Stel je voor dat je een tijdje niet meer zo groot als een mens bent en krimpt tot de grootte van een bacterie, ongeveer een miljoenste van uw huidige gestalte. Op deze schaal, je zou niet langer gebonden zijn door de zwaartekracht en in plaats daarvan ontdekken dat viscositeit de dominante factor is, waardoor de lucht meer aanvoelt als zwemmen door een gloopy moeras.

Hordes van je mede-bacteriën zoemen voorbij, aangedreven door omkeerbare roterende motoren die hen voortstuwen met tot 20 keer hun lichaamslengte per seconde. Dat is het soort snelheid dat, relatief gezien, je zou een motor nodig hebben om te bereiken in de mensenwereld.

Eten is gemakkelijk te vinden; voedingsstoffen komen eenvoudig via moleculaire diffusie op je oppervlak terecht. Andere aspecten van het bacteriële leven zijn misschien meer bekend:bacteriën, net als grotere wezens, worden opgejaagd door roofdieren en geplaagd door ziekteverwekkers.

Deze Tom Thumb-universums hebben niet veel zin voor ons mensen, die meer gewend zijn om te gaan met dingen die we kunnen zien en aanraken. Inderdaad, we waren ons niet bewust van de microbiële wereld totdat Robert Hooke de microscoop uitvond in 1665 - een prestatie die mogelijk werd gemaakt door de komst van hoogwaardig glas en de opkomende wetenschap van optica.

Het leven zit vol verrassingen

Uit dat ontwaken ontstond een greep op de pure complexiteit van het leven. Dat is iets waar we vandaag nog steeds mee worstelen, zoals blijkt uit het feit dat een gemiddelde theelepel water, aarde of ijs wemelt van de miljoenen microben die nooit zijn geteld of benoemd.

Deze duizelingwekkende diversiteit is druk bezig met het verdienen van de kost in elk denkbaar hoekje en gaatje op aarde. In je mond zijn er tot 100, 000 bacteriën op elke tand alleen. Er is een echte bacteriële dierentuin die zich tegoed doet aan onze dagelijkse afzettingen op trein- en busrails, stoelen en andere parafernalia - om nog maar te zwijgen van vleesetende bacteriën.

Dit is al moeilijk genoeg om je hoofd erbij te houden, maar blijf bij ons terwijl we afdalen in een veel kleiner, complexere en geheel vreemdere arena.

Nog kleiner

Beneden op de schaal die wordt bezocht door subatomaire deeltjes, viscositeit krijgt geen kijk in – dingen worden georkestreerd door kwantumprincipes waar causaliteit, lokaliteit en realisme zijn uit het raam.

Hier, op slechts femtometers, of miljoenste van een miljardste van een meter, deeltjes zoals elektronen zijn geen deeltjes in de traditionele zin. Ze kunnen effectief op meerdere plaatsen tegelijk zijn (en in verschillende richtingen bewegen) en zich gedragen als golven - een eigenschap die de weg vrijmaakte voor elektronenmicroscopen.

Dit klinkt misschien niet tastbaarder of relevanter dan de kronkels op het whiteboard van een natuurkundige, maar het bewijs van zijn realiteit is er om te zien, zowel in de vorm van experimentele demonstraties van deeltjesgolfeffecten als in het bereik van moderne technologie die gebruikmaakt van kwantumeffecten zoals atoomklokken of andere praktische, als spookachtig, toepassingen.

Misschien hebben we binnenkort zelfs kwantumcomputers (vraag het maar aan Justin Trudeau, hoewel hij in werkelijkheid ook met de details worstelt).

Levende processen op subatomaire schaal

Maar wat heeft kwantumfysica te maken met levende wezens?

Terwijl conventionele microscopen de micrometerschaal in beeld brachten (gevolgd door de elektronenversie, die de resolutie met verschillende ordes van grootte verlengde), hier in de 21e eeuw kunnen we naar de atomaire schaal van nanometer kijken, of miljardsten van een meter, dankzij röntgenlasers.

Deze technologie heeft al een aantal spectaculaire glimpen opgevangen van de moleculaire processen die ten grondslag liggen aan enkele van de meest elementaire functies van het leven, zoals fotosynthese en lichtdetectie.

Films gemaakt van snapshot-röntgenbeelden (die maar liefst 100 biljoen beelden per seconde kunnen maken) tonen de innerlijke werking van de moleculaire machine tijdens fotosynthese - een proces waarbij magnesiumatomen, omgeven door eiwitten, water splitsen en kooldioxide verteren als voedsel in alle groene planten. De natuur gebruikt hetzelfde mechanisme, in combinatie met elektronenoverdrachtsreacties, om praktisch alle zuurstof te genereren die op aarde wordt ingeademd.

Vergelijkbare films laten zien wat er gebeurt als licht je netvlies raakt en in contact komt met een fotogevoelig eiwit.

Dit komt neer op meer dan ijdele nieuwsgierigheid - beeldvorming op deze manier kan inzicht verschaffen in een breed scala aan biologisch en farmaceutisch belangrijke moleculen, die op hun beurt mogelijk kunnen helpen bij de ontwikkeling van effectievere medicijnen. En dan hebben we het nog niet eens over de implicaties voor de ecologie om tot een fijnkorrelig begrip van fotosynthese te komen. de machinekamer van het plantenrijk en de talloze wezens die ervan afhankelijk zijn.

Deze technologieën leggen de ingewikkelde verbanden tussen subatomaire en ecologische processen bloot.

Een hele nieuwe industrie gebouwd op kleine

Het zich snel ontwikkelende gebied van nanowetenschap en technologie - een verdere spin-off van kwantumprincipes - heeft geleid tot geen tekort aan toekomstig gebruik. Dit omvat de belofte van nanobiotechnologie om nieuwe, effectievere medicijnen voor aandoeningen zoals hoge bloeddruk, geholpen door het zicht op deze moleculen dat wordt geboden door röntgenlasers.

Dan is er de meer proactieve bionanowetenschap die streeft, onder andere, om biologische mechanismen zo nauwkeurig te simuleren dat je nu een virtuele wandeling door een kankercel kunt maken terwijl deze wordt aangepakt door medicijndragende nanodeeltjes.

We gaan dus een tijdperk van "moleculaire fabricage" in. En aan de horizon zijn "nanobots" - werkpaarden op moleculaire schaal die klein genoeg zijn om moleculaire processen in cellen te manipuleren. Misschien zullen deze op een dag geavanceerd genoeg zijn om medicijnen af ​​​​te leveren aan specifieke moleculaire locaties of zelfs een operatie uit te voeren.

De onzichtbare kracht

Dit zijn geen ontwerpen waarmee mensen direct kunnen communiceren, niet in de laatste plaats omdat ze functioneren in een omgeving die we ons, gezien onze schaalgrootte, nauwelijks kunnen voorstellen, gezond verstand werkelijkheid. Dat betekent ook dat als deze processen een schadelijke keerzijde hebben, we hebben niet veel grip op hoe we ermee om moeten gaan.

Maak een back-up van de omvang, we hebben procedures zoals milieueffectbeoordelingen, productbeheer en toxicologische tests. Hoe passen dergelijke concepten, als al, met de komst van nano-gemanipuleerde moleculaire structuren? Het is heel goed mogelijk dat onze e-waste-bakken op recyclingcentra (of zelfs stortplaatsen) op een dag vol komen te zitten met ingewikkeld ontworpen nanostructuren met onbekende gevolgen voor het milieu.

Dat is misschien fantasie, maar er zijn niettemin potentiële problemen met op mineralen gebaseerde nanodeeltjes die al in cosmetica worden aangetroffen, verven, kleding en andere producten. Sommige hebben goed gedefinieerde paden naar de buitenwereld, op weg van onze douches en wastafels om door rioolwaterzuiveringsinstallaties te sluipen. Wat ze zouden kunnen doen als ze "verwilderd" zijn in waterwegen en bodems, is een raadsel, hoewel een indicatie kan komen van hun grote broers, zoals fijn slib of microplastics, waarvan de oppervlakken dragers kunnen worden van zowel anorganische als organische verontreinigende stoffen.

Deze problemen zijn momenteel niet groot voor de waterindustrie. Zelfs veelgeroemde Klasse A afvalwaterzuiveringsinstallaties hebben alleen te maken met ziekteverwekkers, weinig interesse in voedingsstoffen, Chemicaliën, microplastics of nanodeeltjes.

Maar de grootte van nanodeeltjes, vorm, oppervlakte, klonteren en gedrag in de wijdere omgeving maken het moeilijk voor te stellen hoe ze het beste kunnen worden gereguleerd. Bovendien, er zijn weinig regelgevende onderzoeken naar nanodeeltjes geweest waarin gevaar en blootstelling samen in overweging zijn genomen, dus het is moeilijk om een ​​alomvattende risicobeoordeling te geven.

En dit zijn relatief "inerte" varianten. Het gebrek aan kennis kan nijpender worden als nanobots wild worden.

Niets gaat zomaar weg

We zouden als samenleving voldoende geavanceerd moeten zijn om te beseffen dat alles wat we produceren verantwoord moet worden. Niets "gaat zomaar weg" - zelfs dingen die veel te klein zijn om te zien.

In tegenstelling tot smog of zwerfvuil, dit is de manier, diep in die onzichtbare wereld, waardoor het moeilijk is om een ​​politieke achterban rond de kwestie te vormen.

Niettemin, vooruitgang in ons begrip van de diepgaande verbindingen tussen processen op atomaire schaal en biologische moleculen in dat kleine, kleine wereld dient om te verdiepen, zo niet transformeren, de manier waarop we naar ecologische processen kijken – en, impliciet, "levende wezens", hoe onzichtbaar ook.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).