Elektriciteit is in ons dagelijkse leven niet meer weg te denken. Toch is deze universele en meestal onzichtbare natuurkracht pas een paar eeuwen geleden echt ontdekt en onderzocht. In vroegere tijden namen mensen natuurlijk wel bliksem waar en kenden ze vissen, zoals sidderalen, die je een schok konden geven. De oude Grieken hadden ervaring met amber - barnsteen in het Nederlands of elektron in het Grieks - dat schokjes of flitsjes afgaf, als je het poetste met een wollen doek. Waardoor dit allemaal kwam, wist men niet.

18^e eeuw

Pas 18^e eeuw kwam het onderzoek naar elektriciteit goed op gang. Halverwege de 18^e eeuw ontdekte Benjamin Franklin via een nogal gevaarlijk experiment, dat bliksem daadwerkelijk elektriciteit bevatte, die je kon afvoeren en opslaan in een zogenaamde Leyden jar, Leidse fles. Franklin vond ook de bliksemafleider uit. Een paar decennia later experimenteerde de Engelse wetenschapper John Welsh met de sidderalen en ontdekte dat die eveneens die mysterieuze elektrische stroom afgaven.

Leidse fles

Volta versus Galvani

Op basis van die inzichten brandde in de 18^e eeuw de strijd los tussen de twee Italiaanse wetenschappers Alessandro Volta en Luigi Galvani. Volta dacht dat elektrische krachten alleen van buitenaf kwamen, Galvani probeerde aan te tonen dat ze ook in ons lichaam aanwezig waren. Volgens de overlevering verliep die competitie tussen beide heren nog redelijk beschaafd, ze zouden elkaar steeds hoffelijk bejegenen in hun briefwisseling, maar de schare van volgelingen van beide mannen was fanatieker. Volta en zijn volgelingen wonnen. Daarbij kon het natuurlijk geen kwaad dat Volta de eerste batterij ontwierp.

Galvani die allerlei proeven met kikkers deed om het bewijs te leveren van lichamelijke elektriciteit verloor het pleit. Hij overleed gedesillusioneerd en ook ontheven uit al zijn academische functies. Hij weigerde namelijk om een eed te zweren, waartoe de Franse bezettingsmacht van Napoleon alle universitaire medewerkers verplichtte.

Galvani’s theorieën raakten in de vergetelheid of – wellicht nog erger – ze raakten in diskrediet. Kwakzalvers gingen ermee aan de haal. Zo werden er bijvoorbeeld spectaculaire shows opgevoerd met gevangenen die de doodstraf hadden gekregen. Deze net overleden mannen werden onder stroom gezet, waardoor het leek alsof ze weer tot leven kwamen.

Alessandro Volta

Luigi Galvani

Electrome

Dit artikel gaat over de elektriciteit in ons lichaam, ook wel bio-elektriciteit, animal electricity, wet electricity of electrome genoemd. De aanleiding is een inspirerende lezing van Sally Adee op het Science festival van het populair wetenschappelijke magazine New Scientist in London. Zij schreef het fascinerende boek: We are electric. Dit boek is een absolute aanrader. Het is origineel, vernieuwend en heel prettig geschreven.

Zoals het wel vaker gaat in de wetenschap hadden trouwens beide onderzoekers, Volta en Galvani, gelijk. Galvani is decennia later na zijn dood in ere hersteld, eveneens een bekend fenomeen in de wetenschap. Je wordt eerst verguisd of zelfs belachelijk gemaakt om vervolgens als een groot wetenschapper geëerd te worden.

Elektriciteit is niet alleen om ons heen, het is ook in ons lichaam en vervult daar een cruciale rol.

Carl Sagan, een bekend Amerikaans astronoom en publieksvoorlichter uit de vorige eeuw, deed eens de uitspraak dat wij mensen leven in technisch ingewikkelde tijden, maar dat de gemiddelde burger deze techniek amper begrijpt. Een uitspraak, die tegenwoordig alleen maar actueler lijkt te worden.

Met deze uitspraak in mijn achterhoofd, volgt in dit artikel af en toe een intermezzo met een elementair lesje natuurwetenschappen of neuropsychologie. Dat kan je rustig overslaan als je alles al weet over elektriciteit in en rondom het lichaam. Maar mocht je kennis toch wat weggezakt zijn of je bent niet gepokt en gemazeld op dit gebied, dan helpt deze toelichting en achtergrondinformatie je wellicht om de rest van het artikel beter te begrijpen en de elektrische krachten in perspectief te zien.

En als astronomie je hobby is, begin je natuurlijk bij het begin.

Het aller-aller-eerste begin

Volgens de meest recente wetenschappelijke theorieën ontstond ons universum in de “Hot Big Bang”. In het begin was het oneindig heet en supercompact. Van daaruit begon de ruimte zich uit te breiden en af te koelen. Na verloop van tijd, zo’n 400.000 jaar later, vormden zich de eerste atomen. Waterstof en Helium waren de eerste elementen die ontstonden.

Door kernfusie, dat in sterren zoals onze zon plaats vindt, versmelten waterstofatomen tot het element helium. Daarbij komt energie vrij, dat waar te nemen is als licht en warmte. Door deze kernfusie in sterren ontstaan ook andere elementen, zoals koolstof en zuurstof. Het zwaarste element dat via kernfusie in sterren kan ontstaan is ijzer. Heel grote sterren exploderen aan het eind van hun leven. Deze explosies, ook wel een supernova’s genoemd, zijn zo krachtig dat daardoor zwaardere elementen dan ijzer kunnen ontstaan.

Ik heb thuis een ansichtkaart met daarop een ernstig kijkende professor en de tekst: wij zijn van sterrenstof gemaakt. En ja, de atomen in ons lichaam zijn afkomstig uit het heelal en ontstonden door kernfusies in en door sterren. Er wordt heel wat af gerecycled in het universum.

In de kern van elk atoom bevinden zich protonen, positief geladen deeltjes, en neutronen. (Alleen gewoon waterstof heeft geen neutron.) Neutronen, het woord zegt het al, zijn neutraal. Ze hebben geen lading. Om de kern heen cirkelen elektronen. In een atoom komt het aantal protonen overeen met het aantal elektronen, waardoor het atoom neutraal geladen is. Het ene atoom kan wel sneller zijn elektronen verliezen dan het andere of juist elektronen oppikken van een ander atoom. Hierdoor raakt het atoom positief of negatief geladen. Zo’n positief of negatief geladen atoom noemen we een ion.

Een molecuul kan bestaan uit meerdere elementen. Dat kunnen dezelfde elementen zijn of verschillende. Ons keukenzout bestaat bijvoorbeeld uit de elementen natrium en chloor. Die atomen zijn een verbinding aangegaan en delen elektronen met elkaar. In keukenzout is het natrium-ion positief geladen en het chloor-ion negatief.

Een atoom met protonen en neutronen in de kern en elektronen die daarom heen cirkelen.

Membraan

Voor het ontstaan van leven is het belangrijk dat een cel een membraan heeft, die de binnenwereld en de buitenwereld van elkaar scheidt. Zou die membraan er niet zijn, dan zouden er in de cel geen afzonderlijke processen kunnen plaats vinden, bovendien zou alles zomaar uit de cel vallen of kunnen wegvloeien naar de omgeving.

Het blijkt dat via de membraan van een cel een potentiaalverschil kan ontstaan met de omgeving. De lading in de cel kan lager of hoger liggen dan de omgeving. Dit potentiaalverschil ontstaat doordat de hoeveelheden ionen en het type ionen verschillen aan de binnenkant en de buitenkant van de cel.

Dit potentiaalverschil wordt door de cel actief in stand gehouden. Dat gaat door middel van ionenkanalen in de membraan. Ionen, bijvoorbeeld natrium- of kaliumionen, sijpelen uit de cel of worden actief de cel in of uit gepompt door kleine eiwitpompjes die in de membraan zitten (zie afbeelding).

In The Spark of Life vertelt Frances Ashcroft, uitgebreid over de elektrische processen in ons lichaam en de ionenkanalen in onze cellen, die deze elektrische stromen in ons lichaam mogelijk maken. Ook haar boek is heel interessant en informatief.

Het goed functioneren van ionenkanalen in de celwand is essentieel. Zo zijn er bepaalde ziektes die een gevolg zijn van het falen van die ionenkanalen en ionenpompen in onze cellen, bijvoorbeeld een bepaalde vorm van diabetes. Ook werken gifstoffen op die ionenkanalen, waardoor het lichaam totaal kan verlammen. Voorbeelden zijn Sarin, bekend van de terroristische gasaanval in de metro van Tokio, of Curare, dat Indianen gebruikten op de punten van hun pijlen.

Verschillen in elektriciteit binnen en buiten ons

In de elektriciteit om ons heen, bijvoorbeeld de stekker die je in het stopcontact steekt of de computer waarvan je gebruikt maakt, zijn het vooral de elektronen die een rol spelen. Zij zijn het die heen en weer stromen, aangetrokken door een positieve lading of afgestoten door een negatieve lading.

Het opmerkelijke is dat in ons lichaam het juist de positief en negatief geladen ionen zijn, zoals natriumionen of kaliumionen, die de elektrische krachten in ons lichaam bepalen.

Gaan de elektronen in dezelfde richting als de elektriciteitsdraad, de ionen in het lichaam bewegen zich via de celmembranen juist loodrecht op de richting van de stroom.

Verder gaat in de buitenwereld de elektrische geleiding via elektronen met (bijna) de lichtsnelheid, 300.000 kilometer per seconde. Bij de snelste zenuwgeleiding in ons lichaam is die snelheid aanzienlijk lager, namelijk hooguit 120 meter per seconde. Een gedachte mag dan snel in je opborrelen, met de lichtsnelheid gaat dat niet.

Tenslotte gaan in het dagelijkse leven water en elektrische apparaten slecht samen. Dan kan je kortsluiting krijgen. Een werkende föhn in je badkuip kan je zelfs het leven kosten. In ons lichaam is dat juist het tegenovergestelde. De elektriciteit in ons lichaam wordt daarom ook wel wet electricity genoemd.

Een leuk en leesbaar boek. De auteur geeft een introductie in de geschiedenis van de elektriciteit in onze wereld via de beschrijving van de belangrijkste ontdekkers en wetenschappers op dit gebied.

DNA

De uitspraak “dat zit in mijn DNA” is tegenwoordig erg populair. Het komt zelfs in popsongs voor. Het idee hierachter is dat het DNA, dat ligt op de chromosomen in de kern van onze lichaamscellen, van alles zegt over ons en onder meer onze identiteit bepaalt. Na de uitvinding van het DNA in de jaren ’50 van de vorige eeuw was deze theorie dan ook de meest gangbare verklaring voor de ontwikkeling van allerlei levensvormen, hun ziektes en hun gedrag.

Eén van de meest opvallende ontdekkingen en wetenschappelijke onderzoeken, die Sally Adee in haar boek beschrijft, is dat het DNA helemaal niet zo oppermachtig en bepalend is, als we denken.

Epigenetica

Een paar decennia geleden is die overheersende invloed van het DNA al genuanceerd door de opkomst van de Epigenetica. Ik kan me een congres in London herinneren, georganiseerd door de Britse Royal Society in 2007. Het congres ging over gewelddadig gedrag. Onderzoekers vertelden dat kinderen weliswaar een genetische aanleg voor het vertonen van gewelddadig, agressief gedrag konden hebben, maar dat het milieu waarin ze opgroeiden bepalend was of die genetische aanleg gerealiseerd werd. In het DNA van de kinderen konden genen “aangezet” of “uitgezet” worden, afhankelijk van het feit of zij in een liefdevolle omgeving opgroeiden of te maken kregen met veel huiselijk geweld.

Op basaler niveau geldt dat aan- en uitzetten van het DNA trouwens voor alle cellen in ons lichaam. Elke cel in ons lichaam beschikt in de kern over hetzelfde aantal chromosomen met daarop dezelfde genen. Echter na de bevruchting ontwikkelt de ene cel zich tot een hersencel, de andere tot een huidcel. Sommige genen worden aangezet en andere uitgezet om die differentiatie te bewerkstelligen.

Bij de bevruchting van een eicel met een zaadcel ontstaan er allereerst stamcellen. Vanuit die stamcellen ontwikkelen zich allerlei weefsels. Onderzoek toont aan dat stamcellen een neutrale lading hebben. De weefselcellen die vervolgens ontstaan zijn echter niet neutraal. Zij hebben een membraanverschil. De binnenkant van de cel heeft een andere lading dan de buitenkant. Bij huidcellen is er bijvoorbeeld een verschil van -70 millivolt en bij botcellen is dat -90 millivolt. Cellen zijn actief in het vasthouden van dat membraanverschil tussen de binnen- en buitenkant.

Het electrome bepaalt de lichaamsvorm

Je hebt dus het DNA en de Epigenetica. De onderzoeken die Sally Adee in haar boek beschrijft, voegen daar nog wat aan toe: het electrome, elektroom*, de elektrische krachten in ons lichaam.

Bij het ontstaan van het lichaamsplan spelen elektrische krachtvelden een rol.

Bij kikkervisjes kan je met lichtgevoelige cellen de ontwikkeling tot kikker volgen. Voordat ogen of mond ontstaan, is er eerst een potentiaalverschil in die weefsels. Een dag later begint daar dan bijvoorbeeld de vorming van de ogen. Er is dus eerst een elektrisch veld en op basis daarvan bewegen de cellen zich om een bepaald weefsel te vormen. Dierproeven tonen verder aan dat als je dit elektrische veld verstoort, het lichaamsplan verandert en de dieren op de raarste plaatsen organen kunnen ontwikkelen.

Bij het ontwikkelen van een menselijk foetus spelen dezelfde elektrische krachten en krachtvelden een rol. En zouden er dus ook geboorteafwijkingen kunnen optreden als die krachtvelden intern verstoord worden.

* Nederlanders zijn geneigd om Engelse termen vrijwel onvertaald over te nemen. Ze geven er alleen een klein Nederlands tintje aan. Als je Elektroom googelt, levert dat vrijwel geen adequate resultaten op. Ik neem echter aan, dat als de term Electrome meer ingeburgerd raakt, Nederlanders er wel Elektroom van zullen maken.

Regeneratie

Regeneratie van weefsel werkt ook via deze elektrische velden en potentiaalverschillen. Littekenweefsel kan deze elektrische krachtvelden verstoren, waardoor regeneratie niet meer optreedt.

Sommige dieren kunnen zich volledig herstellen als ze doormidden geknipt worden of in mootjes worden gehakt. Elk stukje kan genereren tot een nieuw compleet organisme. De meest flexibele is een soort waterworm, de planarian (Dugesia subtentaculata). Hoe je die ook knipt of hakt, binnen een week is er weer een normaal dier gegroeid. De axoloti, een bepaalde salamandersoort, kunnen er ook wat van. Die herstellen eigen organen, hersenen en zenuwen.

Bij mensen is het regeneratievermogen beperkt. Adee noemt in haar boek het voorbeeld van het volledig opnieuw aangroeien van vingerkootjes bij kinderen tussen de 7 en 11 jaar oud. Zij vertelt het opmerkelijke verhaal van een Filipijnse student, die als kind 4 vingertopjes verloor. De familie was arm en kon geen dokter betalen. Ze hielden de wonden nat en schoon en na verloop van tijd groeiden alle vingers weer perfect aan, inclusief nagel en al. Heel af en toe heeft armoede dus voordelen. Bij een rijker kind had de dokter waarschijnlijk de vinger afgebonden en gehecht en zou er littekenweefsel zijn ontstaan in plaats van een nieuw vingerkootje.

Planarian

Dwarslaesie

Bij mensen die bijvoorbeeld door een ongeluk een dwarslaesie hebben gekregen, zijn de zenuwen in het ruggenmerg beschadigd. Hierdoor zijn verlammingen ontstaan en is de gevoelszin aangetast. Wetenschappers proberen op allerlei manieren om deze schade te herstellen of te omzeilen. Beschadigde zenuwen zouden weer naar elkaar kunnen toegroeien, als men direct na het ongeval de juiste elektrische velden aanlegt. Littekenweefsel kan zo’n elektrisch veld verstoren en het herstel beperken. Het onderzoek hiernaar is nog in een experimenteel stadium.

Huidgenezing

Er zijn nog veel meer interessante bevindingen te melden. Zo heeft onze huid een bepaald voltage, een verschil in spanning. Als we ons verwonden heeft de snee een andere lading dan de gezonde huid. Die lading, voltage, van de wond zorgt ervoor dat de huid zich weer herstelt. De nieuwe cellen bewegen zich dan naar het midden van de wond, waar de hoogste potentiaal is. Bij oudere mensen is dit mechanisme verzwakt, waardoor het wondherstel langer duurt. Zo is het wondvoltage bij een gemiddelde 65-jarige maar de helft van het wondvoltage van een 25-jarige.

Kankercellen

Kankercellen hebben een afwijkend voltage. Met speciale apparatuur zijn deze potentiaalverschillen tussen gezonde cellen en kankercellen te meten, waardoor je kankercellen sneller kunt opsporen.
Er wordt gedacht aan het creëren van elektrische velden, waardoor je het voltage van de cellen zou kunnen beïnvloeden en wellicht de onbegrensde groei die kanker typeert, zou kunnen stoppen.

Sally Adee en Frances Ashcroft noemen beide nog veel meer intrigerende voorbeelden van de rol van elektriciteit in ons lichaam. Als je interesse is gewekt, en dat hoop ik, zijn beide boeken echt aan te bevelen.

Haaien

Ik wil dit artikel eindigen met een fun fact. Een leuk weetje uit het boek The Spark of Life, waarvan ik niet op de hoogte was en dat weer nieuwe werelden voor mij opende. Wetenschap kan zo leuk en boeiend zijn!

Mijn kennis over haaien is uiterst beperkt en eigenlijk alleen maar gebaseerd op enge films, waarin bijvoorbeeld een haai onder begeleiding van dramatische muziek een bloedspoor volgt van een helaas overboord gevallen persoon en deze vervolgens aanvalt en verorbert. De werkelijkheid is genuanceerder.

Zo blijken haaien te beschikken over elektroreceptoren, die liggen in de zogenaamde ampullae of Lorenzini. Mensen hebben kleine elektrische krachtvelden om hun heen. De menselijke zenuwen en spieren genereren kleine elektrische stroompjes, die aan de buitenkant meetbaar zijn. Ook als je doodstil bent, slaat je hart nog en is dat voor dieren met elektroreceptoren waarneembaar. Als je je als mens in zout water bevindt – zout water is een goede geleider van elektriciteit – dan kan je een miniem elektrisch veld rondom je opwekken van zo’n 0,02 Volt. (Dat is ruim 10.000 x minder dan wat uit het stopcontact komt.) Een haai kan dit waarnemen.

Ook al verstop je je onder het zand en kan de haai je niet zien, beweeg je je niet en geef je geen geurstoffen af, de haai pikt jouw elektrisch veld op. Tenzij je helemaal ingepakt bent in een rubberpak, dat de stroom niet geleidt, lijkt de enige uitweg om je te begeven naar een elektrisch kabel in de buurt. Nou ja, in het gunstige geval dat die aanwezig is. Zo’n kabel geeft een veel sterker elektrisch veld af, waardoor de haai de interesse in jou volkomen verliest en met veel animo naar de kabel hapt. Telefoonmaatschappijen hebben dit bijvoorbeeld gemerkt, toen ze glasvezelkabels in zee wilden aanbrengen tussen Gran Canaria en Tenerife. Die kabels werden herhaaldelijk enthousiast belaagd en doorgeknaagd door haaien. Pas toen ze de kabels extra isoleerden of op een diepte aanbrachten van meer dan 2 kilometer, die diepte ligt namelijk buiten het voedingsgebied van de haaien, was dit probleem verholpen.

Voor zover ik weet, beschikken mensen niet over elektroreceptoren. Onze elektrische hersengolven zijn echter wel via EEG, een Elektro Encephalo Gram, te meten. Over de elektriciteit in ons hoofd en in onze hersenen en de elektrische golven die wij uitzenden, valt heel veel interessants te melden. Hierover meer in een volgend artikel.

Boeken/artikelen

Adee, Sally (2023). We are electric. Edinburgh: Canongate Books.

Ashcroft, Frances (2012). The Spark of Life. New York: W.W. Norton & Company.

Bodanis, David (2005). Electric Universe. London: Time Warner Book Group UK.

Sagan, Carl (1996). The demon-haunted world. Science as a candle in the dark. New York: Random House Inc..

Dit artikel valt onder copyright (© Arian Joldersma, 2024, alle rechten voorbehouden). Het kopiëren, reproduceren of publiceren van dit artikel of delen ervan is niet toegestaan zonder voorafgaande toestemming.