c e n t r u m v a n de ster een beetje verder i n elkaar w o r d t geperst. De middelbare leeftijd van een ster: waterstoffusie in het centrum G e d u r e n d e het grootste deel v a n z i j n leven k r i j g t de ster z i j n energie d o o r de f u s i e v a n H t o t H e i n het c e n t r u m . I n de lagen d a a r b u h e n v i n d t geen f u s i e plaats, dus die h o u d e n h u n o o r s p r o n k e l i j k e samenstelhng. D e z o n is n u , na 4.8 m i l j a r d j a a r , i n die fase.
Figuur
6
Schema v a n een r o d e reus. D e l i n k e r t e k e n i n g geeft de o m v a n g v a n de k e r n v a n de ster en de b o r r e l e n d e (convecdeve) b u h e n l a g e n i n v e r h o u d i n g weer. Rechts is het c e n t r u m u i t v e r g r o o t . H e t bestaat u i t een k e r n v a n h e l i u m en d a a r o m h e e n een schU w a a r w a t e r s t o f f u s i e o p t r e e d t . De laag w a a r f u s i e o p t r e e d t , is gearceerd. N a 7 m i l j a r d j a a r is alle H i n het c e n t r u m v a n de z o n omgezet i n H e , dus d a n s t o p t de f u s i e . D e z o n h e e f t d a n t i j d e l i j k geen energiebron meer. D a a r d o o r gaat de z w a a r t e k r a c h t het w i n n e n v a n de g a s d r u k en d r u k k e n de b u i t e n l a g e n v a n de ster het c e n t r u m samen. D e z o n b h j f t d a a r b i j w e l stralen, w a n t d o o r het s a m e n d r u k k e n v a n het gas i n het cent r u m w o r d t de z o n v a n b i n n e n heter en die g e w o n n e n w a r m t e w o r d t deels u i t g e s t r a a l d . R o d e reuzensterren: waterstoffusie in een schh A l s de t e m p e r a t u u r i n het c e n t r u m v a n de ster v o l d o e n d e is gestegen ( d i t d u u r t 2 m i l j a r d j a a r ) , d a n gaat de H - f u s i e starten i n een schil r o n d o m de H e - k e r n v a n de ster. D a a r b i j
82
gebeurt iets vreemds; de b u i t e n l a g e n gaan zeer sterk: o p z w e l l e n . D i t k o m t d o o r d a t bet gas i n die b u i t e n l a g e n gaat b o r r e l e n (convectie). D i t is precies hetzelfde proces als i n een p a n n e t j e water dat v a n o n d e r e n sterk v e r h i t w o r d t : het water gaat b o r r e l e n z o d a t de w a r m t e v a n o n d e r e n k a n w o r d e n a f g e v o e r d d o o r o p s t i j g e n d e hete w a t e r b e l l e n en d a l e n de k o u d e r e b e l l e n . D o o r d i t b o r r e l e n w o r d t de straal v a n de ster l a n g z a a m g r o t e r . A l s de z o n 10 m i l j a r d j a a r o u d zal z i j n , is de straal t o e g e n o m e n t o t 50 R.^.. D e z o n is d a n een ' r o d e reus' g e w o r d e n . Een rode reus bestaat u i t een zeer kleine en zeer dichte k e r n v a n H e met d a a r o m h e e n een d u n n e laag w a a r H w o r d t gefuseerd t o t H e (deze laag levert ahe energie) en d a a r b o ven een heel uitgebreide borrelende laag v a n de o o r s p r o n k e l i j k e samenstelling. ( F i g . 6) Asymptotische rode reuzen; heliumfusie in het centrum A l s de z o n 10 m i l j a r d j a a r o u d is, stopt de H - f u s i e i n de schh d o o r d a t d a n alle H daar is omgezet t o t H e . De ster heeft d a n t i j d e l i j k geen e n e r g i e b r o n meer en dus w i n t de z w a a r t e k r a c h t het weer v a n de g a s d r u k . De b u i t e n l a g e n d r u k k e n het gas i n het c e n t r u m van de ster n o g verder samen, w a a r d o o r de t e m p e r a t u u r daar s t i j g t . A l s de t e m p e r a t u u r t o t 10"* K is gestegen, d a n begint een n i e u w fusieproces w a a r b i j het aanwezige H e w o r d t gefuseerd t o t C . (zie T a b e l 2) T e g e l i j k begint er i n een nieuwe schil r o n d o m de k e r n weer H - f u s i e . D i t gebeurt a l l e m a a l heel diep i n de ster. D e b u i t e n l a g e n b l i j v e n b o r r e l e n . ( F i g . 7) De ster w o r d t d a a r d o o r n o g groter en b e r e i k t een straal v a n 130 R^..
De ster h e e f t
d a n een o p p e r v l a k t e t e m p e r a t u u r van T^^ = 4000 K en de helderheid is t o e g e n o m e n t o t L =
10' L^.
W e noemen d i t de ' a s y m p t o t i s c h e reuzen fase'. ( A l s we b e d e n k e n dat de
aarde slechts 215 R.t,. v a n het c e n t r u m van de z o n v e r w i j d e r d is en dat de z o n d a n een straal zal hebben v a n 130 R.^, en 1000 m a a l zo helder zal z i j n als n u , d a n is het d u i d e l i j k dat al het leven o p aarde d o o r de intense z o n n e s t r a h n g v e r n i e t i g d zal w o r d e n . D a t d u u r t gelukkig nog 5 m i l j a r d jaar). Z u l k e reuzen z i j n i n d e r d a a d w a a r g e n o m e n , b i j v . de ster M i r a . D o o r een niet goed begrepen o o r z a a k b l i j k e n die sterren te pulseren: ze w o r d e n o m de ca. 100 dagen g r o t e r en k l e i n e r . B i j iedere pulsatie stoten ze gas v a n h u n b u h e n l a g e n de r u i m t e i n m e t een snelheid v a n 20 k m / s . D o o r d i t grote massaverhes r a k e n de sterren b i n n e n 10' j a a r h u n hele b u h e n l a a g k w i j t ! carbon-oxygen
shell
burning sheU
Figuur 7 .Schema v a n een asymptotische rode reus; l i n k s o p schaal, rechts is het c e n t r u m u i t v e r g r o o t . De ster h e e f t een k e r n v a n k o o l s t o f , met d a a r o m h e e n twee schihen v a n h e h u m f u sie en v a n w a t e r s t o f f u s i e . De lagen w a a r fusie o p t r e e d t , z i j n gearceerd.
83
Planetaire nevels: op weg naar het einde N a de a s y m p t o t i s c h e rode-reuzenfase, w a a r i n de ster z i j n b u i t e n l a g e n h e e f t a f g e s t o t e n , b l i j f t er een heel Iclein heet sterretje over met een k e r n v a n k o o l s t o f en een schil v a n H e l i u m en d a a r b u i t e n n o g een heel d u n l a a g j e o o r s p o n k e l i j k m a t e r i a a l . Deze fase levert een v a n de meest spectaculaire o b j e c t e n o p : de P i a n e t a h e Nevels. ( F i g . 8 ) W e z i e n een heel z w a k heet sterretje m i d d e n i n een p r a c h t i g e u i t d i j e n d e nevel. De nevel bestaat u i t het gas dat i n de v o r i g e fase w e r d u i t g e s t o t e n . D i t w o r d t n u d o o r het hete sterretje t o t stralen gebracht. D e nevel h e e f t een massa v a n ca 0 . 4 M . A en het centrale sterretje bevat ca 0 . 6 E r z i j n ca 1 0 0 0 p i a n e t a h e nevels b e k e n d . O n l a n g s h e e f t m e n er een g r o o t a a n t a l v a n o n t d e k t b i j het c e n t r u m v a n ons m e l k w e g stelsel! D a a r m o e t e n dus zeer veel h c h t e sterren zijn.
Figuur
8
E e n planetaire nevel: een gasschil r o n d o m een l i c h t e ster die aan het e i n d v a n z i j n leven z i j n b u i t e n l a g e n h e e f t u i t g e s t o t e n . H e t o v e r b l i j v e n d e kleine hete sterretje, precies i n het m i d d e n , h e e f t geen e n e r g i e b r o n meer en z a l l a n g z a a m a f k o e l e n . H e t w o r d t eerst een w h te d w e r g en later een extreem l i c h t z w a k k e b r u i n e d w e r g . W h t e dwergen: de koele dood van lichte sterren K o r t nadat de p i a n e t a h e nevel is g e v o r m d , s t o p p e n alle fusieprocessen i n de ster d o o r d a t a l het beschikbare m a t e r i a a l is omgezet i n C ( i n het c e n t r u m ) en i n H e ( i n de s c h i l ) . D e ster is d a n g e k r o m p e n t o t een straal v a n slechts 0 . 0 1 R^. o f w e l 7 0 0 0 k m . D a t is ongeveer zo g r o o t als de aarde. De d i c h t h e i d is d a n e n o r m h o o g , n . l . 3 0 0 Icg/cni^l B i j zo'n g r o t e d i c h t h e i d h e e f t gas een heel b i j z o n d e r e eigenschap: het k a n n a u w e l i j k s meer w o r den samengeperst! D a a r d o o r k a n de z w a a r t e k r a c h t de ster niet meer d o e n k r i m p e n z o d a t o o k de t e m p e r a t u u r niet meer k a n s t i j g e n v o o r verdere fusieprocessen. D e ster h e e f t d a n geen e n e r g i e b r o n meer. D e n o g aanwezige w a r m t e w o r d t slechts heel l a n g z a a m u h gestraald, zodat de ster heel l i c h t z w a k is m e t L = 1 0 " ' a 1 0 " ' L^. D e ster is d a n een 'witte dwerg'. (Fig)
84
Figuur
9
V l a k onder de heldere ster Sirius staat een kleine z w a k k e w i t t e d w e r g . D e w i t t e d w e r g is 1 0 " ' keer zo z w a k als Sirius hoewel z i j ongeveer evenveel massa b e v a t t e n . ( D e 'stral e n ' v a n de heldere ster z i j n b e e l d f o u t e n , o n t s t a a n d o o r b u i g i n g v a n l i c h t i n de telescoop).
Aanvankelijk
is
de
oppervlaktetemperatuur
van
de
witte
dwergen
nog
hoog,
T^P = 60000 t o t 150000 K , m a a r l a n g z a m e r h a n d k o e h de ster a f . D e ster w o r d t daard o o r steeds h c h t z w a k k e r en w o r d t tenslotte o n z i c h t b a a r als b r u i n e d w e r g . D i t is het einde v a n het leven v a n alle lichte sterren met een beginmassa kleiner d a n 4 M^.
E r moe-
ten zeer veel w i t t e dwergen en b r u i n e dwergen z i j n , n . l . alle l i c h t e sterren die aan h u n e i n d z i j n g e k o m e n , m a a r o m d a t ze zo z w a k z i j n , k u n n e n we ze alleen o n t d e k k e n als ze d i c h t b i j staan.
Kernfusieprocessen i n sterren Temperatuur
Fusieproces
Reacties
1x10' — 2x10'
waterstoffusie
4 H'
1 x 1 0 * — 3 x 10*
heliumfusie
4x10" — 7x10"
1x10' — 2x10'
3 X 10' — 5 X 10'
koolstoffusie
zuurstoffusie
sihciumfusie
^ H é
3 He" -
C«
He"
+ C« -
He"
+ N'"
He"
+ O'^ -
0'«
-
O" Ne^^
2 C'^ - Na^^ + H' 2 - Né° + He" 2 C'^ Mg'" 2 C' - Mg'^ + n 2 O"
-
S''
2 0'« -
5 P + He"
2 0'« 2 0'« ^
S^'
+ H> + n
S/^" + (n,p,He)
-
Fe.Cr.Ni
85
De evolutie
van zware
stetren
H e t b e l a n g r i j k s t e verschil tussen de e v o l u d e v a n zware sterren en hchte sterren is de veel k o r t e r e levensduur (zie T a b e l 1 ) . I n h o o f d s t u k 4 hebben we gezien dat d i t k o m t d o o r d a t zware sterren een veel g r o t e r e n e r g i e v e r b r u i k hebben d o o r h u n grote h e l d e r h e i d . E e n tweede verschil met de e v o l u t i e v a n hchte sterren is het einde e r v a n : zware sterren e x p l o deren aan het e i n d v a n h u n e v o l u t i e . I n d i t h o o f d s t u k bespreek i k de e v o l u t i e v a n sterren met een beginmassa groter d a n 10 Blauwe superreuzen en sterwinden: waterstoffusie Net zoals de lichte sterren brengen zware sterren het grootste deel v a n h u n leven d o o r met het f u s e r e n v a n H t o t H e i n h u n c e n t r u m . T i j d e n s die fase z i j n ze heel helder (zie tabel 1) en o o k heel heet met T^^y tussen de 30000 en 60000 K . O m d a t die sterren zo h e l der en heet z i j n , n o e m e n we ze ' b l a u w e superreuzen'. D e d r i e heldere sterren i n de g o r d e l v a n het sterrenbeeld O r i o n z i j n b l a u w e superreuzen. Ongeveer 25 j a a r geleden, met de k o m s t v a n de eerste r a k e t t e n en satelheten die het u l t r a v i o l e t t e ( U V ) s p e c t r u m v a n hete sterren k o n d e n m e t e n , is o n t d e k t dat de zwaarste sterren met M
> 30
met grote snelheid massa u i t s t o t e n i n de v o r m v a n een 'ster-
w i n d ' . D i t is een gevolg v a n de intense U V - s t r a U n g v a n die sterren. S o m m i g e s o o r t e n a t o m e n zoals C en N k u n n e n die s t r a l i n g heel e f f i c i ë n t absorberen. E l k U V - f o t o n dat geabsorbeerd w o r d t , geeft het a t o o m een d u w t j e . H e t gevolg is dat die C- en N - a t o m e n met grote vaart u i t de buhenste sterlagen w o r d e n w e g g e d u w d . D a a r b i j sleuren ze o o k alle de a t o m e n v a n alle andere elementen mee i n h u n v a a r t . H e t g e v o l g is een constante s t r o o m v a n gas bestaande u i t alle aanwezige elementen dat m e t een snelheid v a n 2000 k m / s de ster v e r l a a t : d i t is de s t e r w i n d . ( F i g . 10) H e t massaverlies d o o r die s t e r w i n d is ongeveer 10"^ M 6 . / j a a r . A l s we bedenken dat de H - f u s i e fase v a n een zware ster tussen de 4 x IO*" en 10' j a a r d u u r t d a n is het d u i d e l i j k dat de zware sterren een a a n z i e n l i j k e f r a c t i e ( t o t 25 p r o c e n t ) v a n h u n massa verhezen als b l a u w e superreus. D i t g r o t e massaverlies gaat het hele leven v a n de zware sterren d o o r . I n s o m m i g e fasen is het n o g t i e n keer zo g r o o t .
Figuur
10
D e s t e r w i n d v a n een b l a u w e superreus ( l i n k s ) h e e f t een snelheid v a n 2000 k m / s . D e sterw i n d v a n een r o d e superreus (rechts) h e e f t een snelheid v a n 20 k m / s .
86
R o d e superreuzen: f u s i e i n schillen A l s alle H i n het c e n t r u m v a n de ster is omgezet t o t H e , gaat de z w a a r t e k r a c h t w i n n e n van de g a s d r u k en dus w o r d t het gas i n het c e n t r u m s a m e n g e d r u k t . D a a r b i j s t i j g e n de t e m p e r a t u u r t o t 7" = 2 x 10" K. D a a r n a b e g i n t b i j n a t e g e l i j k e r t i j d de f u s i e v a n H e t o t C i n het c e n t r u m en de f u s i e v a n H t o t H e is een schil r o n d o m de H e - k e r n v a n de ster. D o o r d a t de b u i t e n l a g e n d a n gaan b o r r e l e n , net zoals b i j hchte sterren, zwelt de ster e n o r m o p en k a n een straal bereiken v a n 1000 R^{\)
met een o p p e r v l a k t e t e m p e r a t u u r
v a n 3000 K. D e ster is d a n een ' r o d e superreus'. D i t z i j n de grootste sterren die we k e n n e n . D e ster Betelgeuse i n het sterrenbeeld O r i o n is een m o o i v o o r b e e l d v a n een r o d e superreus. A l s het meeste H e i n het c e n t r u m v a n de ster is omgezet t o t C w o r d t het c e n t r u m v a n de ster weer s a m e n g e d r u k t w a a r b i j de t e m p e r a t u u r o p l o o p t . A l s T hoger is d a n 2 x 10* K d a n w o r d t C omgezet i n O en een deel v a n het O i n n e o n ( N e ) . ( T a b e l 2). I n de schil d a a r o m h e e n w o r d t H e omgezet t o t C , en d a a r o m h e e n z h weer een schh w a a r H fuseert tot H e . D i t proces gaat steeds zo verder. N a elk fusieproces w o r d t het c e n t r u m samengeperst en v e r h i t en start het volgende proces. D a a r k o m t d a n o o k steeds een n i e u w e schil m e t f u s i e b i j . Z o k r i j g t de ster op den d u u r een s t r u c t u u r die helemaal bestaat u i t schillen v a n verschiUende samenstellingen r o n d o m de s t e r k e r n . (Zie f i g . 11) U i t e i n d e l i j k h e e f t de ster een k e r n v a n i j z e r (Fe), n i k k e l ( N i ) en c h r o o m ( C r ) , aUemaal i n g a s v o r m n a t u u r l i j k . D i t gebeurt heel diep i n het i n w e n d i g e v a n een reusachtige ster. W a t de b u i t e n k a n t ondertussen doet, is niet h e l e m a a l d u i d e l i j k . S o m m i g e b e r e k e n i n gen l a t e n zien d a t de ster al die t i j d een r o d e supperreus b l i j f t . A n d e r e b e r e k e n i n g e n geven a a n , dat de ster een paar keer k a n v e r a n d e r e n v a n k o u d e r o d e naar hete b l a u w e superreus en weer t e r u g . W a a r s c h i j n l i j k b l i j v e n de zwaardere sterren steeds r o o d en w o r d e n de iets hchtere a f w i s s e l e n d r o o d en b l a u w . D i e o n z e k e r h e i d k o m t , d o o r d a t m e n niet goed weet w a t er precies i n de borrelende b u h e n l a g e n gebeurt.
^
700 million Vm.
Hydrogervbuming she» Heltum-bumtfig al>9l! •Cartjon-buming shell Neorvbuming sheH OxygQO-*5umk>g shell Silicorvbuming shell Iron core
Figuur
11
E e n zware ster aan het e i n d v a n z i j n leven: een r o d e superreus m e t diep i n z i j n k e r n een a a n t a l concentrische schillen v a n verschillende chemische elementen.
87
H e l i i i m s t e r r e n : afgepelde zware sterren De allerzwaarste sterren met beginmassa's meer d a n 40 M , , , w o r d e n n o o i t r o d e superreus. Die sterren bebben z o ' n g r o o t massaverlies gedurende h u n leven, dat ze v l a k na de fase van H - f u s i e i n het s t e r c e n t r u m al h u n b u i t e n l a g e n k w i j t z i j n . D a n b l i j v e n er veel kleinere hete sterren over w a a r v a n de o p p e r v l a k t e l a g e n b i j n a helemaal u i t H e h u m bestaan! D i t z i j n de z . g . W o l f - R a y e t sterren, g e n o e m d naar h u n o n t d e k k e r s meer d a n 100 j a a r geleden. Z i j z i j n heel helder, L = \
1987A
O p 23 f e b r u a r i 1987 o m 7 u u r 35 m i n G M T o n t p l o f t e een supernova ( S N ) i n het meest n a b i j e melkwegstelsel, de G r o t e Magelhaense W o l k , o p een a f s t a n d v a n 170.000 l j . O n danks de grote a f s t a n d was de ster d u i d e l i j k met het blote o o g te zien. ( F i g . 12) De eerste 100 dagen na de explosie w e r d de ster g e l e i d e l i j k helderder. H i j bereikte tenslotte een h e l d e r h e i d v a n L = 1.5 x 10" L.5.(!) v o o r d a t h i j weer langzaam z w a k k e r w e r d . Spektra
88
v a n de ster t o o n d e n aan, dat de supernova expandeerde met een snelheid v a n 20.000 l<m/s.
Figuur
12
S u p e r n o v a 1 9 8 7 A : het explosieve einde v a n een zware ster. D e h n k e r o p n a m e w e r d een paar j a a r v o o r de u i t b a r s t i n g g e m a a k t . D e ster die k o r t e t i j d later z o u e x p l o d e r e n , was t o e n n o g een gewone b l a u w e superreus. De rechter o p n a m e is g e m a a k t o p 24 f e b r u a r i 1987, een dag na de explosie. De ster was t o e n p l o t s e l i n g een f a c t o r IO"* helderder geworden. H e t b e l d e r h e i d s v e r l o o p v a n S N 1987A d u i d t erop dat het g i n g o m een g e ë x p l o d e e r d e ster met een massa v a n 9 M . ^ , , w a a r v a n 5 M . ^ i n de k e r n i m p l o d e e r d e en 4
werd u h -
gestoten. H e e l t o e v a l l i g was de ster i n 1976 al eens eerder o n d e r z o c h t . T o e n was het een onopvaUende b l a u w e superreus w a a r b i j niets erop d u i d d e , dat h i j b i n n e n e l f j a a r z o u exp l o d e r e n . U i t de t e m p e r a t u u r en helderheid v a n die superreus h a d m e n a f g e l e i d dat het moest gaan o m een ster die o o r s p r o n k e l i j k een massa h a d v a n 20 M ^ . . K e n n e l i j k h a d de ster dus v o o r h i j o n t p l o f t e i n het verleden al 11 M . ^ . v e r l o r e n i n de v o r m v a n een sterwind. De meest interessante m e t i n g e n v a n S N 1987A z i j n niet gedaan met g r o t e telescopen o f satellieten, m a a r i n grote tanks v o l c h l o o r diep onder het a a r d o p p e r v l a k . I n die t a n k s k u n n e n n e u t r i n o ' s w o r d e n gemeten, w a n t die vliegen o n g e h i n d e r d d o o r de aarde heen. Vier e x p e r i m e n t e n , i n I t a l i ë ( i n een t u n n e l onder de M o n t B l a n c ) , J a p a n , R u s l a n d en de U S A ( i n een v e r l a t e n z o u t m i j n i n Z u i d D a k o t a ) hebben b i n n e n een d a g de n e u t r i n o ' s v a n S N 1987A gemeten. U i t bet aantal gemeten n e u t r i n o ' s en h u n energie h e e f t m e n k u n n e n a f l e i d e n dat 99 p r o c e n t v a n de energie die b i j het i n s t o r t e n v a n de s t e r k e r n v r i j k w a m , i n de v o r m v a n n e u t r i n o ' s is u i t g e z o n d e n . De e n o r m e stralingsenergie v a n meer d a n 10"
89
Z..^_ gedurende 100 dagen plus de e n o r m e bewegingsenergie (kinetische energie) v a n de 4 M.t^. weggeschoten m a t e r i a a l met een snelheid v a n 20.000 k m / s z i j n samen t o c h niet meer d a n 1 p r o c e n t v a n de energie v a n de supernova-explosie! Pulsars
en neutronensterren:
Icosiriische
vuurtorens
I n 1967 o n t d e k t e n twee Britse r a d i o - a s t r o n o m e n b i j t o e v a l de eerste pulsar. E e n pulsar is een r a d i o b r o n aan de h e m e l , die met een b u i t e n g e w o n e regelmaat pulsen r a d i o s t r a l i n g u i t z e n d t . ( F i g . 13). D e eerste pulsar die o n t d e k t was, h a d een p e r i o d e (de t i j d tussen twee opeenvolgende pulsen) v a n 1.337 sec. A l snel b l e k e n er veel meer v a n d h s o o r t o b j e c t e n te z i j n . E r z i j n er n u meer d a n 400 b e k e n d . D e snelste pulsar h e e f t een p e r i o d e v a n 0.0015578064490 sec (let o p de n a u w k e u r i g h e i d ! ) , de langzaamste meer d a n 10 sec. H e t b e w i j s dat pulsars restanten z i j n v a n supernova-explosies, k w a m i n 1968 t o e n m e n een pulsar o n t d e k t e i n het m i d d e n v a n een bekende nevel ( K r a b n e v e l ) die het restant was v a n een S N die i n 1054 was o n t p l o f t . L a t e r h e e f t m e n i n verscheiden andere s u p e r n o v a resten o o k pulsars g e v o n d e n . D e meeste pulsars k o m e n echter niet v o o r i n s u p e r n o v a resten. D h k o m t d o o r d a t een SN-rest, zoals b i j v o o r b e e l d de K r a b n e v e l , slecht IO"* a 1 0 ' j a a r z i c h t b a a r is, d a a r n a z i j n ze te z w a k . De pulsars daarentegen b l i j v e n veel langer h u n gepulsde r a d i o s t r a h n g u i t z e n d e n , n l . 10' a 10" j a a r . W a t is een p u l s a r n u e i g e n l i j k v o o r soort o b j e c t ? E e n pulsar is een zeer snel r o t e r e n d e ' n e u t r o n e n - s t e r ' m e t een massa v a n ca 2 M.^, me d i c h t h e i d v a n W^'lcg/cm^l h e i d v a n 'slechts' 10^kg/cin\
een straal v a n slechts 20 k m en een enor-
' G e w o o n gas' k a n w o r d e n samengeperst t o t een d i c h t E e n neutronenster bestaat d a n o o k niet u i t g e w o o n gas,
m a a r u i t ' n e u t r o n e n g a s ' . N e u t r o n e n z i j n deeltjes die ongeveer even zwaar z i j n als p r o t o n , m a a r ze h e b b e n geen elektrische l a d i n g . P r o t o n e n stoten elkaar d o o r h u n l a d i n g a f maar n e u t r o n e n n i e t . D a a r d o o r k u n n e n ze veel meer d a n p r o t o n e n opeengepakt w o r d e n tot g r o t e d i c h t h e i d .
A pulsar record.
Figuur
13
H e t r a d i o s i g n a a l v a n een pulsar bestaat u h r a d i o f h t s e n die elkaar m e t een e x t r e m e regeL maat opvolgen.
90
ri<M
I
Figmir 14 H e t v u u r t o r e n m o d e l v a n een pulsar. E e n snel roterende neutronen-ster m e t een sterk m a g n e e t v e l d dat scheef staat t . o . v . de r o t a t i e as. A a n de magnetische p o l e n w o r d e n elekt r o n e n versneld die een b u n d e l r a d i o s t r a l i n g de r u i m t e i n z e n d e n . A l s die r o n d d r a a i e n d e bundels over de aarde z w i e p e n zien we r e g e l m a t i g r a d i o - p u l s e n . N e u t r o n e n s t e r r e n w o r d e n g e v o r m d als het c e n t r u m v a n een zware ster aan het e i n d v a n z i j n leven i n s t o r t , dus t i j d e n s de supernova-explosie. De z w a a r t e k r a c h t perst het gas d a n zover opeen, dat de p r o t o n e n ( p o s h i e f geladen) en de e l e k t r o n e n (negatief geladen) sam e n s m e h e n t o t n e u t r o n e n (geen l a d i n g ) . D i e n e u t r o n e n w o r d e n d a n s a m e n g e d u w d t o t de b o v e n g e n o e m d e d i c h t h e i d . A l s de b u i t e n l a g e n v a n de S N na de explosie v e r d w e n e n z i j n , b l i j f t een neutronenster
over.
N e u t r o n e n s t e r r e n d r a a i e n heel h a r d r o n d . B i j het i n s t o r t e n z i j n ze n a m e l i j k d o o r het p i r o u e t t e - e f f e c t ( b e h o u d v a n i m p u l s m o m e n t ) zeer snel gaan d r a a i e n . D a t is h e t z e l f d e eff e k t als b i j een draaiende ijsdanseres die d o o r haar a r m e n i n te t r e k k e n sneUer gaat d r a a i en en d o o r ze u i t te s t r e k k e n langzamer d r a a i t . N e u t r o n e n sterren hebben o o k een heel sterk m a g n e e t v e l d ( 1 0 ' ° Gauss). D e magnetische as v a n de ster m a a k t een h o e k m e t de rotatie-as w a a r d o o r de magnetische p o l e n niet samenvallen met de p o l e n v a n de r o t a t i e . E e n snel r o n d t o l l e n d e ster met een sterk magneetveld w e r k t als een v u u r t o r e n ! D e ster s t r a a h n . l . twee bundels s t r a l i n g u i t v a n de r o n d d r a a i e n d e magnetische p o l e n . D i t k o m t d o o r d a t i n het sterke v e l d v a n de magnetische p o l e n e l e k t r o n e n versneld w o r d e n die gaan spiraleren o m de magnetische k r a c h t l i j n e n . D a a r b i j zenden ze v o o r a l r a d i o - s t r a h n g u h i n twee b u n d e l s , een v a n de magnetische n o o r d p o o l en een v a n de z u i d p o o l . ( F i g . 14). D o o r de d r a a i i n g v a n de ster z w i e p e n die bundels als het roterende Ucht v a n een v u u r t o ren de r u i m t e i n . E l k e keer als z o ' n s t r a l i n g s b u n d e l v a n een neutronenster langs de aarde gaat, zien we u i t de r i c h t i n g v a n die ster een k o r t e f l i t s v a n r a d i o s t r a l i n g : een pulsar dus. D e uiterst regelmatige en snelle r a d i o p u l s e n v a n een pulsar z i j n het gevolg v a n z i j n snelle rotatie. Zwarte
gaten
A l s aan het einde v a n het leven v a n een zware ster b i j het i n s t o r t e n een s t e r k e r n z w a a r d e r d a n 2.4 M ^ . o n t s t a a t , d a n k a n dat geen neutronenster w o r d e n . D a t k o m t d o o r d a t de
91
eigen z w a a r t e k r a c l i t d a n zo g r o o t is, dat zelfs het neutronengas met z i j n e n o r m e d i c h t h e i d die niet k a n weerstaan. D e m a t e r i e w o r d t d a n n o g verder samengebald t o t d i c h t h e den ver b o v e n de lO'^kg/cm^.
W a t er d a n met de materie gebeurt, is o n b e k e n d , d o o r -
dat we niet weten w a t de eigenschappen v a n z o ' n d i c h t gas z i j n . W a t we w e l w e t e n is, dat de d i c h t h e i d en dus o o k de z w a a r t e k r a c h t d a n zo g r o o t z i j n , dat h c h t niet meer k a n o n t s n a p p e n . D u s als na de SN-explosie de b u h e n l a g e n z i j n v e r d w e n e n , b l i j f t er een ' z w a r t g a t ' met een massa v a n 2.5 a 10? M . ^ over. W e k u n n e n de o m v a n g v a n een z w a r t gat e e n v o u d i g schatten. D e o n t s n a p p i n g s s n e l h e i d v a n een ster m e t massa M en straal R is volgens N e w t o n ' s wet ''ontsnap =
^
2GM/R
(5)
V o o r de aarde is dat 11 k m / s en v o o r de z o n 670 k m / s . A l s de o n t s n a p p i n g s s n e l h e i d g r o t e r z o u z i j n d a n de h c h t s n e l h e i d c, d a n k a n l i c h t niet meer o n t s n a p p e n . D u s een ster is een z w a r t gat als ^ƒ2GM/R
> c
(6)
o f als R
< 2GM/(P-
(7)
I n v u l l e n v a n de z w a a r t e k r a c h t s c o n s t a n t e G en c l a t e n zien dat een ster v a n 4 M . ^ een z w a r t gat is als z i j n straal kleiner is d a n 10 k m . I n w e r k e l i j k h e i d is de m a t e r i e i n een z w a r t gat t o t een o n e i n d i g kleine straal
samengeperst.
A l l e e n s t a a n d e z w a r t e gaten k u n n e n niet w a a r g e n o m e n w o r d e n , w a n t z i j zenden geen s t r a h n g u i t . A l s een z w a r t gat z i c h echter v l a k b i j een andere ster b e v i n d t , d a n k u n n e n we het w e l o n t d e k k e n d o o r de i n v l o e d die het u i t o e f e n t o p die ster. H e t z w a r t e gat b i j de ster C y g n u s X - 1 D e ster C y g n u s X - 1 is een gewone b l a u w e supperreus, m a a r er is iets v r e e m d s m e t die ster. H i j zendt zeer sterke R ö n t g e n - s t r a l i n g ( X - s t r a l i n g ) u h . V a n d a a r de X i n de n a a m . D i e X - s t r a l i n g is het gevolg v a n gas dat v a n de superreus w o r d t weggezogen en o p een o n z i c h t b a r e begeleider v a h . D i e begeleider m o e t dus een zeer grote a a n t r e k k i n g s k r a c h t (zwaartekracht) hebben. H e t a a n g e t r o k k e n gas v a l t niet rechtstreeks naar de o n z i c h t b a r e begeleider, m a a r d o o r de d r a a i i n g v a n de ster en de begeleider o m elkaar heen gaat de a a n g e t r o k k e n g a s s t r o o m b i j a a n k o m s t eerst o m de o n z i c h t b a r e begeleider d r a a i e n . Z o ontstaat een p l a t t e heel snel r o n d d r a a i e n d g a s s c h i j f o m de begeleider. H e t gas i n die s c h i j f spiraleert d a n g e l e i d e l i j k n a a r b i n n e n t o t het tenslotte o p de begeleider v a h . D o o r de g r o t e snelheid w a a r m e e het gas o m de begeleider d r a a i t en d o o r een s o o r t w r i j v i n g die d a a r b i j o p t r e e d t , is het gas i n de s c h i j f heel heet, t o t WK.
D a a r o m zendt het X - s t r a l i n g u h ! ( F i g . 15) D e X - s t r a l i n g
v a n C y g n u s X - 1 d u i d t dus o p de a a n w e z i g h e i d v a n een o n z i c h t b a r e begeleider m e t een heel g r o t e z w a a r t e k r a c h t : dat z o u een neutronenster o f een z w a r t gat k u n n e n z i j n . E r z i j n een a a n t a l s o o r t g e l i j k e sterren met sterke X - s t r a l i n g b e k e n d w a a r v a n de begeleider een pulsar is, dus een neutronenster. V a n de begeleider v a n C y g n u s X - 1 z i j n geen r a d i o p u l s e n w a a r g e n o m e n , m a a r d i t h o e f t n o g niet te betekenen dat de begeleider geen p u l s a r is. I m m e r s , als de r a d i o b u n d e l s v a n een pulsar niet de aarde r a k e n , d a n k u n n e n we de pulsar niet w a a r n e m e n . E r is echter een heel ander a r g u m e n t w a a r d o o r we w e t e n dat de o n z i c h t b a r e begeleider v a n C y g n u s X - 1 geen neutronenster k a n z i j n : h i j is te zwaar. U i t de b e w e g i n g v a n de b l a u w e superreus k a n m e n a f l e i d e n dat z i j n begeleider een massa b e e f t v a n meer d a n 5
92
M ó . . W e hebben i n het v o r i g e h o o f d s t u l c laten zien dat een neutronenster niet zwaarder k a n z i j n d a n 2.4 M.^.
D u s s a m e n v a t t e n d : de begeleider v a n de superreus is een o b j e c t
met een heel g r o t e z w a a r t e k r a c h t , m a a r geen neutronenster. E r g o : een z w a r t gat! E r z i j n al t i e n t a l l e n v a n z u l k e d u b b e l s t e r r e n bestaande u i t een zware ster en een b r o n v a n X - s t r a h n g g e v o n d e n . I n al deze gevallen gaat het o m het e i n d p r o d u k t v a n twee zware d u b b e l s t e r r e n . D e zwaarste evolueerde het snelst en o n t p l o f t e als S N . D a a r u i t o n t s t o n d een systeem v a n een zware ster m e t een neutronenster o f z w a r t gat als begeleider. A l s na een paar m i l j o e n j a a r d a n o o k de tweede ster o n t p l o f t , b l i j f t er een systeem over v a n twee z w a r t e g a t e n , o f v a n een z w a r t gat met een neutronenster, o f v a n twee n e u t r o nensterren. E r is i n d e r d a a d een d u b b e l p u l s a r o n t d e k t !
Stellar wind
Giant star Figuur
15
H e t m o d e l v a n C y g n u s X - 1 . E e n z w a r t gat n a b i j een b l a u w e supperreus t r e k t gas v a n die ster aan. H e t gas valt naar het zwarte gat en gaat i n een s c h i j f d a a r o m h e e n d r a a i e n . D a a r b i j spiraleert het l a n g z a a m naar b i n n e n t o t d a t het u h e i n d e l i j k i n het z w a r t e gat v a h . D o o r de grote snelheid is het gas i n de s c h i j f zo heet (10'' a l O ' i f ) dat het sterke R ö n t genstraling uitzendt. Ster-evolutie
en de
mens
T o e n het heelal z o ' n 20 m i l j a r d j a a r geleden g e v o r m d was u i t de o e r k n a l , b e s t o n d het b i j n a helemaal u i t w a t e r s t o f en h e l i u m en verder b i j n a geen enkel element. A l l e elementen die we n u o p aarde k e n n e n , b i j v . k o o l s t o f , s t i k s t o f , z u u r s t o f , k a l k enz. z i j n o o i t gev o r m d d o o r k e r n f u s i e i n het c e n t r u m v a n zware sterren t i j d e n s h u n leven. D e zwaardere elementen zoals de m e t a l e n z i j n g e v o r m d aan het e i n d v a n h u n leven t i j d e n s de S N explosie. B i j de explosies z i j n al deze elementen i n g a s w o l k e n de r u i m t e i n g e s h n g e r d . D a a r u i t z i j n weer n i e u w e sterren o n t s t a a n . D i e h a d d e n b i j h u n geboorte a l een beetje v a n deze elementen meegekregen. O o k z i j evolueerden, p r o d u c e e r d e n al die elementen en o n t p l o f t e n . Z o is het gas i n ons melkwegstelsel l a n g z a a m ' v e r r i j k t ' met allerlei elem e n t e n die er a a n v a n k e l i j k niet w a r e n . Ongeveer 4,8 m i l j a r d j a a r geleden ergens i n ons melkwegstelsel o n t s t o n d e n de z o n en de p l a n e t e n , w a a r o n d e r de aarde. A l l e s t o f f e n o p aarde, behalve w a t e r s t o f en h e l i u m , z i j n dus o n t s t a a n i n eerdere generaties zware sterren. A l s U i n de spiegel k i j k t ziet u een gezicht g e m a a k t v a n m a t e r i a a l dat o o i t g e v o r m d is i n het c e n t r u m v a n zware sterren. A l s er niet zoveel z w a r e sterren w a r e n geweest, z o u u er niet z i j n !
HET WAARNEMEN EN KARTEREN V A NDE ZEEBODEM MET RADAR door J. Vogelzang
1.
Inleiding
A a r d o b s e r v a t i e v a n u i t v l i e g t u i g e n en satellieten ( ' R e m o t e Sensing') speelt een steeds bel a n g r i j k e r r o l i n het vergaren v a n kennis over de toestand v a n l a n d , zee en a t m o s f e e r . E e n b e k e n d v o o r b e e l d is het g e b r u i k v a n satelheten i n de m e t e o r o l o g i e . Deze satellieten n e m e n de A a r d e w a a r i n z i c h t b a a r en i n f r a r o o d h c h t . D e w o l k e n p a t r o n e n en h u n o n t w i k k e l i n g k u n n e n r e g e l m a t i g g e v o l g d w o r d e n . I n o n b e w o l k t e gebieden z i j n l a n d en w a ter z i c h t b a a r , en k a n i n f o r m a t i e v e r k r e g e n w o r d e n over het l a n d - en z e e o p p e r v l a k . E e n andere m a n i e r o m l a n d en zee te bestuderen is m e t r a d a r ( m i c r o g o l v e n ) . M i c r o g o l ven h e b b e n de eigenschap dat z i j d o o r b e w o l k i n g heen d r i n g e n , en dus o o k b i j b e w o l k t weer i n f o r m a t i e geven. E r bestaat een a a n t a l m i c r o g o l f - s e n s o r e n , w a a r o n d e r de beeldv o r m e n d e radars. H e t b l i j k t dat b e e l d v o r m e n d e radars i n f o r m a t i e over de b o d e m d i e p t e i n k u s t w a t e r e n k u n n e n geven. I n deze b i j d r a g e w o r d t uiteengezet w a a r d o o r b o d e m s t r u c t u r e n z i c h t b a a r k u n n e n z i j n m e t r a d a r , en hoe d i t verschijnsel g e b r u i k t k a n w o r d e n o m d i e p t e k a a r t e n e f f i c i ë n t e r te p r o d u c e r e n . 2.
Dieptemetingen
R i j k s w a t e r s t a a t besteedt veel i n s p a n n i n g aan het m e t e n v a n dieptes i n de Nederlandse k u s t w a t e r e n . Deze m e d n g e n w o r d e n niet alleen g e b r u i k t o m de v e i l i g h e i d v o o r de scheepvaart te g a r a n d e r e n , m a a r o o k o m het gedrag v a n de zeebodem te bestuderen t e n einde z o n o d i g maatregelen te t r e f f e n o m erosie tegen te gaan. D a a r o m is het n o d i g de d i e p t e m e t i n g e n r e g e l m a t i g te h e r h a l e n . T h a n s w o r d e n d i e p t e m e t i n g e n v e r r i c h t m e t e c h o l o d e n o p schepen. E e n e c h o l o o d zendt een h o o g f r e q u e n t e geluidspuls u h w e l k e aan de b o d e m weerkaatst. D e teruggekaatste gel u i d s p u l s w o r d t o p het schip o n t v a n g e n . U h de l o o p t i j d v a n de puls w o r d t de diepte berek e n d . D e meeste e c h o l o d e n m e t e n alleen de diepte onder het schip. M e e r geavanceerde systemen k u n n e n de diepte i n een s t r o o k onder het schip m e t e n . D e r g e l i j k e systemen w o r d e n v o o r n a m e l i j k i n de g r o t e vaargeulen ingezet. W a n n e e r het schip langs een l i j n (een r a a i ) v a a r t , w o r d t dus de diepte langs deze r a a i gemeten. O m een i n d r u k te k r i j g e n v a n de zeebodem i n een b e p a a l d gebied m o e t e n meerdere raaien gevaren w o r d e n , m e t een o n d e r l i n g e a f s t a n d v a n m a x i m a a l 200 m . D i t kost zo veel i n s p a n n i n g d a t een gebied als de Waddenzee slechts eens i n de zes j a a r v o l l e d i g
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 30 januari 1995.
94
k a n w o r d e n b e m e t e n . H e t is d a a r o m niet v e r w o n d e r l i j k , dat R i j k s w a t e r s t a a t interesse b e e f t i n m a n i e r e n o m dieptes sneller en g o e d k o p e r te m e t e n . 3. Beeldvormende
radar;
SLAR
en
SAR
E e n b e e l d v o r m e n d e r a d a r is e q u i v a l e n t aan een f o t o - m e t - f l i t s . D e antenne v a n het r a d a r systeem zend een b u n d e l r a d a r s t r a l i n g u i t . D e r a d a r s t r a h n g r e f l e c t e e r t a a n het (zee- o f l a n d - ) o p p e r v l a k , en de teruggekaatste r a d a r s t r a h n g w o r d t gedetecteerd d o o r de a n t e n ne. H e t radarsysteem is g e m o n t e e r d i n een v l i e g t u i g o f een satelliet. D o o r de b e w e g i n g v a n het p l a t f o r m w o r d t een b e p a a l d gebied gescand. D e o n t v a n g e n signalen w o r d e n langs electronische weg v e r w e r k t t o t een beeld. E r bestaan twee verschillende s o o r t e n radarsystemen: Side L o o k i n g A i r b o r n e R a d a r ( S L A R ) en S y n t h e t i c A p e r t u r e R a d a r ( S A R ) . B i j S L A R bepaalt de g r o o t t e v a n de a n t e n ne de resolutie v a n het systeem, net zoals b i j radiotelescopen v o o r a s t r o n o m i s c h e waarn e m i n g e n . H o e g r o t e r de antenne, hoe k l e i n e r de details die n o g k u n n e n w o r d e n waargen o m e n . S L A R g e b r u i k t m e n v a n u i t v l i e g t u i g e n , o p een h o o g t e v a n enkele k i l o m e t e r s . Satellieten b e v i n d e n z i c h veel hoger b o v e n het a a r d o p p e r v l a k : enkele h o n d e r d e n k i l o meters. E e n S L A R antenne z o u veel te g r o o t w o r d e n v o o r g e b r u i k v a n a f een sateUiet. D e o p l o s s i n g is het g e b r u i k v a n Synthetic A p e r t u r e R a d a r ( S A R ) . E e n S A R systeem h e e f t een kleine antenne. T o c h k a n een grote antenne w o r d e n gesimuleerd d o o r de beweg i n g v a n het p l a t f o r m , de zogenaamde apertuursynthese.
E e n v e r g e l i j k b a r e techniek
w o r d t eveneens i n de a s t r o n o m i e toegepast: b i j v o o r b e e l d b i j de r a d i o t e l e s c o o p i n W e s t e r b o r k , w a a r b i j een grote antenne w o r d t gesimuleerd d o o r een a a n t a l kleinere antennes en de d r a a i i n g v a n de A a r d e .
Figuur SLAR
1. opname
van rechts tronen pen.
uit 1975 van de Noordzee
naar links,
links
onder
van de kust
worden
afin
veroorzaakt
ter hoogte
van Noordwijk.
noordwestelijke door
zandgolven.
richting.
De vliegrichting
De horizontale
De heldere
stippen
is
golfpazijn
sche-
95
4.
Geschiedenis
Reeds i n 1969 o n t d e k t e n de L o o r en z i j n medewerkers b o d e m s t r u c t u r e n o p opnames v a n de N o o r d z e e g e m a a k t met S L A R [de Loor
and Brunsveld
van Halten,
1978; de
Loor,
1981]. D i t was een grote verrassing: zeewater is i m m e r s een v r i j w e l perfecte geleider b i j r a d a r f r e q u e n t i e s . D a a r d o o r d r i n g t de r a d a r s t r a l i n g niet d o o r i n het zeewater. R a d a r b e e l den l a t e n alleen het o p p e r v l a k v a n de zee zien. W a n n e e r onze ogen gevoelig z o u d e n z i j n v o o r m i c r o g o l v e n , z o u het zeewater e r u h zien als k w i k . K o r t na deze o n t d e k k i n g v e r m o e d d e de L o o r reeds dat de b o d e m s t r u c t u r e n z i c h t b a a r z i j n d o o r d a t k l e i n e g o l v e n o p het zeeoppervlak b e ï n v l o e d w o r d e n d o o r variades i n de s t r o o m s n e l h e i d v a n het zeewater, w e l k e op h u n b e u r t w o r d e n v e r o o r z a a k t d o o r b o d e m s t r u c t u r e n . B o d e m s t r u c t u r e n als z a n d g o l v e n w e r d e n i n de zeventiger j a r e n regelmat i g gezien i n e x p e r i m e n t e n met S L A R . Deze e x p e r i m e n t e n l e i d d e n t o t g e b r u i k v a n S L A R i n het v h e g t u i g v a n de K u s t w a c h t v o o r het o p s p o r e n v a n o l i e v l e k k e n . F i g u u r 1 t o o n t z o ' n oude o p n a m e v a n het kustgebied u i t de k u s t b i j N o o r d w i j k . D e v h e g r i c h t i n g i n F i g u u r 1 is v a n rechts naar l i n k s . H e t v h e g t u i g v l o o g i n n o o r d w e s t e l i j k e richdng.
D e h o r i z o n t a l e heldere l i j n e n i n het onderste deel v a n de o p n a m e w o r d e n ver-
o o r z a a k t d o o r z a n d g o l v e n . D e z a n d g o l v e n i n d i t gebied hebben een o n d e r l i n g e a f s t a n d v a n ongeveer 400 m . H u n h o o g t e varieert v a n ongeveer 2 m o p een diepte v a n 20 m i n het m i d d e n v a n F i g u u r 1 t o t 6 m o f meer o p een diepte t o t 30 m aan de h n k e r k a n t . D e grotere s t r u c t u r e n i n het m i d d e n w o r d e n w a a r s c h i j n l i j k v e r o o r z a a k t d o o r het u i t s t r o o m f r o n t v a n de R i j n . De heldere s d p p e n z i j n schepen. F i g u u r 2 geeft een d r i e - d i m e n s i o n a l e impressie v a n de z a n d g o l v e n i n d i t gebied, verkregen u i t e c h o l o d i n g e n . D e z a n d g o l v e n hebben een a s y m m e t r i s c h p r o f i e l . D e steile hell i n g is naar het n o o r d o o s t e n gericht en h e e f t een lengte v a n ongeveer 40 m . U i t de e x p e r i m e n t e n i n de zevendger j a r e n bleek, dat de z a n d g o l v e n aheen z i c h t b a a r z i j n wanneer er ( g e t i j - j s t r o m i n g is. D e z a n d g o l v e n z i j n het best z i c h t b a a r b i j m a x i m a l e s t r o o m s n e l h e i d en b i j z w a k k e t o t m a t i g e w i n d . B o v e n d i e n bleek dat de p a t r o n e n z i c h niet verplaatsen, z o d a t het eenieder d u i d e l i j k w e r d dat i n d e r d a a d de b o d e m z i c h t b a a r was.
Figuur
2.
Drie-dimensionale impressie van zandgolven, tie Noordzee van Rijicswaterstaat. Het gebied goven worden bekenen vanuit het oosten.
opgenomen met een echolood door meet ongeveer 2.5 km bij 2.5 km. De
Direczand-
96
r
Figuur
3.
ERS-1
opname
de Zeeuwse veer
van de Zeeuwse
kust zijn
100 km bij 100
en Zuid
verscliillende
Hollandse
bodetnstructuren
wateren
van 7 februari
zichtbaar.
De opname
1992. beslaat
Voor onge-
km.
I n 1978 w e r d S E A S A T gelanceerd, een A m e r i k a a n s e satelliet m e t o.a. een S A R aan b o o r d . O f s c h o o n S E A S A T slechts d r i e m a a n d e n f u n c t i o n e e r d e , h e e f t deze satelliet een schat aan gegevens v e r z a m e l d . D e S A R m a a k t e f r a a i e opnames v a n b o d e m s t r u c t u r e n i n de z u i d e l i j k e N o o r d z e e en de o o s t k u s t v a n A m e r i k a . H i e r d o o r kreeg het v e r s c h i j n s e l bredere b e k e n d h e i d . I n 1984 k w a m e n A l p e r s en H e n n i n g s m e t het eerste m o d e l v o o r het b e e l d v o r m e n d m e c h a n i s m e [Alpers
and Hennings,
1984].
I n N e d e r l a n d is het w a a r n e m e n en k a r t e r e n v a n de zeebodem m e t r a d a r v a n a f 1986 i n t e n s i e f bestudeerd, z o w e l i n n a t i o n a a l als i n i n t e r n a t i o n a a l v e r b a n d . D e a a n l e i d i n g h i e r v o o r was de l a n c e r i n g v a n de eerste Europese R e m o t e Sensing Satelliet ( E R S - 1 ) d o o r de Europese r u i m t e v a a r t o r g a n i s a t i e E S A . . D e E R S - 1 is i n 1991 succesvol gelanceerd. D e satelliet h e e f t diverse radarsensoren aan b o o r d , w a a r o n d e r een S A R . F i g u u r 3 t o o n t een E R S - 1 S A R - b e e l d v a n de Zeeuwse w a t e r e n . V o o r de Zeeuwse k u s t z i j n v e r s c h i l l e n d e b o d e m s t r u c t u r e n z i c h t b a a r . F i g u u r 4 t o o n t een E R S - 1 S A R beeld v a n de B r u i n e B a n k e n , een stelsel g r o t e z a n d b a n k e n halverwege N e d e r l a n d en E n g e l a n d . D e E R S - 1 z a l i n 1995 w o r d e n o p g e v o l g d d o o r de E R S - 2 , die o p z i j n b e u r t r o n d 1998 w o r d t o p g e v o l g d d o o r
97
Figuur ERS-1
4. opname
van de Bruine
Banken,
Bruine
Banken
zijn zictitbaar
als verticale,
ongeveer
100 km bij 100
iialverwege lichte
Nederland en donkere
en Engeland, banden.
uit 1992.
De opname
De
beslaat
km.
E N V I S A T . D o o r d a t de aanvoer v a n r a d a r b e e l d e n v o o r de k o m e n d e t i j d is gegarandeerd, z i j n beherende instanties als R i j k s w a t e r s t a a t zeer g e ï n t e r e s s e e r d i n m o g e l i j k e toepassingen. 5. Het
beeldvormend
mechanisme
I n 1984 k w a m e n de D u i t s e onderzoekers A l p e r s en H e n n i n g s met het eerste m o d e l v o o r het b e e l d v o r m e n d mechanisme [Alpers
and Hennings,
1984]. H e t m o d e l , g e ï l l u s t r e e r d
i n f i g u u r 5, bestaat u i t d r i e stappen: (1)
W a n n e e r het g e t i j over z a n d g o l v e n o f z a n d b a n k e n s t r o o m t , zal het w a t e r sneller s t r o m e n b o v e n de ondieptes en langzamer b o v e n de diepe delen. D i t is een regelrecht g e v o l g v a n m a s s a b e h o u d . De s t r o o m s n e l h e i d aan het w a t e r o p p e r v l a k zal dus v a r i ë r e n a f h a n k e l i j k v a n de diepte. W a a r de diepte a f n e e m t zal het w a t e r versnell e n , en w a a r de diepte toeneemt zal het water v e r t r a g e n . M e t andere w o o r d e n : de s t r o o m s n e l h e i d aan het o p p e r v l a k bevat i n f o r m a t i e over de locale d i e p t e .
(2)
V a r i a t i e s i n de s t r o o m s n e l h e i d aan het o p p e r v l a k hebben e f f e c t o p de g o l v e n . W a a r het water versnelt w o r d e n de g o l v e n als het ware u i t g e r e k t : de g o l v e n w o r d e n langer
Figuur Schema
5. van het beeldvormend
mechanisme
volgens
Alpers
en
Hennings.
en lager. H e t zeeoppervlak ziet er gladder u i t . W a a r het w a t e r v e r t r a a g t w o r d e n de g o l v e n j u i s t s a m e n g e d r u k t : ze w o r d e n k o r t e r en hoger. H i e r ziet het o p p e r v l a k er ruwer uit. (3)
E e n b e e l d v o r m e n d e r a d a r reageert sterk o p de r u w h e i d v a n het z e e o p p e r v l a k . R u w e delen r e f l e c t e r e n veel r a d a r s t r a h n g en w o r d e n l i c h t afgebeeld o p een r a d a r b e e l d . G l a d d e delen r e f l e c t e r e n j u i s t w e i n i g r a d a r s t r a l i n g en w o r d e n d o n k e r a f g e b e e l d .
E r z i j n o o k andere processen die variaties i n de s t r o o m s n e l h e i d v e r o o r z a k e n : i n t e r n e g o l v e n , scheepssporen en f r o n t e n . H e t bovenstaande m o d e l k a n o o k g e b r u i k t w o r d e n o m de s i g n a t u r e n v a n d e r g e l i j k e verschijnselen i n radarbeelden te b e s c h r i j v e n . B o v e n d i e n geldt het m o d e l n i e t alleen v o o r r a d a r s t r a l i n g , m a a r o o k v o o r z i c h t b a a r l i c h t . O n d e r g u n stige b e l i c h t i n g z i j n de verschillen i n r u w h e i d m e t het b l o t e o o g te zien. Vissers w e t e n d i t sinds eeuwen: w a a r het zeeoppervlak r u w o f g l a d w o r d t k u n n e n z i c h z a n d b a n k e n bev i n d e n , zodat ze u i t de b u u r t m o e t e n b l i j v e n . I n de rest v a n d i t h o o f d s t u k w o r d t nader ingegaan o p de m o d e l l e r i n g v a n de drie stapp e n . D i t deel is enigszins technisch v a n a a r d efi k a n w o r d e n overgeslagen d o o r w i e niet i n detahs g e ï n t e r e s s e e r d is. 5.1
Stromingsmodel
De eerste stap i n het b e e l d v o r m e n d mechanisme k a n goed g e m o d e l l e e r d w o r d e n m e t s t r o m i n g s m o d e l l e n . H i e r m e e is b i n n e n N e d e r l a n d r u i m e e r v a r i n g v o o r h a n d e n . D e (dried i m e n s i o n a l e ) s t r o m i n g b o v e n een w i l l e k e u r i g e b o d e m w o r d t beschreven d o o r de zogen a a m d e o n d i e p - w a t e r - v e r g e l i j k i n g e n , een stelsel v a n drie d i f f e r e n t i a a l v e r g e l i j k i n g e n .
99
V o o r eenvoudige b o d e m s t r u c t u r e n Icunnen v a n u i t de o n d i e p - w a t e r vergelijlcingen eenv o u d i g e benaderingen v o o r de oplossing w o r d e n a f g e l e i d . D e z a n d g o l v e n v o o r de Nederlandse k u s t z i j n z u l k e eenvoudige b o d e m s t r u c t u r e n . Z e staan l o o d r e c h t o p de overheersende s t r o o m r i c h t i n g , w e l k e naar het n o o r d o o s t e n gericht is b i j s t i j g e n d w a t e r en naar het z u i d w e s t e n b i j d a l e n d w a t e r . De diepte-gemiddelde strom i n g U v o l d o e t d a n aan:
^
U;,.. =
^par
"
(1)
^par
w a a r i n U^^^ de c o m p o n e n t v a n U l o o d r e c h t o p de h a m l i j n v a n de z a n d g o l f is, U
de
c o m p o n e n t p a r a l l e l aan de k a m l i j n en h de diepte. C^,, en Cp„, z i j n constantes. F o r m u l e (1) v o l g t d i r e c t u i t m a s s a b e h o u d . D e f o r m u l e geeft aan dat de s t r o o m s n e l h e i d toeneemt m e t a f n e m e n d e d i e p t e . V a n u i t de over de diepte g e m i d d e l d e s t r o o m s n e l h e i d U k a n de s t r o o m s n e l h e i d aan het o p p e r v l a k w o r d e n u i t g e r e k e n d . I n eerste b e n a d e r i n g b l i j k t f o r m u l e (1) o o k b r u i k b a a r v o o r de s t r o o m s n e l h e i d aan het o p p e r v l a k . E e n andere eenvoudige b o d e m s t r u c t u u r is een g e t i j g e u l . G e t i j g e u l e n k o m e n veel v o o r i n de Waddenzee. D e s t r o o m r i c h t i n g is langs de geulas, en de over de diepte g e m i d d e l d e s t r o o m s n e l h e i d v o l d o e t i n goede b e n a d e r i n g aan: V
= C
h
(2)
of U
= C/;'/^
M e r k o p dat i n een g e t i j g e u l de s t r o o m s n e l h e i d het g r o o t s t is i n het diepste gedeelte i n het m i d d e n v a n de g e u l . D h w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r b o d e m w r i j v i n g . I n het algemene geval dienen de o n d i e p - w a t e r - v e r g e l i j k i n g e n te w o r d e n opgelost. H i e r v o o r z i j n m o d e l l e n beschikbaar.
Echter, radarbeelden
h e b b e n een f i j n
rooster
(12.5 m b i j 12.5 m v o o r E R S - 1 beelden), t e r w i j l de beschikbare s t r o m i n g s m o d e l l e n een veel g r o v e r rooster h e b b e n ( v a n a f enkele h o n d e r d e n meters t o t enkele t i e n t a l l e n k i l o m e ters). I n de p r a k t i j k w o r d e n deze s t r o m i n g s m o d e l l e n g e b r u i k t o m een g r o f beeld v a n het s t r o m i n g s p a t r o o n te v e r k r i j g e n . D h beeld w o r d t v e r f i j n d aan de h a n d v a n een benader i n g v a n de o n d i e p - w a t e r - v e r g e l i j k i n g e n . 5.2
Golvenmodel
Ieder die een g o l v e n d w a t e r o p p e r v l a k goed b e k i j k t , zal versteld staan v a n de chaos die d a a r heerst. H e t w a t e r o p p e r v l a k verandert v o o r t d u r e n d v a n v o r m . G o l v e n m e t v e r s c h i l lende g o l f l e n g t e , verschillende h o o g t e en verschillende r i c h t i n g l o p e n k r i s - k r a s d o o r elk a a r heen. H e t l i j k t een schier o n m o g e l i j k e zaak hier o o k m a a r enig v e r b a n d i n te o n t dekken. T o c h v o l d o e t het g o l f o p p e r v l a k aan bepaalde w e t m a t i g h e d e n . O m deze te v i n d e n m o e t m e n de g o l v e n v a n u h de stadstiek beschouwen. E e n veel g e b r u i k t e g r o o t h e i d v o o r de b e s c h r i j v i n g v a n het g o l f o p p e r v l a k is het g o l f h o o g t e s p e c t r u m ^{k,e), w a a r i n k het g o l f g e t a l is {k = 27r/X met X de g o l f l e n g t e ) en 6 de h o e k tussen g o l f r i c h t i n g en w i n d r i c h t i n g . V o o r zekere waardes v a n ^ en e geeft ^(Ar,ö) aan hoe h o o g de g o l v e n m e t die lengte en die r i c h t i n g g e m i d d e l d z i j n [Phillips, 1980]. Het
b l i j k t dat het g o l f s p e c t r u m
^{k,e)
een s o o r t universele g r o o t h e i d is, het zoge-
100
n a a m d e e v e n w i c h t s s p e c t r u m , dat alleen a f h a n g t v a n de w i n d s n e l h e i d en het verschil i n l u c h t - en w a t e r t e m p e r a t u u r . D i t w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r een gecompUceerd samenspel tussen energietoevoer d o o r de w i n d , energieafvoer d o o r b r e k i n g en visceuze processen en u i t w i s s e l i n g v a n energie tussen de g o l v e n o n d e r l i n g d o o r niet-hneaire interacties. H e t g o l f s p e c t r u m h e e f t een scherpe p i e k v o o r lange g o l v e n ( g o l f l e n g t e enkele t i e n t a l l e n t o t enkele h o n d e r d e n meters). D e precieze plaats v a n de p i e k h a n g t a f v a n de w i n d s n e l h e i d : hoe sterker de w i n d , hoe langer en hoger de g o l v e n . Deze g o l v e n z i j n het hoogst i n de w i n d r i c h t i n g . D e h o o g t e v a n de k o r t e g o l v e n ( g o l f l e n g t e tussen 1 c m en 1 m ) varieert w e i n i g met de w i n d s n e l h e i d . Z i j v o l d o e n aan (3)
waarin
een constante is (de P h i l l i p s - c o n s t a n t e ) . D e P h i l l i p s - c o n s t a n t e h a n g t z w a k a f
v a n de w i n d s n e l h e i d en de h o e k tussen w i n d - en g o l f r i c h t i n g . D i t betekent dat de k o r t e g o l v e n i n alle r i c h t i n g e n v r i j w e l even h o o g z i j n . H e t e f f e c t v a n stromingsvariaties o p het g o l f s p e c t r u m w o r d t beschreven d o o r de zogen a a m d e a c t i e b a l a n s v e r g e l i j k i n g , een p a r t i ë l e d i f f e r e n t i a a l v e r g e l i j k i n g . V e r s n e l l i n g e n en v e r t r a g i n g e n i n de s t r o o m s n e l h e i d h a l e n het g o l f s p e c t r u m u i t z i j n e v e n w i c h t s t o e s t a n d . D e processen v a n energietoevoer, dissipatie en o n d e r l i n g e u i t w i s s e l i n g v a n energie z u l l e n het e v e n w i c h t herstellen. D e snelheid waarmee d i t gebeurt, de zogenaamde relaxatiesnelh e i d , is v a n .groot belang v o o r de a f b e e l d i n g v a n b o d e m t o p o g r a f i e : hoe k l e i n e r de relaxatiesnelheid, dus hoe meer t i j d de g o l v e n n o d i g hebben o m t e r u g te keren n a a r h u n evenw i c h t s h o o g t e , h o e sterker het e f f e c t v a n stromingsvariaties o p het g o l f s p e c t r u m . D e reknxatiesnelheid is niet goed b e k e n d . E r bestaan m o d e l l e n ( e i g e n l i j k p a r a m e t r i s a ties), verkregen u i t m e t i n g e n en theoretische o v e r w e g i n g e n , d o c h deze m o d e h e n k u n n e n o n d e r h n g een o r d e v a n g r o o t t e o f meer verschillen. 5.3
Radarverstrooiing
D e hoeveelheid teruggekaatste r a d a r s t r a h n g v a n 1 TC? zeeoppervlak w o r d t gegeven d o o r de zogenaamde r a d a r d o o r s n e d e ffg. E r bestaat een a a n t a l m o d e l l e n o m a^ te berekenen wanneer het g o l f s p e c t r u m b e k e n d is. H e t eenvoudigste, en d a a r o m meest g e b r u i k t e m o d e l is eerste-orde-Bragg v e r s t r o o ü n g [Valenzuela,
1978]. D e r a d a r d o o r s n e d e v o l d o e t aan (4)
H i e r i n is lc = 2-KA het g o l f g e t a l v a n de i n k o m e n d e r a d a r s t r a h n g m e t g o l f l e n g t e X. D e i n v a l s h o e k is 6, w e l k e gemeten w o r d t t e n opzichte v a n de v e r t i c a a l . D e f u n c t i e g h a n g t a f v a n de i n v a l s h o e k en v a n de p o l a r i s a t i e v a n de i n k o m e n d e r a d a r s t r a l i n g , p, en die v a n de t e r u g g e s t r o o i d e r a d a r s t r a l i n g , g. H e t b e l a n g r i j k s t e aan f o r m u l e (4) is d a t ctq evenred i g is m e t de g e m i d d e l d e h o o g t e v a n de w a t e r g o l v e n met g o l f g e t a l ±l(^.
D i t golfgetal
heet het B r a g g g o l f g e t a l . D e g r o o t t e v a n het B r a g g g o l f g e t a l w o r d t gegeven d o o r Atr = 2ArsinÖ.
(5)
V o o r b e e l d v o r m e n d e radars l i g t de w a a r d e v a n 6 r u w w e g tussen 2 0 ° en 7 0 ° , z o d a t de r a d a r g o l v e n v e r s t r o o i e n aan w a t e r g o l v e n w a a r v a n de g o l f l e n g t e ongeveer even g r o o t is als die v a n de r a d a r g o l v e n . D e meeste b e e l d v o r m e n d e radars h e b b e n een g o l f l e n g t e tus-
101
ciirnMÜ
v/avo
modsl
niodol
airnplilied balliymetry
=
^
liyïcanëfiji; model
dalj aasImlIalloM
A
traditionoliiliÏÏN. balhymetry \< jneasurementsi;^
Figuur
::measiired radat acatter
6.
Schema
van het Bathymetry
Assessment
System
(BAS).
sen de 3 c m en 30 c m , dus de r a d a r g o l v e n r e f l e c t e r e n aan k o r t e w a t e r g o l v e n . E r bestaan betere m o d e l l e n , d o c h deze z i j n gecomphceerder en vergen meer r e k e n t i j d o p de c o m p u t e r . O o k i n deze m o d e l l e n w o r d t de meeste r a d a r s t r a h n g v e r s t r o o i d d o o r korte watergolven. 6. Het Bathymetry
Assessment
System
l n de b e g i n j a r e n (1987 - 1991) is veel aandacht besteed aan m o d e h e r i n g v a n het b e e l d v o r m e n d m e c h a n i s m e . E r is een reeks v a n e x p e r i m e n t e n u h g e v o e r d m e t S L A R 1989; Vogelzang al., 1991; Calkoen [Vogelzang
et al., 1989; Vogelzang and van der Kooij,
[Vogelzang,
et al., 1992], m e t a h b o r n e S A R [Vogelzang
1993; Van der Kooij
et
et al., 1995], en m e t de E R S - 1
et al., 1994]. D e e x p e r i m e n t e n v o n d e n plaats i n een gebied m e t z a n d g o l v e n
v o o r de N e d e r l a n d s e k u s t b i j N o o r d w i j k , m e t steun v a n de Beleidscommissie R e m o t e Sensing ( B C R S ) en de E E G . D i t testgebied h e e f t een eenvoudige b o d e m s t r u c t u u r , z o d a t eenvoudige m o d e l l e n toegepast k u n n e n w o r d e n . I n de l o o p der j a r e n z i j n de m o d e l l e n steeds verder u i t g e b r e i d en v e r f i j n d , zodat het b e e l d v o r m e n d mechanisme n u r e d e l i j k goed begrepen is. Gegeven de diepte k a n i n veel ( m a a r niet alle) gevallen b e r e k e n d w o r d e n hoe het r a d a r b e e l d e r u i t z a l zien. D i t gebeurt m e t het zogenaamde v o o r w a a r t s e m o d e l , dat bestaat u i t een s t r o m i n g s m o d e l , een g o l v e n m o d e l en een r a d a r v e r s t r o o i i n g s m o del (zie p a r a g r a a f 5 ) . V a n u i t w e t e n s c h a p p e l i j k o o g p u n t is d h zeer b e v r e d i g e n d . V a n u i t p r a k t i s c h o o g p u n t z o u m e n j u i s t het omgekeerde w i l l e n : u i t een r a d a r b e e l d de diepte berekenen. M e n z o u het v o o r w a a r t s e m o d e l dus w i l l e n i n v e r t e r e n . N u is directe inversie niet m o g e l i j k , t e n z i j er e x t r a b e n a d e r i n g e n g e m a a k t w o r d e n . E c h t e r , het m o d e l w o r d t d a n d u s d a n i g vereenv o u d i g d dat het n i e t meer realistisch i s . V a n a f 1991 is het W a t e r l o o p k u n d i g L a b o r a t o r i u m b e g o n n e n m e t het o n t w i k k e l e n v a n een n u m e r i e k e i n v e r s i e m e t h o d e [Vogelzang, 1993]. T i j d e n s deze o n t w i k k e l i n g w e r d d u i d e l i j k d a t de n a u w k e u r i g h e i d v a n de berekende dieptes a a n z i e n l i j k toeneemt wanneer
102
een b e p e r k t a a n t a l e c h o l o d i n g e n w o r d t meegenomen. D i t leidde t o t het zogenaamde Bat h y m e t r y Assessment System ( B A S ) . F i g u u r 6 geeft een schematische
weergave.
U i t g a a n d e v a n een eerste schatting v a n de diepte w o r d t m e t b e h u l p v a n het v o o r w a a r t se m o d e l b e r e k e n d hoe het r a d a r b e e l d e r u i t zal zien. H e t berekende r a d a r b e e l d w o r d t vergeleken m e t het 'echte' r a d a r b e e l d . N u w o r d t er v a n uitgegaan dat het v o o r w a a r t s e m o d e l goed is, en dat alle verschillen tussen het berekende en het gemeten r a d a r b e e l d een gevolg z i j n v a n f o u t e n i n de diepte. A a n de h a n d v a n de verschillen w o r d t de diepte aangepast, w a a r b i j de beschikbare raaien m e t e c h o l o d i n g e n dienen als r a n d v o o r w a a r d e : langs de raaien m a g de diepte niet ( o f niet te veel) a f w i j k e n v a n de l o d i n g e n . D i t proces w o r d t h e r h a a l d t o t d a t het berekende r a d a r b e e l d zo goed m o g e l i j k l i j k t o p het gemeten r a d a r b e e l d . D e diepte w a a r b i j d i t optreedt is een s c h a t t i n g v o o r de w e r k e l i j k e diepte. I n het B A S geschiedt het aanpassen v a n de diepte d o o r het m i n i m a l i s e r e n v a n een k o s t e n functie. H e t v o o r w a a r t s e m o d e l m o e t een a a n t a l k e r e n d o o r l o p e n w o r d e n eer de o v e r e e n k o m s t tussen b e r e k e n d en gemeten r a d a r b e e l d goed is. D a a r o m k u n n e n alleen r e l a t i e f eenvoudige m o d e l l e n g e b r u i k t w o r d e n . D e snelheid w a a r m e e de b e r e k e n i n g convergeert h a n g t a f v a n hoe goed de eerste schatt i n g v a n de diepte is. H o e dichter de eerste schatting b i j de w e r k e l i j k h e i d l i g t , des te sneller z a l de b e r e k e n i n g convergeren. E e n goede eerste s c h a t t i n g k a n w o r d e n v e r k r e g e n u i t oude m e t i n g e n e n / o f u i t een r a d a r b e e l d d o o r analytische inversie v a n een sterk vereenvoudigd model. H e t g o l f m o d e l bevat de relaxatiesnelheid. Deze parameter b e p a a h de sterkte v a n de c o n t r a s t e n i n een r a d a r b e e l d b i j gegeven s t r o m i n g . E c h t e r , de relaxatiesnelheid is slecht b e k e n d . D a a r o m w o r d t v o o r a f de relaxatiesnelheid b e r e k e n d ( ' g e f i t ' ) aan de h a n d v a n de e c h o l o d i n g e n . I n het B A S w o r d e n e c h o l o d i n g e n en radarbeelden g e c o m b i n e e r d t o t een d i e p t e k a a r t , w a a r b i j g e b r u i k g e m a a k t w o r d t v a n kennis v a n het b e e l d v o r m e n d m e c h a n i s m e . M e n k a n het B A S o o k z i e n als een systeem v o o r i n t e r p o l a t i e : langs de raaien m e t e c h o l o d i n g e n is de diepte b e k e n d . Tussen de r a a i e n w o r d t de diepte geschat ( g e ï n t e r p o l e e r d ) o p basis v a n de b o d e m i n f o r m a t i e i n een r a d a r b e e l d . H e t grote v o o r d e e l v a n het B A S b o v e n bestaande methodes is d a t de i n t e r p o l a t i e w o r d t g e s t u u r d d o o r fysische i n f o r m a t i e . 7. Enkele
voorbeelden
H e t ' W a t e r l o o p k u n d i g L a b o r a t o r i u m h e e f t het B A S een a a n t a l keren g e d e m o n s t r e e r d , z o w e l v o o r o l i e m a a t s c h a p p i j e n als v o o r R i j k s w a t e r s t a a t . H e t v o e r t te ver o m alle resultat e n te presenteren, z o d a t twee aansprekende v o o r b e e l d e n hier b e h a n d e l d w o r d e n . H e t eerste v o o r b e e l d is een d e m o n s t r a t i e v o o r de k u s t v a n Zeebrugge t e n behoeve v a n het leggen v a n een p i j p l e i d i n g v o o r gastransport v a n de N o o r s e Zee n a a r Zeebrugge [Hesselmans
et al.,
1993]. I n de verkennende fase is d i e p t e i n f o r m a t i e n o d i g over een
g r o o t gebied, m a a r m e t lage n a u w k e u r i g h e i d . V o o r de u i t v o e r i n g is de diepte n o d i g i n een k l e i n gebied (de v o o r g e n o m e n r o u t e en een s t r o o k v a n 200 m aan w e e r s z i j d e n ) , m a a r n u m e t hoge n a u w k e u r i g h e i d . N o r m a l i t e r m o e t e n ongeveer 18 r a a i e n gevaren w o r d e n , r e s u l t e r e n d i n een d i e p t e k a a r t m e t een n a u w k e u r i g h e i d v a n ongeveer 20 c m . M e t het B A S volstaat het o m alleen de buitenste raaien te v a r e n . H e t hele gebied b i n n e n de r a a i e n k a n g e ï n t e r p o l e e r d w o r d e n o p basis v a n een r a d a r b e e l d , m e t een n a u w k e u r i g h e i d v a n 26 c m . F i g u u r 7 g e e f t langs de r o u t e de diepte gemeten m e t e c h o l o o d ( g e t r o k k e n l i j n ) en de d o o r het B A S geschatte diepte ( s t r e e p j e s l i j n ) . D e grootste v e r s c h i l l e n t r e d e n o p b i j dieptes v a n meer d a n 30 m . H e t tweede v o o r b e e l d is de H e n d r i k T j a a r s p l a a t i n de Waddenzee [Calkoen
and
Wen-
103
Meosured a n d e s t i m o t e d d e p t h OF
-10
Ë -20
£ CL U XI
-30
-40 770
780
790 KP
Figuur
800
810
[km]
7.
Resultaten
van tiet
voor
de demonstratie
sink,
1993; Calkoen
BAS bij
(streepjeslijn)
vergeleken
met
ecliolodingen
(getrokken
lijn)
Zeebrugge.
et al., 1995]. D e r g e l i j k e p l a t e n z i j n m o e i l i j k te bemeten m e t echo-
l o o d , aangezien ze alleen b i j h o o g w a t e r v o o r k o r t e t i j d t o e g a n k e l i j k z i j n . Z e d i c t e r e n d a a r o m het gehele m e e t p r o g r a m m a . G e w o o n l i j k w o r d t een r a a i a f s t a n d v a n 200 m aang e h o u d e n . I n de d e m o n s t r a t i e is uitgegaan v a n een gebied v a n ongeveer 2.5 k m b i j 5 k m . D i t gebied is verdeeld i n twee v i e r k a n t e n , v a n e l k 2.5 b i j 2.5 k m . D e e c h o l o d i n g e n o p de s n i j p u n t e n v a n de v i e r k a n t e n z i j n langs de v i e r k a n t e n g e ï n t e r p o l e e r d , z o d a t het net leek a l s o f het schip precies langs de v i e r k a n t e n was gevaren. V e r v o l g e n s is de diepte b i n n e n de v i e r k a n t e n g e ï n t e r p o l e e r d m e t het B A S . D e n a u w k e u r i g h e i d v a n de s c h a t t i n g k o n w o r d e n b e p a a l d d o o r te resultaten v a n het B A S te v e r g e l i j k e n m e t de niet g e b r u i k t e echolodingen. B i j g e b r u i k v a n é é n r a d a r b e e l d was de r . m . s . a f w i j k i n g 27 c m , de m a x i m a l e a f w i j k i n g 100 c m en de g e m i d d e l d e a f w i j k i n g (bias) 9 c m [Calkoen and Wensink, 1993]. D e g r o o t ste a f w i j k i n g e n w e r d e n g e v o n d e n b o v e n een k l e i n e geul. D e h o r i z o n t a l e p o s i t i o n e r i n g v a n de r a d a r b e e l d e n was n o g v r i j slecht, w a a r d o o r g r o t e verticale a f w i j k i n g e n b o v e n geulen k u n n e n o p t r e d e n . B i j g e b r u i k v a n v i e r radarbeelden k o n de r . m . s . a f w i j k i n g w o r d e n t e r u g g e b r a c h t n a a r 19.5 c m . D e m a x i m a l e a f w i j k i n g liep t e r u g t o t 70 c m , en de bias t o t 5 c m [Calkoen al.,
et
1995]. M e r k o p dat de r . m . s . a f w i j k i n g even g r o o t is als die i n een e c h o l o o d . D e
besparing i n scheepstijd bedraagt ongeveer een f a c t o r 10. 5.
Toekomst
Bovenstaande resultaten w a r e n v o o r R i j k s w a t e r s t a a t v o l d o e n d e reden o m het B A S verder aan de t a n d te v o e l e n . W a n n e e r deze tests g o e d v e r l o p e n , zal v a n het h u i d i g e , e x p e r i mentele systeem een o p e r a t i o n e e l inzetbaar systeem g e m a a k t w o r d e n . O f s c h o o n d i t zeker n o g enkele j a r e n z a l vergen, ziet het er t o c h naar u i t dat r a d a r i n de n a b i j e t o e k o m s t een o n m i s b a a r h u l p m i d d e l zal w o r d e n b i j het k a r t e r e n v a n de zeebodem.
104
Referenties 1.
A l p e r s , W . , a n d I . H e n n i n g s , 1984, A t h e o r y o f the i m a g i n g m e c h a n i s m o f underwater b o t t o m t o p o g r a p h y b y real a n d synthetic aperture r a d a r . Journal sical Research,
2.
of
Geophy-
89 ( C 6 ) , 10,529-10,546.
C a l k o e n , C . J . , a n d M . W . A . v a n der K o o i j , 1993, T h e i m a g i n g o f sea b o t t o m t o p o g r a p h y w h h p o l a r i r n e t r i e P-, L - a n d C - b a n d S A R . N e t h e r l a n d s R e m o t e Sensing B o ard report BCRS-93-16, D e l f t , Netherlands.
3.
C a l k o e n , C . J . , a n d G . J . W e n s i n k , 1993, Use o f E R S - 1 S A R t o o p t i m i z e ship-based b a t h y m e t r i c surveys i n the W a d d e n z e e . D e l f t H y d r a u l i c s r e p o r t H 1985, M a r k n e s se,
4.
Netherlands.
Calkoen, C J . ,
G.J. Wensink, J.Vogelzang, and P.P.
H e i n e n , 1995, E I B E R S :
E f f i c i e n c y I m p r o v e m e n t o f B a t h y m e t r i c surveys w i t h E R S - 1 . N e t h e r l a n d s
Remote
Sensing B o a r d r e p o r t B C R S - 9 5 - 0 1 , D e l f t , N e t h e r l a n d s . 5.
Hesselmans, G . H . P . M . , G . J . W e n s i n k , C . J . C a l k o e n a n d H . S i d h u , 1993, A p p l i c a t i o n o f E R S - 1 S A R data t o s u p p o r t the r o u t i n g o f o f f s h o r e pipelines. N e t h e r lands R e m o t e Sensing B o a r d r e p o r t BCRS-93-34, D e l f t , N e t h e r l a n d s .
6.
V a n der K o o i j , M . W . A . , J. V o g e l z a n g , a n d C . J . C a l k o e n , 1995. A s i m p l e a n a l y t i cal m o d e l f o r the m o d u l a t i o n o f sand waves i n r a d a r i m a g e r y . Journal cal Research,
of
Geophysi-
100 ( C 4 ) , 7069-7082.
7.
D e L o o r , G . P . , a n d H . W . B r u n s v e l d v a n H u l t e n , 1978, M i c r o w a v e measurements
8.
D e L o o r , G . P . , 1 9 8 1 , T h e o b s e r v a t i o n o f t i d a l p a t t e r n s , currents a n d b a t h y m e t r y
over the N o r t h Sea. Boundary
Layer
w i t h S L A R i m a g e r y o f the sea. IEEE
Meteorology, Transactions
13, 119-131. on Oceanic
Engineering,
OE6,
124-129, 9.
P h i l l i p s , O . M . , 1980, The dynamics
of the upper
ocean.
Cambridge University
Press, N e w Y o r k . 10.
V a l e n z u e l a , G . R . , 1978, Theories f o r the i n t e r a c t i o n o f electromagnetic a n d ocean waves - a r e v i e w . Boundary
11.
Layer
Meteorology,
13, 61-85.
V o g e l z a n g , J . , 1989, T h e m a p p i n g o f b o t t o m t o p o g r a p h y w i t h i m a g i n g r a d a r . A c o m p a r i s o n o f the h y d r o d y n a m i c m o d u l a t i o n i n some existing m o d e l s . nal Journal
12.
of Remote
Sensing,
Internatio-
10, 1503-1518.
V o g e l z a n g , J . , G . J . W e n s i n k , G . P . de L o o r , H . C . Peters, H . P o u w e l s , a n d W . A . v a n G e i n , 1989, Sea b o t t o m t o p o g r a p h y w i t h X - b a n d S L A R . N e t h e r l a n d s
Remote
Sensing B o a r d r e p o r t BCRS-89-25, D e l f t , N e t h e r l a n d s . 13.
V o g e l z a n g , J . , G . J . W e n s i n k , C . J . C a l k o e n , a n d M . W . A . v a n der K o o i j , 1991, Sea b o t t o m t o p o g r a p h y w i t h p o l a r i m e t r i e P-, L - a n d C - b a n d S A R . N e t h e r l a n d s R e m o te Sensing B o a r d r e p o r t B C R S - 9 1 - 4 0 , D e l f t , N e t h e r l a n d s .
14.
V o g e l z a n g , J . , G . J . W e n s i n k , G . P . de L o o r , H . C . Peters, a n d H . P o u w e l s , 1992, Sea b o t t o m t o p o g r a p h y w i t h X - b a n d S L A R : the r e l a t i o n between r a d a r i m a g e r y a n d b a t h y m e t r y . International
15.
Journal
of Remote
Sensing,
13, 1943-1958.
V o g e l z a n g , J . , 1993, M a p p i n g o f sea b o t t o m t o p o g r a p h y i n a m u l t i - s e n s o r a p p r o ach. I n : Mast
days
and EUROMAR
market,
ed. M . W e y d e r t a n d C . F r a g a k i s ,
C o m m i s s i o n o f the E u r o p e a n C o m m u n i t i e s , Brussels, 534-549. 16.
V o g e l z a n g , J . , H . G r e i d a n u s , G . J . W e n s i n k , a n d R. v a n S w o l , 1994, M a p p i n g o f sea b o t t o m t o p o g r a p h y w i t h E R S - 1 C - b a n d S A R . N e t h e r l a n d s R e m o t e Sensing B o ard report BCRS-94-27, D e l f t , Netherlands.
DE D Y N A M I C A V A N D E LITHOSFEER IN H E T M I D D E L L A N D S E ZEE-GEBIED door M.J.R. Wortel
Inleiding D e theorie v a n p l a a t t e l i t o n i e k b e s c h r i j f t en v e r k l a a r t de grootschahge bewegingen die a a n o f n a b i j het a a r d o p p e r v l a k p l a a t s v i n d e n . H e t b e g r i p ' l i t h o s f e e r ' speelt h i e r b i j een s l e u t e l r o l . D e h t h o s f e e r is i n z i j n geheel de buitenste schil v a n de aarde, met een d i k t e die enigermate a f h a n k e l i j k is v a n het type h t h o s f e e r . E r w o r d e n twee h o o f d t y p e n o n d e r scheiden: de oceanische en de c o n t i n e n t a l e h t h o s f e e r . D e d i k t e v a n de oceanische h t h o sfeer varieert v a n slechts enkele k i l o m e t e r s o n d e r oceanische r u g g e n t o t ongeveer 120 k m o n d e r de diepste delen v a n de oceanen. Over de d i k t e v a n de c o n t i n e n t a l e h t h o s f e e r is m i n d e r b e k e n d ; deze l i g t w a a r s c h i j n l i j k tussen de 100 en 200 k m . D e t o t a l e h t h o s f e e r v a n de aarde is opgedeeld i n een t i e n t a l delen: de z . g . p l a t e n . Deze bewegen - als m i n o f meer starre eenheden - t e n o p z i c h t e v a n elkaar. F i g u u r 1 t o o n t de p l a t e n en de relatieve snelheden langs de p l a a t g r e n z e n i n m m / j a a r . D e meeste p l a t e n bestaan u i t z o w e l c o n t i n e n t a l e als oceanische h t h o s f e e r ; de b e l a n g r i j k s t e u i t z o n d e r i n g e n z i j n de P a c i f i s c h e p l a a t , die het grootste deel v a n de Stille Oceaan o m v a t , en de k l e i n e r e N a z c a p l a a t , t e n westen v a n Z u i d - A m e r i k a . I n de p l a a t g r e n z e n z i j n d r i e t y p e n te onderscheiden: (1) Spreidende oceanische r u g g e n ( i n F i g u u r 1 aangegeven m e t divergerende p i j l e n ) . L a n g s deze grenzen k o m t mantelgesteente (met een t e m p e r a t u u r v a n 1000-1200 g r a d e n Celsius) o m h o o g ; d o o r a f k o e l i n g v i n d t ' a a n g r o e i ' v a n de oceanische h t h o s f e e r plaats. I n z o w e l de A t l a n t i s c h e , de Stille als de I n d i s c h e Oceaan v i n d e n w e d e r g e l i j k e r u g g e n . (2) Z i j s c h u i v i n g e n ( ' t r a n s f o r m ' b r e u k e n ) , w a a r p l a t e n i n h o r i z o n t a l e r i c h t i n g langs elk a a r bewegen. D e San A n d r e a s b r e u k i n C a l i f o r n i ë is het bekendste v o o r b e e l d v a n d i t type plaatgrens. (3) Subductiezones ( i n F i g u u r 1 aangegeven m e t naar elkaar toe gerichte p i j l e n ) . H i e r b i j s c h u i f t de ene l i t h o s f e e r - p l a a t (meestal v a n het oceanische type) o n d e r de aangrenzende (meestal v a n het c o n t i n e n t a l e t y p e ) . Subductiezones k o m e n v o o r langs v r i j w e l de gehele n o o r d - en westgrens v a n de P a c i f i s c h e p l a a t ( o . a . J a p a n ) , i n I n d o n e s i ë , i n het M i d d e l landse Zee-gebied en enkele andere gebieden. V o o r a l langs p l a a t g r e n z e n v a n de laatste s o o r t , subductiezones, v i n d e n vele i n g r i j p e n de geologische processen plaats, zoals a a r d b e v i n g e n , v u l k a n i s m e en g e b e r g t e v o r m i n g .
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 13 februari 1995.
106
Figuur 1. Overzichl van de platen waarin de lithosfeer van de aarde is opgedeeld, met hun plaatgrenzen. Van elkaar af gerichte pijlen geven spreidende oceanische ruggen aan, naar elkaar toegerichte pijlen subductiezones en evenwijdige pijlen 'transform' breuken. De relatieve snelheden bij de plaatgrenzen zijn aangegeven in mm/jaar.
I n de p l a a t t e k t o n i e k h e e f t de n a d r u k t o t n u t o e , en m e t succes (zie F i g u u r 1), v o o r a l gelegen o p de k i n e m a t i c a , i n het b i j z o n d e r de h o r i z o n t a l e bewegingen. V e r t i c a l e bewegingen en i n het algemeen de d y n a m i c a v a n bewegingen langs subductiezones z i j n veel m i n d e r g o e d begrepen. Het
Middellandse
Zee-gebied
I n deze v o o r d r a c h t staat het M i d d e l l a n d s e Zeegebied c e n t r a a l . I n F i g u u r 1 is aangegeven dat de A f r i k a a n s e p l a a t en de E u r a z i a t i s c h e p l a a t elkaar naderen en w e l m e t een snelheid v a n 13 m m / j a a r , hetgeen d u i d e l i j k m i n d e r is d a n i n andere subductiezones.
Subductie
is w e l het h o o f d p r o c e s , m a a r de geometrie v a n de subductiezone is g e c o m p l i c e e r d . D a a r o m is het gebied i n f e i t e geen subductiezone die direct v e r g e l i j k b a a r is m e t die langs de w e s t k u s t v a n Z u i d - A m e r i k a , i n J a p a n o f i n I n d o n e s i ë . H e t v o r m t veeleer een brede en zeer c o m p l e x e c o n t a c t z o n e tussen de A f r i k a a n s e p l a a t en de E u r a z i a t i s c h e p l a a t . U h geologische gegevens is a f g e l e i d dat het k a r a k t e r v a n d i t c o n t a c t v o o r t d u r e n d a a n verander i n g e n o n d e r h e v i g is geweest, hetgeen geleid h e e f t t o t v o r m i n g v a n gebergten, b e w e g i n gen v a n c o n t i n e n t a l e ' f r a g m e n t e n ' (zoals C o r s i c a , S a r d i n i ë , K r e t a ) , en d a l i n g v a n de E g e ï s c h e Zee ( o o r s p r o n k e l i j k een c o n t i n e n t a a l gebied). Eerste-orde c o n c e p t e n geven h i e r v o o r geen bevredigende v e r k l a r i n g .
plaattektonische
107
V i a t o m o g r a f i s c l i e m e t l i o d e n is recent u i t g e b r e i d e nieuwe i n f o r m a t i e v e r k r e g e n over de 3-dimensionale s t r u c t u u r v a n het i n w e n d i g e v a n de aarde i n en onder het M i d d e l l a n d s e Zee-gebied (zie S p a k m a n et a l . [ 1 ] ) . Deze 3 D - s t r u c t u u r k o m t t o t u i t i n g i n k l e i n e a f w i j k i n g e n v a n de snelheid v a n ( l o n g i t u d i n a l e ) seismische g o l v e n t . o . v . een r a d i a a l s y m m e t r i s c h s n e l h e i d s m o d e l v a n de aarde. Deze i n f o r m a t i e b i e d t u n i e k e m o g e l i j k h e d e n de o o r zaken v a n b o v e n g e n o e m d e v e r a n d e r i n g e n te o n d e r z o e k e n . I n de F a c u l t e i t A a r d w e t e n schappen v a n de U n i v e r s i t e h U t r e c h t is i n d i t v e r b a n d de aandacht i n het b i j z o n d e r ger i c h t o p twee o n d e r z o e k t h e m a ' s : (1) de relatie tussen h u i d i g e s t r u c t u u r en de processen die deze s t r u c t u u r v e r o o r z a a k t h e b b e n o f v e r o o r z a k e n (de s t r u c t u u r als ' s n a p s h o t ' v a n de d y n a m i s c h e processen), en (2) de relade tussen processen i n de b o v e n m a n t e l ( t o t een diepte v a n ca. 700 k m ) en geologische processen aan o f n a b i j het a a r d o p p e r v l a k . Van structuur
en /cinematica
naar
dynamica
H e t M i d d e l l a n d s e Zee-gebied is al enkele decennia l a n g een gebied dat intensieve aandacht k r i j g t v a n verschihende a a r d w e t e n s c h a p p e l i j k e subdisciplines. D i t h e e f t geleid t o t zogenaamde t e k t o n i s c h e reconstructies w a a r b i j de geologische e v o l u t i e v a n het gebied is weergegeven i n een serie gereconstrueerde c o n f i g u r a t i e s v o o r verschillende geologische p e r i o d e n , t e r u g g a a n d t o t meer d a n 100 m i l j o e n j a a r ( M a ) geleden. P r o m i n e n t e en recente v o o r b e e l d e n v a n d e r g e l i j k e reconstructies z i j n die v a n D e r c o u r t et a l . [2] en D e w e y et a l . [ 3 ] . Deze reconstrucdes z i j n gebaseerd o p c o m p i l a t i e s v a n zeer u h g e b r e i d e d a t a bestanden v a n v e r s c h i h e n d k a r a k t e r ( v e r z a m e l d aan o f n a b i j het a a r d o p p e r v l a k ) . O p v a l l e n d i n de reconstructies z i j n de grote h o r i z o n t a l e bewegingen die c o n t i n e n t a l e f r a g m e n t e n , zoals C o r s i c a en S a r d i n i ë , het A p e n n i j n s e schiereiland en K r e t a , i n de l o o p v a n de geologische geschiedenis hebben d o o r g e m a a k t . Deze h o r i z o n t a l e bewegingen m o e t e n gek o p p e l d z i j n geweest aan verticale bewegingen o p g r o t e schaal. D o o r r o t a t i e ( i n de r i c h t i n g tegen de k l o k i n ) is I t a l i ë de plaats i n gaan n e m e n v a n de h t h o s f e e r die vroeger ten o o s t e n v a n het roterende gebied l a g . S u b d u c t i e v a n deze ( w a a r s c h i j n l i j k oceanische) l i t h o s f e e r i n de b o v e n m a n t e l is het meest i n a a n m e r k i n g k o m e n d e proces o m d e r g e l i j k e bewegingen te a c c o m m o d e r e n . D e nieuwe i n f o r m a t i e b e t r e f f e n d e de b o v e n m a n t e l s t r u c t u u r stelt ons n u i n staat o m de (naast e l k a a r ) bestaande tektonische reconstructies aan een v o l l e d i g n i e u w e test te o n d e r w e r p e n (zie D e Jonge et a l . [ 4 ] ) . W e l k e t e k t o n i s c h e r e c o n s t r u c t i e , gebaseerd o p o p p e r vlaktegegevens, levert een m o d e l p r e d i c t i e v o o r de b o v e n m a n t e l s t r u c t u u r die overeenk o m t m e t de u i t t o m o g r a f i s c h o n d e r z o e k bepaalde b o v e n m a n t e l s t r u c t u u r ? D e m o d e l p r e dictie w o r d t g e m a a k t v i a v o o r w a a r t s e n u m e r i e k e m o d e l l e r i n g , w a a r b i j de te testen t e k t o nische r e c o n s t r u c t i e als een set v a n k i n e m a t i s c h e r a n d v o o r w a a r d e n v o l l e d i g a a n g e h o u d e n w o r d t . D e m o d e l l e r i n g o m v a t een b e r e k e n i n g v a n de t e m p e r a t u u r v e r d e l i n g i n de h t h o s f e e r en b o v e n m a n t e l als f u n c t i e v a n de t i j d , v a n ca. 100 m i l j o e n j a a r geleden t o t hed e n . A f w i j k i n g e n v a n een r a d i a a l s y m m e t r i s c h e t e m p e r a t u u r v e r d e l i n g l e i d e n v i a de t e m p e r a t u u r a f h a n k e l i j k h e i d v a n de seismische snelheid t o t s n e l h e i d s a n o m a U e ë n , w e l k e vergeleken w o r d e n m e t die, a f g e l e i d u i t t o m o g r a f i s c h o n d e r z o e k [ 1 ] . F i g u u r 2 t o o n t de m o d e l v o o r s p e l l i n g v a n de s t r u c t u u r onder I t a l i ë volgens twee verschillende reconstructies, D R C - 1 , volgens D e r c o u r t et a l . [ 2 ] , en D R W , volgens D e w e y et a l . [ 3 ] . D e laatste m o d e l v o o r s p e h i n g v e r t o o n t , a h h a n s i n d i t gebied, een iets betere o v e r e e n k o m s t m e t de t o m o g r a f i s c h e resultaten ( E U R 8 9 B , onderste deel f i g u u r 2 ) d a n de eerste. I n grote l i j n e n echter k a n geconcludeerd w o r d e n dat de m o d e l v o o r s p e l l i n g e n v a n beide reconstructies een goede o v e r e e n s t e m m i n g m e t de t o m o g r a f i s c h bepaalde s t r u c t u u r laten zien.
108
Figuur 2. Structuur van de lithosfeer en bovenmantel onder Italië. Van boven naar beneden: (a) de dikke lijn in deze deelfiguur toont de locatie van de verticale sectie in de andere deelfiguren; (b,c,d) afgebeeld zijn de snelheidsanomalieën van longitudinale golven in termen van procenten ten opzichte van een radiaalsymmetrisch refererUiemodel; de horizontale schaal (in km) is gelijk aan de verticale (maximum diepte 800 km). (b) modelpredictie voor de structuur op basis van reconstructie van Dercourt et al. [[2]; (c) als (b), maar nu voor reconstructie van Dewey et at. [3]; (d) structuur zoals bepaald door Spakman et al. [Ij.
E e n o p v a l l e n d e discrepantie tussen z o w e l m o d e l D R C - 1 als D R W e n e r z i j d s , en de t o m o g r a f i e { E U R 8 9 B ) a n d e r z i j d s , is echter d u i d e l i j k i n F i g u u r 2: o p d i e p t e n t o t ca. 200 k m is de v o o r s p e l d e hogesnelheidsanomalie niet aanwezig i n de t o m o g r a f i e ( E U R 8 9 B ) . W o r tel en S p a k m a n [5] i n t e r p r e t e r e n d i t als evidentie v o o r het l o s r a k e n v a n het diepere deel v a n de gesubduceerde l i t h o s f e e r , aangeduid m e t 'slab d e t a c h m e n t ' ( w a a r b i j ' s l a b ' verw i j s t naar de p l a a t v o r m i g e geometrie v a n o n d e r s c h o v e n l i t h o s f e e r ) . Deze discrepantie w o r d t eveneens geconstateerd onder het E g e ï s c h e gebied en de Peloponnesos, F i g u u r 3 t o o n t een schematische weergave v a n de m e t t o m o g r a f i e bepaalde s t r u c t u u r onder het E g e ï s c h e gebied. A l s hypothese is g e f o r m u l e e r d dat de v o r m v a n de scheur i n de gesubduceerde h t h o s f e e r het gevolg is v a n een steeds verder i n h o r i z o n t a l e r i c h t i n g u i t b r e i d e n v a n de i n s c h e u r i n g ( ' l a t e r a l m i g r a t i o n o f slab d e t a c h m e n t ' ) . N u m e r i e k e m o d e l s t u d i e s v a n de spanningstoestand i n een subductiezone ondersteunen deze hypothese [ 6 ] . H e t l o s r a k e n v a n (delen v a n ) gesubduceerde l i t h o s f e e r l e i d t t o t een i n g r i j p e n d e verander i n g i n de k r a c h t e n v e r d e l i n g i n een subductiezone. D e r e l a t i e f k o u d e en z w a r e l i t h o s f e e r r a a k t o n t k o p p e l d v a n de l i t h o s f e e r aan het o p p e r v l a k . D i t resuheert i n een a a n t a l geodynamisch belangrijke veranderingen. (1) O p h e f f i n g v a n en v e r a n d e r i n g i n het spanningsveld i n de c o n t i n e n t r a n d b o v e n de subd u c t i e z o n e . V e r t i c a l e bewegingen en spanningsveldveranderingen b e ï n v l o e d e n , o f l e i d e n
109
Figuur 3.
^ 7 0 0
km
Schematische interpretatie van de structuur van de gesubduceerde lithosfeer onder het Egeïsche gebied, op basis van de structuur, bepaald met seismische tomografie. Onder Kreta is de gesubduceerde lithosfeer continu; naar het noordwesten vertoont de structuur een inscheuring.
t o t , een g r o o t scala v a n geologische processen: a c t i v i t e i t v a n b r e u k s y s t e m e n , v e r p l a a t sing v a n d e k b l a d e n , d e p o c e n t r u m - v e r s c h u i v i n g e n i n sedimentaire bekkens en, i n algemene z i n , g e b e r g t e v o r m i n g . H e t k a r a k t e r v a n de k r a c h t e n i m p l i c e e r t dat snelle v e r t i c a l e bew e g i n g e n k u n n e n p l a a t s v i n d e n , i n essentie v e r g e l i j k b a a r m e t die w e l k e o p t r e d e n b i j en n a het smelten v a n een i j s k a p . R e c e n t e l i j k h e e f t M e i j e r [7] v o o r het E g e ï s c h gebied testen v e r r i c h t v a n m o d e l v o o r s p e l l i n g e n b e t r e f f e n d e s p a n n i n g s v e l d v e r a n d e r i n g e n . D e resultaten l a t e n zien dat de voorspelde variaties b i j een proces v a n ' l a t e r a l m i g r a t i o n o f slab d e t a c h m e n t ' onder n o o r d w e s t e l i j k G r i e k e n l a n d i n o v e r e e n s t e m m i n g z i j n m e t de geobserveerde spanningsvariaties. (2) D e g r a v i t a t i e k r a c h t e n die a a n g r i j p e n o p de r e l a t i e f zware gesubduceerde l i t h o s f e e r l e i d e n veelal, en d i t is zeer d u i d e l i j k het geval i n het M i d d e l l a n d s e Zee-gebied, t o t een h o r i z o n t a l e b e w e g i n g v a n het p l a a t c o n t a c t (oppervlakte-expressie v a n s u b d u c t i e z o n e ) i n de r i c h t i n g weg v a n het c o n t i n e n t . D i t leidt t o t m i g r a t i e v a n het v a a k b o o g v o r m i g e p l a a t c o n t a c t en t o t d e f o r m a t i e en d a h n g v a n het c o n t i n e n t a l e gebied achter de b o o g ( ' b a c k are b a s i n ' ) . D o o r ' l a t e r a l m i g r a t i o n o f slab d e t a c h m e n t ' z o u d e n deze k r a c h t e n i n een steeds k l e i n e r deel v a n de b o o g w o r d e n geconcentreerd, hetgeen z o u l e i d e n t o t versnelde en geprononceerde b o o g v o r m i n g . D i t proces l i j k t een goede v e r k l a r i n g te geven v o o r de observaties i n het M i d d e l l a n d s e Zee-gebied. I n d h gebied w o r d t , sinds ca. 10 m i l j o e n j a a r , sterke en snelle b o o g - m i g r a t i e v e r t o o n d d o o r de E g e ï s c h e b o o g ( R h o d o s / K r e t a / Z W - r a n d Peloponnesos) i n z u i d e l i j k r i c h t i n g en, i n de a f g e l o p e n 20-30 m i l j o e n j a a r , d o o r de A p e n n i j n e n / C a l a b r i ë / S i c i l i ë - b o o g i n o o s t z u i d o o s t e l i j k e r i c h t i n g . D e m e t deze m i g r a t i e geassocieerde d a l i n g achter de b o o g levert een goede v e r k l a r i n g v o o r het o n t -
110 staan v a n de E g e ï s c h e Zee (ten n o o r d e n v a n K r e t a ) en de g r o t e bekkens i n het w e s t e l i j k e M i d d e l l a n d s e Zee-gebied (Balearen-bekken en Tyrrheense Zee). Conclusie D o o r het f e i t d a t verschillende geodynamische processen n u actief z i j n ( o f t o t zeer recent actief z i j n geweest) i n het M i d d e l l a n d s e Zee-gebied en d o o r de b e s c h i k b a a r h e i d v a n g r o t e hoeveelheden geologische en geofysische gegevens levert het M i d d e l l a n d s e Zee-gebied uitstekende m o g e l i j k h e d e n o m z o w e l de relatie tussen s t r u c t u u r en processen, als de relatie tussen diepe en ondiepe processen te bestuderen. D i t levert een v e r d i e p i n g v a n i n z i c h t i n de fysische aspecten v a n de p l a a t t e k t o n i e k . D e hypothese b e t r e f f e n d e i n s c h e u r i n g v a n gesubduceerde l i t h o s f e e r b l i j k t een v r u c h t b a r e i n v a l s h o e k te z i j n v o o r de analyse v a n d i t g e o d y n a m i s c h gecomphceerde
gebied.
Referenties: 1.
2. 3. 4.
5.
6. 7.
Spakman, W . , S. van der Lee and R. van der Hilst - Travel-time tomography of the European-Mediterranean mantle down lo 1400 km. Physics of the Earth and Planetary Interiors, v o l . 79, 3-74 (1993). Dercourt, J. et al. - Geological evolution of tlie Telhys belt from tlie Atlantic to Ihe Pamirs since the Lias. Tectonophysics, vol. 123, 241-315 (1986). Dewey, J. F . , M . L . Helman, E. Turco and S.D. Knott - Kinematics of the western Mediterranean, Geological Society Special Publication 45, 265-283 (1989). De Jonge, M . R . , M . J . R . Wortel and W . Spakman - Regional scale tectonic evolution and the seismic velocity structure of the lithosphere and upper mantle: Ihe Mediterranean region. Journal o f Geophysical Research, v o l . 99, 12091-12108 (1994). Wortel, M . J . R . and W . Spakman - Structure and dynamics of subducted lithosphere in the Medileranean region. Proceedings Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, vol. 95, 325-347 (1992). Yoshioka, S. and M . J . R . Wortel - Three-dimensional numerical modeling of detachment of subducted lithosphere. Journal o f Geophysical Research, v o l . 100, 20223-20244 (1995). Meijer, P . T h . - Dynamics of active continental margins: the Andes and the Aegean region (Ph. D. Thesis). Geologica Ultrajectina, vol. 130, 218 pp (1995).
D E Z I N T U I G W E R E L D V A N E L E K T R I S C H E VISSEN door R.C.Peters
Het fenomeen
'eleictrisclie
Sidderalen (Electroplionis
vissen' electricus),
de t o t de v e r b e e l d i n g sprekende vissen u i t het
s t r o o m g e b i e d v a n de A m a z o n e , k u n n e n elektrische spanningsstoten v a n enkele h o n d e r den volts o p w e k k e n . Bewoners v a n de A m a z o n e , z o w e l mens als dier, k e n n e n deze o n t l a d i n g e n en respecteren ze. Iets m i n d e r b e k e n d z i j n de siddermeervahen electricus)
u h het s t r o o m g e b i e d v a n de N i j l , en de sidderroggen (Torpedo
(Malapterurus marmorata)
u h onze z e e ë n , die t o t s o o r t g e l i j k e prestaties i n staat z i j n . D e s i d d e r m e e r v a l l e n w a r e n al b e r u c h t i n de o u d h e i d , zoals onder andere b l i j k t u i t een n a t u u r g e t r o u w r e l i ë f v a n een visvangst, te b e w o n d e r e n o p de t o m b e v a n T i te S a k k a r a ( E g y p t e ) . D e o n t l a d i n g e n d o e n z i c h v o e l e n als een v e r s t i j v i n g en een daarmee gepaard gaand gevoel v a n v e r d o v i n g . O v e r de f u n c t i e v a n z u l k e o n t l a d i n g e n h o e f t m e n niet l a n g te speculeren. Z i j s c h r i k k e n v i j a n den a f en v e r l a m m e n p o t e n t i ë l e p r o o i d i e r e n . D i t geldt o o k v o o r de spanningsstoten v a n sidderalen en s i d d e r r o g g e n . V o o r het o p w e k k e n v a n deze o n t l a d i n g e n b e s c h i k k e n de elektrische vissen over speciaal d a a r t o e bestemde o r g a n e n . D i e o r g a n e n z i j n , m e t u i t z o n d e r i n g v a n dat v a n de s i d d e r m e e r v a l , o p g e b o u w d u i t groepen ' s p i e r c e l l e n ' , die i n de l o o p v a n de e m b r y o n a l e o n t w i k k e l i n g h u n v e r m o g e n t o t s a m e n t r e k k e n v e r l o r e n h e b b e n , m a a r de b i j b e h o r e n d e i o n e n v e r p l a a t s i n g e n over de c e l m e m b r a n e n hebben b e h o u d e n . E n net zoals een spier v i a een zenuw het c o m m a n d o k a n k r i j g e n o m samen te t r e k k e n , zo k a n een elektrisch o r g a a n het c o m m a n d o k r i j g e n o m een o n t l a d i n g a f te geven. Iedere cel v a n het elektrisch o r g a a n w e k t tussen z i j n v o o r - en a c h t e r z i j d e een m o m e n t a a n p o t e n t i a a l v e r s c h i l o p v a n meer d a n 100 m V . I n het e l e k t r i s c h o r g a a n l i g g e n deze cellen i n serie en p a r a l l e l g e r a n g s c h i k t . W a n n e e r ze t e g e l i j k e r t i j d het c o m m a n d o t o t o n t l a d e n k r i j g e n , k a n de totale s p a n n i n g over de k o l o m cellen k o r t s t o n d i g o p l o p e n t o t enkele h o n d e r d e n v o h s . B i j zoetwatervissen - de s o o r t e l i j k e weerstand v a n zoetwater is ongeveer 2000 Q.cm - l i g g e n de cellen v o o r a l i n serie. B i j mariene vissen - de s o o r t e l i j k e weerstand v a n zeewater is ongeveer 20 ü.cm
- hggen de cellen v o o r a l p a r a l l e l . H e t p i e k v e r m o g e n k a n meer
d a n 1 k W b e d r a g e n . D e eigen weefsels z i j n g o e d b e s c h e r m d tegen de o n t l a d i n g e n d o o r onder andere e x t r a lagen myeline-isolatie r o n d o m de p r i k k e l b a r e weefsels. Bioële/ctriciteit H e t v e r m o g e n o m elektrische p o t e n t i a a l v e r s c h i l l e n o p te w e k k e n t r e f f e n we b i j alle é é n en meercellige o r g a n i s m e n aan. D e c e l m e m b r a a n is een s o o r t ' h u i d ' v a n de cel. D e cel-
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 6 maart 1995.
112
m e m b r a a n bestaat u i t een l i p i d e d u b b e l l a a g m e t d a a r i n een grote verscheidenheid aan e i w i t m o l e c u l e n D e d u b b e l l a a g staat b o r g v o o r een e f f e c t i e v e c o m p a r t i m e n t a h s a t i e . H e t b i n n e n m i l i e u v a n de cel k a n d a a r d o o r anders v a n samenstelling z i j n d a n het b u i t e n m i h e u . D e i n de l i p i d e l a a g gelegen e i w i t t e n zorgen v o o r passief o f e n e r g i e v e r b r u i k e n d t r a n s p o r t d o o r de m e m b r a a n , z o d a t de samenstelling v a n het b i n n e n m i h e u g e h a n d h a a f d b l i j f t (homeostasis). E é n v a n de b e l a n g r i j k s t e verschillen tussen b i n n e n - en b u i t e n m i l i e u b e t r e f t de i o n e n h u i s h o u d i n g . De e l e k t r o l y t i n de cel is k a l i u m r i j k , het b u i t e n m e d i u m bevat v o o r a l n a t r i u m i o n e n . H e t v e r s c h i l w o r d t d o o r een n a t r i u m / k a l i u m - p o m p i n stand g e h o u d e n . B o v e n d i e n w o r d e n d r i e n a t r i u m i o n e n tegen twee k a l i u m i o n e n uitgewisseld w a a r d o o r de i o n e n p o m p een elektrische g r a d i ë n t o p w e k t . I n de m e m b r a a n b e v i n d e n z i c h verder i o n e n k a n a l e n die selectief bepaalde i o n s o o r t e n d o o r l a t e n . H e t resultaat v a n de w e r k i n g v a n de i o n e n p o m p e n en de aanwezigheid v a n i o n s p e c i f i e k e k a n a l e n is een steady-state s i t u a t i e , w a a r b i j over de m e m b r a a n een elektrochemische g r a d i ë n t staat die de d r i j v e n d e k r a c h t v o r m t v o o r eventuele i o n e n v e r p l a a t s i n g e n d o o r de m e m b r a a n . P r i k kels u i t de b u i t e n w e r e l d , dat w i l zeggen v e r s t o r i n g e n v a n het energetisch e v e n w i c h t , w o r d e n o p het n i v e a u v a n de c e l m e m b r a a n ' v e r t a a l d ' i n een t i j d e l i j k e v e r a n d e r i n g v a n de d o o r l a a t b a a r h e i d v a n de i o n e n k a n a l e n . D i t resulteert i n k o r t d u r e n d e i o n e n s t r o m e n d o o r de m e m b r a a n : z e n u w i m p u l s e n en spieractiepotentialen. Deze m e m b r a a n s t r o m e n z i j n de basis v a n i n f o r m a t i e t r a n s p o r t langs cellen. D e v e r a n d e r i n g e n i n d o o r l a a t b a a r h e i d v a n een i o n k a n a a l ( e i w i t ) berusten o p c o n f o r m a t i e v e r a n d e r i n g e n . E é n en ander w o r d t b e g r i j p e l i j k e r wanneer m e n b e d e n k t dat over de c e l m e m b r a a n elektrische g r a d i ë n t v e r s c h i l l e n o p k u n n e n t r e d e n i n de o r d e v a n g r o o t t e v a n 200 k V / c m , hetgeen l i c h t c o n f o r m a t i e v e r a n d e r i n g e n i n de s t r u k t u u r v a n de e i w i t t e n teweeg b r e n g t .
Zwak
elektrische
organen
N a a s t de elektrische o r g a n e n v a n de sterk elektrische vissen k e n d e n de a n a t o m e n o o k zogenaamde pseudo-elektrische o r g a n e n . Deze o r g a n e n h j k e n i n b o u w o p sterk e l e k t r i sche o r g a n e n , m a a r w e k k e n geen sterk elektrisch v e l d o p . I n de v i j f t i g e r j a r e n pas o n t dekte m e n dat deze o r g a n e n ó ó k elektrische o n t l a d i n g e n p r o d u c e r e n , z i j het niet sterker d a n enkele v o l t s . D e A f r i k a a n s e n i j l s n o e k e n p r o d u c e r e n i n het algemeen series o n t l a d i n gen v a n I m s o f k o r t e r . D e Z u i d a m e r i k a a n s e mesalen daarentegen p r o d u c e r e n o v e r w e gend s i n u s v o r m i g e wisselspanningen m e t f r e q u e n t i e s v a n een paar h o n d e r d H z o f meer. D e grote v r a a g was n a t u u r l i j k w a a r t o e deze o n t l a d i n g e n k o n d e n d i e n e n , w a n t een r o l b i j het v e r l a m m e n v a n p r o o i e n o f b i j v e r d e d i g i n g i n het algemeen was o n w a a r s c h i j n l i j k . N a a r a a n l e i d i n g v a n o n g e b r u i k e l i j k zwemgedrag o n t d e k t e m e n dat deze z w a k elektrische o r g a n e n vergezeld w e r d e n d o o r een zintuigsysteem dat m i n u s c u l e v e r s t o r i n g e n i n het o p gewekte e l e k t r i s c h v e l d k o n detecteren. M e t b e h u l p v a n d i t zintuigsysteem k u n n e n s o o r t genoten w o r d e n w a a r g e n o m e n die o o k elektrische o n t l a d i n g e n a f g e v e n . V e r d e r k u n n e n v e r s t o r i n g e n i n het eigen v e l d w o r d e n gedetecteerd, alsmede l a a g f r e q u e n t e v e r a n d e r i n gen v a n v e l d e n die niet a f k o m s t i g z i j n v a n elektrische o r g a n e n . Elektroreceptoren,
zintuigen
voor
'elektriciteit'
E r z i j n g l o b a a l gezien twee t y p e n e l e k t r o r e c e p t o r - o r g a n e n : de a m p u l v o r m i g e en de k n o l v o r m i g e . D e a m p u l v o r m i g e z i j n i n s t u l p i n g e n v a n de h u i d . O p de b o d e m v a n de a m p u l b e v i n d e n z i c h de e i g e n l i j k e z i n t u i g c e l l e n die direct blootgesteld staan aan het b u i t e n m e d i u m . A m p u l l a i r e o r g a n e n reageren o p l a a g f r e q u e n t e v e l d e n , i n het algemeen o p f r e quenties beneden de 30 H z . D e k n o l v o r m i g e o r g a n e n daarentegen z i j n a f g e s l o t e n h o h e n
113
o n d e r de h u i d . E r is geen direct k o n t a c t m e t de b u i t e n w e r e l d . D e h o l t e w o r d t d o o r meerdere lagen cellen v a n het b u i t e n w a t e r afgesloten. O o k hier l i g g e n de receptorcellen o p de b o d e m v a n de k n o l r u i m t e . Spanningspulsen z o u d e n c a p a c i t i e f d o o r d r i n g e n t o t de rec e p t o r c e l l e n . B i j de A f r i k a a n s e n i j l s n o e k e n v i n d e n we het uitgebreidste p a k k e t e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n . I n de h u i d v a n de n i j l s n o e k l i g g e n d r i e verschillende t y p e n : k n o l o r g a n e n , m o r m y r o m a s t e n , en a m p u l l a i r e o r g a n e n . D e k n o l o r g a n e n z i j n het g r o o t s t (diameter o n geveer 0,2 m m ) en reageren met een enkele z e n u w i m p u l s o p iedere elektrische o n t l a d i n g . D e sterkte v a n de w a a r g e n o m e n o n t l a d i n g w o r d t v r i j w e l niet gecodeerd; interessant is alleen ó f er een o n t l a d i n g w o r d t w a a r g e n o m e n . Z i j dienen v o o r het detecteren v a n de aanwezigheid v a n s o o r t g e n o t e n . D e m o r m y r o m a s t e n z i j n iets kleiner v a n a f m e t i n g en een f a c t o r 10 m i n d e r gevoelig d a n de k n o l o r g a n e n . Z e reageren uiterst gedetailleerd (met een pulscode) o p v e r a n d e r i n g e n i n veldsterkte en w o r d e n g e b r u i k t v o o r het detecteren v a n m i n u s c u l e v e r a n d e r i n g e n i n het v e l d o p g e w e k t d o o r de eigen o n t l a d i n g . D e a m p u l l a i re e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n reageren v o o r a l o p f r e q u e n t i e s t o t 30 H z en z i j n s p o n t a a n act i e f , dat w i l zeggen dat de zenuw o o k zonder s t i m u l a t i e i m p u l s e n genereert. D e respons w o r d t gecodeerd i n een v e r a n d e r i n g v a n de d r a g e r f r e q u e n t i e . Deze drie z i n t u i g s y s t e m e n gedragen zich als d r i e parallele p a d e n waarlangs de i n f o r m a t i e naar de centrale v e r w e r kingseenheid w o r d t doorgegeven. D e detectiegrens v a n deze z i n t u i g e n ligt i n zoet w a t e r ongeveer b i j 0.15 / x V / c m ; v o o r de m a r i e n e o m g e v i n g w o r d e n w a a r d e n v a n 0.01 / i V / c m g e r a p p o r t e e r d . E e n i n d i c a t i e v a n de m i n i m a l e s t r o o m d i c h t h e d e n w a a r o p n o g gedragsreacdes w o r d e n v e r t o o n d is 1 n A / c m ^ . 'Passieve'
elektroreceptie.
D e eigenschappen v a n z w a k elektrische o r g a n e n v o o r s p e l d e n i n w e l k bereik het d o o r l a a t venster v a n de k n o l v o r m i g e e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n gezocht moest w o r d e n . D a t lag anders b i j de a m p u l v o r m i g e e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n . V a n deze laatste groep was a l enkele eeuwen het bestaan b e k e n d , m a a r t e n aanzien v a n de f u n c t i e aarzelde m e n tussen k l i e r e n en z i n t u i g c e l l e n . A m p u l v o r m i g e e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n v i n d t m e n b i j alle k r a a k b e e n v i s sen, d . w . z . b i j alle haaie- en r o g g e s o o r t e n , b i j vele andere ' p r i m i t i e v e r e ' o r d e n zoals m e e r v a l l e n , steuren, longvissen, m a a r o o k b i j s o m m i g e a m f i b i e ë n , v o g e l b e k d i e r e n en het 'levende f o s s i e l ' L a t i m e r i a . I n 1917 is o n t d e k t dat m e e r v a l l e n extreem gevoeUg z i j n v o o r elektrische s t r o m e n , i n d h geval de c o r r o s i e s t r o m e n aan het o p p e r v l a k v a n m e t a a l d r a a d . Iets d e r g e l i j k s w e r d i n 1935 w a a r g e n o m e n b i j haaien. W a n n e e r voer i n het w a t e r aangeb o d e n w e r d dat o p een stuk i j z e r d r a a d gestoken was, b l e k e n de d i e r e n h e f t i g te s c h r i k k e n . V o e r o p glazen staven w e r d netjes opgegeten. Pas n a d a t het bestaan v a n z i n t u i g e n v o o r e l e k t r i c i t e i t serieus g e n o m e n w e r d , realiseerde m e n z i c h dat o o k hier sprake k o n z i j n v a n e l e k t r o r e c e p t i e . H e t vreemde was echter d a t deze dieren d o o r g a a n s geen e l e k t r i sche o r g a n e n h e b b e n , en dat het f r e q u e n t i e b e r e i k niet correspondeert m e t de o n t l a d i n g v a n e n i g b e k e n d e l e k t r i s c h o r g a a n . A a n v a n k e l i j k dacht m e n , dat s p i e r a c t i e p o t e n t i a l e n v a n andere dieren de n a t u u r l i j k e p r i k k e l z o u d e n z i j n , m a a r later bleek, dat de g e l i j k s p a n n i n g s v e l d e n , w a a r m e e alle w a t e r o r g a n i s m e n o m g e v e n z i j n , de b i o l o g i s c h adequate p r i k kel z i j n . Gebruik
van elektroreceptororganen;
'beeldvorming'
E l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n w o r d e n , net als andere z i n t u i g s y s t e m e n , g e b r u i k t v o o r overlev e n . D e vissen met k n o l o r g a n e n k u n n e n aan de h a n d v a n d o o r andere d i e r e n o p g e w e k t e o n t l a d i n g e n onderscheiden
o f ze m e t een s o o r t g e n o o t te m a k e n hebben o f m e t een
' v r e e m d e ' . O o k het geslacht v a n de zender k a n aan de h a n d v a n de o n d a d i n g h e r k e n d
114
w o r d e n . D a a r b i j k u n n e n v e r s t o r i n g e n v a n het eigen elektrisch v e l d d o o r v o o r w e r p e n met een i m p e d a n t i e die v a n water a f w i j k t , w o r d e n h e r k e n d . H e t z a l niet verbazen dat e l e k t r i sche o n t l a d i n g e n g e b r u i k t w o r d e n b i j t e r r i t o r i a a l gedrag en b i j p a r t n e r k e u z e . I n r u i m e r e z i n d o e n z i j dienst b i j alle v e r r i c h t i n g e n w a a r b i j het aspect ' o r i ë n t a t i e ' ter sprake k o m t . H e t systeem v a n de l a a g f r e q u e n t e a m p u l l a i r e o r g a n e n w o r d t v o o r a l g e b r u i k t v o o r de l o kahsatie en detectie v a n andere o r g a n i s m e n , zoals p r o o i d i e r e n . D a a r n a a s t b l i j k e n vissen o o k een s o o r t elektrische k a a r t v a n h u n o m g e v i n g te k e n n e n . N a v i g a t i e o p elektrische velden is a a n g e t o o n d . D e n a t u u r l i j k e elektrische v e l d e n die h i e r b i j g e b r u i k t w o r d e n , z i j n d o o r g a a n s v a n geochemische o f geofysische a a r d . D e v e r d e l i n g v a n de e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n over de h u i d w i j s t overigens o p een f u n c t i e b i j het w a a r n e m e n v a n nietu n i f o r m e v e l d e n . N i e t - u n i f o r m e velden z i j n d o o r g a a n s a f k o m s t i g v a n n a b i j e b r o n n e n . E l e k t r o r e c e p t i e is dus een n a b i j h e i d s z i n , i n het algemeen bestaande u i t enkele h o n d e r d e n detectoren. Zijn
elektroreceptoren
chiemoreceptoren
of
nmgnetoreceptoren?
D h is echter n i e t alles. E e n z i n t u i g w o r d t pas als z i n t u i g e r k e n d wanneer het gevoehg is v o o r specifieke e n e r g i e v o r m e n , lage energieniveaus, en wanneer een gedragtoets u i t sluitsel k a n geven over b i o l o g i s c h z i n v o l g e b r u i k . O p g r o n d v a n deze c r h e r i a z i j n e l e k t r o receptoren zeker z i n t u i g e n . E e n D u h s e groep onderzoekers echter c l a i m t een f u n c t i e b i j w a a r n e m e n v a n t e m p e r a t u u r , o p g r o n d v a n o.a. een negatieve t e m p e r a t u u r c o ë f f i c i ë n t v a n het z i n t u i g . D i t is correct, m a a r gedragstoetsen o n t b r e k e n . V e r d e r is de gevoeligheid v a n e l e k t r o r e c e p t o r e n v o o r de samenstelling v a n het water a a n g e t o o n d . D e samenstelling v a n water m o d u l e e r t de elektrische gevoehgheid v a n het z i n t u i g . O p g r o n d v a n de eerste twee c r i t e r i a z i j n e l e k t r o r e c e p t o r e n dus o o k c h e m o r e c e p t o r e n , m a a r o o k h i e r o n t b r e k e n gedragstoetsen. H e t b l i j k t o n d o e n l i j k gedragsmatig onderscheid te m a k e n tussen de b i j dragen v a n r e u k z i n , s m a a k z i n , en solhaire c h e m o r e c e p t o r e n aan o r i ë n t a t i e g e d r a g . Naast gevoehgheid v o o r de watersamenstelhng is o o k magnetisme een s t i m u l u s . G e v o e l i g h e i d v o o r magnetische velden is v o o r a l o n d e r z o c h t b i j de a m p u l l a i r e o r g a n e n v a n de k r a a k beenvissen. V e r p l a a t s i n g e n i n het aardmagnetisch v e l d o f d o o r s n i j d i n g v a n magnetische v e l d l i j n e n w e k k e n elektrische spanningen o p die detecteerbaar z i j n . M e t b e h u l p v a n gedragsproeven is i n d e r d a a d a a n g e t o o n d dat r o g g e n (Dasyates
sp.) h i e r o p een o r i ë n t a t i e -
respons k u n n e n v e r t o n e n . Toepassingen H o e w e l het o n d e r z o e k naar elektroreceptie n o g steeds t o t het f u n d a m e n t e e l biologische o n d e r z o e k g e r e k e n d m o e t w o r d e n , hebben zich i n m i d d e l s enkele toepassingen
aange-
d i e n d . Z o h e e f t i n de laatste decennia de J a m m i n g A v o i d a n c e Response v a n mesalen de n o d i g e a a n d a c h t gekregen. Mesalen v e r s t e m m e n h u n o n t l a d i n g s f r e q u e n t i e m e t slechts enkele eenheden, wanneer er i n t e r f e r e n t i e met de o n t l a d i n g e n v a n een s o o r t g e n o o t o p treedt. D e e n o r m e stabihteit v a n de o n t l a d i n g en de vermoede i n g e n i o s i t e i t v a n de i n f o r m a t i e v e r w e r k i n g d o o r het zenuwstelsel k a n i n z i c h t e n opleveren die i n de t e l e c o m m u n i c a tie toepasbaar z i j n . De o n t v a n k e l i j k h e i d v a n e l e k t r o r e c e p t o r o r g a n e n v o o r m i l e u v e r v u i l i n g m a a k t deze elektrische z i n t u i g e n geschikte b i o i n d i c a t o r e n v o o r a q u a p o h u t i e . E l e k t r o r e c e p t o r e n staan verder m o d e l v o o r z i n t u i g e n i n het algemeen o m d a t de transducer, de e n e r g i e o m v o r m e r , o n t b r e e k t . E f f e c t e n v a n b i j v o o r b e e l d cytostatica o p p e r i f e r e zenuw e n en h u n z i n t u i g e n k u n n e n goed bestudeerd w o r d e n b i j e l e k t r o r e c e p t o r e n . V e r d e r w o r d t v e r w a c h t d a t de geplande aanleg v a n de submariene e l e k t r i c i t e h s k a b e l ( g e l i j k s p a n n i n g ) tussen N o o r w e g e n en N e d e r l a n d de n o d i g e n a r i g h e i d teweeg zal b r e n g e n i n de m a -
115
riene elektroreceptieve w e r e l d vanwege de daarmee samenhangende z w e r f - , i n d u c t i e - en r e t o u r s t r o m e n . O o k staan elektroreceptorcellen m o d e l v o o r de mechanoreceptieve cellen van het octavolateralissyteem, waarmee ' h a a r c e l l e n ' b e d o e l d w o r d e n , de z i n t u i g c e l l e n v a n g e h o o r , e v e n w i c h t en r o t a t i e z i n . M e t de ' g r i j z e g o l f ' i n het verschiet staat regeneratie v a n haarcellen als m i d d e l ter b e s t r i j d i n g v a n d o o f h e i d v o l o p i n de belangstelling.
Literatuur A t e m a J , Fay R R , P o p p e r A N , T a v o l g a W N . 1988. Sensory Springer, New
biology
of aquatic
animals.
York
B u h o c k T H , H e i h g e n b e r g W . 1986. Electroreception. Fessard A . 1974. Electroreceptors Springer, Berlin.
and otlier
Wiley, New Y o r k
specialized
H o a r W S , R a n d a l l D J . 1969 e.v. Fish Physiology gans). A c a d e m i c Press, N e w Y o r k .
receptors
(V: sensory
K e l l a w a y , P. 1946. The part played by electric fish in the early and electrotherapy. B u h . H i s t . M e d . 20, 112-137. K r a m e r B . 1990, Etectrocoinmunication Springer, Berlin
in teleost
N o r t h c u t t R G , D a v i s R E . 1983. Fish Neurobiology. Ann Arbor
fishes:
in lower
systems
and
histoiy
of
behavior
and
vertebrates. electric
or-
bioetectricity experiments.
T h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n Press '
H E T H E R K E N N E N V A N G E N E E S M I D D E L E N T E G E N DEPRESSIES DOOR EEG ONDERZOEK BIJ DE R A T door G.S.F. Ruigt
. . . T i c weet dat d i t alles niets anders is geweest d a n een a a n v a l , zoals d i e o p t r e e d t vanwege een o p h o p i n g v a n de z w a r t e g a l i n de m i l t , w a t een g r o t e geest r e g e l m a t i g o v e r k o m t , . . . w a a r n a h i j k l i m t t o t een n o g grotere c r e a t i v i t e i t . . . . Z o a l s j e weet, s c h r i j f t A r i s t o t e l e s iedere v o r m v a n v o o r t r e f f e l i j k h e i d en alles w a t g o e d en s c h o o n is en w a t v a n de n o r m a l e m e n s e l i j k e n a t u u r a f w i j k t , toe aan een a b n o r m a l e hoeveelheid h u m o r m e l a n c h o l i c u s , o o k al zegt h i j dat aan deze gesteldheid soms bepaalde z i e k t e n v e r b o n d e n z i j n ' . brief
van Cunaeus
de depressies,
aan Barlaeus
waar
fiij aan leed
d.d.
11 maart
(uit: Prof.
'de zielcte M.J.
1638
betreffende
der
geleerden';
van Lierop,
1989)
Samenvatting D e o n t w i k k e l i n g v a n nieuwe geneesmiddelen is een u h e r m a t e k o s t b a a r proces, w a a r b i j grote hoeveelheden nieuwe v e r b i n d i n g e n w o r d e n uitgetest en het is d a n o o k v a n g r o o t b e l a n g o m de j u i s t e v e r b i n d i n g e n te selecteren en de o n t w i k k e h n g v a n m i n d e r interessante k a n d i d a t e n zo snel m o g e l i j k te s t o p p e n . D e selectie v a n nieuwe geneesmiddelen v o o r psychiatrische stoornissen, zoals depressie, psychose en d e m e n d e , w o r d t g e k e n m e r k t d o o r een u n i e k e p r o b l e m a t i e k . Deze stoornissen z i j n t y p i s c h h u m a a n en k e n n e n geen h e r k e n b a a r e q u i v a l e n t i n p r o e f d i e r e n . P o t e n t i e e l nieuwe geneesmiddelen i n d h v e l d k u n n e n echter u i t s l u i t e n d d o o r e x p e r i m e n t e n i n p r o e f d i e r e n w o r d e n geselecteerd en de o p g a ve v a n de f a r m a c e u t i s c h e i n d u s t r i e bestaat er d a n o o k u i t o m o p basis v a n gegevens u h d e r g e l i j k e e x p e r i m e n t e n te v o o r s p e l l e n o f de n i e u w o n t w i k k e l d e s t o f f e n t h e r a p e u t i s c h eff e c d e f z u l l e n z i j n i n de mens. E é n v a n de m e t h o d e n , die h i e r v o o r w o r d t g e b r u i k t is het m e t e n v a n de v e r a n d e r i n g e n , die d e r g e l i j k e s t o f f e n teweeg brengen i n de elektrische a k t i v h e i t v a n de hersenen v a n r a t t e n en i n het d a a r v a n afgeleide slaap-waak gedrag. G e b l e k e n is dat d o o r toepassing v a n klassieke statistische technieken o p de resultaten v a n d e r g e l i j k e e x p e r i m e n t e n o n d e r scheid g e m a a k t k a n w o r d e n tussen s t o f f e n , die i n de k h n i s c h e p r a k t i j k b i j de mens a n d depressief, a n d p s y c h o t i s c h o f s t i m u l e r e n d z i j n . R e c e n t e l i j k h e b b e n w i j a a n g e t o o n d dat d i t t h e r a p e u d s c h p r o f i e l o o k v o o r s p e l d k a n w o r d e n d o o r toepassing v a n een k u n s t m a t i g n e u r a a l n e t w e r k . A l h o e w e l de hier beschreven m e t h o d i e k g e b r u i k t k a n w o r d e n v o o r de b e s c h r i j v i n g v a n verschillende klassen psy-
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschapp i j voor Natuurkunde 'Dihgenda' te 's-Gravenhage op 13 maart 1995.
118
c h o f a r m a c a zal i k hier met name iets dieper i n g a a n o p de o n t w i k k e l i n g v a n n i e u w e a n t i depressiva. 1.
Inleiding
Psychische stoornissen als depressie, schizophrenic, dementie en a n g s t - s y n d r o m e n hebb e n d o o r de eeuwen heen veel m e n s e l i j k leed b e r o k k e n d . Pas i n het begin v a n de v o r i g e eeuw w e r d een a a n t a l v a n deze stoornissen als z i e k t e n e r k e n d (dementie w e r d pas zeer recent als een ziekte onderscheiden v a n het n o r m a l e verouderingsproces) en w e r d e n er psychologische behandeUngsmethoden o n t w i k k e l d o m het leed te v e r z a c h t e n . T o t d e r t i g j a a r geleden d o m i n e e r d e het p s y c h o a n a l y t i s c h d e n k e n de psychiatrische t h e o r i e en p r a k t i j k . D e r e l a t i e f recente o n t w i k k e h n g v a n de farmacotherapie
( b e h a n d e h n g met ge-
neesmiddelen) v a n psychiatrische ziektebeelden h e e f t de p s y c h i a t r i e u i t het s t a d i u m v a n d w a n g b u i z e n en i s o l a t i e cellen gebracht en i n d i r e c t gezorgd v o o r een g r o t e r e acceptatie v a n de geestelijk en sociaal gehandicapten. D o o r de o p k o m s t v a n de f a r m a c o t h e r a p i e is het aandeel v a n het t o t a l e a a n t a l ziekenhuisbedden, dat i n beslag g e n o m e n w o r d t d o o r psychiatrische p a t i ë n t e n gedaald v a n 5 0 % t o t 2 0 % . G e b l e k e n is echter dat de f a r m a c o therapie net als de psychosociale b e h a n d e h n g haar b e p e r k i n g e n k e n t . P s y c h o t h e r a p i e en f a r m a c o t h e r a p i e w o r d e n t e g e n w o o r d i g d a n o o k b e s c h o u w d als
behandehngsmethoden,
die elkaar aan k u n n e n v u l l e n . I I Depressieve
stoornissen
Depressie als psychiatrische ziekte m o e t d u i d e l i j k onderscheiden w o r d e n v a n het gevoel van neerslachtigheid, s o m b e r h e i d o f v e r d r i e t , dat n o r m a a l gepaard gaat m e t teleurstellende e r v a r i n g e n i n iemands l e e f o m g e v i n g o f dat het gevolg k a n z i j n v a n het verlies v a n een d i e r b a a r p e r s o o n . D e r g e l i j k e n o r m a l e s t e m m i n g s v e r a n d e r i n g e n z i j n meestal t i j d e l i j k v a n a a r d . B i j een depressieve a a n d o e n i n g is de s t e m m i n g s d a l i n g daarentegen l a n g d u r i g aanwezig ( m i n i m a a l twee w e k e n ) en h e e f t een negatief e f f e c t o p het n o r m a a l alledaags f u n c t i o n e r e n . B o v e n d i e n is b i j een depressie niet a l t i j d aan te geven w a t de o o r z a a k v a n de depressieve s t e m m i n g is, al k a n i n s o m m i g e gevallen w e l aangegeven w o r d e n w a t de a a n l e i d i n g was. Depressie is echter meer d a n een s t e m m i n g s d a l i n g . H e t is een s y n d r o o m dat gekenm e r k t w o r d t d o o r een a a n t a l verschijnselen en s y m p t o m e n . Naast de depressieve stemm i n g is het o n v e r m o g e n o m plezier te beleven een ' k e r n - s y m p t o o m ' . V e r d e r k o m e n er v a a k i n meer
o f m i n d e r e mate
andere s y m p t o m e n v o o r , zoals slaap-
en
eetlust-
p r o b l e m e n , concentratiestoornissen, schuldgevoelens, een v e r m i n d e r d gevoel v a n eigenw a a r d e , b e s l u i t e l o o s h e i d , geagiteerdheid o f het tegenovergestelde,
i.e. een
algemene
t r a a g h e i d i n het g e d r a g , v e r m o e i d h e i d en energieverlies, lethargie, l i b i d o - en interesseverlies, gespannenheid en angsten. T e n s l o t t e k o m e n o o k v a a k gedachten aan de d o o d en aan z e l f d o d i n g v o o r (meer d a n 6 0 % v a n alle z e l f m o o r d e n z i j n gerelateerd a a n depressie). Depressie k a n z i c h o p elke l e e f t i j d v o o r d o e n , m a a r w o r d t meestal v o o r het eerst gediagnostiseerd n a het b e r e i k e n v a n de v o l w a s s e n h e i d . M a n n e n hebben een kans v a n 7¬ 1 2 % d a t z i j een o f meerdere keren i n h u n leven i n een depressie geraken. B i j v r o u w e n l i g t d i t percentage a a n z i e n l i j k hoger ( 2 0 - 2 5 % ) . Depressie kent geen o n d e r s c h e i d m e t bet r e k k i n g t o t o p l e i d i n g , sociale status o f ras. I n d i e n o n b e h a n d e l d k a n een depressie 0,5 t o t 2 j a a r d u r e n en i n meer d a n de h e l f t v a n de gevallen k o m t de depressie i n een later s t a d i u m weer t e r u g , soms d o o r s l a a n d naar een manische episode, i n w e l k geval m e n spreekt v a n een b i p o l a i r e o f manisch-depressieve a a n d o e n i n g . V a a k p r o b e e r t m e n u n i p o l a i r e depressies, d i t z i j n depressies w a a r b i j geen
119
sprake is v a n een d e r g e l i j k e manische fase, diagnosdsch n o g verder i n te d e l e n . Z o k u n nen naast de melanchohsche depressie, die het meest v o o r k o m t , s e i z o e n s a f h a n k e l i j k e depressies onderscheiden w o r d e n , die met name o p t r e d e n t i j d e n s de w i n t e r p e r i o d e , t e r w i j l andere depressies geassocieerd l i j k e n te z i j n met de b e v a l l i n g ( p o s t - p a r t e m depressies). E e n aparte v o r m v a n depressie is de atypische depressie, w a a r b i j er niet sprake is v a n een gebrek aan eetlust en slapeloosheid, m a a r j u i s t v a n het tegenovergestelde,
hetgeen
k a n leiden t o t een a a n z i e n l i j k e gewichtstoename. Deze diagnostische o n d e r v e r d e l i n g is o o k t h e r a p e u t i s c h v a n belang. Z o is b e h a n d e l i n g met antidepressiva aangewezen v o o r m e l a n c h o l i s c h e depressies, t e r w i j l winterdepressies veel m i n d e r reageren o p antidepressiva en veel beter o p h c h t t h e r a p i e (dagelijkse b l o o t s t e l h n g aan een grote hoeveelheid). 1.2 Farmacotherapie
voor
de beliandeling
van psychiatrische
stoornissen
P s y c h o f a r m a c a z i j n s t o f f e n , die i n w e r k e n o p het complexe n e t w e r k v a n de m i l j a r d e n zenuwcellen i n de hersenen, w a a r d o o r ze w a a r n e m i n g , gevoelens, emoties en d e n k p r o cessen k u n n e n verander-^n. D e meeste p s y c h o f a r m a c a g r i j p e n aan o p de chemische c o m m u n i c a t i e tussen z e n u w c e l l e n . Deze s i g n a a l o v e r d r a c h t tussen zenuwcellen v i n d t plaats i n de zogenaamde synaps en bestaat e r u i t dat een geaktiveerde zenuwcel een s t o f transmitter)
(neuro-
a f g e e f t v i a het pre-synaptische z e n u w u i t e i n d e . D i t chemische signaal w o r d t
d o o r de n a b u r i g e post-synapdsche zenuwcel opgevangen v i a gespeciahseerde e i w i t t e n i n de c e l w a n d , z g n . receptoren,
die s p e c i f i e k gevoelig z i j n v o o r een bepaalde
neuro-
t r a n s m i t t e r . A a n deze receptoren is de laatste j a r e n i n t e n s i e f m o l e c u l a h b i o l o g i s c h o n derzoek v e r r i c h t , w a a r b i j m e n e r i n is geslaagd o m een grote hoeveelheid v a n deze c o m plexe e i w i t t e n genetisch te k a r a k t e r i s e r e n . H i e r b i j is gebleken dat er v o o r elke n e u r o t r a n s m i t t e r v a a k meer d a n 1 t y p e receptor bestaat. E e n l i j s t v a n de meest v o o r k o m e n d e n e u r o t r a n s m i t t e r s en v a n de diverse receptor s u b t y p e n , die t o t n u toe o n t d e k t z i j n , is weergegeven i n t a b e l 1 en 2.
Tabel
1.
Neurotransmitters:
Noradrenaline Dopamine
(NA)
•
(DA)
Serotonine
-somatostatine
(S-HT)
Histamine
-NPY
(His)
Acetylcholine
-neurotensine
(Ach)
-substance P
Adenosine Glycine Glutamaat
Peptiden:
-CCK (Gly)
-vasopressine
(Glu)
Gamma-amtno-boterzuur
-oxytocine (GABA)
-gallanine -melatonine
V o o r n o r a d r e n a l i n e b l i j k e n er b i j v o o r b e e l d 10 verschhlende receptor e i w i t t e n te bestaan, die a l l e m a a l geactiveerd w o r d e n d o o r deze n e u r o t r a n s m h t e r . D e verschillende n o r adrenerge receptor s u b t y p e n z i t t e n echter o p verschillende plaatsen i n het zenuwstelsel en z i j n g e k o p p e l d aan verschillende e f f e k t o r s y s t e m e n , hetgeen w i l zeggen dat a k t i v a d e v a n het ene receptor subtype d o o r n o r a d r e n a l i n e een t o t a a l ander e f f e c t k a n h e b b e n d a n a k t i v a t i e v a n een ander subtype. Z o spelen ci^ receptoren een b e l a n g r i j k e r o l b i j de c o n t r o l e v a n de h a r t s l a g , t e r w i j l
receptoren b e l a n g r i j k z i j n b i j de m o d u l a t i e v a n de sy-
naptische a f g i f t e v a n n o r a d r e n a l i n e i n het centraal zenuwstelsel.
120
N a g e n o e g alle geneesmiddelen, die i n w e r k e n o p het zenuwstelsel, d o e n d i t d o o r deze receptorsystemen te b e ï n v l o e d e n , b i j v o o r b e e l d , i n het geval v a n a n t a g o n i s t e n , d o o r de receptor te b l o k k e r e n z o d a t de n a t u u r l i j k e n e u r o t r a n s m i t t e r z i j n w e r k n i e t meer k a n d o e n o f , i n het g e v a l v a n agonisten, d o o r de n a t u u r l i j k e n e u r o t r a n s m i t t e r na te b o o t s e n . D o o r d a t de diverse receptor subtypes v o o r een n e u r o t r a n s m i t t e r v e r s c h i l l e n d v a n struct u u r z i j n , is het m o g e l i j k o m geneesmiddelen te o n t w i k k e l e n , die selectief a a n g r i j p e n o p é é n o f meerdere v a n de diverse receptor subtypes. H e t is b i j v o o r b e e l d m o g e l i j k o m selectieve 02 receptor a n t a g o n i s t e n te m a k e n , die i n het centrale zenuwstelsel de n o r a d r e n e r ge transmissie v e r s t e r k e n , zonder dat ze nadelige n e v e n - e f f e c t e n hebben v i a het n o r a d r e nerge systeem i n het h a r t . H e t z a l echter d u i d e l i j k z i j n dat m e t de v o o r t g a n g v a n de m o l e c u l a i r e b i o l o g i e en m e t de o n t d e k k i n g v a n die e n o r m e v a r i ë t e i t aan receptor subtypes i n het a f g e l o p e n d e c e n n i u m , w a a r v a n t a b e l 2 w a a r s c h i j n l i j k n o g m a a r een magere afspiegel i n g is, er o o k een geweldige u i t d i j i n g is o n t s t a a n aan m o g e l i j k e targets v o o r nieuwe geneesmiddelen en het is é é n v a n de grootste u i t d a g i n g e n v a n de f a r m a c e u t i s c h e i n d u s t r i e o m h i e r u i t een j u i s t e keuze te m a k e n en u i t te z o e k e n w e l k e r e c e p t o r e n o f receptor s u b t y pes selectief m o e t e n w o r d e n g e b l o k k e e r d o f g e a k t i v e e r d o m een gewenst t h e r a p e u t i s c h e f f e c t t o t s t a n d te b r e n g e n . T e n s l o t t e d i e n t o p g e m e r k t te w o r d e n dat het zenuwstelset geen statisch m a a r een u i t e r m a t e d y n a m i s c h systeem is, hetgeen het best t o t u i t i n g k o m t i n ons v e r m o g e n o m te leren en te vergeten. O o k receptor systemen k u n n e n g e m a k k e l i j k adaptieve v e r a n d e r i n g e n o n d e r g a a n . B l o k k a d e v a n een receptor d o o r een geneesmiddel k a n ertoe l e i d e n dat er meer r e c e p t o r e n w o r d e n a a n g e m a a k t , w a a r d o o r er b i j een v o l g e n d e b e h a n d e l i n g meer s t o f gegeven m o e t w o r d e n o m h e t z e l f d e e f f e c t te b e r e i k e n . O m g e k e e r d k a n er h i e r d o o r b i j het o n t t r e k k e n v a n een geneesmiddel een o n t h o u d i n g s r e a c t i e o n t s t a a n . V e r o n d e r s t e l d w o r d t dat d e r g e l i j k e adaptieve v e r a n d e r i n g e n o o k een b e l a n g r i j k e r o l spelen b i j de e t i o l o g i e v a n depressie. Tabel
2. Receptor
subtypes.
Tussen h a a k j e s staat v o o r elke n e u r o t r a n s m i t t e r het a a n t a l receptor s u b t y p e n aangegev e n d a t t o t n u toe is beschreven. D e algemeen geaccepteerde codes, die v o o r de diverse subtypes w o r d e n g e b r u i k t , staan o o k v e r m e l d . D e n i c o t i n e , G A B A en g l y c i n e r e c e p t o r e n bestaan n i e t u i t é é n e n k e l e i w i t , m a a r u i t een c o n g l o m e r a a t v a n 4 e i w i t t e n ( s u b u n i t s ) , w a a r v a n er i n m i d d e l s o o k verschillende z i j n o n t d e k t . D o o r p e r m u t a t i e s k u n n e n h i e r d o o r een g r o o t a a n t a l verschillende r e c e p t o r e n o n t s t a a n . Adenosine (9) Noradrenaline (10)
Pl
«IA'
'^IB)
Q'lCi "^ID'
P2 type:
«28.
«2C
fil,
K
'^aA'
type:
A j ^ , A j g , A3, P^^, Pav. P2Z. P2T. P;2 U
^3
Excitafoire aminozuren (5) D o p a m i n e (5)
N M D A , A M P A , Kainate
D „ D2, D3, D4, D ;5'
m G l u , , m G l u j , m G l u j , mGlu4, m G l U j , mGlUg, m G l u ,
Serotonine (14) 5 H T , A , 5 H T , B , S H T , , , , 5 H T | E , 5 H T 1F>
Peptiden ( > 3 4 subtypes)
5HT2A, S H T j B , 5HT2C, 5 H T 3 , 5HT44> S H T j A , 5HT5B, 5 H T „ 5HT7
Acetylcholine ( > 7 )
Histamine (3)
nicotine:
H „ H2, H3
s u b u n i t s : a(8), B(4), y(3), o-, ö
muscarine:
M i , M j , M3, M4, M 5 spier, z e n u w
121
G A B A (5)
Glycine ( > 2 )
GABA-A s u b u n i t s a ( 6 ) , B(4), y(3), Ö, GABA-B
subunits: «(4), B 0(2)
P s y c h o f a r m a c a w o r d e n g e w o o n l i j l c onderverdeeld i n een a a n t a l klassen n a a r de p s y c h i sche stoornissen, ter b e h a n d e l i n g w a a r v a n z i j w o r d e n g e b r u i k t . Naast de 1) antidepressiva, ter b e h a n d e l i n g v a n stemmings stoornissen w o r d e n v a a k de volgende klassen p s y c h o f a r m a c a onderscheiden: 2) antipsyclwtica,
geneesmiddelen die g e b r u i k t w o r d e n ter behandehng v a n psychose,
een s t o o r n i s v a n het d e n k e n , g e k e n m e r k t d o o r b i z a r r e w a a n i d e e ë n ( b i j v , het idee d o o r een externe k r a c h t beheerst te w o r d e n , i e m a n d anders te z i j n , o f o v e r a l achterv o l g d te w o r d e n ) , hallucinades ( b i j v . het h o r e n v a n s t e m m e n , die het g e d r a g b e c o m m e n t a r i ë r e n ) en i n c o h e r e n t d e n k e n met vreemde gedachtenassociaties; 3) anxiolytica, die g e b r u i k t w o r d e n v o o r diverse angststoornissen, f o b i e ë n en d w a n g m a tige obsessies; 4) anticonvulsiva 5) hypnotica
v o o r de b e h a n d e l i n g v a n epileptische stoornissen; ter b e h a n d e h n g v a n
slaapstoornissen;
6) psychostimulantia, een g r o e p s t o f f e n , die doorgaans niet toegepast w o r d e n i n de psyc h i a t r i e , m a a r die w e l het gedrag en de w a a r n e m i n g sterk b e ï n v l o e d e n en die veelal een verslavende w e r k i n g h e b b e n . H e t o n d e r s c h e i d d a t h i e r b o v e n g e m a a k t is tussen een a a n t a l klassen v e r b i n d i n g e n b l i j k t i n de p r a k t i j k m i n d e r s t r i k t te z i j n . Z o z i j n anddepressiva v a a k o o k a n x i o l y t i s c h en w o r d e n s o m m i g e a n x i o l y t i c a o o k als a n t i c o n v u l s i v u m o f als s l a a p m i d d e l g e b r u i k t . Naast de hier geschetste h o o f d w e r k i n g e n v a n p s y c h o f a r m a c a h e b b e n veel v e r b i n d i n g e n o o k ongewenste n e v e n w e r k i n g e n . Z o k a n l a n g d u r i g e behandehng met a n t i p s y c h o t i c a l e i d e n t o t s t o r i n g e n v a n de m o t o r i e k . T e n s l o t t e hebben de meeste p s y c h o f a r m a c a niet een echte genezende w e r k i n g , m a a r b e s t r i j d e n z i j de s y m p t o m e n v a n de ziekte, zoals het o n d e r d r u k ken v a n h a l l u c i n a t i e s b i j psychosen o f het v e r k l e i n e n v a n de i n c i d e n t i e v a n a a n v a l l e n b i j epilepsie. Gezien de ernst v a n de meeste psychische stoornissen en het b e p e r k t f a r m a c o t h e r a p e u tisch a r m e n t a r i u m , d a t de psychiater ter b e s c h i k k i n g staat, is het v a n g r o o t b e l a n g o m n i e u w e s t o f f e n te v i n d e n , die • sterker w e r k e n ; • sneller w e r k e n ; •
m i n d e r b i j v e r s c h i j n s e l e n geven en
•
o o k w e r k e n i n p a t i ë n t e n , die t o t n u toe 'therapie-resistent' z i j n ;
1.3 Ontwitclcehng
en selectie
van nieuwe
farinacotherapeutica
D e eerste p s y c h o f a r m a c a z i j n o o r s p r o n k e l i j k niet o n t w i k k e l d v o o r de b e h a n d e l i n g v a n psychische stoornissen, m a a r veelal w e r d h u n p s y c h o t r o p e w e r k i n g m i n o f meer b i j toev a l o n t d e k t . D e anddepressiva i p r o n i a z i d e , i m i p r a m i n e en mianserine z i j n a a n v a n k e l i j k o n t w i k k e l d als m i d d e l e n tegen r e s p e c t i e v e l i j k tuberculose, psychose en allergie. H e t eerste a n t i p s y c h o t i c u m , c h l o o r p r o m a z i n e w e r d o o r s p r o n k e l i j k g e b r u i k t als k a l m e r i n g s m i d d e l , o.a. v o o r psychotische p a t i ë n t e n , m a a r bleek a c h t e r a f i n deze p a t i ë n t e n o o k de d e n k s t o o r n i s s e n te k u n n e n v e r h c h t e n . E e n ander veel g e b r u i k t a n t i p s y c h o t i c u m , h a l o p e r i d o l w e r d o o r s p r o n k e l i j k d o o r Janssen o n t w i k k e l d als p i j n s t U l e r .
122
H e t is o p z i c h z e l f niet verbazend, dat de p s y c h o t r o p e w e r k i n g v a n deze s t o f f e n eerst b i j t o e v a l w e r d o n t d e k t . I n tegenstelhng t o t de t r a d h i o n e l e , m e d i c i n a l e geneesmiddelen v a n v a a k p l a n t a a r d i g e o o r s p r o n g , zoals cocaine en de o p i a t e n , w a a r v a n de w e r k i n g al l a n g b e k e n d was o p basis v a n g e b r u i k d o o r de mens, w o r d e n n i e u w o n t w i k k e l d e geneesmiddelen niet i n de mens, maar i n p r o e f d i e r e n uitgetest. U i t de w e r k i n g v a n deze s t o f f e n o p het gedrag v a n p r o e f d i e r e n is echter m o e i l i j k te v o o r s p e l l e n o f deze s t o f f e n v a n n u t z u l l e n k u n n e n z i j n v o o r de psychiatrische p r a k t i j k , aangezien de psychische stoornissen, w a a r het hier over gaat, t y p i s c h m e n s e l i j k e a a n d o e n i n g e n z i j n . Psychosen b i j v o o r b e e l d w o r d e n v o o r n a m e l i j k g e d u i d d o o r analyse v a n de i n h o u d v a n de verbale c o m m u n i c a d e v a n p a t i ë n t e n en a l h o e w e l zich i n schizophrene p a t i ë n t e n o o k gedragsstoornissen v o o r d o e n , z i j n deze i n eerste instantie o n d e r g e s c h i k t . H i e r m e e z i j n w i j tevens aangeland b i j het k e r n p r o b l e e m v a n de o n t w i k k e l i n g v a n n i e u we p s y c h o f a r m a c a . H o e o n t w i k k e l j e een m e d i c i j n tegen psychische z i e k t e n , die v o o r zover w i j k u n n e n w e t e n , alleen b i j mensen v o o r k o m e n . A l s er al v e r g e l i j k b a r e a a n d o e n i n gen b i j dieren v o o r k o m e n d a n staan ons geen m i d d e l e n ter b e s c h i k k i n g o m i n z i c h t te k r i j g e n i n h u n gestoorde belevingswereld. W a t d a n b i j d i e r o n d e r z o e k rest, is het a f g a a n o p een a a n t a l m o g e l i j k e e p i f e n o m e n e n v a n eventuele psychische stoornissen, zoals s t o o r nissen i n het d i e r l i j k e gedrag. O m t o c h t o t een goede selectie te k o m e n v a n m o g e l i j k interessante, nieuwe p s y c h o f a r m a ca w o r d t i n p r i c i p e uitgegaan v a n 2 verschillende s t r a t e g i e ë n , de moleculaire en de model
benadering
benadering.
B i j de moleculaire
benadering
w o r d t uitgegaan v a n t h e o r i e ë n o m t r e n t de r e c e p t o r e n o f
n e u r o t r a n s m i t t e r s y s t e m e n , die v e r o n d e r s t e l d w o r d e n aangetast te z i j n b i j de desbetreff e n d e psychiatrische stoornissen o f die geacht w o r d e n b e t r o k k e n te z i j n b i j de therapeutische w e r k i n g v a n reeds bestaande geneesmiddelen. Helaas is n o g te w e i n i g b e k e n d o m t r e n t de o o r z a k e n en etiologie v a n de meeste psychische stoornissen o m als a a n g r i j p i n g s p u n t te k u n n e n dienen v o o r een d e r g e l i j k e b e n a d e r i n g . O o k l i j k t het o n w a a r s c h i j n l i j k dat er é é n enkele centrale f a c t o r is, die v e r s t o o r d is b i j b i j v . depressie en v e r a n t w o o r d e l i j k v o o r het ziektebeeld met al z i j n f a c e t t e n . E e n c o m p l e x v a n sociale, b i o l o g i s c h e , genetische en o m g e v i n g s - f a c t o r e n l i j k t b i j het o n t s t a a n v a n depressies een r o l te spelen. S t u k j e b i j beetje w o r d e n er w e l a a n w i j z i n g e n v e r z a m e l d met b e t r e k k i n g t o t m o g e l i j k e s t r u c t u r e l e en f u n c t i o n e l e a f w i j k i n g e n v a n het zenuwstelsel b i j psychische stoornissen, m a a r v a a k is de directe relatie m e t de psychische s t o o r n i s m o e h i j k aan te geven. Aan
de m o l e c u l a i r e benadering b i j de o n t w i k k e l i n g v a n nieuwe p s y c h o f a r m a c a w o r d t
d a n o o k v o o r n a m e l i j k r i c h t i n g gegeven d o o r w a t er b e k e n d is o m t r e n t de w e r k i n g v a n k l i n i s c h e f f e c t i e v e p s y c h o f a r m a c a . H e t m o l e c u l a i r w e r k i n g s m e c h a n i s m e v a n deze s t o f f e n is v a a k zeer u i t v o e r i g bestudeerd, o o k o m langs deze weg m o g e l i j k iets meer te w e t e n te k u n n e n k o m e n o m t r e n t het ziektebeeld. G e b l e k e n is b i j v o o r b e e l d dat de k l i n i s c h e p o t e n t i e v a n antipsyclrotica
sterk correleert met de m a t e w a a r i n z i j de receptor v o o r de neu-
rotransmitter dopamine kunnen blokkeren. E e n d e r g e l i j k e p a r a l l e l k a n niet g e t r o k k e n w o r d e n v o o r de h u i d i g e antidepressiva.
In
t a b e l 3 is een o v e r z i c h t o p g e n o m e n v a n de b e l a n g r i j k s t e groepen antidepressiva en h o e z i j v e r o n d e r s t e l d w o r d e n te w e r k e n . Veel antidepressiva f a c i l i t e r e n direct o f i n d i r e c t de m o n o a m i n e r g e ( n o r a d r e n a h n e , serotonine o f d o p a m i n e ) s i g n a a l o v e r d r a c h t tussen zen u w c e l l e n . H e t veelbesproken a n t i d e p r e s s i v u m P r o z a c ®
b i j v o o r b e e l d v e r t r a a g t na a f -
g i f t e v a n serotonine b i j een z e n u w p u l s , de v e r w i j d e r i n g v a n serotonine u i t de synaptische spleet, w a a r d o o r serotonine langer beschikbaar b l i j f t o m de postsynaptische receptoren
123
te b o m b a r d e r e n en w a a r d o o r de s i g n a a l o v e r d r a c h t versterlct w o r d t . D e meeste p s y c h o f a r m a c a werlcen niet o p een specifieic receptor subtype i n , m a a r hebben a f f i n i t e h v o o r een g r o o t a a n t a l verschiUende receptoren, v a n s o m m i g e d a a r v a n is b e k e n d dat ze v e r a n t w o o r d e l i j k z i j n v o o r het o p t r e d e n v a n n e v e n w e r k i n g e n . T e g e n w o o r d i g spant m e n zich d a a r o m i n o m s t o f f e n te synthetiseren, die selectiever z i j n v o o r é é n v a n die r e c e p t o r e n i n de h o o p dat d i t t o t betere en m o g e l i j k p o t e n t e r e
geneesmiddelen
zal l e i d e n . Tabel
3.
V e r o n d e r s t e l d e w e r k i n g s m e c h a n i s m e n en targets v a n antidepressiva. D e targets staan i n de t a b e l n o r m a a l aangegeven, t e r w i j l v o o r b e e l d e n v a n p s y c h o f a r m a c a , die v e r o n d e r s t e l d w o r d e n v i a de d e s b e t r e f f e n d e r o u t e te w e r k e n , i n halics v e r m e l d staan. B i j e f f e c t b e ï n v l o e d i n g staan geen v o o r b e e l d e n v e r m e l d . D h gebied, het b e ï n v l o e d e n v a n het e f f e c t v a n receptor a k t i v a t i e d o o r de m o d u l a t i e v a n e n z y m e n o f e i w h t e n die achter de r e c e p t o r geschakeld z i j n , k o m t de laatste t i j d meer en meer i n de belangstelling te s t a a n . Afbraak remming
Heropname remming
Receptor
Receptor
Effect
stimulatie
Blokkade
Beïnvloeding
NA moclobemide 5-HT
«2 Remeron
tricyclica SSRI
5HT,A,
5HT,A,
SHTjc,
5HT2C, 5HT2A, 5HT3
5HT3
DA
buproprion
ainfebutamon
GABA
adinazolam
Peptiden
melatonine
B i j de model
benadering
CRF
w o r d t niet uitgegaan v a n concepten die z i c h o p het m o l e c u l a i r e
o f receptor n i v e a u a f s p e l e n , m a a r w o r d t het gedrag v a n een p r o e f d i e r als u i t g a n g s p u n t g e n o m e n . G e t r a c h t w o r d t o m een p r o e f d i e r i n een zodanige situatie te plaatsen dat een b e p a a l d s y m p t o o m v a n een ziekte w o r d t nagebootst, zoals b i j v . de l u s t e l o o s h e i d b i j depressie. M e n zegt d a n dat een d e r g e l i j k m o d e l 'face
validity'
h e e f t , d . w . z . dat het f e n o -
m e n o l o g i s c h o v e r e e n k o m t met een b e p a a l d element v a n de ziekte.
A n d e r e g e d r a g s m o d e l l e n z i j n vaak gebaseerd o p het f e h dat dieren een t y p i s c h e ged r a g s v e r a n d e r i n g v e r t o n e n , als ze w o r d e n ingespoten m e t s t o f f e n die t o t d e z e l f d e klasse v a n p s y c h o f a r m a c a b e h o r e n , t e r w i j l s t o f f e n b u h e n die klasse d i t g e d r a g s e f f e c t n i e t teweeg b r e n g e n . A n g s t r e m m e n d e s t o f f e n ( a n x i o l y t i c a ) r e m m e n b i j v o o r b e e l d het b e g r a a f gedrag, dat m u i z e n v e r t o n e n als ze g e c o n f r o n t e e r d w o r d e n m e i vreemde v o o r w e r p e n ( b i j v . k n i k k e r s ) i n h u n k o o i . A l s een n i e u w o n t w i k k e l d e s t o f n u o o k d i t b e g r a a f g e d r a g r e m t is d i t een a a n w i j z i n g dat die s t o f m o g e l i j k als a n g s t r e m m e r i n de k U n i e k g e b r u i k t z o u k u n n e n w o r d e n . D e r g e l i j k e m o d e l l e n h e b b e n d a n naar m e n zegt 'predictive ty'.
validi-
Het gedrag dat i n d e r g e l i j k e m o d e l l e n als m a a t w o r d t g e n o m e n h o e f t overigens geen
g e l i j k e n i s te v e r t o n e n met enig s y m p t o o m v a n de z i e k t e . A a n het g e b r u i k v a n p r o e f d i e r -
124
m o d e l l e n , die gebaseerd z i j n o p reeds bestaande e f f e c d e v e p s y c h o f a r m a c a k l e e f t het i n herente r i s i c o , d a t op deze w i j z e geen echt vernieuwende s t o f f e n z u l l e n w o r d e n o n t d e k t , m a a r m e t name s t o f f e n , die o p de al bestaande geneesmiddelen l i j k e n . A f h a n k e l i j k v a n de therapeutische toepassing w o r d t slechts é é n o p de circa 2.500-10.000 n i e u w gesynthetiseerde chemische v e r b i n d i n g e n u i t e i n d e l i j k o p de m a r k t gebracht. H e t selecteren v a n interessante chemische v e r b i n d i n g e n is een l a n g d u r i g en k o s t b a a r proces, d a t v o o r p s y c h o f a r m a c a g e m i d d e l d 12 t o t 15 j a a r d u u r t en w a a r b i j steeds meer s t o f f e n a f v a l l e n t o t er é é n s t o f overgebleven is, die het gewenste geneeskrachtige p r o f i e l h e e f t zonder s c h a d e l i j k e b i j w e r k i n g e n . H e t r e n d e m e n t v a n d i t proces is a f h a n k e l i j k v a n de k w a l i t e i t v a n een a a n t a l k e u z e m o m e n t e n . S t o f f e n die geselecteerd w o r d e n m a a r tenslotte de m a r k t niet h a l e n k u n n e n v o o r verhezen v a n t i e n t a l l e n m i l j o e n e n guldens z o r g e n . 2. Slaap-waak
gedrag
in ratten
als een model
voor
de bestudering
van
psycltofartnaca
B i j diverse psychische s t o r i n g e n treden er v e r a n d e r i n g e n o p i n het s l a a p p a t r o o n . Z o slap e n depressieve p a t i ë n t e n erg h c h t en w o r d e n z i j r e g e l m a t i g t i j d e n s de slaap w a k k e r . M a a r het meest o p m e r k e l i j k e is dat r e l a t i e f snel na het b e g i n v a n h u n slaap er een ' d r o o m slaap'
episode
optreedt.
Anddepressiva
o n d e r d r u k k e n d i t vroege v o o r k o m e n v a n
d r o o m s l a a p en m e n h e e f t w e l v e r o n d e r s t e l d dat het antidepressieve k a r a k t e r v a n deze s t o f f e n direct te m a k e n h e e f t m e t h u n e f f e c t o p slaap. D e v e r o n d e r s t e l l i n g , dat slaap en depressie iets m e t elkaar te m a k e n h e b b e n , w o r d t n o g versterkt d o o r het f e h dat het o n t h o u d e n v a n slaap aan depressieve p a t i ë n t e n acuut een g u n s t i g e f f e c t h e e f t o p de depressie. D i t acute e f f e c t staat i n s c h r i l contrast m e t het uitgestelde therapeutische e f f e c t v a n antidepressiva, d i e n o r m a a l meestal pas na 2-3 w e k e n e f f e c t b l i j k e n te sorteren. O o k b i j andere psychische stoornissen z i j n v e r a n d e r i n g e n v a n het s l a a p p a t r o o n
waargenomen.
O n d e r z o e k naar de e f f e c t e n v a n nieuwe v e r b i n d i n g e n o p slaap i n p r o e f d i e r e n is d a n o o k een m o d e l dat ' f a c e v a h d i t y ' l i j k t te h e b b e n . O m d a t het slaap-waak gedrag v a n p r o e f d i e ren verder o o k o p een k a r a k t e r i s t i e k e m a n i e r w o r d t b e ï n v l o e d d o o r de verschillende klassen p s y c h o f a r m a c a h e e f t d i t m o d e l tevens ' p r e d i c t i v e v a l i d i t y ' . W i j z i j n d a a r o m nagegaan o f het m o g e l i j k is o m v o o r n i e u w gesynthetiseerde chemische v e r b i n d i n g e n het ther a p e u t i s c h toepassingsgebied te v o o r s p e l l e n u i t g a a n d e v a n de e f f e c t e n v a n deze s t o f f e n o p het slaap-waak gedrag v a n r a t t e n . H e t slaap-waak gedrag v a n r a t t e n k a n w o r d e n beschreven i n t e r m e n v a n een zestal slaap- en w a a k - stadia, te w e t e n 2 w a k k e r stadia ( a k d e f en r u s t i g w a k k e r ) en 4 slaap stad i a (doezelen, diepe slaap, p r e - R E M slaap en R E M slaap, w a a r b i j R E M staat v o o r ' r a p i d eye m o v e m e n t s ' , die b i j de mens v e e l v u l d i g v o o r k o m e n t i j d e n s d r o o m s l a a p ) . Deze stadia z i j n g e d e f i n i e e r d o p basis v a n a m p l i t u d e en f r e q u e n t i e p a t r o n e n i n het electroenc e p h a l o g r a m ( E E G ) : een registratie v a n electrische spanningsverschillen i n de hersenschors. B i j de mens k u n n e n v e r g e l i j k b a r e slaapstadia w o r d e n g e d e f i n i e e r d . V o o r onze e x p e r i m e n t e n i n r a t t e n w o r d e n deze E E G registraties onder g o e d g e d e f i nieerde o m s t a n d i g h e d e n g e m a a k t gedurende een e t m a a l na t o e d i e n i n g v a n de te o n d e r zoeken s t o f . Per e x p e r i m e n t levert het E E G v a n iedere r a t na een g r o o t a a n t a l datareducerende b e w e r k i n g e n een reeks v a r i a b e l e n o p , die elk k a r a k t e r i s t i e k z i j n v o o r een b e p a a l d slaap- o f w a a k s t a d i u m i n een bepaalde fase v a n het e x p e r i m e n t . D e w a a r d e n v a n deze reeks v a r i a b e l e n v o r m e n een p a t r o o n , dat k a r a k t e r i s t i e k is v o o r de w e r k i n g v a n de s t o f . A a n de h a n d v a n d i t p a t r o o n k a n d o o r een e r v a r e n onderzoeker i n p r i n c i p e een u i t s p r a a k gedaan w o r d e n over de m o g e l i j k e therapeutische w e r k i n g v a n de o n d e r z o c h t e s t o f , aangezien er per therapeutische klasse naast een a a n t a l s t o f - s p e c i f i e k e e f f e c t e n , die niet generahseren naar de therapeutische klasse, o o k een a a n t a l generaliserende e f f e c t e n
125
z i j n vast te stellen, die k a r a k t e r i s d e k z i j n v o o r de therapeutische klasse (tabel 4). Tabel
4:
O v e r z i c h t v a n de v e r a n d e r i n g e n i n het slaap-waak gedrag v a n r a t t e n die k a r a k t e r i s t i e k z i j n v o o r de diverse klassen p s y c h o f a r m a c a . A l l e e n de meest k e n m e r k e n d e v e r a n d e r i n gen z i j n o p g e n o m e n , i.e. lege cellen i n de m a t r i x betekenen niet dat de s t o f f e n geen e f f e c t h e b b e n o p d i t slaap- o f w a a k - s t a d i u m . Wakker Stofklasse
Aktief
antidepressiva
Rustig
Doezelen
Diep
REM II
11
|
11
anxiolytica
11
|
hypnotica
(|)
n
sedativa
Pre-REM
11
antipsychodca stimulanda
Slaap
|
(t) t
H e t p a t r o o n v a n v e r a n d e r i n g e n i n het slaap-waak gedrag n a t o e d i e n i n g v a n een s t o f is echter zeer v a r i a b e l en niet alleen a f h a n k e l i j k v a n de toegediende s t o f . Z o a l s te v e r w a c h ten is het slaap-waak p a t r o o n v a n een r a t niet v a n d a g t o t dag i d e n t i e k en is er o o k een b e h o o r l i j k e v a r i a b i h t e i t tussen r a t t e n o n d e r l i n g . H e t k a r a k t e r i s e r e n v a n een s t o f w o r d t behalve d o o r deze b i o l o g i s c h e ruis n o g verder b e m o e i h j k t d o o r verschiUen i n p o t e n t i e en w e r k i n g s d u u r v a n de diverse p s y c h o f a r m a c a . Z o k a n het ene a n t i d e p r e s s i v u m het slaapgedrag gedurende 2 u u r v e r a n d e r e n , t e r w i j l een andere s t o f gedurende 24 u u r een e f f e c t h e e f t . Deze w e r k i n g s d u u r is overigens o o k a f h a n k e l i j k v a n de d o s e r i n g . D o o r deze p a t r o n e n v a n v e r a n d e r i n g e n i n slaap-waak gedrag na t o e d i e n i n g v a n een s t o f te bestuderen k a n een v o o r s p e l l i n g g e m a a k t w o r d e n t o t w e l k e klasse v a n p s y c h o f a r m a c a deze s t o f z o u k u n n e n b e h o r e n . Veel m o e i l i j k e r is het o m vast te stellen w e l k e é é n m a l i g e dosis v a n een s t o f b i j i n j e c t i e i n de r a t o v e r e e n k o m t m e t de d o s e r i n g , die b i j c h r o nische orale t o e d i e n i n g i n p a t i ë n t e n k l i n i s c h e f f e c t i e f z o u m o e t e n z i j n tegen een bepaalde ziekte. 3. Voorspelling van het therapeutisch profiel van nieuw ontwildcelde op basis van de effecten van deze stoffen op slaap waakgedrag In
psychotherapeutica ratten
Z o a l s h i e r b o v e n beschreven, l i j k t het dus m o g e l i j k o m o p basis v a n d i e r e x p e r i m e n t e e l w e r k een u i t s p r a a k te d o e n over de p o t e n t i ë l e therapeutische w e r k i n g v a n n i e u w e geneesmiddelen v o o r psychische z i e k t e n . A l s d i t m o g e l i j k is o p basis v a n een subjectieve b e o o r d e l i n g v a n s t o f e f f e c t e n o p slaap-waak gedrag doet z i c h de v r a a g v o o r o f deze klass i f i k a d e en v o o r s p e l l i n g o o k g e o b j e c t i v e e r d k a n w o r d e n . H i e r v o o r h e b b e n w i j twee k l a s s i f i k a t i e - a l g o r i t m e n g e b r u i k t , enerzijds de klassieke statistische t e c h n i e k e n en anderz i j d s een k l a s s i f i k a t i e d o o r een k u n s t m a t i g n e u r a a l n e t w e r k , dat w i j s o f t w a r e m a t i g v o o r deze toepassing h e b b e n g e b o u w d . V a n a f het b e g i n v a n d i t o n d e r z o e k naar de e f f e c t e n v a n p o t e n t i ë l e p s y c h o f a r m a c a o p het slaap-waak gedrag v a n r a t t e n z i j n er meer d a n 700 e x p e r i m e n t e n v e r r i c h t , r e s u l t e r e n d i n een v o o r d h onderzoeksgebied hoogst u n i e k e data-base, w a a r i n niet alleen de e f f e c t e n v a n vele n i e u w o n t w i k k e l d e chemische v e r b i n d i n g e n z i j n opgeslagen, m a a r o o k de e f f e c t e n v a n verschillende doseringen v a n meer d a n 200 verschillende r e f e r e n t i e s t o f f e n . D i t
126
z i j n s t o f f e n , die k l i n i s c h g e b r u i k t w o r d e n v o o r de b e h a n d e l i n g v a n psychische s t o o r n i s sen o f s t o f f e n , die i n het w e t e n s c h a p p e l i j k o n d e r z o e k vanwege h u n bekende w e r k i n g o p receptoren en n e u r o t r a n s m i t t e r - s y s t e m e n g e b r u i k t w o r d e n o m meer te w e t e n te k o m e n over de w e r k i n g v a n het zenuwstelsel. T e g e l i j k e r t i j d hebben w i j o o k een e n o r m e database o p g e b o u w d m e t circa 5000 slaap registraties v a n r a t t e n onder placebo c o n d i t i e s , die een d u i d e l i j k beeld geven o m t r e n t de v o r m en de l e e f t i j d s - a f h a n k e l i j k h e i d v a n het slaapp a t r o o n en o m t r e n t de v a r i a b i l i t e i t i n d i t p a t r o o n b i n n e n een r a t en tussen r a t t e n o n d e r h n g . Beide data-bases w o r d e n c o n d n u e u i t g e b r e i d en v o r m e n het u i t g a n g s p u n t v a n p o gingen o m m e t b e h u l p v a n diverse k l a s s i f i k a t i e m e t h o d i e k e n te p r o b e r e n o m de stofspec i f i e k e f a c t o r e n te scheiden v a n de h i e r b o v e n beschreven storende f a c t o r e n ( b i o l o g i s c h e r u i s , d o s e r i n g , w e r k i n g s d u u r , p o t e n t i e ) en o p een objectieve m a n i e r het t h e r a p e u t i s c h p r o f i e l v a n n i e u w o n t w i k k e l d e chemische v e r b i n d i n g e n te v o o r s p e l l e n . 3.1 Statistische
analyses
I n eerste i n s t a n t i e is geprobeerd o m met b e h u l p v a n t r a d i t i o n e l e statistische m e t h o d e n onderscheid te m a k e n tussen de diverse klassen v a n p s y c h o f a r m a c a . A l s leerset w e r d e n h i e r v o o r de e f f e c t e n v a n 30 k h n i s c h e f f e c t i e v e p s y c h o f a r m a c a en 31 placebo b e h a n d e l i n gen verdeeld o v e r 6 therapeutische klassen m e t placebo als zevende klasse o n d e r w o r p e n aan een d i s c r i m i n a n t analyse. Diverse t e c h n i e k e n w e r d e n toegepast o m de e n o r m e b e r g aan gegevens te reduceren. D e r g e l i j k e E E G registraties leveren v o o r elke p e r i o d e v a n 2 sec. en v o o r elke r a t enkele h o n d e r d e n d a t a p u n t e n o p , hetgeen snel o p l o o p t als m e n bed e n k t dat een v o l l e d i g e x p e r i m e n t bestaat u i t registraties v a n 32 r a t t e n t e g e l i j k e r t i j d ged u r e n d e een p e r i o d e v a n 24 u u r . H e t is hier niet de plaats o m verder i n te gaan o p de a a r d v a n de d a t a reducerende en statistische t e c h n i e k e n (zie h i e r v o o r R u i g t et a l , 1993). D e resuhacen v a n de statistische analyse w e r d e n u i t g e d r u k t als de procentuele g e m i d delde w a a r s c h i j n l i j k h e i d v a n t o e w i j z i n g aan de verschillende s t o f k l a s s e n , zoals weergegeven i n t a b e l 5. D u i d e l i j k is dat antidepressiva, a n t i p s y c h o t i c a en s t i m u l a n t i a goed v a n elkaar en v a n placebo k o n d e n w o r d e n onderscheiden. A n x i o l y t i c a , h y p n o t i c a en a n t i c o n v u l s i v a k l a s s i f i c e e r d e n r e l a t i e f slecht. E e n v a n de b e l a n g r i j k s t e o o r z a k e n v o o r het geb r e k k i g e o n d e r s c h e i d v a n de laatste 3 klassen is het f e i t dat p s y c h o f a r m a c a b e h o r e n d t o t deze s t o f k l a s s e n w e i n i g s p e c i f i e k z i j n en o o k i n de k l i n i e k v a a k v o o r meerdere t h e r a p e u tische toepassingen w o r d e n ingezet. Tabel
5
P r o c e n t u e l e t o e w i j z i n g v a n p s y c h o f a r m a c a aan de diverse s t o f k l a s s e n o p basis v a n een d i s c r i m i n a n t analyse v a n de e f f e c t e n v a n r e f e r e n t i e p s y c h o f a r m a c a o p slaap-waak ged r a g i n r a t t e n . Per stofklasse z i j n de resultaten g e m i d d e l d over de verschillende s t o f f e n , die b i n n e n die klasse getest z i j n en die niet meegedaan hebben aan het vaststellen v a n de d i s c r i m i n a n t f u n c t i e . AD
APS
STIM
AXL
HYP
AC
PLAG
53
3
5
11
9
8
11
5
48
0
15
6
18
7
stimulantia(STIM)
13
0
71
5
4
3
4
anxiolytica(AXL) hypnotics(HYP)
17 7
9 8
0 0
29 15
11 26
16 7
18 38
anticonvulsants(AC)
18
10
2
13
5
35
17
9
2
0
16
14
9
49
antidepressiva(AD) antipsychotica(APS)
placebo(PLAC)
127
3.2 Kunstmatige
neurale
netwerlcen
V o o r de o p l o s s i n g v a n k l a s s i f i k a t i e p r o b l e m e n w o r d e n t e g e n w o o r d i g v e e l v u l d i g k u n s t m a t i g e neurale n e t w e r k e n g e b r u i k t . Z o g e b r u i k t de A m e r i k a a n s e m a r i n e neurale netwerken o m schepen q u a t y p e te i d e n t i f i c e r e n o p basis v a n een analyse v a n sonar signalen. N e u r a l e n e t w e r k e n z i j n o o k zeer i n t r e k o m beurskoersen te v o o r s p e l l e n . K u n s t m a t i g e neurale n e t w e r k e n z i j n o n t w o r p e n naar analogie v a n de i n f o r m a t i e v e r w e r k i n g i n het zenuwstelsel en bestaan u i t aan elkaar geschakelde k u n s t m a t i g e z e n u w c e l len ( n e u r o n e n ) , die i n f o r m a t i e v i a een a a n t a l i n g a n g s k a n a l e n o n t v a n g e n , d i t i n f o r m a t i e p a k k e t b e w e r k e n en vervolgens v i a een enkele vezel een resulterend signaal u i t s t u r e n naar een v o l g e n d e zenuwcel i n het n e t w e r k . D e b e w e r k i n g e n i n de zenuwcel k u n n e n v a r i e r e n v a n o p t e l l e n en a f t r e k k e n t o t l o g a r i t m i s c h e t r a n s f o r m a t i e en stap- o f d r e m p e l f u n c t i e s . H e t g r o o t s t e verschh m e t de klassieke statistische technieken is dat een d e r g e l i j k n e t w e r k o o k niet l i n e a i r e v e r b a n d e n tussen v a r i a b e l e n k a n leggen, iets dat b i j de v o o r spelUng v a n beurskoersen v a n evident belang is. W i j hebben hier o n d e r z o c h t o f analyse v a n de s l a a p e f f e c t e n v a n p s y c h o f a r m a c a met een k u n s t m a t i g n e u r a a l n e t w e r k m o g e l i j k betere o f andere i n f o r m a t i e z o u k u n n e n lever e n m e t b e t r e k k i n g t o t de v o o r s p e l l i n g v a n het t h e r a p e u t i s c h toepassingsgebied v a n de o n d e r z o c h t e s t o f f e n . H i e r v o o r z i j n een a a n t a l verschillende testen u i t g e v o e r d o p een bep e r k t e set v a n de gegevens, die v o o r de h i e r b o v e n beschreven statistische d i s c r i m i n a n t analyse w a r e n g e b r u i k t . E é n v a n de gunstige v o o r d e l e n v a n het neurale n e t w e r k is dat het veel meer v a r i a b e l e n a a n k a n d a n een klassieke statistische toets. B i j het d e f i n i ë r e n v a n het n e t w e r k m o e t p r o e f o n d e r v i n d e l i j k het a a n t a l v e r b o r g e n l a gen v a n het n e t w e r k , het a a n t a l n e u r o n e n v o o r elk laag en de t r a i n i n g s t o l e r a n t i e w o r d e n vastgesteld. P i l o t e x p e r i m e n t e n gaven aan dat een n e t w e r k m e t 2 v e r b o r g e n l a g e n , e l k met 5 elementen en een t r a i n i n g s t o l e r a n t i e v a n 0.05 de beste resuhaten gaven. A l s i n v o e r w e r d e n 96 ingangs v a r i a b e l e n g e b r u i k t , die het p a t r o o n v a n v e r a n d e r i n g e n i n het slaapw a a k p a t r o o n v a n r a t t e n beschreven. D e 4 o u t p u t n e u r o n e n v a n het n e t w e r k w e r d e n ged e f i n i e e r d d o o r de 4 klassen p s y c h o f a r m a c a (antidepressief, a n d p s y c h o t i s c h , s t i m u l e r e n d en p l a c e b o ) . E e n deel v a n de dataset w e r d g e b r u i k t als leerset en de resterende reeksen als testset. H e t n e t w e r k w e r d g e t r a i n d t o t d a t alle trainingsreeksen correct g e k l a s s i f i ceerd w e r d e n . D a a r n a w e r d het n e t w e r k getest m e t o n a f h a n k e l i j k e testreeksen. D e t r a i ningsreeksen w e r d e n r a n d o m geselecteerd u i t de experimentele gegevens v a n de diverse klassen. V o o r de testset w e r d als resuhaat de klasse g e n o m e n v a n het o u t p u t n e u r o n m e t de hoogste w a a r d e . Tabel
6
V e r g e l i j k i n g tussen de k l a s s i f i k a t i e v a n p s y c h o f a r m a c a d . m . v . een statistische analyse (disc) enerzijds en een n e u r a a l n e t w e r k (net) a n d e r z i j d s . AD
STIM
APS
PLAC
disc
net
disc
net
disc
net
disc
net
AD STIM
88 22
64 33
6 67
27 67
0 0
3 0
6 11
0
APS
26
9
2
9
36
60
36
22
8
11
0
4
2
5
90
80
PLAC
6
D e z e l f d e d a t a w e r d e n o o k b e w e r k t v i a de statistische analyse. T a b e l 6 laat z i e n dat i n deze specifieke dataset de antidepressiva beter w o r d e n gedetecteerd d o o r de d i s c r i m i n a n t
128
analyse, t e r w i j l de a n t i p s y c h o d c a beter w o r d e n h e r k e n d d o o r het n e t w e r k . V o o r de sdm u l a n d a en p l a c e b o is het v e r s c h ü b e p e r k t . V e r d e r neigt de d i s c r i m i n a n t analyse meer t o t het klassificeren v a n reeksen i n de r i c h d n g v a n de placebo klasse ongeacht de b e h a n dehng. O m g e k e e r d l i j k t het n e t w e r k een lichte n e i g i n g te hebben t o t het k l a s s i f i c e r e n v a n reeksen t o t de klasse der s t i m u l a n d a . 4. Slotopmerkingen
en
conclusies
H e t grote v o o r d e e l v a n neurale n e t w e r k e n b o v e n d i s c r i m i n a n t analyses is dat ze gevoed k u n n e n w o r d e n m e t gegevens b e t r e f f e n d e g r o t e hoeveelheden v a r i a b e l e n . U i t onze analyses k o m t d u i d e l i j k naar v o r e n dat v o o r neurale n e t w e r k e n m é é r i n d e r d a a d beter is, zow e l w a t b e t r e f t het aantal v a r i a b e l e n als w a t b e t r e f t het aantal reeksen. O p v a l l e n d was echter t o c h d a t het n e t w e r k al r e l a t i e f goed klassificeerde, i n d i e n g e t r a i n d m e t slechts een zeer beperkte set trainings-reeksen. V e r d e r z i j n n e t w e r k e n i n tegenstelling t o t d i s c r i m i n a n t analyses en andere statistische analyses i n staat o m onderscheid te m a k e n o p basis v a n eventuele niet-lineaire v e r b a n d e n tussen de variabelen. I n hoeverre d i t aspect b i j de analyse v a n de h u i d i g e dataset een r o l speeh is o n b e k e n d . Daarentegen k a n m o e i l i j k aangegeven w o r d e n w e l k e elementen i n het neurale n e t w e r k 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 t o e w i j z i n g v a n een s t o f t o t een bepaalde klasse. V o o r de discriminantanalyses is de a a r d v a n de t o e w i j z i n g s c r h e n a echter g e m a k k e l i j k e r te
achterhalen.
V o o r de v o o r s p e l l i n g v a n het therapeutisch p r o f i e l v a n n i e u w o n t w i k k e l d e p s y c h o f a r m a c a l i j k e n z o w e l discriminant-analyses
als netwerk-analyses geschikt te z i j n . D e u i t -
k o m s t e n v a n beide analyses z i j n d u i d e l i j k verschillend en verder onderzoek zal u i t m o e ten w i j z e n welke procedure het meest b e t r o u w b a a r is. De m o g e l i j k h e i d is niet uitgesloten dat de ene m e t h o d e beter w e r k t v o o r het v o o r s p e l l e n v a n de m o g e l i j k e antidepressieve w e r k i n g v a n een s t o f en de andere m e t h o d e v o o r het a n t i p s y c h o t i s c h p o t e n t i e e l . E e n a l t e r n a t i e f k a n echter o o k z i j n o m meer w a a r d e toe te kennen aan die v o o r s p e i h n g , die d o o r beide analyses w o r d t
ondersteund.
E e n m o g e l i j k e toepassing v a n k u n s t m a t i g e neurale n e t w e r k e n , die h i e r b u i t e n bes c h o u w i n g is gelaten, is n o g een stapje t e r u g , n a m e l i j k o p basis v a n de s t r u c t u u r en f y sisch chemische k a r a k t e r i s t i e k e n v a n een n i e u w o n t w i k k e l d e v e r b i n d i n g p r o b e r e n
te
v o o r s p e l l e n o f de s t o f a k t i e f zal z i j n o p een bepaalde receptor o f e f f e c t i e f z a l z i j n i n een bepaald p r o e f d i e r m o d e l . B i j een d e r g e l i j k e benadering doet z i c h echter het p r o b l e e m v o o r dat chemische s t r u c t u r e n m o e i l i j k als i n p u t g e b r u i k t k u n n e n w o r d e n v o o r een neur a a l n e t w e r k . H e t oplossen v a n d i t p r o b l e e m is een grote u i t d a g i n g . V e r d e r e bestudering v a n de echte neurale n e t w e r k e n i n de hersenen, w a a r v e r g e l i j k b a re p r o b l e m e n v a n p a t r o o n h e r k e n n i n g o o k w o r d e n opgelost, zal o n g e t w i j f e l d b e h u l p z a a m z i j n b i j de o n t w i k k e l i n g v a n a d e k w a t e neurale n e t w e r k e n v o o r d e r g e l i j k e p r o b l e men. H e t grootste p r o b l e e m b i j het m a k e n v a n v o o r s p e l l i n g e n v o o r n i e u w o n t w i k k e l d e p o t e n t i ë l e p s y c h o f a r m a c a is de vaUdering v a n de v o o r s p e l l i n g . O n t w i k k e l i n g v a n de meeste geselecteerde s t o f f e n w o r d t o m zeer u h e e n l o p e n d e redenen gestopt v o o r d a t z i j i n de k h niek k u n n e n w o r d e n uitgetest. H a l e n ze de k l i n i e k t o c h d a n k a n de therapeutische e f f e c t i v i t e i t v a n de v e r b i n d i n g pas w o r d e n vastgesteld vele j a r e n na de selectie o p basis v a n de hier beschreven v o o r s p e l h n g e n . Deze lange t e r u g k o p p e h i j d v o r m t een algemeen p r o b l e e m v o o r alle m o d e l l e n en hypotheses, die g e b r u i k t w o r d e n b i j het o n t w i k k e l e n v a n geneesmiddelen v o o r psychische stoornissen. Gezien het a f b r e u k r i s i c o i n deze b r a n c h e v a n de geneesmiddelenindustrie
is het echter b e l a n g r i j k e r o m niet w e r k z a m e s t o f f e n
v r o e g t i j d i g als z o d a n i g te i d e n t i f i c e r e n en t i j d i g te s t o p p e n met verder o n d e r z o e k d a n o m é é n enkele e f f e c t i e v e s t o f te selecteren.
129
S a m e n v a t t e n d k a n w o r d e n gezegd dat k u n s t m a t i g e neurale n e t w e r k e n zeer geschikt z i j n v o o r de h e r k e n n i n g v a n complexe p a t r o n e n tegen een a c h t e r g r o n d met veel r u i s , al m o e t gezegd w o r d e n dat de h u i d i g e k u n s t m a t i g e n e t w e r k e n n o g i n het niet v a l l e n b i j de meest geavanceerde p a t r o o n herkennende n e t w e r k e n die er z i j n , n a m e l i j k onze hersenen. M e t de h u i d i g e , g e b r u i k e r s v r i e n d e l i j k e neurale- n e t w e r k s o f t w a r e p a k k e t t e n z i j n k u n s t m a t i g e neurale n e t w e r k e n w e l zeer t o e g a n k e l i j k g e w o r d e n en z i j n analyses zoals hier beschreven r e l a t i e f e e n v o u d i g u i t te v o e r e n . 5. Referenties
en verder
leesmateriaal
K h p , E . C . en v a n S o n , M . J . M . I k zie elk d o o d v o g e l t j e . O m g a a n m e t
depressivheit.
U i t g e v . B o o m ( M e p p e l ) 1987. K u i p e r , P . C . V e r heen. U i t g e v . S D U ( D e n H a a g ) 1988. N o l e n , W . A . en R a f a e l s e n , O . J . Depressie. O o r z a k e n , verschijnselen en behandelingsm o g e l i j k h e d e n v a n de veel v o o r k o m e n d e s t e m m i n g s z i e k t e n depressie en m a n i e . U h geverij T i r i o n ( B a a r n ) 1990 (3e d r u k ) . R u i g t , G . S . F . , v a n P r o o s d i j , J . N . a n d v a n D e l f t , A . M . L . A large scale, h i g h r e s o l u t i o n , a u t o m a t e d system f o r rat sleep staging. E E G J o u r n a l 73, 5 2 - 7 1 , 1989. R u i g t , G . S . F . , E n g e l e n , S., G e r r i t s , A . en V e r b o n , F . C o m p u t e r - b a s e d p r e d i c t i o n o f p s y c h o t r o p i c d r u g classes based o n a d i s c r i m i n a n t analysis o f d r u g e f f e c t s o n r a t sleep. N e u r o p s y c h o b i o l o g y , 28, 138-153, 1992. Snyder, S . H . P s y c h o f a r m a c a . Hersenen onder i n v l o e d . W e t e n s c h a p p e l i j k e B i b h o t h e e k , deel 15. N a t u u r en T e c h n i e k , M a a s t r i c h t , 1989. V a n den H o o f d a k k e r , R . H . , A l b e r s n a g e l , F . A . en v a n T i l b u r g , W . H u i s a r t s en depressie. U i t g e v . v a n G o r c u m (Assen) 1993.
V e r o u d e r i n g b i o l o g i s c h bekeken door P . E . Slagboom
V e r o u d e r i n g w o r d t w e l omschreven als een proces v a n v o o r t g a a n d e nadelige v e r a n d e r i n gen b i n n e n een o r g a n i s m e , die leiden t o t een t o e n e m e n d risico o m d o o d te gaan, l n p r i n cipe k u n n e n alle nadelige f y s i o l o g i s c h e v e r a n d e r i n g e n o p t r e d e n d v a n a f het m o m e n t v a n conceptie t o t aan de d o o d v a n het organisme een r o l spelen b i j v e r o u d e r i n g . Deze f y s i o logische v e r a n d e r i n g e n t r e d e n o p i n genetisch m a t e r i a a l , h o r m o o n s p i e g e l s , e i w i t s y n t h e se, c e l s t r u c t u r e n en de respons v a n het l i c h a a m (en de hchaamscellen) o p stress, m e c h a n i sche belasting en i m m u n o l o g i s c h e belasting. Deze v e r a n d e r i n g e n m a n i f e s t e r e n zich b i j de mens en velerlei d i e r s o o r t e n i n de h u i d ( r i m p e l s ) , de v a c h t ( g r i j z e h a r e n ) , d o o r verhes van t a n d e n , en verlies v a n m o b i l i t e i t . U i t e i n d e l i j k treden b i j de mens verouderingsgerelateerde z i e k t e n o p zoals atherosclerose ( a d e r v e r k a l k i n g ; h a r t en v a a t z i e k t e n ) , k a n k e r , d i a betes ( s u i k e r z i e k t e ) , osteoporose (botverhes; b o t b r e u k e n ) artrose (kraakbeenverhes; g e w r i c h t s p i j n e n ) en dementie. I n de n a t u u r bereiken w e i n i g d i e r s o o r t e n een hoge leeft i j d , m a a r i n gevangenschap k r i j g e n d i e r s o o r t e n o p hoge l e e f t i j d o o k een a a n t a l v a n deze ziekten. V e r o u d e r i n g treedt universeel o p m a a r h e e f t i n verschillende d i e r s o o r t e n een verschUlende snelheid. B e l a n g r i j k is o o k dat de f y s i o l o g i s c h e v e r a n d e r i n g e n z i c h o p h o p e n m e t een snelheid die v a n i n d i v i d u t o t i n d i v i d u v e r s c h i l t . D e c h r o n o l o g i s c h e l e e f t i j d zegt daarb i j w e i n i g over de b i o l o g i s c h e l e e f t i j d v a n een i n d i v i d u . I n elke p o p u l a t i e z i j n er i n d i v i d u e n die zo succesvol v e r o u d e r e n dat v e e l v o o r k o m e n d e v e r o u d e r i n g s z i e k t e n h e n lange t i j d , en soms zelfs v o l l e d i g , bespaard b l i j v e n . E é n i n d i v i d u tenslotte bepaalt de m a x i m a l e levensduur v a n de p o p u l a t i e . Maximale
levensduw
van de mens
Schildpad
170
Mens
116
Oester
80
Papegaai
70
Olifant
70
Uil
68
Chimpansee
50
Hond
27
en enige
Rat
4
Mug
5 maanden
Vlieg
diersoorten
70 dagen
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe Reeks 73. Lezing gehouden voor de Koninklijke Maatschappij voor Natuurkunde 'Diligentia' te 's-Gravenhage op 10 april 1995.
132
B i j de mens is de m a x i m a l e levensduur over de eeuwen n a u w e l i j k s t o e g e n o m e n ,
maar
de gemiddelde levensduur is met n a m e i n de laatste eeuw sterk t o e g e n o m e n . D i t is v o o r a l te d a n k e n aan verbeterde hygiene en v e r m i n d e r d o p t r e d e n v a n i n f e c d e z i e k t e n , w a a r veel mensen j o n g aan stierven. D e m a x i m a l e levensduur is b i j dieren veelal v e r g e l i j k b a a r i n verschillende p o p u l a t i e s v a n é é n s o o r t , t e r w i j l verschillende species h i e r i n sterk v a r i ë r e n . D i t w o r d t algemeen gezien als een sterke a a n w i j z i n g dat de genetische c o n s t i t u t i e v a n een s o o r t de b e l a n g r i j k s t e d e t e r m i n a n t v a n het verouderingsproces is. D i e genetische basis is niet alleen gelegen i n de aanwezigheid v a n genen m a a r o o k hoe ze i n een n e t w e r k aan en u i t g e s c h a k e l d z i j n . D a a r n a a s t speeh de o m g e v i n g ( v o e d i n g : t y p e , i n n a m e , beschikb a a r h e i d ; f y s i e k e a c t i v i t e h ; gevaar: verkeer, p r o o i d i e r e n ) een grote r o l b i j de m a x i m a l e levensduur die i n een p o p u l a t i e w o r d t b e r e i k t . V a n u i t de v r a a g hoe v e r o u d e r i n g is o n t s t a a n ( e v o l u t i e v a n v e r o u d e r i n g ) h e e f t m e n z i c h een v o o r s t e l l i n g p r o b e r e n te m a k e n v a n het t y p e genen dat de levensduur v a n s o o r t e n reguleert. 1.
V e r o u d e r i n g k a n geprogrammeerd van
z i j n a n a l o o g aan vroege o n t w i k k e l i n g s - s t a d i a
het o r g a n i s m e . Levensduur-regulerende genen k u n n e n d o o r een g e p r o g r a m -
meerde expressie a a n l e i d i n g geven t o t de d o o d v a n het organisme (doodsgenen). I n de n a t u u r w o r d e n dieren echter niet o u d ( d o o r o n g e l u k k e n en p r o o i d i e r e n ) o o k a l z o u d e n ze d a a r f y s i o l o g i s c h w e l toe i n staat z i j n . H e t l i j k t o n w a a r s c h i j n l i j k dat er p r o g r a m m a ' s g e ë v o l u e e r d z i j n speciaal o m d o o d gaan teweeg te b r e n g e n . 2.
V e r o u d e r i n g k a n w o r d e n b e s c h o u w d als een b i j p r o d u k t v a n n a t u u r l i j k e selectie. V e r o u d e r i n g z o u het g e v o l g k u n n e n z i j n v a n m u t a t i e s i n de geslachtscellijn m e t een n e u t r a a l o f p o s i t i e f e f f e c t o p de r e p r o d u k t i e v a n een i n d i v i d u en een n a d e l i g nevene f f e c t o p latere l e e f t i j d ( w a a r d o o r b i j v o o r b e e l de genetische aanleg o p een ziekte ontstaat v a n een d i e r s o o r t o f , b i j de mens, v a n een f a m i h e ) . D e genen die b i j deze t h e o r i e v e r o u d e r i n g teweegbrengen
w o r d e n 'late-acting d e l e t e r i o u s '
genen
ge-
n o e m d , genen m e t m i l d e d e f e c t e n w a a r v a n het e f f e c t pas laat i n het leven m e r k b a a r is. 3.
V e r o u d e r i n g k a n w o r d e n v e r o o r z a a k t d o o r d a t t i j d e n s de e v o l u t i e steeds een bepaalde balans bestaat tussen de hoeveelheid energie die g e ï n v e s t e e r d w o r d t i n r e p r o d u k tie en i n het o n d e r h o u d v a n het organisme ( o p r u i m e n v a n s c h a d e l i j k e z u u r s t o f deeltjes en de schade die deze deeltjes en suikers i n hchaamscellen v e r o o r z a k e n ) . Soorten met een h o o g risico o m d o o d te gaan b e r e i k e n o p j o n g e l e e f t i j d de r e p r o d u k t i e ve fase, h e b b e n een hoge r e p r o d u k t i e - s n e l h e i d , een r e l a d e f slecht o n d e r h o u d v a n ' lichaamscellen en een k o r t e levensduur (zelfs i n a f w e z i g h e i d v a n r i s i c o bepalende f a c t o r e n ) . D e 'levensverzekeringsgenen' die de lengte v a n het leven b e p a l e n volgens deze 'disposable
soma'
t h e o r i e h e b b e n een f u n c t i e b i j het o n d e r h o u d v a n de l i -
chaamscellen. D e snelheid v a n v e r o u d e r i n g is d a n i n hoge mate genetisch b e p a a l d d o o r de k w a h t e i t v a n de n e t w e r k e n w a a r i n deze genen opereren (die n o o i t 1 0 0 % is). V e r o u d e r i n g b i j deze hypothese w o r d t v e r o o r z a a k t d o o r een t i j d s a f h a n k e l i j k e o p h o p i n g v a n schade aan b i o m a c r o m o l e c u l e n ( l i p i d e n , e i w i t t e n en n u c l e i n e z u r e n ) in
hchaamscellen.
E r is veel o n d e r z o e k v e r r i c h t naar gemeenschappelijke f a c t o r e n die v e r o u d e r i n g z o u d e n k u n n e n v e r o o r z a k e n i n verschillende d i e r s o o r t e n . E é n l i j n v a n o n d e r z o e k z o e k t naar lev e n s d u u r regulerende genen d o o r s o o r t e n te v e r g e l i j k e n en genedsch geselecteerde o f gem o d i f i c e e r d e s t a m m e n . D e v r a a g w e l k e v a n de o o r s p r o n k e l i j k e c o n c e p t e n m . b . t . levensd u u r regulerende genen j u i s t is, is n o g niet b e a n t w o o r d . Succesvolle levensverlenging (25-200 % ) w e r d i n e x p e r i m e n t e n t o t n u toe v e r k r e g e n
133
1.
i n f r u i t v l i e g e n d o o r selectie o p verlate r e p r o d u c t i e (de lengte v a n levensduur en rep r o d u c t i e v e p e r i o d e l i j k t g e k o p p e l d ) en i n genetisch gemanipuleerde f r u i t v l i e g e n w a a r i n een v e r h o o g d e w e r k i n g v a n een gen is verkregen dat een b e l a n g r i j k e r o l speelt b i j de eiwitsynthese;
2.
i n w o r m e n d o o r mutagenese; de b e t r o k k e n genen l i j k e n een f u n c t i e te h e b b e n b i j het w e g v a n g e n v a n s c h a d e l i j k e z u u r s t o f r a d i c a l e n ; het is zeer de v r a a g o f v e r o u d e r i n g s d e t e r m i n a n t e n i n deze lagere o r g a n i s m e n dezelfde z i j n als die i n hogere o r g a nismen.
3.
i n k n a a g d i e r e n d o o r calorische restrictie ( v e r m i n d e r d e calorische i n n a m e ) w a a r d o o r de dieren langer leven en s y m p t o m e n v a n z i e k t e n (met n a m e k a n k e r ) o p een latere l e e f t i j d o n t w i k k e l e n d a n c o n t r o l e dieren. Eveneens d o o r t o e d i e n i n g v a n het g r o e i h o r m o o n en het h o r m o o n m e l a t o n i n e en d o o r het w e g n e m e n v a n h y p o f y s e , o v a r i um
o f testes w e r d levensverlenging b i j k n a a g d i e r e n b e w e r k s t e l l i g d .
E e n andere l i j n v a n o n d e r z o e k bestudeert hoe v e r o u d e r i n g z i c h v o l t r e k t b i n n e n een o r g a n i s m e o p verschillende niveaus v a n organisatie ( D N A , R N A , e i w i t ) . E r z i j n b i j hogere d i e r s o o r t e n geen a a n w i j z i n g e n gevonden dat het verouderingsproces w o r d t i n g e l e i d d o o r de g e p r o g r a m m e e r d e w e r k i n g v a n genen. T o c h k u n n e n h o r m o n e n een g r o o t e f f e c t hebben o p de levensduur. I n semelpare d i e r s o o r t e n (die na de r e p r o d u c t i e d o o d g a a n ) z i j n h o r m o o n gestuurde p r o g r a m m a ' s de o o r z a a k v a n het o v e r l i j d e n . B i j de mens h e e f t de h o r m o o n h u i s h o u d i n g w e l een g r o t e i n v l o e d o p het o n t s t a a n v a n z i e k t e n ( b i j v o o r b e e l d de menopause) m a a r t o t n u toe is er geen b e w i j s dat het verouderingsproces o p z i c h o o k d o o r h o r m o n e n w o r d t aangestuurd b i j hogere d i e r s o o r t e n . D e meest universele v e r a n d e r i n g i n verschillende d i e r s o o r t e n bleek een a f n a m e v a n t o tale e i w i t en R N A synthese, een v e r m i n d e r d e a f b r a a k ( o p r u i m i n g ) v a n beschadigde eiw h t e n en een t o e n a m e v a n a f w i j k e n d e e i w i t t e n ( d o o r g l y c o s y l e r i n g , en o x y d a t i e ) . D e expressie v a n s o m m i g e genen neemt toe , v a n anderen neemt a f ; d a a r i n h e e f t m e n n o g geen universeel p a t r o o n k u n n e n o n t d e k k e n (zoals m e n dat v o o r o n t w i k k e h n g s p r o g r a m m a ' s heeft ontdekt). I n het nucleaire en m i t o c h o n d r i a l e D N A v a n delende cellen w e r d een t o e n a m e v a n het a a n t a l D N A - b e s c h a d i g i n g e n en mutaties m e t v e r o u d e r i n g g e v o n d e n . H e t a a n t a l m u t a t i e s dat t i j d e n s het leven i n lichaamscellen k o n w o r d e n a a n g e t o o n d was echter te laag o m een basis v o o r v e r o u d e r i n g te k u n n e n v o r m e n . W e l bleek dat m u t a t i e s en schade k u n n e n w o r d e n v e r o o r z a a k t d o o r endogene processen zoals d o o r v r i j e z u u r s t o f r a d i c a l e n die b i j de a d e m h a l i n g en het m e t a b o l i s m e o n t s t a a n . D i t is een grotere b r o n v a n D N A schade d a n exogene m u t a g e n t i a . Naast de D N A v e r a n d e r i n g e n i n delende cellen z i j n er m e t i n g e n v e r r i c h t i n p o s t - m i t o t i s c h e cellen zoals n e u r o n e n . I n bepaalde hersengebieden
hopen
z i c h , z i j het m e t zeer lage snelheid, beschadigingen o p i n het m i t o c h o n d r i a l e en n u c l e a i r e DNA.
E e n e r r o r - c a t a s t r o p h y (sneeuwbal e f f e c t ) w e r d b i j het D N A o n d e r z o e k n o o i t ge-
v o n d e n en de r o l v a n D N A mutaties b i j v e r o u d e r i n g is v o o r a l s n o g niet d u i d e l i j k . E r l i j k t aan de u h e i n d e n v a n m e n s e l i j k e c h r o m o s o m e n (telomeren) een m i n o f meer g e p r o g r a m m e e r d e genetische i n s t a b i h t e i t te o n t s t a a n . A a n het u i t e i n d e v a n ieder c h r o m o s o o m l i g t b i j de mens en veel d i e r s o o r t e n een g r o o t a a n t a l gerepeteerde D N A - c o d e s . B i j elke celdeling gaat een k l e i n deel h i e r v a n v e r l o r e n . D e t e l o m e r e n i n d e l e n d weefsel v a n oude i n d i v i d u e n z i j n k o r t e r d a n b i j j o n g e personen. D e telomeerlengte v a n j o n g e i n d i v i d u e n v e r t o o n t echter a a n z i e n l i j k e s p r e i d i n g . U i t o n d e r z o e k naar t e l o m e r e n i n b l o e d v a n h u m a n e é é n en twee-eiige tweelingen v a n diverse l e e f t i j d s g r o e p e n bleek d a t het verlies v a n telomeerlengte i n hoge m a t e genetisch b e p a a l d is. M e n s e n verliezen D N A u i t het t e l o m e e r g e b i e d m e t verschillende snelheid. H e t verlies v a n D N A aan de t e l o m e r e n speeh m o g e l i j k een r o l b i j het u i t t r e d e n v a n cellen u h de delingscyclus en het i n t r e d e n v a n c e l l u -
134
laire v e r o u d e r i n g . H e t is n u de vraag o f de t e l o m e r e n t i j d e n s de m e n s e l i j k e levensduur zo k o r t w o r d e n dat de c h r o m o s o o m - u i t e i n d e n en aangrenzende g e n r i j k e gebieden beschadigd r a k e n . T e l o m e e r l e n g t e z o u d a n een genetisch bepaalde m a r k e r v a n v e r o u d e r i n g kunnen zijn. B i j mens en dier treden verouderingsgerelateerde
v e r a n d e r i n g e n o p , l a n g v o o r d a t er
sprake is v a n ziekte. O n d a n k s het f e i t dat de gemiddelde m a x i m a l e levensduur i n g e ï n dustriaUseerde l a n d e n toeneemt, l i j k t het niet m o g e l i j k d o o r het wegnemen v a n m o m e n teel veel v o o r k o m e n d e v e r o u d e r i n g s z i e k t e n de m a x i m a l e levensduur v a n de mens als s o o r t te verlengen. D e ene d o o d s o o r z a a k w o r d t d a a r b i j slechts vervangen d o o r een andere d o o d s o o r z a a k w a a r b i j de levensduur n a u w e l i j k s w o r d t v e r l e n g d . D e m a x i m a l e levensd u u r k a n w a a r s c h i j n l i j k alleen w o r d e n verlengd als hele n e t w e r k e n v a n o n d e r h o u d s f u n c ties v e r b e t e r d k u n n e n w o r d e n . T e n z i j er een d u i d e l i j k e z w a k k e schakel is die v e r b e t e r d k a n w o r d e n . M i s s c h i e n is de v e r w e r k i n g v a n s c h a d e l i j k e z u u r s t o f r a d i c a l e n z o ' n z w a k k e schakel en k a n die w o r d e n v e r b e t e r d d o o r calorische restrictie ( v e r m i n d e r d e p r o d u c t i e v a n de r a d i c a l e n e n / o f verbeterde v e r w e r k i n g ) . Z i n n i g e r d a n v e r l e n g i n g v a n de m a x i m a l e levensduur l i j k t het echter o m subpopulaties m e t een v e r h o o g d r i s i c o o p v e r o u d e r i n g s z i e k t e n te h e r k e n n e n en d a a r i n het v e r v r o e g d i n t r e d e n te vertragen v a n die ziekten die reeds r o n d de 60 de k w a h t e i t v a n leven b e l e m m e r e n . Referenties 1.
F i n c h C E . Longevity,
senescence
and ttie genome.
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 , I L , 1990. 2.
K h k w o o d T B L . Evotution
3.
S l a g b o o m , P . a n d J. V i j g . Genetic perspectivs.
4.
Genome
Slagboom P.E.
of aging.
N a t u r e 1977; 270: 301-304.
instability
and aging:
theories,
facts,
and
future
31 (1989) 373-385.
Genomic
instability
and
aging.
H a v e k a , A l b l a s s e r d a m (1993).
Thesis. 5.
S l a g b o o m P . E . , S. D r o o g a n d D . B o o m s m a . Genetic size
in humans:
a twin
55 (1994) 876-882.
study
of three
different
determination
age groups.
of
telomere
A m . J . H u m . Genet.
