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


*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

06 oktober 2014

What is Life? Addy Pross. Boek bespreking.

postscript 8 okt
Addy Pross: What is Life?
De theoretisch chemicus Addy Pross heeft een geslaagd en intrigerend boek geschreven over de What is Life? vraag. Fundamentele principes staan centraal en chemische details zijn afwezig. De paperback is april 2014 verschenen. Ik heb met volle tevredenheid de Kobobooks ebook versie gebruikt. Vooral de zoekfunctie is een enorme bonus.

70 jaar geleden hield de beroemde fysicus Erwin Schrodinger een beroemd geworden lezing What is Life? Addy Pross heeft het probleem opnieuw aangepakt met de kennis van nu. En met zijn originele kijk op de zaak. Het is een boek dat ik afgelopen zomer gelezen en herlezen en samengevat heb, omdat de onderwerpen Wat is leven? Hoe is het ontstaan? Kun je leven maken? ontzettend spannend is en mij al jaren bezighouden.
Drie onderling verbonden vragen. Met What is Life? bedoelt Pross
 niet zozeer een definitie, maar een aantal opvallende eigenschappen van het leven
gebaseerd op een achterliggende theorie.

Het boek is bovendien een bijzonder goed voorbeeld van hoe je wetenschap uit kunt leggen aan geinteresseerde leken. Vaak gebruikt hij goed gekozen metaforen om technische zaken uit te leggen. Hoewel chemie centraal staat, komen er geen chemische formules in voor die moeilijker zijn dan H2O en wordt je niet bedolven worden onder chemische namen. Zelfs de overbekende bases in DNA (Adenine, Cytosine,..) worden uitsluitend met hun afkortingen A,T,C,G,U aangeduid. 

Ik vond het boek zo belangrijk dat ik een review voor mijn WDW website heb geschreven. Het is alweer een tijd geleden dat ik een boek zo belangrijk vond dat ik de moeite nam om een review te schrijven. Dat review (in het Engels) geeft een samenvatting en kritiek. Dat ga ik hier niet herhalen. Hier volsta ik met waarom ik het boek zo belangrijk vind. Addy Pross heeft de draft versie van mijn review gelezen, en hij heeft er zeer positief op gereageerd. Hij vond het review 'thoughtful', 'clear and incisive', 'pertinent and requiring some response'. Absoluut een beloning voor mijn moeite dat de auteur van een boek wil reageren!

Waarom ik het boek zo nuttig vind

Het aardige is dat Pross niet schuwt om wetenschappelijke publicaties naar het ontstaan van het leven te kritiseren. Hij doet dat op basis van zijn onderscheid 'historisch' versus 'ahistorisch' onderzoek. Voor mij was dat een nieuw en belangrijk onderscheid. (Achteraf weet je natuurlijk alles). 

Het historische onderzoek heeft de ambitie de precieze omstandigheden bij het ontstaan van het leven te reconstrueren. En welke opeenvolgende stappen er geweest moeten zijn. Het probleem met dit soort onderzoek is dat het nooit bewezen of weerlegd kan worden. Het kan er zéér plausibel uitzien, maar niemand kan weerleggen dat het zo gebeurd is. Want dit soort historie is niet toegankelijk omdat het geen fossielen heeft nagelaten. Het is nl. allemaal 'softe chemie'. Bovendien zijn er tegenstrijdige scenario's voorgesteld: de ene in de diepzee en de andere aan klei-oppervlaktes. Het verschil kan niet groter zijn, zegt Pross. Die kunnen niet tegelijk waar zijn. Daar zit dus een fundamenteel probleem. Maar dat lees je niet in de publicaties zelf. Ik vond dit één van de meest waardevolle inzichten in het boek. Voor mij dan.

Het 'ahistorische' betekent het onderzoeken van chemische reacties in het lab die mogelijk kunnen leiden tot levensvormen. Dit heeft meer kansen van slagen vindt Pross. Je hebt hier te maken met eeuwig geldende natuurwetten die ook 3,5 miljard jaar geleden gegolden hebben. Beroemde voorbeelden zijn de experimenten van Spiegelman, Joyce en von Kiedrowski met RNA. Je gaat dit soort publicaties met andere ogen bekijken.

hydrothermale bronnen scenario

Het historisch/ahistorisch onderscheid kun je profijtelijk toepassen op de recente publicatie van Nick Lane over naar ionenpompen in hydrothermale diepzee bronnen [1]. Is dit onderzoek historisch of ahistorisch? of beide? Onmiskenbaar zijn hydrothermale bronnen een hypothese over het ontstaan van het leven. Dus historisch. Dus: niet verifieerbaar? Vragen dringen zich op: zijn er aanwijzingen dat deze bronnen 3 - 4 miljard jaar geleden op aarde bestonden? Is dit vraagstuk überhaupt empirisch toegankelijk? Is er enige zekerheid over te verkrijgen? Zijn de modellen van Nick Lane te weerleggen met empirische informatie? 
Wat betreft de ahistorische aspecten: zijn ionenpompen misschien een universele wetmatigheid? Zo ja, dan zou je die chemische wetmatigheden in principe in het laboratorium kunnen onderzoeken. Dan is het een weerlegbare hypothese.
Of kun je ze op de zeebodem ter plekke te onderzoeken? (zal wel erg lastig zijn!).
Het nuttige van Pross is dat je zonder zijn boek dit soort cruciale, fundamentele vragen niet gauw gesteld zou hebben. De auteurs van dat soort artikelen doen het ook niet. Beste auteurs: waar zijn jullie mee bezig: historisch of ahistorisch onderzoek? :-)

Wat is de drijvende kracht?
 
Een enorm belangrijke vraag van Pross, misschien wel de belangrijkste van het hele boek, en van het hele vakgebied 'Origin of Life': wat drijft chemische systemen zich te ontwikkelen tot levende systemen? Waarom worden ze complexer? Welke fysische of chemische kracht drijft bepaalde chemische systemen zich te ontwikkelen van simpel naar complex? Nota bene tegen de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica in. Tegen de tendens in van degradatie, simplificatie, chemische inertheid, dood. Als je deze vragen niet stelt, ben je bezig met toe redeneren naar het bekende eindresultaat, de levende cel. Je moet de vraag oplossen waarom eenvoudige systemen uit zichzelf complexer worden. Die vraag wordt volgens Pross in het vakgebied niet voldoende serieus genomen. Het is de sleutel tot het begrijpen van het ontstaan van leven. Voor mij was het een opsteker. Daarom vind ik het boek belangrijk.

Er zijn meer belangrijke inzichten uit zijn boek te halen. Pross zegt nog een aantal pittige zaken over evolutie en biologie in het algemeen. 

Conclusie: ik heb blijvende inzichten ontleend aan Pross' boek. Dat zal het mogelijk maken bestaande en toekomstige publicaties over de Origin of Life kritischer te lezen. Dat is de grote verdienste van Pross.

Noten
  1. Nick Lane et al A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria PLOS 2014. Dit is het artikel waar Marleen over geblogd heeft: De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven, Op Zoek naar De Klepel, augustus 13, 2014 
Het complete review van Addy Pross What is Life? op mijn WDW website.

Vorige blogs over dit onderwerp:
Een nieuwe definitie voor 'leven' 15 juli 2014.

Postscript 8 okt 2014

Nog een aardig artikel om te analyseren met behulp van Pross' onderscheid historisch/ahistorisch: Early bioenergetic evolution,  10 June 2013 (getipt door Gerdien op blog Rene).
Merk op dat het artikel nota bene begint met een (impliciete) definitie van 'leven':
Life is the harnessing of chemical energy in such a way that the energy-harnessing device makes a copy of itself. Let op: het woord 'cell' komt er niet in voor (in overeenstemming met Pross).  Let op: a copy of itself komt overeen met 'replicative chemistry'.
Dit is duidelijk historisch: "Many settings have been proposed as the site for the chemical synthesis for life's building blocks" en zou dus oncontroleerbaar moeten zijn volgens Pross. Idem historisch: oceans or ponds of organic soup, organics delivered from space.

Het creëren van building blocks is duidelijk een fase vóór replicative chemistry: "Many settings have been proposed as the site for the chemical synthesis for life's building blocks" omdat building blocks zichzelf niet kunnen repliceren. Dan gelden in die fase ook andere chemische principes. Ik weet niet of Pross daar aandacht aan besteedt. Het creeren van building blocks is ahistorisch, omdat het in het lab nagebootst kan worden, en de 'settings' is vnl historisch.
Het wordt aan de lezer overgelaten om de rest van het artikel te analyseren mbv Pross.



15 opmerkingen:

Lucas Blijdschap zei

Dag Gert, Het zijn machtig interessante vragen die jij in de laatste alinea benadrukt. Stel dat we de antwoorden erop vinden, welke implicaties zou dat hebben? Een nieuwe big bang? Godgelijk worden en inzicht krijgen in Zijn trukendoos, dat moet toch gevolgen hebben. Is dat gewoon iets dat je kunt uitpluizen en naspelen? Of is dan het hek van de Dam en het eind zoek? Als de mens leert scheppen is er dan hoop of is dan juist alle hoop verloren? Is er een moment dat je zou stoppen?

gert korthof zei

Hallo Lucas, als ik je goed begrijp, maak je je een beetje zorgen dat wetenschappers te ver gaan of willen gaan in het ontcijferen van 'het geheim van het leven'. Grappig genoeg, werd de eerste stap gezet door de monnik G. Mendel, door de wetten van de erfelijkheid te ontdekken. Hij wist toen natuurlijk niet wat hij in gang gezet had. Het leidde uiteindelijk tot de ontdekking van DNA in 1953: Watson en Crick noemen dat: "We have found the secret of life". En dat was het ook wat mij betreft. Ondertussen heeft Craig Venter de eerste stap gezet naar synthetisch leven: volledig in het lab gesynthetiseerd DNA in een 'lege' bacterie cel geimplanteerd, en het beestje kwam tot leven. Zoals je ziet, zijn de eerste stappen naar de synthese van leven al gezet. Zoals je weet wordt er al decennia gesleuteld aan DNA, dat is ook niet nieuw.

LB: "Als de mens leert scheppen is er dan hoop of is dan juist alle hoop verloren?"
Ik zou zeggen: hoop. Denk aan ebola, een besmettelijker en dodelijker ziekte bestaat er op dit moment niet. Dat er nu al een experimenteel medicijn is, hebben we te danken aan die wetenschappers die 'sleutelen aan DNA'.

LB: "Is er een moment dat je zou stoppen?"
Ik weet het niet. We zijn nog niet klaar. Kanker moet nog opgelost worden.

Marleen zei

Gert,

Het is inderdaad interessant het onderscheid te maken tussen historisch en ahistorisch onderzoek. Het historisch onderzoek zal volgens Pross nooit kunnen aantonen hoe het leven werkelijk ontstaan is. Maar het onderzoek naar synthetisch leven evenmin*. Althans, ik denk niet dat dat laatste mogelijk is, tenzij je als onderzoeker genoegen neemt met de eerste stappen – van eenvoudige moleculen tot macromoleculen. Maar als je wilt proberen te verklaren, of beter afschilderen, zoals Lane doet, hoe de ionenpompen hebben kunnen ontstaan, dan zul je met synthetische biochemie niet ver komen. Waarschijnlijk zullen zowel historisch als ahistorisch onderzoek het probleem samen moeten onderzoeken.

Mooi blog en de review van 'What is life?' is ook erg goed en duidelijk. Ik heb het boek meteen gekocht, want hoofdstuk 4 wil ik wel erg graag lezen.

Ook mooi is de opmerking dat voor de definitie van leven je ook moet weten hoe het ontstaan is. Ik ben het dan ook helemaal eens met Pross in zijn e-mail die je ontving, dat de ontwikkeling van het membraan slechts een etappe is in het ontstaan van leven en dat het zeker niet tekenend is voor leven.

*Misschien ten overvloede: Craig Venter synthetiseerde het bacterie-DNA inderdaad in het lab, maar het was wel een exacte kopie, behalve enkele codes die de namen van zijn team representeerden, van dat DNA. Hij zette daarmee hetzelfde DNA terug in de bacterie. Hoewel het van grote betekenis is, is het niet echt verwonderend dat deze bacterie blijft leven.

Veel dank voor het citeren van mijn blog.

gert korthof zei

Marleen zei: "Veel dank voor het citeren van mijn blog."
Ja, graag gedaan, jouw blog zat nog vers in het geheugen en was een ideaal onderzoek om de inzichten van Pross op toe te passen...

Marleen zei "hoe de ionenpompen hebben kunnen ontstaan, dan zul je met synthetische biochemie niet ver komen."
Maar Nick Lane heeft toch een zeer gedetailleerde beschrijving gegeven van de betrokken moleculen en de omstandigheden? Misschien kan hij het zelf niet, maar er zullen toch topchemici zijn die dat wel kunnen? Ik denk aan Nobel prijs winnaar Jack Szostak. Hij heeft celen gemaakt. (zie panda: New Szostak protocell is closest approximation to origin of life and Darwinian evolution so far).

Marleen: " Ik ben het dan ook helemaal eens met Pross in zijn e-mail die je ontving, dat de ontwikkeling van het membraan slechts een etappe is in het ontstaan van leven en dat het zeker niet tekenend is voor leven."
Dat het een fase is in het ontstaan van leven, daar kan ik nog wel met enige moeite inkomen, hoewel hij er dus geen aandacht aan besteedt heeft in zijn boek, maar Pross zelf zegt op een onbewaakt moment: " Yes, we now know that all life is cell based!"
Zijn positie is wel coherent, maar wel erg abstract. Hij geeft geen details. Het kan zijn dat hij die wel heeft, maar de lezer er niet mee gaat vermoeien.

Craig Venter: hij liet het DNA in opdracht synthetiseren bij een commericeel bedrijf. Maar het klaar maken en terugzetten was een hels karwei dat hen tot wanhoop dreef. Er bleek 1 base verkeerd te zijn waardoor het hele genoom niet werkte! Dat heeft hen maanden extra werk gekost. Zie zijn boek: LIFE AT THE SPEED OF LIGHT. daar heeft hij verslag gedaan wat er zich achter de schermen allemaal afgespeeld heeft.

Nu, ik ben benieuwd op welke punten je het wel en niet eens bent met Pross als je het boek gelezen hebt...

Lucas Blijdschap zei

Gert ik begrijp uit jouw antwoord op mijn reactie dat het doel van het wetenschappelijk onderzoek naar de oorsprong van leven, voor jou geheel in de ziektebestrijding ligt, ziektes uitbannen, misschien ook levens verlengen. Ben je verder niet nieuwsgierig naar wat er in Darwins poeltje is gebeurd? En zo ja toch wel, hoe zou je dat doel dan omschrijven?

gert korthof zei

Lucas, het was niet mijn bedoeling te betogen dat al het onderzoek naar de oorsprong van het leven medische toepassingen of doelen heeft. Ik gaf een heel korte schets van de historische ontwikkeling Mendel - Watson-Crick - Venter. Venter is degene die ingrijpt in de natuur: How to make Life? (jij: "Als de mens leert scheppen"). Watson & Crick hebben de vraag beantwoord (of: aanzet gegeven) What is Life?
Het hydrothermale bronnen verhaal is een verhaal over de oorsprong van leven: How did life emerge?
Deze drie vragen/antwoorden zijn afhankelijk van elkaar. Heb je vordering op het ene gebied, dan heeft dat uitstraling op de andere 2 gebieden. etc How to make life? heeft nog het meest te maken met medische toepassingen omdat je daar wilt ingrijpen.
Zeker wil ik weten 'How did life emerge?' Ik kan het gewoon niet uitstaan dat we een redelijk begrip hebben van What is Life? maar nog niet precies kunnen verklaren hoe het ontstaan is.

Marleen zei

Gert,
Het volgende artikel van Addy Pross is ook erg interessant, waarin Pross duidelijk aangeeft hoe er twee manieren zijn om naar entropie en stabiliteit te kijken. De klassieke thermodynamische manier van Boltzmann voor dood materiaal en de exponentiele aangestuurde auto-replicatie voor levende materie. Beide manieren streven naar grotere stabiliteit.

How
life began and why it can't rest

Marleen zei

Mooi artikel overigens in Nature over het meningsverschil van aanhangers van EES en MS. Ik zag het gisteravond en heb het gelezen. In welk kamp bevind je je? Ikzelf neig meer naar Hopi Hoekstra en colleages.

gert korthof zei

Marleen, ja, daar staat het mooi uitgelegd. het is het thema van chapter 4 van zijn boek. Het klinkt vreemd om voor beide systemen 'stabiliteit' te gebruiken, maar het verklaart een hoop.

gert korthof zei

Het artikel in Nature had ik ook gezien (ik had het s avonds al in de nieuws items in de kop van mijn blog gezet).
Het thema, de vraag of er een nieuwe evolutionaire synthese nodig is, is in feite hetzelfde als de doelstelling van mijn WDW website ... !
Ik vind niche construction en developmental bias belangrijke toevoegingen aan de tweede evolutionaire synthese.
Plasticity en extra-genetic inheritance zie ik niet zo zitten.
De conservatieven (Hoekstra, etc) hebben gelijk dat de revolutionairen met meer bewijs moeten komen, maar het is hypocriet om tegelijk te zeggen dat ze dat soort alternatief onderzoek al lang zelf doen!
Verwonderlijk is dat beide partijen alleen in kwalitatieve termen praten over hoeveel aandacht bepaalde onderwerpen in de evolutiebiologie krijgen. Een goede bron van kwantificeerbare informatie zouden de evolutiehandboeken zijn die aan universiteiten worden gebruikt. Daardoor zou pijnlijk duidelijk kunnen worden hoe weinig die nieuwe inzichten doordringen in de leerboeken.

Het hele onderwerp is belangrijk genoeg om er tenminste een apart blog over te wijden. wellicht nog meer. wordt vervolgd.

Marleen zei

Gert,

Hartelijk dank voor deze uitgebreide reactie, die ik helaas nu pas zie. (De mail service heeft een steekje laten vallen)

Maar zie tegelijk ook dat je er inmiddels een mooi blog aan gewijd hebt. Dank ook daarvoor, want het is zeker geen eenvoudig onderwerp.

gert korthof zei

copy & past van andere post:

Bert Morrien zei

Gert,

[wat drijft chemische systemen zich te ontwikkelen tot levende systemen? Waarom worden ze complexer? Welke fysische of chemische kracht drijft bepaalde chemische systemen zich te ontwikkelen van simpel naar complex? Nota bene tegen de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica in. Tegen de tendens in van degradatie, simplificatie, chemische inertheid, dood. Als je deze vragen niet stelt, ben je bezig met toe redeneren naar het bekende eindresultaat, de levende cel. Je moet de vraag oplossen waarom eenvoudige systemen uit zichzelf complexer worden.]

Chemische systemen ontwikkelen zich in alle richtingen, omdat één van die richtingen leidt tot een meer complex systeem, is het te verwachten deze ook inderdaad aan te treffen.
Sommige van die meer complexe systemen hebben eigenschappen die ze stabiel maken. Zo zijn watermoleculen enerzijds complexer maar anderzijds stabieler dan de losse elementen waaruit ze zijn samengesteld. Bovendien biedt water een geschikt milieu waarin op soortgelijke wijze meer complexe verbindingen gevormd kunnen worden. Zoals je meldt, kunnen celwanden en aminozuren in een laboratorium gevormd worden. Belangrijk daarbij is dat dit spontaan gebeurt als de omstandigheden dit toelaten.

Bij eenvoudige systemen die op deze wijze gevormd worden is het ook wel duidelijk waarom dit gebeurt: er is in het algemeen sprake van een energetisch drempel-effect. In een geaccidenteerd energetisch landschap kunnen er sprongen gemaakt worden tussen dalletjes welke op verschillende hoogten liggen.

In ieder geval is daarmee al kwalitatief aangetoond dat het mogelijk is om een toename van complexiteit te bereiken.
Zolang er een energiebron is, gaat dit niet tegen de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica in. Er lijkt geen reden te zijn waarom het aantal en de complexiteit van systemen die zo gevormd kunnen worden begrensd is. Misschien mag je dit geen evolutie noemen, maar in wezen lijkt mij evolutie al bij het ontstaan van het universum werkzaam geweest te zijn. In eerste instantie was evolutie een niet-biologisch proces, waarmee leven tot stand kwam, zodat evolutie mede een biologisch proces werd, maar dit onderscheid lijkt mij niet van principieel belang.

De technologische ontwikkeling is in feite ook een evolutionair proces. Als de tekenen ons niet bedriegen, zullen
machines complexer worden dan mensen. Dat zou een nieuwe en sterke impuls voor verdere evolutie kunnen zijn, die, zoals het een goed evolutieproces betaamt, ook weer alle kanten op kan gaan.

Uiteindelijk vormt de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica de barrière die niet overschreden kan worden.
dinsdag 14 oktober 2014 22:09:00 CEST

gert korthof zei

Bert zei "Chemische systemen ontwikkelen zich in alle richtingen..."
interessante gedachte. Maar de overheersende trend zal toch zijn naar meer stabiliteit?

Een punt van complexer worden is dit: biologisch wordt complexiteit pas interessant als het gaat om polymeren als RNA en DNA en eiwitten. HET grote probleem daarbij is: wat is de minimum compexiteit voor een RNA molecuul om katalytisch vermogen te krijgen?

"maar in wezen lijkt mij evolutie al bij het ontstaan van het universum werkzaam geweest te zijn"
Interessant: ik denk daarbij aan een fase na de Big Bang dat alles protonen was (...) en daarna alle elementen van het Periodiek Systeem ontstaan zijn: een duidelijke toename in complexiteit onder toevoer van hoge energie in sterren. Eigenlijk een heel fraai voorbeeld van chemische evolutie (of fysische?).

Bert Morrien zei

Gert,

["Maar de overheersende trend zal toch zijn naar meer stabiliteit?"]
Dat is ongetwijfeld zo, want als we het over stabiele chemische verbindingen hebben, dan moeten we vaststellen dat zeer oude levenloze verbindingen zoals gesteenten veel vaker worden aangetroffen dan minder oude biologische verbindingen, die het hooguit een paar duizend jaar uithouden (bomen) en meestal nog veel korter.
Maar uit het feit dat er mensen zijn mag worden afgeleid dat de grootschalige trend naar meer stabiliteit een kleinschalige trend naar meer complexiteit niet uitsluit, een soort antropisch principe dus.
Maar, in tegenstelling tot het niet testbare kosmologische antropisch principe, zou het misschien wel vast te stellen zijn dat biologische evolutie juist mogelijk werd door het voorkomen van stabiele chemische verbindingen.

Arnold vestigde de aandacht op http://korthof.blogspot.nl/2013/12/synthese-van-primitief-leven-in-het-lab.html
In het onderhavige geval lijkt citraat de rol van zo'n cruciale stabiele chemische verbinding te vormen.
Blijkbaar mag daarbij de rol van de stabiele celvormende vetzuren en het stabiele informatie-dragende RNA bepaald niet vergeten worden.

gert korthof zei

Bert: mee eens!