Nieuws

2 dec 16 dwdd university Robbert Dijkgraaf zeer boeiend college: terugzien!
21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc
6 nov 16: The Origami Code. NPO 2 Zondag 6 nov 2016 19:15. Kijk de aflevering hier terug. Is zeer de moeite waard!

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

05 december 2011

Evolutionaire transities en het ontstaan van leven

gastbijdrage HENNY VAN DER MEER

In een eerder op deze blog verschenen Engelstalig betoog heeft de auteur gepleit voor een uitbreiding van de evolutionaire transities op aarde met de kosmische faseovergangen (emergent transitions in cosmic evolution). Hieronder wordt in het Nederlands nogmaals ingegaan op die transities alsmede op verschillende benaderingen waarmee dergelijke transities zouden kunnen worden begrepen. Een uitgebreidere Engelstalige versie met volop referenties is binnenkort te vinden op www.vision-in-cichlids.com.


Dank zij wiskundige modellen, astrofysische waarnemingen en subatomaire experimenten met deeltjesversnellers hebben we misschien wel een paar goede ideeën over de samenstelling en oorsprong van het heelal. Niettemin is onze kennis over de kosmos beperkt. We geloven dat alles uit dezelfde materie bestaat en dat de natuurkundige wetten overal en altijd gelden. Daarom zijn we er ook van overtuigd dat alles hier op aarde net zo goed op een andere planeet kan voorkomen, mits de omstandigheden (temperatuur, zwaartekracht, aanwezige stoffen) gelijk zijn. Zelfs onder geheel andere omstandigheden zouden dezelfde universele wetten moeten gelden. Die wetten hebben ook betrekking op de evolutionaire transities.

1995

2011

Het zal menige bioloog al eerder zijn opgevallen dat er tijdens de evolutie opmerkelijke sprongen in de ontwikkeling van het leven hebben plaatsgevonden, maar het was pas in de jaren negentig van de vorige eeuw dat dit beperkte aantal ontwikkelingssprongen de nodige wetenschappelijke aandacht kreeg door een aantal publicaties over major transitions1 (helaas alleen in het Engels). Deze biologische transities lijken opvallend veel op de faseovergangen kort na de oerknal. Daardoor lijkt het of alles in het heelal op hiërarchische wijze is geordend, van elementaire deeltjes tot en met intelligente netwerken.

De biologische transities worden gekenmerkt door de volgende drie punten:
  1. wezens die zich onafhankelijk konden vermeerderen deden dat na de transitie alleen nog in groepsverband (bv. endosymbiose)
  2. met de verdeling van taken wordt het prestatievermogen verhoogd (bv. cel-differentiatie)
  3. elke transitie gaat gepaard met een plotselinge toename van informatie overdracht (bv. het ontstaan van de genetische code)
Deze evolutionaire transities hangen samen met de hiërarchische ontwikkeling van het leven op aarde, vanaf de eerste moleculaire replicatie tot en met de ontwikkeling van de menselijke taal en kunstmatige neuronale netwerken in de toekomst.

De fundamentele faseovergangen na de oerknal weerspiegelen de hiërarchische opbouw van de materie, van quarks via protonen en neutronen tot atomen van lichte elementen als waterstof en helium. Na de levensloop van vele miljarden sterren ontstond er steeds meer galactisch stof van zwaardere elementen en de verschillende atomen vormden moleculen die samenklonterden tot planeten.

De moleculaire wereld op aarde werd al spoedig na haar ontstaan gedomineerd door vloeibaar water (desnoods in de vorm van zwevende druppeltjes). Een medium waarbinnen zeer uiteenlopende fysische en chemische processen konden plaatsvinden die de overgang naar wezens met levenskenmerken konden bewerkstelligen (abiogenese). Het gaat daarbij om de combinatie van een aantal auto-katalytische systemen: energie opwekken door stofwisseling, een mal om een replica te kunnen vormen en een omhulsel om homeostase mogelijk te maken. Over hoe een dergelijke combinatie precies heeft plaats gevonden, zijn de onderzoekers het nog niet eens.

Eén van de problemen met abiogenese is dat levende wezens worden opgevat als (open) systemen die een hogere mate van orde ten opzichte van hun omgeving in stand houden. Volgens de 2e Hoofdwet (thermodynamica) kan dat alleen als elders de entropie (mate van wanorde) toeneemt. Door open systemen stroomt voortdurend energie en materie waarbij de gevormde entropie uit het systeem wordt verdreven (dissipatie) om de interne organisatie te verbeteren. Dit kan onder meer doordat de instromende energie (zonlicht) een lagere entropie heeft dan de afgegeven warmte. Uit recent onderzoek blijkt dat ook bij de wisselwerking van moleculen in een waterige oplossing zowel entropie als orde in die oplossing kan toenemen2. Of dit zal bijdragen tot een beter begrip van de abiogenese moet nog blijken, maar dergelijke concentratie afhankelijke interacties tussen organische moleculen zouden wel eens een belangrijke rol gespeeld kunnen hebben bij het ontstaan van leven.

De meeste hedendaagse astrofysici huldigen het holografisch principe waarmee het heelal wordt opgevat als een stapel tweedimensionale lagen met elk een maximaal toelaatbare hoeveelheid entropie. Telkens als de bovengrens wordt bereikt vindt transitie plaats naar de volgende laag. Volgens dit model zou dus ook de overgang van een levenloos molecuul naar een levend organisme samenhangen met het bereiken van het organisatieniveau dat kenmerkend is voor leven. En dat zou tevens overeenstemmen met de maximaal toelaatbare entropie van de betreffende laag. Dergelijke abstracte, overwegend op wiskundige modellen gebaseerde verbindingen tussen leven en niet-leven worden ook beschreven door theorieën over fluctuerende kwantum golven in een vacuüm-zee. Zij behandelen nauwelijks toegankelijke materie voor niet-ingewijden, waartoe ik ook mijzelf reken3.



Veel moderne onderzoekers menen dat de hiërarchische structuur van de kosmos en de evolutionaire ontwikkelingen op aarde het best zijn te beschrijven met behulp van de complexiteitstheorie. Zij gaan ervan uit dat elk ontwikkelingsniveau kan worden opgevat als een interactie tussen de componenten die zowel vanuit henzelf (van binnen uit; reductionistisch) als vanuit de emergente eigenschappen die ze opwekken (vanuit het grote geheel; holistisch) wordt aangestuurd. De zelforganisatie die er het gevolg van is, werd aanvankelijk vooral gebruikt om evolutionaire processen te begrijpen en voorspellingen te doen over kunstmatig leven. Thans kennen complexe systemen ook een algemenere toepassing en gaat de aandacht in het bijzonder uit naar de eenwording en afsluiting van zo’n systeem4.

Met de reductionistische analyse van het heelal heeft men de hiërarchische opbouw van de materie en de daarmee samenhangende krachten in kaart gebracht. Sommige onderzoekers in de kwantum chromodynamica menen nu dat alles is terug te voeren op de sterke kernkracht want als de onderlinge afstand tussen quarks groter wordt neemt hun aantrekkingskracht ook toe. Dit resulteert in de residukracht die de positief geladen protonen bijeen houdt en mogelijk, in geringe mate, in nog meer. In elk geval bestaat er nog geen algemeen aanvaarde theorie voor de samenhang tussen de sterke kernkracht en de veel zwakkere zwaartekracht5.

Reductionistische benaderingen, in welke vorm dan ook, maken altijd deel uit van complexe systemen, maar holistische opvattingen winnen steeds meer terrein. Emergente eigenschappen die enerzijds zijn terug te voeren tot de wisselwerking tussen kleinere bouwstenen, worden, mogelijk onder invloed van toenemende spiritualiteit, steeds vaker toegeschreven aan het grotere geheel. Een dergelijke holistische benadering kan zelfs wortelen in de relativiteitstheorie. De beroemde formule E=mc2 is eigenlijk afgeleid van een vierkantswortel, ongeveer als E=(m2c4)1/2 en elke middelbare scholier weet dat die vergelijking een positieve én een negatieve oplossing heeft. De negatieve uitkomst werd echter verworpen als zijnde absurd omdat die suggereert dat de tijd ook in tegengestelde richting kan lopen: een oorzaak zou in de toekomst kunnen liggen. Sommige onderzoekers in de kwantum elektrodynamica waren wel gecharmeerd van deze tijd-symmetrie en promootten wat thans bekend staat als retrocausaliteit. Het effect van retrocausaliteit of syntropie is op te vatten als het effect van een toekomstige attractor die geleidelijk alles naar een hoger plan van organisatie trekt6. Een dergelijke holistische benadering kan ook deel uitmaken van complexe systemen. Het valt niet uit te sluiten dat in de nabije toekomst verschillende combinaties van genoemde benaderingen zullen worden gepresenteerd als het ultimate antwoord op de vraag over Life, the Universe and Everything7.


  1. Recente publicaties over dit onderwerp zijn onder meer: The Major Transitions in Evolution Revisited van Brett Calcott & Kim Sterelny (2011); Darwinian Dynamics: Evolutionary Transitions in Fitness and Individuality van Richard Michod (2011); ‘Rapid transition towards the division of labor via evolution of developmental plasticity’ door Sergey Gavrilets in PLoS Comput Biol 6 (2010): http://www.ploscompbiol.org/article/info:doi/10.1371/journal.pcbi.1000805 en ‘Local interaction, multilevel selection, and evolutionary transitions’ door Peter Godfrey-Smith in Biological Theory 1: 372-380 (2006): http://petergodfreysmith.com/PGS-LocalInteraction-BioTy06.pdf.
  2. Onder invloed van kleine kunststof bolletjes worden grotere bolletjes gedwongen tot een meer georganiseerde rangschikking. Deze toename van orde onder invloed van toenemende entropie (de kleine bolletjes verdelen zich homogeen over de ruimte) werd voor het eerst beschreven in ‘The gentle force of entropy’ door W.A. Adamson in Science 5364: 655. Dit verschijnsel wordt thans veelvuldig onderzocht met betrekking tot de wisselwerking tussen polymeren met verschillende vorm. Zie bv. ‘Shapes and coiling of mixed phospholipid vesicles’ door Parades-Quijada, G., H. Aranda-Espinoza & A. Maldonado (2009) in Lipids 44: 283-289; ‘Concentration distributions during flow of confined flowing polymer’ door Hernandez-Ortiz, J.P., H. Ma, J.J. de Pablo & M.D. Graham (2008) in Kor.-Aust. Rheo. J. 20: 143-152;  Block Copolymers in Solution: Fundamentals and Applications van I. Hamley (2005); ‘Entropic recoil separation of long DNA molecules’ door Cabodi, M., S.W.P. Turner & H.G. Craighead (2002) in Anal. Chem. 74: 5169-5174.
  3. Een zeer toegankelijk stukje over het holografisch beginsel, is op internet te vinden: http://www.kowalczyk.nl/user/image/holografie.pdf. Eveneens heel toegankelijk is 'De Ontrafeling van de Kosmos' van Brian Green die in hoofdstuk 16 uitleg geeft over het onderwerp. Voor de liefhebbers is er een hoofdstuk over Ether Vibraties op internet: http://www.soulsofdistortion.nl/dutch/SODA_chapter6.html.
  4. Roger Lewin schreef in 1993 een boeiend boek over de opkomst van de complexiteitstheorie: Complexiteit: Het Grensgebied van de Chaos. Een Nederlandstalige on-line cursus (2008-2009) van Francis Heylighen over complexiteit en evolutie is te vinden op http://pespmc1.vub.ac.be/CLEA/CompEvCursus.pdf. Een interessant boekje over complexiteit en evolutie is Eieren, Straalmotoren en Paddestoelen van Stuart Kauffman (1996).
  5. Een aardig boekje over elementaire deeltjes en de kwantumwereld is De Bouwstenen van de Schepping. Een Zoektocht naar het Allerkleinste van Gerard ’t Hooft (2002) dat ook op internet is te vinden: http://www.dbnl.org/tekst/hoof031bouw01_01/downloads.php. Met behulp van de snaartheorie wordt naarstig gezocht naar de mogelijkheid om de zwaartekracht met de kernkrachten te verbinden. Een Nederlandstalig boek over supersnaren is Snaren en de Snaartheorie van Marcel Vonk (2010). Helaas alleen nog in het Engels: The Cosmic Landscape. String Theory and the Illusion of Intelligent Design van Leonard Susskind (2006).
  6. Over syntropie is vooral veel Engelstalige literatuur afkomstig uit Italië, bv. Syntropy and Entropy in Self-Organized Systems van Mario Ludovico (2006): http://www.mario-ludovico.com/pdf/syntropy.pdf.
  7. Derde deel van het hilarische Transgalactisch Liftershandboek van Douglas Adams (1982).

10 opmerkingen:

gert korthof zei

Dank je Henny voor je bijdrage. De hierarchische structuur van het leven is zeer belangrijk: molecuul -cel - organisme - groep.
Iedere niet-bioloog moet daar van doordrongen zijn.
Ook fysische ssytemen zijn hierarchisch opgebouwd zoals je beschrijft. Dat kan ik me nog wel voorstellen, maar veel van de fysische literatuur die je noemt ken ik niet, daar kan ik geen commentaar op geven. Misschien fysici onder de lezers?

Wel zie ik zeer belangrijke evolutionaire gevolgen van de hierarchische structuur van het leven: natuurlijke selectie werkt op verschillende niveaus of te wel: multi-level selection: gen - cel - organisme - groep. Dit is een breed onderwerp waar zeer veel over te zeggen is!

Er is een kleine passage die je wat mij betreft nader mag toelichten: "mogelijk onder invloed van toenemende spiritualiteit"

harry pinxteren zei

@ gert

Het klassieke artikel van P. W. Anderson 'more is different' uit 1972 geeft een paar voorbeelden voor niet-ingewijden, plus nog een paar andere aardige gedachten en, niet te vergeten, een geweldige samenvatting.

http://www.jstor.org/stable/1734697

Henny van der Meer zei

Uit mijn eigen omgeving, via contacten met leerlingen en hun ouders, alsmede uit de ontelbare boodschappen op internet, leid ik af dat de talloze levensvragen vooral in een esotherische context worden beantwoord. Een voorbeeld is de quantum biologie. Er zal ongetwijfeld een kern van waarheid in schuilen, maar de afgeleide medische therapieën en zogenaamde geneesmiddelen zijn niets anders dan ordinaire geldklopperij ten koste van goedgelovigen die zich hebben laten misleiden door het wetenschappelijk jargon. En het laat niemand ongemoeid. Zelfs de meest kritische denkers worden aan het twijfelen gezet.
Voor alle duidelijkheid, ik bedoel met toenemende spiritualiteit dus niet de groei van de EO of de invloed van orthodoxe moslims en joden.

Rob van der Vlugt zei

Een niet te versmaden boek over complexe adaptieve systemen is 'The Quark & the Jaguar' van Murray Gell-Mann.
Of toenemende spiritualiteit veel zal bijdragen aan een werkelijk begrip van het universum blijft de vraag. Het wachten is vooralsnog op de eerste tekenen.

Lucas Blijdschap zei

Ik zou dr. Van der Meer een compliment willen maken voor zijn heldere schrijfstijl en het toegankelijk maken van de materie voor een leek als ik. (Daar waar ik het niet begrijp is dat zelfs toegestaan.) Zo een eerlijke bijdrage vrij van enig cynisme is een welkome verademing op dit blog. Bedankt, ook voor alle verwijzingen waarmee ik nog maanden kan zoet zijn.

nand braam zei

@ Henny

Bedankt voor het interessante artikel.

Teilhard de Chardin gaat uit van drie grote sprongen in de evolutie: kosmogenese (het ontstaan van het heelal) , biogenese (sprongmutatie van levenloze tot levende stof) en noögenese (sprongmutatie naar zelfbewustzijn).

John-Maynard-Smith kennelijk van zeven:

http://www.wetenschap24.nl/nieuws/artikelen/2004/april/John-Maynard-Smith-1920-2004.html

Wat is uw positie op dit gebied? Kunt u de grote sprongen in het geheel van de evolutie die u onderkent, kort kernachtig formuleren? Bij voorbaat dank.

Henk Rijkers zei

Inderdaad een compliment waard. Als dit al geen Intelligent Design is (intelligente zelforganisatie van de materie gaat immers ook uit een van intelligent beginsel al verklaringsgrond), is het er toch 100 procent compatibel mee.

Henny van der Meer zei

Dank voor de complimenten. Ik ben blij dat mijn Nederlands duidelijker overkomt dan mijn Engels. Voor alle duidelijkheid, ik ben allergisch voor creationisme en Intelligent Design (ID). In dit verband verwijs ik graag naar de lezing van Jan Michl die hij in 2006 in Delft hield over de beroemde metafoor van de horlogemaker van Paley (vrij vertaald): "Paley probeert voor ons te verbergen dat het beroep en vakmanschap van de horlogemaker een lange geschiedenis kent: dat de horlogemaker ooit het vak is onderwezen door anderen, dat hij, om het horloge te kunnen maken, afhankelijk was van anderen, bijvoorbeeld om bepaalde onderdelen te maken, dat zowel het horloge als het beroep van horlogemaker een eigen geschiedenis kennen, dat eerdere horloges anders waren dan die uit Paley's tijd, dat er nog eerder helemaal geen horloges bestonden, alleen uurwerken, en dat nog verder terug in de tijd die er zelfs niet waren. Door deze bedekte ontkenning van de historische achtergrond van zowel het horloge als van de horlogemaker, namelijk door ze samen in een tijdloos kader te plaatsen, wekt Paley de indruk, net als 200 jaar later de aanhangers van zijn ID, dat de complexiteit, mechanica en functionaliteit van het horloge niets anders is dan een op zich zelf staande, niet te verbeteren schepping die opeens, als uit het niets, uit het hoofd van de horlogemaker tevoorschijn kwam".
'Het Verschijnsel Mens' van Teilhard de Chardin heb ik ooit op de middelbare school gelezen maar heeft geen bewuste indruk achter gelaten. Ik vind vooralsnog zijn sprongen te groot om de totale evolutie beter te begrijpen (dat bezwaar heb ik ook tegen de Operator Hierarchy), maar dat wil niet zeggen dat de achterliggende gedachte onjuist is. Ik ben er alleen nog niet rijp voor. De 7 major transitions (Maynard-Smith) beperken zich tot de biologische evolutie. Deze veel fijnmaziger visie levert al zoveel wetenschappelijk commentaar op dat een reductie van het aantal 'grote sprongen' te weinig verklaringskracht heeft om aan te slaan.

Henk Rijkers zei

Allergie is een afwijking, waarvoor je je moet laten behandelen en geen wetenschappelijk categorie waarmee je een argument kunt afwijzen of valideren. Het citaat van Michl gaat op karakteristieke wijze voorbij aan de werkelijke intentie van Paley. Die wilde immers levende wezens helemaal niet gelijk stellen aan horloges of andere artefacten, noch was het een argument voor of tegen evolutie. Hij wilde er alleen maar de aandacht op vestigen dat een uurwerk midden in de natuur zijn ontworpen-zijn onmiddellijk verraadt. Vervolgens vraagt Paley zich af of het leven dat zelf ook niet doet. Het is een vraag die zich nu met het oog op het duizelingwekkende vernuft van de cel opnieuw met verduizendvoudigde aandrang stelt en blijft stellen. Het is ook een vraag die op zich niets aan de evolutie afdoet, maar wel aan het mechanisme dat eraan wordt verondersteld ten grondslag te liggen. Net als uw betoog.

Henny van der Meer zei

De term 'allergie' was natuurlijk overdrachtelijk bedoeld. Dat men zich voor een afwijking moet laten behandelen suggereert een afwijzing van deviaties bij minderheden en daarmee van evolutie in het algemeen. Dat zal niet de bedoeling zijn. Interessant is ook de suggestie dat mijn betoog evolutionaire mechanismen ter discussie stelt. Dat is niet helemaal juist. Ik twijfel niet aan natuurlijke selectie en endosymbiose. Ik twijfel evenmin (net als Henk Rijkers) aan kosmische evolutie. Ik snap alleen niet waarom daar dan weer ID als verklarend mechanisme aan moet worden toegevoegd omdat het m.i. niets verklaart.