Nieuws

Let op! Eventuele comments worden pas na de blogvakantie gepubliceerd.
4 aug
: Does Biology Have Laws? Nature Scitable Bestaan er biologische wetten zoals wetten in de natuurkunde?
31 juli: rundvlees consumptie warmt het klimaat 10 maal sterker op dan kip en varkensvlees (Nature 31 jul)
23 jul: David Attenburoughs rariteitenkabinet, Ned 2 20 uur. Is een 15 delige serie. Gisteren een vrouwtje Komodoro varaan die parthenogenetisch zonen produceert! Hier uitzendingen terugkijken!
29 jun: Robert Pasnau Why Not Just Weigh the Fish? New York Times
28 juni: Menno Schilthuizen (2014) 'Darwins peepshow wat geslachtsdelen onthullen over evolutie, biodiversiteit en onszelf' (zie hier)
jun 14: 'How to Search for Life on Mars', en 'The World Without Free Wıll' in Scientific American Juni 2014
Archief Actualiteiten

23 juli 2014

Is filosofie nuttig? Pleidooi voor het beëindigen van een stammenoorlog

(Dit blog is vrijdag 25 juli ge-edit en iets uitgebreid.)
"Dat de filosofie niets oplevert is onjuist: de hele democratische vrije maatschappij, waarin wetenschappers heerlijk in vrijheid hun onderzoek kunnen doen, is van vezel tot kruimel een filosofen-machine. Ontwikkeld door filosofen. Geen wetenschapper aan te pas gekomen. Bovendien hoeft filosofie niets anders op te leveren dan goede ideeen, het is immers filosofie en geen scheikunde?: wel, goede ideeen zijn er in overvloed, meest bedacht door filosofen." (Jan Riemersma) (mijn bold)
Dit citaat komt weliswaar uit een comment, en is niet een volledig uitgewerkt betoog. Maar het gaat mij om de gedachte die er achter zit. De aanleiding was een filosofie-onvriendelijke opmerking  van Neil deGrasse Tyson, presentator van de beroemde serie 'Cosmos', in een debat over sommige filosofen. Tyson hekelde een bepaald soort nutteloze filosofie die al lang kan en behoort te worden vervangen door empirisch onderzoek. Let op: hij zei dit dus niet in de serie Cosmos! Maar sommigen zagen hun kans schoon om naar aanleiding daarvan de hele serie Cosmos in een kwaad daglicht te zetten. Of misschien wel de hele wetenschap (dezelfde wetenschap die mogelijk gemaakt werd door de filosofie!). Dit is natuurlijk fout. Tyson deed géén uitspraak over alle filosofie en alle filosofen. Zijn zgn. 'aanval op de filosofie'  interpreteer ik als: vraagstukken die je door waarneming en experiment kunt oplossen moet je niet met filosofie proberen op te lossen. Voor de rest kan filosofie heel nuttig zijn.

Wat is het nut van filosofie?

In het algemeen: wat is het nut van filosofie? Volgens filosoof Jan Riemersma hebben we de democratische staat aan filosofen te danken. Hij 'vergeet' hierbij bijvoorbeeld de filosoof Plato:
"Not all instrumental arguments favor democracy. Plato (Republic, Book VI) argues that democracy is inferior to various forms of monarchy, aristocracy and even oligarchy on the grounds that democracy tends to undermine the expertise necessary to properly governed societies. ... " Stanford Encyclopedia of Philosophy
Tijdperk
Plato leefde in een tijdperk waarin slavernij normaal was en democratie zeker niet vanzelfsprekend. En hij was niet in staat om slavernij te veroordelen en democratie als beste staatsvorm aan te prijzen. Dus: het hangt van het tijdperk af of filosofen nuttige dingen gezegd hebben. Filosofen worden beïnvloed door het tijdperk en de samenleving waarin ze leven. Hetzelfde geldt overigens voor de bijbelschrijvers. Filosofie is niet tijdloos. De historische ontwikkeling van de menselijke beschaving en in welke fase van die ontwikkeling de filosoof zich bevindt is een belangrijke toevoeging.

Hoe kan dat? Aangezien filosofen werken met logische, tijdloze argumenten? Waarom is logica niet voldoende? Dat is een interessant vraagstuk. Dat ga ik nu niet beantwoorden. Worden filosofen beinvloed door de maatschappij of beinvloeden zij de maatschappij? Of allebei? Ook te veelomvattend voor nu.
Ik noem nu alleen even een paar filosofen die ik ken en die grote invloed gehad hebben op het denken over de maatschappij en waarvan je moeilijk kunt voorstellen dat ze een paar eeuwen eerder geleefd hadden en dan nog dezelfde filosofie hadden.

Een paar voorbeelden
  1. John Stuart Mill: On Liberty (heb ik in mijn studententijd gelezen en ik was diep onder de indruk!) en The Subjection of Women.
  2. Peter Singer: The Expanding Circle (2) en (1) heb ik over geblogd. Expanding: historisch proces. Opvattingen over dieren hebben zich ontwikkeld in de geschiedenis!
  3. Denis Diderot, Voltaire, Jeremy Bentham, David Hume (zie o.a. blog Philipp Blom: Het Verdorven Genootschap ): Verlichtingsfilosofie die niet een paar eeuwen eerder denkbaar was
  4. Spinoza als voorbereider van de 'Age of Enlightenment'. Kwam voor in mijn blog Diarmaid MacCulloch en A History of Christianity 19 apr 2010 en: Diarmaid MacCulloch vertelt enthousiast over godsdienstoorlogen 15 juli 2012.
  5. List of atheist philosophers ! En of filosofie nut heeft! en of wikipedia nut heeft!
  6. Steven Pinker: van belang o.a. vanwege The Humanitarian Revolution en The Rights Revolution die maken de historische dimensie duidelijk. Zie o.a. mijn blog Steven Pinker (2) Verklaringen voor de afname van alle vormen van geweld. 
  7. Filosoof Daniel Dennett (begon met 'Darwin's Dangerous Idea') heeft enorm veel betekend om evolutionair denken ingang te vinden onder vakgenoten en het grotere publiek. Idem: filosoof Michael Ruse.
  8. ...
Het belangrijkste, denk ik, wat ik probeer te zeggen is:  er zit een tijdsdimensie, een historische ontwikkeling in de filosofie (denken in het algemeen), wat de oorzaken daarvan ook mogen zijn. Misschien is er wel beïnvloeding door techniek en wetenschap. Het denken over democratie, mensenrechten, vrouwenrechten, dierenrechten, kinderrechten zijn filosofische revoluties. Vaak onder woorden gebracht, versterkt, of zelfs in gang gezet door filosofen. Wat dat betreft: geen kwaad woord over filosofen!

En ten tweede: als de wetenschap inderdaad de vrucht is van de filosofie, dan zou de filosofie trots moeten zijn op wat ze heeft voortgebracht, en omgekeerd zou de wetenschap dankbaar moeten zijn dat ze ooit is voortgekomen uit mensen (zo'n twee tot drieduizend jaar geleden) die nadachten, en vragen stelden over de wereld en met theorieën kwamen, en die filosofen werden genoemd. Dat is toch een veel positievere en vruchtbaardere opvatting dan een stammenoorlog tussen wetenschap en filosofie?


Dit blog is vrijdag 25 juli ge-edit en uitgebreid.

15 juli 2014

Een nieuwe definitie voor 'leven'

Patrick Forterre
virussen zijn levend!
26 juli: wijzigingen doorgevoerd naar aanleiding van de discussie.

Als je mensen vraagt is een virus levend? dan krijg je als antwoord: dat hangt er vanaf welke definitie van leven je hanteert. Of je krijgt als antwoord: het hangt er vanaf aan wie je het vraagt. Inderdaad, als je het aan Patrick Forterre vraagt, dan zijn virussen levend. En als je het aan Tibor Ganti vraagt zijn virussen niet levend.

Is een definitie subjectief? Ja, een definitie is subjectief. Ja, een definitie geven is filosofisch [1]. Maar, dat wil niet zeggen dat er geen goede of slechte definities bestaan. Een goede definitie moet globaal vastleggen wat we tot nu toe levende organismes hebben genoemd. En er geen niet-levende dingen onder laten vallen. Als de definitie een groep organismes uitsluit is hij slecht.

Stel dat we leven definieren als alle koolstof-gebaseerde entiteiten die direct of indirect van zonne-energie afhankelijk zijn. Dan heb je vrijwel 99% van al het leven te pakken: planten, dieren, bacterieën, virussen. Echter, je sluit daarmee chemotrofe organismes uit. Die zouden dan volgens de definitie niet levend zijn. En dus is het een slechte definitie.

Waarom metabolisme essentieel is
Tibor Ganti
virussen zijn niet levend!
Een goede definitie van het leven zoomt in op essentiële kenmerken van het leven. Een essentieel kenmerk van het leven is dat het energie nodig heeft om te blijven bestaan. Dat sluit aan bij het ervaringsfeit dat je moet eten om niet dood te gaan. Daar zit een diepgaande fysische theorie achter: leven is een toestand 'far-from-equilibrium' [2]. Dat wil zeggen: de moleculen en de structuren (cellen, organen, lichamen) die daarmee opgebouwd worden vervallen tot een verzameling elementaire chemische bouwstenen (C,H,N,O,P,S,...) wanneer er geen uitwendige bron van energie beschikbaar is om die toestand die leven heet te onderhouden [2]. Die evenwichtstoestand heet 'dood'. Maar er is niet alleen externe energie nodig, ook een mechanisme om die uitwendige energie te benutten om de levende toestand in stand te houden. Dat mechanisme of dat proces noemen we metabolisme. Daarmee is metabolisme een essentieel kernmerk van leven. Metabolisme definieert leven. Het is dus géén willekeurig, subjectief, oppervlakkig, toevallig, secundair, niet-esentieel, uiterlijk kenmerk! Metabolisme houdt de levende toestand in stand. Metabolisme is hét hoofdkenmerk van leven. De cel (de ruimtelijke begrenzing) en het erfelijk materiaal (DNA,RNA) zijn de andere twee hoofdkernmerken [3]. Die cel en erfelijke informatie zijn (enigszins subjectief gezegd) nodig om het metabolisme in stand te houden en te reguleren. Dit alles in het kort. Zie mijn Ganti review voor details.

Is een virus levend?
De definitie van 'leven' van de virus expert Patrick Forterre [4], bevat géén metabolisme:
"A living organism can thus be defined as: "a collection of integrated organs (molecular machines/structures) producing individuals evolving through natural selection" [4].
Structuren en evolutie staan hier centraal. Het gevolg van zijn zéér compacte definitie is dat virussen levend zijn. Dat is ook zijn bedoeling. Het cruciale punt is dus of je metabolisme opneemt in de definitie van leven of niet. Doe je dat wel dan vallen virussen erbuiten (Ganti). Doe je dat niet, dan vallen virussen erbinnen (Forterre). Tenminste, zo lijkt het.

Is de definitie met metabolisme een subjectieve keuze? Nee. Zoals hierboven aangestipt is, is metabolisme essentieel voor leven. Sluit Forterre bacterieën, planten, dieren dan uit? Nee, natuurlijk niet. De definitie is zo ruim en ambivalent dat die er ook allemaal binnen vallen. Maar zijn definitie mist de essentie van leven. Daardoor is het een slechte definitie [8].

Complicatie's van de oude definitie
Er zijn twee complicatie's met het 'metabolisme' als hoofdkenmerk van leven:
  1. 'bacteriele sporen' of 'zaden' hebben géén metabolisme. Het is een tijdelijke rusttoestand die overigens langere tijd kan duren. Sporen en zaden zijn niet dood, want ze kunnen later tot leven komen. Is dat een probleem voor de definitie-met-metabolisme? Nee, het is een pseudo-probleem omdat zaden en sporen géén organismen zijn, maar fases in de levenscyclus van een organisme. Het is een conceptuele misvatting. Daarom vallen sporen en zaden niet rechtstreeks onder de definitie. Sporen en zaden zijn een schakel tussen twee fases waarin metabolisme noodzakelijk aanwezig is. Een zaad of spore is 100% afhankelijk, want het wordt geproduceerd door een volwassen organisme dat zelf metabolisme heeft. Inzien dat sporen en zaden géén organismen zijn, was voor mij de doorbraak in het denken over dit 'probleem'. (...) Daarom heeft het geen voordeel om metabolisme uit de definitie weg te laten. Integendeel, het is een groot nadeel om een essentieel kenmerk van het leven weg te laten.
  2. het parasitaire karakter: parasieten hebben in verschillende mate hun metabolisme uitbesteed aan de gastheercel. Dat kan heel ver gaan: de obligaat intracellulaire parasieten zoals de bacterieën rickettsia en chlamydia worden als levend beschouwd terwijl ze geen eigen metabolisme zouden hebben [5,6]. Als je dit uitzoekt blijkt ricketttsia wel degelijk eigen ATP te produceren en vermoedelijk eigen eiwitsynthese uitvoert. Dus metabolisme. Chlamydia beschikt over onderdelen van het metabolisme en verspreidt zich via sporen. Zijn extreme parasieten een argument tegen metabolisme in de definitie van leven? Ik denk het niet, want a) ze hebben wel degelijk een gereduceerd metabolisme, b) hun metabolisme is sterk geïntegreerd met het gastheer-metabolisme zodat onderscheid soms moeilijk wordt. Hoe dan ook: ze bestaan dankzij metabolisme. Op een planeet zonder metabolisme heb je geen leven, zelfs geen virussen, en uiteraard geen obligaat intracellulaire parasieten.
Nieuwe opvatting over virussen (toegevoegd 26 juli 2014)
Forterre introduceert een nieuwe opvatting over virussen ('the real viral organism'):
"the viral factory corresponds to the real viral organism, whereas the virion corresponds to the mechanism used by the virus to spread from one cell to others and that to confuse the virion with the virus would be the same as to confuse a sperm cell with a human being." [4]
De 'viral factory' is de plek waar het virus gerepliceerd wordt.
"The confusion between the virus and the virion was first criticized by Claudiu Bandea who considered that the intracellular phase of the virus life cycle is the ontogenetically mature phase of viruses (Bandea 1983). As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction. Therefore, life is an effective presence”." [4]
'Virions' werden eerder gedefinieerd als: 'the viral particles produced during infection', dus de inerte deeltjes vergelijkbaar met sporen van bacterieën.
Welnu, als de intracellulaire fase in de cyclus van een virus de volwassen fase is, en als die fase metabolisme inhoudt, waarom neem je dan 'metabolisme' niet op in je definitie van leven? Het lijkt er dus op dat Forterre wat betreft de definitie zelf slachtoffer is van de verwarring van 'virus' en 'virion' die hij aan anderen toeschrijft! Hij laat 'metabolisme' weg omdat hij kennelijk nog denkt in de oude opvatting van virusen zijn inerte deeltjes!

Je kunt 'virussen' als 'levend' opvatten op voorwaarde dat je alle fases in hun levenscyclus beschouwt en een virus dus niet gelijksteld wordt met het inerte virusdeeltje (virion). Een virus is dan een nog extremere parasiet als rickettsia en chlamydia. Een virus heeft zijn totale metabolisme uitbesteed aan een gastheercel. Dus een virus is een metabolisme-parasiet (vergelijk met een koekoek!) en een informatie-parasiet omdat hij ook niet alle genetische informatie bezit die nodig is voor replicatie.

Nieuwe defintie van leven: ( herschreven 26 juli 2014 )
 
De nieuwe definitie: Levende entiteiten hebben tenminste in één fase van hun levenscyclus metabolisme. Levende organismes kunnen dus een fase hebben zonder metabolisme [13].

Dit is een gedeeltelijke definitie omdat ik me focus op metabolisme. Maar belangrijk genoeg voor dit moment. Het is een ogenschijnlijk kleine, maar belangrijke correctie op de definitie van Ganti [3] (eigenlijk de eerste correctie die ik mij permitteer op de definitie van Ganti!). In Ganti's definitie zijn virussen geen levende entiteiten. Dat komt waarschijnlijk omdat hij dacht aan de inerte virusdeeltjes (virions). In de nieuwe definitie zijn virussen levend wanneer ze opgevat worden als entiteiten met cycli, net als bacterieën die spores produceren, en als obligaat metabolisme-parasieten [9]. 

De wijziging is dus dat virussen conform moderne inzichten ('reuze virussen', 'giant viruses') niet meer worden opgevat als inerte deeltjes, en de eis van metabolisme wordt iets 'flexibeler' geformuleerd, maar zeker niet verwijderd of afgezwakt. Het voordeel van deze werkwijze is dat metabolisme niet weggelaten hoeft te worden uit de definitie van het leven, zoals Forterre doet. Metabolisme weglaten is onacceptabel omdat metabolisme onmisbaar is voor het leven [10]. Nog een voordeel is dat virussen 'dezelfde behandeling' krijgen als de gewone parasieten en geen uitzondering meer zijn. 
Ook kan de aparte categorie 'potentially living but not dead' (Ganti) vervallen, omdat sporen een fase in de levenscyclus van bacterieën zijn net zoals virions een fase in de levenscyclus van virussen zijn. Eigenlijk heb je dan de 4 categorieën van Ganti [14] niet meer nodig, maar slechts twee: levend en niet-levend. Dat is een vereenvoudiging en omdat het overbodige onderscheidingen weglaat en een minder ad hoc karakter heeft. 
Door virussen onder de definitie van 'leven' te laten vallen verdwijnt ook het probleem te verklaren hoe het kan dat virussen evolueren en überhaupt een evolutionaire stamboom hebben, die bovendien nauw verweven is met de Tree of Life [11]. 
Ook wordt hiermee de toch enigszins onbevredigende opvatting van James Griesemer en Eörs Szathmáry [12] dat virussen niet levend zijn, maar wel kunnen evolueren, overbodig. In de nieuwe opvatting van virussen zijn virussen levend en kunnen ze evolueren.

Dankwoord
Ik heb veel te danken aan Marleen Roelofs omdat ze blogde over Lag de oorsprong van leven bij virussen?, ze mij op kundige wijze tegensprak en mij een artikel van Patrick Forterre toezond. Waarvoor allemaal hartelijk dank!

26 juli: wijzigingen doorgevoerd naar aanleiding van de discussie.

Noten
  1. Marleen citeert Forterre in bold: "Belangrijk: The question, “are viruses alive?” is typically a philosophical question, meaning that it is our choice to decide if viruses are living entities or not" waarschijnlijk om te benadrukken dat het een subjectieve en geen empirische kwestie is. Maar zo onschuldig is die keuze niet!
  2. "The equilibrium sytems are dominated by small molecules such as CO2, H2O, N2, NH3, and so on." H.J. Morowitz  ‎(1999) A theory of biochemical organization, metabolic pathways, and evolution. (pdf is gratis)
  3. Zie mijn review van The Principles of Life van Tibor Ganti waarin dit systematisch maar kort wordt beschreven.
  4. Patrick Forterre (2010) Defining Life: The Virus Viewpoint, Orig Life Evol Biosph. Apr 2010; 40(2): 151–160. See: § What is Life?
  5. "Viruses do not have their own metabolism, and require a host cell to make new products. They therefore cannot naturally reproduce outside a host cell – although bacterial species such as rickettsia and chlamydia are considered living organisms despite the same limitation. " (wikipedia).
  6. Marleen: "Er zijn heel wat parasieten die hun levenscyclus niet kunnen voltooien zonder hun gastheer. En die worden wel degelijk als levende organismen beschouwd."
  7. "in 1983 by Claudiu Bandea who wrote that ‘the living phase of the virus is the intracellular phase of its life cycle’ in: Patrick Forterre (2010) Giant Viruses: Conflicts in Revisiting the Virus Concept. (met dank aan Marleen voor de pdf). Die visie dat virussen een 'life cycle' hebben was een eye-opener voor mij! Mijn voorkeur is: 'virussen veroorzaken metabolisme' in plaats van 'virussen hebben een metabolisme'.
  8. De definitie is slecht o.a. omdat hij te vaag is, te weinig specifiek, er geen metabolisme in voorkomt, en omdat er evolutie in voorkomt. Het gedeelte "a collection of integrated organs (molecular machines/structures)" klinkt als: een verzameling dingetjes die iets met elkaar doen. Zie voor details van de kritiek: 'Comparison with other definitions of life'-paragraaf in: [3].
  9. Het is dus conceptueel fout om te stellen: "De virions zijn wat mij betreft net zo levend als zaden en sporen." (hier) omdat virions en zaden geen organismes zijn maar fases in de cyclus van organismen. Daarna volgt: "In zaden zit een embryo dat wel degelijk een wellicht slapend metabolisme heeft." NB of het nu waar is of niet van dat slapend metabolisme, dit wijst er op dat metabolisme kennelijk belangrijk is!!
  10. Citaat Marleen: "As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction." (mijn bold). NB: metabolisme wordt hier belangrijk gevonden. Welnu, dan moet het ook in de definitie!
  11. Citaat Marleen: "Viruses have co-evolved with members of these three domains according to the scheme of Darwinian evolution".
  12. Zie figuur 'Overlapping but non-identical sets of units of evolution and units of life', afkomstig van de editors James Griesemer en Eörs Szathmáry, in: [3]. Ik doe hier geen uitspraak over andere aspecten van de figuur.
  13. Dit was mijn oorspronkelijke definitie: "Levende entiteiten hebben óf een eigen metabolisme óf zijn geheel of gedeeltelijk afhankelijk van het metabolisme van een andere levende entiteit."
  14. De vier categorieën zijn: (1) living; (2) potentially living but not dead (resting seeds, dried-out or frozen micro-organisms); (3) dead (irreversible change from a living to a non-living state); (4) non-living (physical and chemical systems). De categorie 'dood' is identiek aan 'niet-levend' dus die is niet noodzakelijk.

10 juli 2014

Noodzaak versus toeval in de evolutie. Vier wetenschappers die noodzakelijkheid verdedigen

(1) Christian de Duve
Iedereen heeft wel eens gehoord van het 'Rerun the tape of life' arugment. Het zegt dat als je het evolutieproces opnieuw zou laten beginnen vanaf het ontstaan van het leven, er dan heel andere planten en dieren zouden ontstaan. En dan zouden wij er misschien niet geweest zijn. Het is een argument voor de belangrijke of zelfs overheersende rol van het toeval [1] in de loop van evolutie. Het argument is afkomstig van de paleontoloog en populair-wetenschappelijk auteur Steven J. Gould die het uiteenzette in Wonderful Life (1989) [5]. De meeste biologen zijn het met hem eens dat het toeval een grote rol speelt [2]. Het wordt 'historical contingency' genoemd. De geschiedenis van het leven op aarde zit vol van die historical contingencies. Maar toch is er een klein aantal wetenschappers dat 'noodzakelijkheid' verdedigt. De eerste is: (1) Christian de Duve (zie mijn blog Is Christian de Duve een deïstische fine-tuner? Het toevals evangelie versus noodzakelijkheids evangelie). Maar daarna ontdekte ik ook nog de biofysicus Harold Morowitz en de van origine Nederlandse paleontoloog Geerat Vermeij. Tenslotte is er nog de paleontoloog Simon Conway Morris.

(2) Harold Morowitz
(2) Harold Morowitz
"Harold Morowitz has long been a vigorous proponent of the view that life on earth emerged deterministically from the laws of chemistry and physics, and so believes it highly probable that life exists widely in the universe". (wikipedia)
Een ieder die serieus geïnteresseerd is in het thema toeval versus onvermijdelijkheid in evolutie, kan ik zijn publicaties:
  • 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution' (1999)
  • 'Energy flow and the organization of life' (2006)
aanbevelen (beide pdfs gratis te downloaden). Het eerste is pittig, en geeft een diepgravend overzicht over wat onvermijdelijkheid, determinisme in de biologie inhouden, en hoe hij denkt dat je de toevallige en onvermijdelijke eigenschappen van het leven kunt onderscheiden. Morowitz zegt dat het leven zowel onvermijdelijke als toevallige eigenschappen heeft. Zeer belangrijk om vooruitgang te boeken in de controverse. Het tweede artikel is iets korter (10 pag).
Morowitz heeft het (extreme?) standpunt dat het onvermijdelijk is dat het leven op aarde ontstond, en dat tenminste de eerste stappen hetzelfde zullen zijn op iedere vergelijkbare planeet en dat biofysici in staat zouden moeten zijn die eerste stappen logisch af te leiden uit de basisbeginselen van schei- en natuurkunde, samen met de begincondities van de aarde. Zijn vertrekpunt is dat er chemische energie aanwezig was op de vroege aarde, en het metabolisme van de eerste levensvormen te begrijpen is als een logische manier om die opgehoopte energie af te voeren. Dus niet: organismen 'zoeken' energiebronnen, maar energie kan goed afgevoerd worden door het metabolisme van levensvormen. Het eerste metabolisch systeem werd als het ware tot leven 'gedwongen'. Dat metabolisme is het kernmetabolisme of core metabolism dat in de loop van de evolutie hetzelfde is gebleven. Ondanks dat het totale metabolisme enorm is uitgebreid in de loop van de evolutie, is de kern nog steeds terug te vinden in het huidige leven. Dat core metabolism is universeel. [Dat zou dus ook op aarde-achtige planeten voor moeten komen!].

Morowitz' analyse zegt niet veel over morfologische evolutie en biodiversiteit. Hoe verder je komt in de loop van de evolutie, zegt hij, des te meer wordt de rol van het toeval groter ('frozen accidents') [3]. Zaken die anders hadden gekund.


(3) Geerat Vermeij
(3) Geerat Vermeij
©Lifeboat Foundation

Het bijzondere van Geerat Vermeij is dat hij geen fysicus of chemicus is, maar paleontoloog en toch plaatst hij kritische kanttekeningen bij 'historical contingency' [4]. Volgens Vermeij bestaat 'historical contingency' uit unieke evolutionaire uitvindigen. Maar er zijn maar weinig echt unieke uitvindingen. De meeste zogenaamde unieke uitvindingen zijn slechts schijnbaar uniek omdat ze significant langer geleden hebben plaatsgevonden (langer dan 500 miljoen of 1 miljard jaar geleden), waardoor veel fossiele informatie verloren is gegaan. We hebben dus incomplete data. Daardoor lijkt het alsof een evolutionaire uitvinding uniek is. Dit onderbouwt hij met uitgebreide data. Een belangrijke maar relatief onbekende bijdrage aan het debat toeval - noodzakelijkheid. Tenminste, ik kende deze publicatie nog niet.

(4) Simon Conway Morris
©Univ. Cambridge

(4) Simon Conway Morris
 
Simon Conway Morris werd vooral bekend door het boek: Life's Solution. Inevitable Humans in a Lonely Universe (2003) dat die zich expliciet richt tegen Gould's rerun the tape of life argument. Hij wijst er op dat convergentie veel vaker voor komt dan er in de officiële evolutie handboeken vermeld staat. Zijn boek documenteert dat een overvloed van voorbeelden. Daarom verdient het om apart gereviewed te worden. Voorbeelden: onafhankelijke ontwikkeling van visuele systemen, reuksystemen, echolocatie, intelligentie. Actief vliegen is onafhankelijk 'uitgevonden' bij vogels, insecten en vleermuizen. Simon Conway Morris wordt vooral vaak aangehaald door creationisten omdat hij de overheersende rol van het toeval in evolutie bestrijdt. Het 'toeval' wil dat Conway Morris christelijk is. Het laatste hoofdstuk heet: 'Towards a theology of evolution'. Jammer, want nu heeft men de neiging om zijn hele boek te zien als een poging zijn christelijk standpunt te onderbouwen. En daardoor lijkt het dat dit boek genegeerd wordt door de meerderheid van wetenschappers. Zo noemen bijvoorbeeld Bergstrom en Dugatkin in hun studieboek Evolution (2012) wel een ouder wetenschappelijk boek van hem, maar niet Life's Solution (te 'populair' om genoemd te worden? of bias?).

NB: er is nu een alternatief: George R. McGhee (2011) 'Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful'. (is ook paleontoloog) [11 jul 2014]


De vier wetenschappers Christian de Duve, Harold Morowitz, Geerat Vermeij en
Simon Conway Morris geven ieder op verschillende manieren tegenwicht tegen de standaardopvatting die zo vanzelfsprekend is dat het niet eens meer opvalt. Zelfs Carl Sagan in zijn klassieke bestseller Cosmos (1980) schrijft:

Carl Sagan: Cosmos,
paperback 2013

"Were the Earth to be started over again with all its physical features identical, it is extremely unlikely that anything closely resembling a human being would ever emerge. There is a powerful random character to the evolutionary proces. A cosmic ray striking a different gene, producing a different mutation, can have small consequences early but profound consequences late. Happenstance may play a powerful role in biology, as it does in history. ..." (p. 297 en verder, Cosmos, paperback uitgave 2013 )

Wie er gelijk heeft weet ik (nog) niet, maar dankzij deze vier wetenschappers ben ik er achter gekomen dat het standaardbeeld van de overheersende rol van het toeval in evolutie helemaal niet zo vanzelfsprekend is. Vanzelfsprekendheid is nooit goed. Kritiek is wel degelijk mogelijk. Er bestaat een alternatief dat onderzocht moet worden wil je een genuanceerd beeld vormen over de rol van toeval in evolutie.


Noten
  1. 'Toeval' zoals biologen dat begrip gebruiken! Fysici gebruiken 'toeval' in een andere betekenis. Dit verhaal gaat over biologie.
  2. Natuurlijk niet zoals het creationistisch misverstand over evolutie wil dat het leven door toeval ontstaat of dat genen, eiwitten of organismen door toeval ontstaan. Mutaties zijn toevallig en natuurlijke selectie is niet toeval.
  3. "At the core, the behavior tends to be governed by deterministic physical chemistry, and, as one moves out from the core, frozen accidents play an ever-increasing role in the historical unfolding of biology. As has been noted, biology stands between physics and history. "
  4. Geerat J. Vermeij (2006) 'Historical contingency and the purported uniqueness of evolutionary innovations', PNAS, 2006. (gratis)
  5. Jeroen Hopster Stephen Jay Gould: de evolutie van een iconoclast, ABG 97 (2013) (gratis) hier komt ook het beroemde Replaying the tape of life gedachten experiment aan bod.

03 juli 2014

How to Search for Life on Mars

The Martian Protein Detector
(see for original: ©Scientific American)
In my previous blog I discussed shortly universal characteristics of life as proposed by Christian de Duve. Precisely those characteristics are needed for designing a good test for detecting life on Mars. Recently, Christopher P. McKay and Victor Parro From NASA discussed How to Search for Life on Mars, in the Scientific American, June 2014. It is an interesting article. It is written by people actually involved in designing an instrument for detecting (microbial) life on Mars.

One obvious test for the presence of life, unsurprisingly, is DNA. However,
"One drawback of relying on DNA detection to reveal life on Mars is that although DNA is common to all life on Earth, it may not occur in alien life. Or, if it is present, it may be so different that DNA detectors built to find Earth biology will miss it". (my emphasis)
For that reason, they rejected DNA tests. Indeed, one cannot exclude alternative DNA, that is, DNA with a different structure, different bases or sugars [1,2]. Indeed, alternative DNA could exist on Mars. By the way, also, alternative amino acids, that is, other than the 20 amino acids on earth, could be used in proteins on Mars. The detection of amino acids on its own would not be a proof of life [3].

In stead of DNA testing, they opted for immunoassay testing "which is already in use for simultaneously detecting hundreds of different types of proteins, polysaccharides and other biomolecules (including DNA itself)".

This seems a reasonable thing to do, because complex molecules are highly unlikely produced abiotically [4], and so are certainly the most reliable proof of life we can think of.

Furthermore, "life on Earth is dominated by left-handed amino acids. If an experiment detects amino acids and finds a particular set that has a dominant left- or right-handed chirality, this would be compelling evidence for the presence of life."

The funny thing is, that the NASA researchers ended up by using methods already in use (on earth!) to detect complex terrestrial biomolecules. In other words: complex molecules characteristic for life on earth (including DNA itself)! How could they do otherwise? How could you detect alien life if you don't how to detect it?

Christian de Duve certainly would have agreed with that, since DNA and proteins (enzymes) are a universal feature of life (see my previous blog). And as far as I know, the NASA researchers do not attempt to sequence DNA or proteins. A specific DNA sequence would not be a universal characteristic of life.

For more details see the original article in the Scientific American.



Notes
  1. Molecular alternatives to DNA, RNA offer new insight into life's origins
  2. An Alternate DNA Structure
  3. http://cmex.ihmc.us/data/frontpg/missions/samret/Bada/BadaAbs.htm 
  4. "The equilibrium sytems are dominated by small molecules such as CO2, H2O, N2, NH3, and so on." H.J. Morowitz  ‎(1999)

01 juli 2014

Universal features of life according to Christian de Duve

In his Singularities: Landmarks on the Pathways of Life (2005) Nobel Prize winner Christian de Duve points out what he thinks are universal chemical features of life (p. 160):

"The deterministic view suggested by our analysis supports such a possibility, as it encompasses most of the key chemical features of life [1], including
  • membranes
  • bioenergetic couplings (at least at the substrate-level kind)
  • DNA genes
  • RNA mediators of gene expression
  • information transfers via base pairing
  • RNA-dependent protein synthesis
  • the universal genetic code
  • as well as a number of enzymes, coenzymes, ribozymes
To the extent that those features arose by a combination of deterministic chemistry and selective optimization, they were essentially bound to arise under the conditions that surrounded their birth and would similarly arise should these conditions be duplicated. Almost the only key feature that may have been decided by chance is chirality, although even here, there may have been some bias. (...) 
Furthermore, the message of cosmic chemistry should not go unheeded. When looking at a list of the compounds detected in outer space or in meteorites and other celestial objects, one is struck by the number of substances that are utilized by life. This can be hardly a meaningless coincidence." (p. 160).

If these are the universal characteristics of life, what are non-universal characteristics? These are specific sequences of DNA, RNA and proteins. For example, a base C at the 10th position of a gene, or a Leucine amino acid at the 133th position of a protein are a non-universal characteristics. I suppose, De Duve would agree that these are historical contingencies [2].

My conclusion: it follows from de Duve's list that things like left-handed amino acids, introns, the eukaryotic cel (with mitochondrion(-DNA), chloroplast(-DNA), eukaryotic chromosome) and the Tree of Life (with three domains eukaryotes, archaeans, and bacteria) are not universal features of life. That is: they are not expected on other planets harboring life. [conclusion added 3 Jul 2014]

Of course, the universal features of life are relevant for detecting life on Mars. A next blog will discuss that topic. 

Notes
  1. The Major Metabolic Pathways are potentially a universal feature of life. The enzymatic control of metabolic pathways is probably species-specific, certainly the DNA sequences of the enzymes are. [GK]
  2. Harold J. Morowitz "has long been a vigorous proponent of the view that life on earth emerged deterministically from the laws of chemistry and physics". See: 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution', Complexity Volume 4, Issue 6, pages 39–53, July/August 1999:
    "To provide a framework for distinguishing historical aspects of biology from the more deterministic ones consider the following abstraction: an ensemble of earths, a very large collection of identical planets in macroscopically identical solar systems 4.0 billion years ago before there were biological entities. Each of these earths will unfold in time and will have features that may be compared. There will be common properties that belong to the deterministic, domain, and distinctive features that are historical in nature." [added: 5 July 2014]