Vad man inte kan se med blotta ögat

SMÅ osynliga dammpartiklar svävar omkring i luften. Men så kommer några solstrålar genom fönstret, och plötsligt kan man se det som tidigare var osynligt. De genomträngande ljusstrålarna gör partiklarna synliga för mänskliga ögon.

Tänk också på det synliga ljuset, som tycks vara vitt eller färglöst för blotta ögat. Vad händer om solljuset skiner från rätt håll genom små vattendroppar? Vattnet tjänar som ett prisma, och vi kan se en regnbåge med vackra färger!

Det är i själva verket så att de föremål vi ser runt omkring oss reflekterar olika våglängder av ljuset, vilka våra ögon uppfattar som färger. Det gröna gräset, till exempel, tillverkar inte självt grönt ljus, utan det absorberar alla våglängder i det synliga ljuset förutom grönt. Gräset reflekterar den gröna våglängden tillbaka till vårt öga, och det är därför gräset uppfattas som grönt.

Instrument ger hjälp

På senare år har mycket som är osynligt för blotta ögat blivit synligt med hjälp av moderna uppfinningar. Vi kan med hjälp av ett vanligt mikroskop titta på en till synes livlös vattendroppe och upptäcka att den är full av alla möjliga slags varelser i rörelse. Och ett hårstrå, som för blotta ögat tycks vara jämnt och slätt, visar sig vara ojämnt och grovt. Man kan med hjälp av mycket kraftiga mikroskop förstora föremål en miljon gånger, vilket motsvarar att förstora ett frimärke till ett litet lands storlek!

Numera använder forskare ännu kraftigare mikroskop och kan därigenom få konturbilder av ytor ner till atomskala. Det här ger dem en inblick i vad som till ganska nyligen låg bortom det mänskliga ögats förmåga.

Men vi kanske också tittar upp mot himlen en natt och ser stjärnor. Hur många? Med blotta ögat kan vi se bara några tusen som mest. Men när teleskopet uppfanns för nästan 400 år sedan, blev det möjligt att se många fler. Längre fram, på 1920-talet, kunde man med hjälp av ett kraftigt teleskop vid Mount Wilson-observatoriet se att det finns galaxer bortom vår egen och att de också består av ett oräkneligt antal stjärnor. I dag använder forskarna sofistikerade hjälpmedel för att utforska universum, och de beräknar att det finns tiotals miljarder galaxer, av vilka många består av hundratals miljarder stjärnor!

Det är verkligen fantastiskt att teleskop har visat att miljarder stjärnor, som vi kan se som Vintergatan därför att de tycks ligga så nära varandra, ligger på avstånd från varandra som är ofattbart stora. På liknande sätt har man med hjälp av kraftfulla mikroskop kunnat se att objekt som tycks vara solida i själva verket utgörs av atomer som huvudsakligen består av tomrum.

Det oändligt lilla

Den minsta lilla prick som man kan se under ett vanligt mikroskop består av mer än tio miljarder atomer! Likväl upptäckte man år 1897 att atomen har små partiklar, så kallade elektroner, vilka rör sig i omloppsbanor. Så småningom upptäckte man att atomkärnan, kring vilken elektronerna kretsar, består av partiklar som är större än elektronen: neutroner och protoner. De 88 olika slags atomer, eller grundämnen, som förekommer naturligt på jorden har i stort sett samma storlek, men de väger olika mycket, eftersom de har ett gradvist ökande antal av dessa tre grundläggande partiklar.

Elektronerna — när det gäller väteatomen rör det sig om en enda elektron — virvlar runt i utrymmet runt atomkärnan miljarder gånger på en miljondels sekund och ger således atomen en form och får den att uppträda som om den var solid. Det skulle behövas nästan 1.840 elektroner för att uppnå den massa som en proton eller en neutron har. Både protonen och neutronen är cirka 100.000 gånger mindre än själva atomen!

För att få en uppfattning om hur tom en atom är kan du försöka göra dig en bild av kärnan i en väteatom i förhållande till dess elektron. Om denna kärna, som består av en enda proton, hade samma storlek som en tennisboll, skulle elektronen vara omkring fyra kilometer bort!

I ett reportage om hundraårsfirandet av upptäckten av elektronen kunde man läsa följande: ”Det är inte många som tvekar att fira något som ingen har sett, som inte har någon urskiljbar storlek men som ändå har en mätbar vikt och en elektrisk laddning — och som snurrar som en snurra. ... I dag är det ingen som ifrågasätter tanken på att saker vi aldrig kan se existerar.”

Sådant som är ännu mindre

Partikelacceleratorer, med vilka man kan slunga partiklar mot varandra, gör det nu möjligt för forskare att få en inblick i atomkärnan. Resultatet har blivit att man nu kan läsa om många partiklar med egendomliga namn — positroner, fotoner, mesoner, kvarkar och gluoner för att nämna bara några få. Alla är osynliga, till och med i de kraftfullaste mikroskopen. Men med sådan utrustning som dim- och bubbelkammare och scintillationsräknare kan man se spår av deras existens.

Forskarna kan nu se det som en gång var osynligt. När de gör det, förstår de betydelsen av vad de tror är de fyra grundläggande krafterna — gravitation, elektromagnetisk kraft och två subnukleära krafter som benämns ”svaga kraften” och ”starka kraften”. En del forskare arbetar med vad som kallas ”teorin om allting”, som de hoppas skall ge en begriplig förklaring av universum, från det makroskopiska till det mikroskopiska.

Vad kan man lära av att betrakta det som blotta ögat inte kan se? Och vilka slutsatser har många dragit, på grundval av det forskarna har kommit fram till? Följande artiklar kommer att ge svar på det.

[Bilder på sidan 3]

Bilder som visar nickelatomer (överst) och platinaatomer

[Bildkälla]

Genom tillmötesgående från IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center

Vad vi finner om vi tittar in i det osynliga

VAD åstadkoms när människor använder nya uppfinningar för att, så att säga, dra undan ridån och man ser vad man inte kunde se tidigare? Genom att göra det kan man med viss säkerhet fastställa vad som tidigare var okänt. — Se rutan här nedan.

En gång i tiden var det den allmänna uppfattningen att jorden var universums centrum. Men när man sedan började använda teleskop, såg man att planeterna, även jorden, hålls på plats i en bana kring solen. Längre fram, när man fick starkare mikroskop, har människan kunnat utforska själva atomen och har sett hur vissa slags atomer förenas med andra slags atomer och bildar vad som kallas molekyler.

Ta till exempel sammansättningen av en molekyl vatten, ett ämne som är nödvändigt för liv. På grund av sin formgivning förenas två väteatomer på ett unikt sätt med en ensam syreatom och bildar en vattenmolekyl — och det finns miljarder sådana i varje droppe! Vad kan vi lära oss av att undersöka en vattenmolekyl och se närmare på hur den uppträder under olika förhållanden?

Underverket vatten

Även om en droppe vatten kan tyckas vara mycket enkel, är vatten ett ytterst komplicerat ämne. Enligt dr John Emsley, vetenskapsskribent vid Imperial College i London i England, är det faktiskt ”en av de mest utforskade av alla kemiska föreningar, men det är fortfarande den minst förstådda”. I tidskriften New Scientist heter det: ”Vatten är den mest kända vätskan på jorden, men också en av de mest gåtfulla.”

Doktor Emsley förklarar att trots vattnets enkla struktur ”är inget så komplicerat som dess sätt att uppträda”. Så till exempel, säger han, ”borde H₂O vara en gas, ... men det är en vätska. Dessutom, när det fryser ... , flyter dess fasta form, is, i stället för att sjunka”, som man normalt skulle kunna förvänta. Angående detta ovanliga sätt att uppträda säger dr Paul E. Klopsteg, före detta ordförande för American Association for the Advancement of Science:

”Det här framstår som en märklig konstruktion när det gäller sådana vattenlivsformer som fiskar och hur de kan klara sig. Tänk på vad som skulle hända om vatten, när det kyls ner till fryspunkten, inte uppträdde som det beskrivs här. Is skulle bildas och fortsätta att bildas tills den upptog en hel sjö, och allt eller det mesta av livet i den skulle utplånas.” Doktor Klopsteg säger att detta oförutsedda uppträdande hos vattnet är ”bevis på att en överlägsen intelligens med ett syfte är i verksamhet i universum”.

Enligt New Scientist tror forskarna nu att de känner till orsaken till vattnets ovanliga uppträdande. De har utvecklat den första teoretiska modellen som exakt förutsäger vattnets expansion. Forskarna har insett att ”nyckeln till mysteriet ligger i avståndet mellan syreatomerna inom dessa strukturer”.

Är inte detta fantastiskt? En molekyl som tycks vara så enkel övergår mänsklig fattningsförmåga. Och kom ihåg att vatten utgör större delen av vår kroppsvikt! Kan också du i denna molekyls underverk, med bara tre atomer av två grundämnen, se ”bevis på att en överlägsen intelligens med ett syfte är i verksamhet”? Ändå är en vattenmolekyl oerhört liten och mycket mindre komplicerad än många andra molekyler.

Molekyler med stor komplexitet

En del molekyler består av tusentals atomer av många av de 88 grundämnen som finns naturligt på jorden. Så till exempel kan en DNA-molekyl (förkortning för deoxiribonukleinsyra), som bär den kodade informationen för ärftligheten hos alla levande organismer, innehålla miljoner atomer av ett antal grundämnen!

Trots sin otroliga komplexitet är DNA-molekylen bara 0,0000025 millimeter i diameter och är alldeles för liten för att kunna ses, om man inte använder ett kraftfullt mikroskop. Det var inte förrän 1944 som forskarna upptäckte att DNA bestämmer en människas ärftlighet. Den här upptäckten satte i gång en intensiv forskning som gällde denna ytterst komplicerade molekyl.

Likväl är DNA och vatten bara två av de många slags molekyler som används som byggstenar. Och eftersom det är många molekyler som finns både i det levande och i det icke levande, bör vi då dra slutsatsen att det på något sätt är ett enkelt steg, en enkel övergång, mellan det som lever och det som inte gör det?

Under en lång tid trodde många att det var så. ”Hoppet om att den ökade kunskapen på biokemins område skulle överbrygga klyftan uttrycktes av många auktoriteter i synnerhet på 1920- och 1930-talen”, förklarar mikrobiologen Michael Denton. Men vad var det man då till sist upptäckte?

Livet är speciellt och unikt

Även om forskarna förväntade sig att finna övergångar, eller en serie gradvisa steg, mellan det som lever och det som inte gör det, konstaterade Denton att existensen av en tydlig diskontinuitet ”till slut fastslogs efter molekylärbiologins revolutionerande upptäckter i början av 1950-talet”. Denton nämnde ett anmärkningsvärt faktum som nu framstår tydligt för forskarna, och han förklarade:

”Vi känner inte bara till existensen av ett gap mellan den levande och icke-levande världen, utan också att det representerar den mest dramatiska och fundamentala av alla diskontinuiteter i naturen. Mellan en levande cell och ett sådant i högsta grad ordnat icke-biologiskt system som en kristall eller en snöflinga finns det en så vid och absolut klyfta som man över huvud taget kan föreställa sig.”

Det här betyder inte att det är lätt att skapa en molekyl. Boken Molecules to Living Cells förklarar att ”syntesen av de små molekylära byggstenarna är komplicerad i sig själv”. Men att göra sådana molekyler, sägs det vidare, ”är rena barnleken jämfört med vad som måste ha krävts för att frambringa den första levande cellen”.

Celler kan existera av sig själva som fritt levande organismer, till exempel som bakterier, eller också kan de fungera som en del av en flercellig organism, som en människa. Det skulle behövas 500 normalstora celler för att få samma storlek som punkten i slutet av den här meningen. Det är därför inte så konstigt att en cells funktioner är osynliga för blotta ögat. Vad kan man då se när man med hjälp av ett mikroskop tittar in i en enda cell i människokroppen?

Cellen — genom slump eller formgivning?

Man kan till att börja med konstatera att man inte kan undgå att förbluffas av de levande cellernas komplexitet. En vetenskapsskribent konstaterar: ”För att till och med den enklaste levande cellen skall kunna växa krävs det att det inträffar tiotusentals kemiska reaktioner på ett organiserat sätt.” Han frågar sig: ”Hur kan, i en enda liten cell, 20.000 reaktioner kontrolleras på samma gång?”

Michael Denton liknar var och en av de allra minsta levande cellerna vid ”en veritabel mikroskopisk fabrik som innehåller tusentals invecklade och sinnrika molekylära apparater som sammanlagt består av ett hundra miljarder atomer. De är långt mer komplicerade än någon maskin som människan tillverkat och saknar helt motstycke i den icke levande världen.”

Forskarna fortsätter att vara förbluffade över cellens komplexitet, som det uttrycktes i The New York Times för 15 februari 2000: ”Ju mer biologerna förstår om de levande cellerna, desto mer skrämmande tycks uppgiften vara att förstå allt de gör. En vanlig människocell är för liten för att ses, men ändå kan när som helst upp till 30.000 av dess 100.000 gener sättas i gång eller stängas av för att utföra sådant som behöver göras i cellen eller för att svara på meddelanden från andra celler.”

I tidningen The Times ställdes frågan: ”Hur kan man någonsin utforska en maskin som är så liten och så invecklad? Och även om man någon gång genom oerhörda ansträngningar skulle lyckas förstå en människocell helt och hållet, finns det minst 200 olika slag i människokroppen.”

I en artikel med rubriken ”Skapelsens verkliga motorer” i tidskriften Nature rapporterades det om en upptäckt av små motorer inne i varje cell i kroppen. Dessa roterar för att frambringa adenosintrifosfat, cellernas energikälla. En forskare frågade sig: ”Vad skulle vi kunna göra när vi lär oss hur man formger och bygger molekylära maskinsystem som liknar de molekylsystem vi finner i celler?”

Tänk på vilken skaparförmåga cellen har! Den mängd information som finns i DNA i bara en enda cell i vår kropp skulle kunna fylla omkring en miljon trycksidor av den här storleken! Mer än så, varje gång en cell delar sig för att skapa en ny förmedlas samma information till den nya cellen. Hur tror du att varje cell — alla 100 biljoner som din kropp består av — kom att bli programmerad med den här informationen? Skedde det av en slump, eller är det en Mästerkonstruktör som ligger bakom?

Kanske har du dragit samma slutsats som biologen Russell Charles Artist gjorde. Han sade: ”Vi ställs inför överväldigande, ja oövervinnliga, svårigheter när vi skall försöka redogöra för [cellens] begynnelse och, för den delen, dess fortsatta funktion, om vi inte med förnuft och logik hävdar att en intelligens, ett intellekt, frambringade den.”

En förunderlig tingens ordning

För flera år sedan drog Kirtley F. Mather, då professor i geologi vid Harvarduniversitetet, följande slutsats: ”Vi lever i ett universum, grundat inte på slump eller nyck, utan på lag och ordning. Det styrs fullkomligt rationellt, på ett sätt som är värt den största respekt. Tänk bara på den underbara matematiska planering som låter oss kunna i löpande följd numrera alla materiens grundämnen.”

Låt oss helt kort titta på denna ”underbara matematiska planering”. Till de grundämnena som var kända för antikens folk hörde guld, silver, koppar, tenn och järn. Arsenik, vismut och antimon upptäcktes av alkemister på medeltiden, och längre fram, under 1700-talet, upptäcktes många fler grundämnen. År 1863 användes spektroskopet, som visar varje grundämnes unika spektrum, för att identifiera indium, det 63:e grundämnet som upptäcktes.

Vid den tiden kom den ryske kemisten Dmitrij Ivanovitj Mendelejev fram till att grundämnena inte hade kommit till av en slump. Till slut, den 18 mars 1869, presenterade han sin avhandling ”En översikt över grundämnenas ordning” för Ryska kemistsamfundet. I denna förklarade han: ”Jag vill kunna påvisa något slags ordning som inte styrs av slumpen, utan av något slags bestämd och exakt princip.”

I detta berömda dokument förutsade Mendelejev: ”Vi bör fortfarande förvänta oss att upptäcka många okända enkla element; till exempel de som liknar aluminium och kisel, grundämnen med atomvikter från 65 till 75.” Mendelejev lämnade plats för 16 nya grundämnen. När han ombads att ge bevis för sina förutsägelser, svarade han: ”Jag behöver inte bevisa något. Naturlagarna medger, till skillnad från grammatikens lagar, inga undantag.” Han tillade: ”Jag förmodar att när mina okända grundämnen upptäcks, kommer fler att lyssna på oss.”

Detta är exakt vad som hände! I The Encyclopedia Americana heter det: ”Under de följande 15 åren befäste upptäckten av gallium, skandium och germanium, vars egenskaper mycket väl motsvarade dem som Mendelejev hade förutsagt, giltigheten hos det periodiska systemet och dess upphovsmans berömmelse.” I början av 1900-talet hade alla existerande grundämnen upptäckts.

Det är tydligt, som forskaren och kemisten Elmer W. Maurer konstaterade, att ”denna vackra ordning knappast är ett slumpens verk”. Om möjligheten att grundämnenas harmoniska ordning skulle vara ett slumpens verk sade John Cleveland Cothran, professor i kemi: ”Den efterföljande upptäckten av alla de grundämnen vars existens [Mendelejev] förutsade, och att de ägde nästan alla de egenskaper som han förutsade för dem, undanröjde på ett effektivt sätt varje sådan möjlighet. Hans stora allmänna slutsats kallas aldrig ’Den periodiska slumpen’. I stället är det ’Den periodiska lagen’.”

Ett nära studium av grundämnena och hur de passar ihop så att de kan bilda allting i universum fick den berömde fysikern P. A. M. Dirac, som var professor i matematik vid universitetet i Cambridge, att säga: ”Man kan kanske beskriva situationen genom att säga att Gud är en matematiker av mycket hög klass, och han använde mycket avancerad matematik, när han konstruerade universum.”

Det är i sanning fascinerande att titta in såväl i de oändligt små atomernas, molekylernas och de levande cellernas värld som i de kolossala stjärngalaxernas värld bortom det man kan se med blotta ögat! Det är en erfarenhet som gör oss ödmjuka. Hur påverkas du personligen? Vad ser du återspeglas i dessa ting? Ser du mer än vad dina fysiska ögon kan se?

[Fotnot]

[Ruta/Bilder på sidan 5]

För snabbt för ögat att se

Eftersom en galopperande häst rör sig så snabbt, diskuterade man på 1800-talet om alla hovarna vid någon tidpunkt var i luften samtidigt. Till slut, år 1872, inledde Eadweard Muybridge fotografiska experiment som så småningom gav svar på frågan. Han utarbetade en metod att göra snabba bildsekvenser.

Muybridge ställde upp 24 kameror tätt på rad. Från varje utlösare spändes ett snöre över banan, så när hästen galopperade förbi, slog den till snörena och kamerorna utlöstes. När man sedan tittade på fotografierna, kunde man se att hästen emellanåt var helt ovanför marken.

[Bildkälla]

Genom tillmötesgående från George Eastman House

[Bild på sidan 7]

Varför flyter fruset vatten i stället för att sjunka?

[Bild på sidan 7]

En DNA-molekyl har en diameter på 0,0000025 millimeter — ändå skulle den information som den innehåller fylla en miljon sidor

[Bildkälla]

En i dator skapad modell av DNA: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Bild på sidan 8]

I varje kroppscell — alla 100 biljoner — sker tiotusentals kemiska reaktioner på ett organiserat sätt

[Bildkälla]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Bilder på sidan 9]

Den ryske kemisten Mendelejev kom fram till att grundämnena inte kommit till av en slump

[Bildkälla]

Med vänligt tillmötesgående från National Library of Medicine