19 October 2018

When blind is better: protein design by evolution. Frances Arnold. 1998.

Frances Arnold (1998) When blind is better

Ik vond een publicatie [1] uit 1998 (dus 20 jaar geleden!) waarin Nobelprijs winnares Frances Arnold al betoogde dat je nieuwe enzymen beter door middel van evolutie dan door intelligent ontwerp kan maken.

Ze begint haar artikel met een prachtig citaat:
The road to wisdom?
Well, it's plain and simple to express:
Err and err and err again
but less and less and less [2]
Zij vond dat citaat in: Darwin's Dangerous Idea (Dennett, 1995). Het staat in het achtste hoofdstuk 'Biology is Engineering' (pag. 200). Hoe toepasselijk! Zij is een chemical engineer! Zou Frances Arnold er door geïnspireerd zijn? Het lijkt voor de hand liggend. Zeker gezien dit detail: op pagina 78, 79 van Dennett's boek staat een fitness landscape ! Dat heeft Dennett overgenomen van Sewall Wright.
fitness landscape in Dennett (1995, p.79)
Het fitness landscape van evolutietheoreticus Wright vindt zijn weg via de filosoof Daniel Dennett naar de chemisch ingenieur Frances Arnold, die het idee gebruikt om nieuwe enzymen te maken en er twintig jaar later de Nobelprijs mee wint. 

In Dennett's boek komen de verwante begrippen 'Design Space' en 'The Libary of Mendel' voor. Arnold gebruikt de termen 'libraries of protein variants' en 'sequence space'.

Het 'blind' in de titel 'When Blind is Better' refereert naar het beroemde boek The Blind Watchmaker van Richard Dawkins. Ze heeft de 'verplichte' literatuur goed bestudeerd! Van begin af aan is ze expliciet dat ze het evolutionaire proces van mutatie en selectie gebruikt om nieuwe enzymen te ontdekken. Want dat is namelijk het proces dat enzymen heeft geproduceerd die tesamen het leven mogelijk maken. Ze contrasteert deze aanpak met de tot dan toe gangbare 'rational design' van enzymen. Directed evolution is blind: het heeft geen kennis van de relatie van de 3-D structuur en de functie van een eiwit. Dat geeft het een voorsprong. Als je die kennis niet hebt.

Maar er zijn voorwaarden: er moet een mogelijk pad zijn van A naar B: a mutational pathway to get from here to there through ever improving variants. Dat is het probleem wat ik eerder naar voren bracht. Deze voorwaarde is een van de grootste obstakels in directed evolution omdat je niet stapsgewijs van het ene type protein fold naar het andere komt. Een proteinfold is vergelijkbaar met origami: 3-D figuren vouwen van papier. Een eiwit heeft meerdere protein folds.

Als veel kleine random stappen in sequence space een laag succespercentage hebben, dan is het misschien beter om grotere stappen te maken. Je zou hybrides kunnen maken van evolutionair nauw verwante enzymen. Het voordeel is dat de onderdelen werkende onderdelen zijn, die al uitgebreid getest zijn door evolutie. Een werkende verbrandingsmotor uit een auto combineren met een werkende elektromotor tot een hybride auto. Zoiets. In ieder geval is de kans groter dat je enzymen krijgt die goed vouwen. Het zijn sprongen in sequence space.

recombinatie van nauw verwante enzymen
tot chimaera enzymen (F. Arnold, 1998)

De veel-kleurige balken in het plaatje zijn hybride eiwitten samengesteld uit meerdere genen van 4 verschillende soorten. Stapsgewijze puntmutatie zou een eeuwigheid duren. Deze hybride eiwitten kunnen nieuwe eigenschappen hebben die niet voorspelbaar waren. Desgewenst kun je deze methode combineren met de kleine stapjes methode.

Het grappige is -en wat ze niet noemt- is dat recombinatie al lang door evolutie is uitgevonden. Het voordeel van sexuele voortplanting zou liggen in recombinatie [3]. Dat is een vorm van mutatie.
springen in een fitness landscape [3]
Kijk daar heb je het. In een recente publicatie van Wageningse onderzoekers zie je sprongen van lokale pieken E en F naar de globale piek G in een fitness landschap door middel van ... recombinatie. Evolutie kan dus toch springen! Je hebt er wel sex voor nodig.


Noten

  1. Frances H. Arnold (1998) When blind is better: protein design by evolution, Nature Biotechnology Vol 16 July 1998. Het origineel is bijzonder lastig te pakken te krijgen. Gebruik bovenstaande link.
    When blind is better.
  2. Het citaat is van Piet Hein. Geen grap! Piet Hein is een wiksundige, wetenschapper, uitvinder, dichter, en nakomeling van Piet Hein.
  3. Diego Pesce, Niles Lehman, Arjan de Visser (2016) Sex in a test tube: testing the benefits of in vitro recombination.
  4. Publications of the Arnold group een indrukwekkend overzicht van alle publicaties van het Frances Arnold lab vanaf 1988 tot 2018 (dus 30 jaar!).

15 October 2018

Hoe komt evolutie van de ene naar de andere fitness piek?

De vraag Hoe komt evolutie van de ene naar de andere fitness piek? ontstond naar aanleiding van mijn vorige blog Nobel prijs voor evolutie. Frances Arnold.
Hier onderzoek ik wat de fitness landscapes van Frances Arnold eigenlijk precies betekenen.

bron: Eric M Brustad, Frances H Arnold (2011)

Om wegwijs te vinden in deze complexe materie stel ik me zelf 4 vragen:
  1. hoe wordt het 'fitness landscape' (plaatjes) gedefinieerd? dat moet duidelijk zijn voordat je gaat discussieren
  2. hoe vindt je fitness optima in directed evolution (in het lab)?
  3. hoe vindt evolutie fitness optima? (is geheel andere vraag)
  4. zijn de 3-D fitness landschappen toepasbaar op de werkelijkheid of zijn ze daarvoor veel te abstract?
1. Hoe wordt het 'fitness landscape' (de plaatjes) gedefinieerd?

In het bovenstaande plaatje zijn er 3 fitness pieken in een grijs vlak. De fitness is gedefinieerd als: Fitness is a measure of how well protein sequences perform the target function. De fitness is dus een zelf gekozen biochemische doel reactie. Dat is dus niet een organisme als geheel. Hoe hoger de piek hoe beter de activiteit van het enzym. Dat grijze vlak is: eiwitten zonder meetbare activiteit voor de beoogde functie (Most proteins possess no activity). De 3 gekleurde rondjes (rood, blauw, groen) stellen verschillende start posities voor. De rode bereikt na een paar mutatie rondes een optimum en is op geen enkele manier te verbeteren, want het zit al aan een lage top. Dit is een slecht resultaat. De blauwe startpositie vertoont enige verbetering, maar zit vast op een vrij kleine lokale top. De groene geeft een grote verbetering. Dat ligt aan de vorm van de berg.

Merk op dat je veel nutteloze mutaties in alle richtingen nodig hebt om van 1 piek naar de ander te komen. Dit is blind zoeken. Frances Arnold: not every bad enzyme is near a good enzyme. Je zou grotere stappen moeten maken door niet 1 puntmutatie te maken, maar meerdere tegelijk, inserties, deleties, duplicaties, etc.

Vragen

Maar er blijven vragen: wat betekent de horizontale X- en Y-as? Eén as met de volledige base volgorde van 1 enzym is duidelijk. Maar de tweede? Zijn ze hetzelfde eiwit- of base volgorde tegen elkaar uitgezet? Uit het vorige blog weten we dat er vrijwel oneindig veel eiwitten en dus basevolgordes mogelijk zijn met een lengte van bijvoorbeeld 100. Dus het afgebeelde fitness landscape is maar een extreem klein deel van het geheel.

Andere vraag: is het toeval dat de pieken in de figuur heel scherp zijn? en geen plateau? Een punt betekent immers dat er maar 1 optimaal eiwit is, en dus iedere punt-mutatie is een verslechtering. Een plateau heeft meerdere gelijkwaardige eiwitvarianten en is dus robuuster. En makkelijker te vinden door blind zoeken.

2. hoe vind je fitness optima in directed evolution (in het lab)? 

In principe is iedere vorm van mutatie toegestaan. De fitness wordt getest aan de hand van de efficiëntie waarmee het beoogde eindproduct wordt geproduceerd.

3. hoe vindt evolutie fitness optima?

Dit hangt geheel af van de volgende vraag:

4. Zijn de 3-D fitness landschappen toepasbaar op de werkelijkheid?

In de natuur wordt er nooit geselecteerd op 1 enzym en zeker niet met een gelijkblijvende genetische achtergrond. Op de twee horizontale assen kun je dus niet de DNA of aminozuur volgorde van 1 enkel eiwit plaatsen, maar wat dan wel? het hele genome van één individu?

Zonder goede definitie van een fitness landscape kunnen we niet zeggen of het toepasbaar is op de werkelijkheid. Dus voorlopig is de vraag hoe evolutie van de ene naar de andere fitness piek komt een schijnvraag is. Als dat zo is, dan is het fitness landscape ook geen probleem voor de neo-Darwinistsiche evolutie zoals anti-evolutie critici (ID-ers zoals William Dembski) hebben beweerd.

Postscript


Toen ik bovenstaande geschreven had, zocht ik nog eventjes in wat evolutiehandboeken naar fitness landscape. Tot mijn verrassing vond ik in Nicholas Barton (2007) Evolution de paragraaf "The Metaphor of an Adaptive Landscape Can Be Misleading" (p.473-474). Ze geven 3 redenen. En maken onderscheid tussen twee typen landscape: de gemiddelde fitness van een populatie, en de fitness van een individu. Frances Arnold heeft dus kennelijk een derde type: het fitness landscape van 1 enzym (genotype of fenotype). Goed om te beseffen. Een interessante reden waarom het misleidend kan zijn: het fitness landschap is dynamisch, dus niet statisch zoals de plaatjes van Arnold zouden kunnen suggereren. Het oppervlak, de bergen en de dalen, kan veranderen door interactie's tussen genotype, fenotype en milieu.

Conclusie:

Voordat je kritiek hebt op het neo-Darwinistische evolutietheorie, definieer eerst de term fitness landscape en de toepasbaarheid op de werkelijkheid. Het fitness landscape van Nobelprijs winnares Frances Arnold (met pieken en een 'death valley' [mijn term]) kun je niet zondermeer toepassen op organismes en soorten in de natuur.
Er kunnen wel degelijk problemen zijn: evolutie kan nooit alle mogelijke enzymen testen en vele heel goede enzymen zullen nooit ontdekt worden. De vraag 'Hoe komt evolutie van de ene naar de andere fitness piek?' kan een legitieme vraag zijn. Maar baseer je kritiek op een correcte metafoor en een juist begrip van zaken.

05 October 2018

Nobel prijs voor evolutie. Frances Arnold.

Frances Arnold: New enzymes by evolution
(mei 2017) dus nog voor ze de Nobelprijs ontving.
Frances Arnold (62) kreeg 3 oktober 2018 de Nobelprijs in de Chemie "for the directed evolution of enzymes"  (de gerichte evolutie van enzymen). Bij mijn weten is het niet eerder voorgekomen dat in het bekroonde werk van een wetenschapper evolutie zo centraal stond. Ik heb gezocht op het internet naar wat ze precies gedaan heeft. Ik vond een erg goede video op youtube (38 min) waarin ze zelf uitlegt voor een algemeen publiek wat haar onderzoek inhoudt [5]. Kort: ze gebruikt evolutionaire principes in het lab om nieuwe enzymen en producten te maken. Daarvoor kijkt ze eerst naar hoe evolutie enzymen maakt.

Evolutie heeft een verbazingwekkende hoeveelheid enzymen geproduceerd
Ze maakt op een fantastische manier inzichtelijk hoe evolutie werkt, en hoe je Darwinistische evolutie kunt gebruiken om enzymen aan te passen voor nieuwe taken. Zij kan het uitleggen als geen ander. Het is haar levenswerk.

in het lab kunnen we iets creëeren wat niet in de natuur voorkomt
Haar doel doel is: enzymen en biochemische reacties produceren die nog niet in de natuur bestaan, en deze genetisch vastleggen in het DNA van bacterieën.

Een probleem daarbij is dat de vorm en functie van een enzym nog niet goed te voorspellen is aan de hand van de genetische code of de aminozuurvolgorde van een eiwit. Je weet niet aan welke knoppen je moet draaien om een eiwit een gewenste biochemische reactie te laten uitvoeren. Men kan een enzym niet van de grond af aan (from scratch) ontwerpen [7].

De mogelijke variaties op een enzym zijn zo groot ('protein space' of 'protein universe') dat je ze niet allemaal stuk voor stuk kunt uitproberen. Er zijn bijna oneindig veel mogelijke eiwitten [6]. Een bijkomend probleem is dat het eiwit universum vrijwel geheel 'leeg' is (zie plaatje). D.w.z. er zijn maar een paar kleine fitness eilandjes die evolutie heeft gevonden. Dus, hoe vind je die speld in een hooiberg? [1]


Fitness landscape met zeldzame fitness heuveltjes

Volgens Frances Arnold werkt evolutie omdat in voldoende gevallen iets nieuws ontdekt kan worden in een continue cyclus van mutatie en selectie. Dat heeft zij nagebootst in het lab. Het verschil met natuurlijke selectie is dat zij als selectie criterium niet de algemene fitness van het organisme kiest, maar een doel dat voor de mens nuttig is. En een tweede verschil dat het hele proces van mutatie en selectie versneld en grotendeels geautomatiseerd wordt [9]. In het begin wordt er lichte selectiedruk uitgevoerd, en die druk wordt afhankelijk van de resultaten opgevoerd.

Hoe kun je eigenlijk bestaande enzymen geheel nieuwe eigenschappen geven? Het antwoord is verbazingwekkend en elegant:

Enzymen met verschillende functies hebben een functieoverlap
en dat kun je zodanig versterken dat het een hoofdfunctie wordt.

Ieder enzym heeft al onopvallende nevenfuncties, zeg maar verborgen talenten. Enzymen vertonen een lage enzymatische activiteit voor andere reacties dan waarvoor evolutie ze 'ontworpen' heeft. Vergelijk dat met een schilder die ook een beetje timmerwerk kan verrichten en door oefenen daar beter in kan worden todat hij een echte timmerman wordt en zelden nog schildert.

Die nevenfuncties van enzymen kunnen we dus uitbuiten en versterken.

Door deze manier van werken vindt je nuttige mutaties die van te voren niet te voorspellen waren. Je begrijpt niet waarom bepaalde mutaties werken. Je bent blind bezig mutaties in genen aan te brengen. Je kunt de enzym activiteit niet voorspellen aan de hand van de mutaties. Je kijkt alleen naar het resultaat op enzym niveau. En dat probeer je door een eenvoudige screening vast te stellen. Door evolutie in het lab ontstaan oplossingen, d.w.z. totaal nieuwe structuren van eiwitten. Directed evolution in the lab does not just optimize, it innovates. Evolutie is creatief en innovatief. 
Dit lijkt allemaal eenvoudig, maar er gaat veel werk zitten in de keuze van het enzym dat je wilt verbeteren, hoe je mutaties aan brengt en hoe je selecteert.

Intermezzo
Een tot de verbeelding sprekend voorbeeld van Frances Arnold is de vraag: waarom heeft evolutie nooit het tweede meest algemene chemische element, Silicium, gebruikt? Er zijn geen Koolstof-Silicium (C-Si) verbindingen in de natuur. Maar gerichte evolutie in het lab kan menselijke chemici vele malen overtreffen in efficiëntie en selectiviteit. Die verbindingen heten organo-silicon compounds. New forms of life! Extraterrestrial life forms! [2],[3]. Idem voor: Koolstof-Boron verbindingen [4].

Haar methode van gerichte evolutie heeft overal ter wereld navolging gevonden in de chemische en farmaceutische industrie. Behalve praktische toepassingen heeft haar werk ook inzicht gegeven in de mogelijkheden en onmogelijkheden van de evolutie van enzymen in de natuur. Ze heeft dus ook een bijdrage geleverd aan de evolutiebiologie.

Dit Nobelprijs waardig onderzoek is zo diepgaand op evolutionaire principes gebaseerd, dat ik het niet overdreven vind om te claimen dat dit de eerste Nobelprijs voor evolutie is! [8]
 
Haar idealisme om haar onderzoek in te zetten voor een duurzamere wereld en haar weigering om voor de olieindustrie te werken, maakt haar ook nog eens een bijzondere en inspirerende vrouw die de Nobelprijs dubbel en dwars heeft verdiend. Of zoals het Nobel committee het zegt:
"The 2018 Nobel Laureates in Chemistry have taken control of evolution and used it for purposes that bring the greatest benefit to humankind. Enzymes produced through directed evolution are used to manufacture everything from biofuels to pharmaceuticals."
en dat op een milieuvriendelijke manier. Zie verder de wetenschappelijke toelichting van het Nobel comittee zelf (bevat een uitgebreide literatuurlijst):

Literatuur


Noten

  1. Haar plaatje met twee van elkaar geisoleerde fitness pieken roept bij mij de vraag op: hoe komt evolutie van A naar B als daartussen een grote zwarte 'death valley' (most mutations are deleterious) ligt? Waarschijnlijk moet je denken aan andere selectiedrukken die het fitness landschap verandert...
  2. Vergelijk met de mislukte claim dat er bacterië bestaan die Arseen in hun DNA geïncoporeerd zouden hebben. Dat is nooit op aarde aangetoond. Zie serie blogs beginnend met: Bacterie ontdekt die arsenicum in plaats van fosfor gebruikt (2 dec 2010) t/m Arsenicum bacterie: Felisa Wolfe-Simon antwoordt haar critici 3 juni 2011. 
  3. Bringing Silicon to Life, Caltech.
  4. Teaching Life a New Trick: Bacteria Make Boron-Carbon Bonds, Caltech 
  5. Philip A. Romero, Frances H. Arnold (2009) Exploring protein fitness landscapes by directed evolution is een overzichtsartikel in het Darwinjaar 2009 waarin ze directed evolution uitlegt met alle bronvermeldingen erbij; en ook met het plaatje van fitness landscape hierboven. (met dank aan Harry, 10-10-18)
  6. Belangrijk gegeven: nature has explored only an infinitesimal fraction of the possible proteins: omdat er oneindig veel mogelijke eiwitten van een gegeven lengte zijn, heeft evolutie maar een oneindig klein percentage van al die mogelijkheden ontdekt. Dit betekent dat There are so many proteins waiting to be discovered: er ook oneindig veel nieuwe enzymen te ontdekken zijn met o.a. directed evolution, maar ook door evolutie zelf. (10-10-18)
  7. In de tijd dat Frances Arnold begon met haar experimenten: "At the time, researchers thought that they would be able to sit down at a computer and rationally design proteins to carry out specific functions." bron: Nature, 11 okt 2018, 'Test-tube’ evolution wins Chemistry Nobel Prize'.
  8. “Our laureates have applied principles of Darwin in the test tubes, and used this approach to develop new types of chemicals for the greatest benefit of humankind.” citaat uit Nature artikel [7]. 
  9. Derde verschil: The ability to disconnect a protein from its in vivo function. Vierde verschil: natural evolution works on a different fitness landscape, etc. [11 okt 18]

01 October 2018

Waarom reproduceerbaarheid in de wetenschap zo belangrijk is

KNAW (2018) rapport: Replication Studies

In een recent rapport Replication Studies van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, de KNAW, komen de auteurs tot de conclusie dat het slecht gesteld is met de reproduceerbaarheid van onderzoek in de exacte wetenschappen. Dit houdt in dat als een gepubliceerd onderzoek herhaald wordt door andere onderzoekers met dezelfde methode, technieken en materialen, er niet dezelfde resultaten uitkomen. 

Dat is erg! Hoe erg is dat?

In de vakgebieden waar de reproduceerbaarheid laag is, kan het wel eens slecht gesteld zijn met de kwaliteit van onderzoek in het hele vakgebied. Bovendien, zo schrijven de auteurs
"Studies with non-reproducible results can jeopardise scientific progress, waste resources, harm individuals and society, and erode public trust in science."
Wetenschappelijke vooruitgang kan in gevaar komen, wordt er geld verspild, kan het schadelijk zijn voor individu en samenleving, en wordt het vertrouwen van het publiek in de wetenschap ondermijnd.

Ik zocht naar vakgebieden waar proefdieren gebruikt werden. Ik vond twee vakgebieden: Preklinsiche studies / Algemene biologie en Preklinisch studies / neurologie. Dit gaat dus over geneesmiddelen onderzoek. In het eerste geval was de conclusie:
"Researchers from Bayer HealthCare attempted to validate data on potential drug targets  obtained in 67 projects by copying models exactly or by adapting them to internal needs.  In 20% to 25% of cases, published data were completely in line with the results  of the validation studies. "
Dat betekent dus dat 75 - 80% van de studies niet of slecht reproduceerbaar waren!  In het tweede geval:
"Retesting of nine potential drugs in rigorous animal tests that had been reported to slow down  disease in a mouse model for ALS . None (0%) of the drugs was found to slow down ALS. "
Dus in deze studies was het nog erger: geen enkele reproduceerbaarheid! Deze studies zijn dus waardeloos. Nog erger: honderden of duizenden proefdieren zijn voor niets opgeofferd. 
Wat mij opvalt is dat het KNAW rapport niets over verspilde dieren schrijft. Alleen: "waste resources". Dieren zijn slechts 'resources'. Wel staat dat er onnodig risico ontstaat voor menselijke proefpersonen.

Behalve de reproduceerbaarheid is er dus meer mis met onderzoek in de biomedische wetenschappen. Of in ieder geval bij de auteurs van het rapport. Hopelijk zullen er minder proefdieren voor niets opgeofferd worden als de aanbevelingen van de KNAW om reproduceerbaarheid te verhogen in de praktijk worden toegepast. Nog beter: proefdiervrij onderzoek. Daar over een volgende keer.

17 September 2018

Zomer 2018: reuzepanda's, dagpauwoog, kleine vos, onbekende vlinder

Dagpauwoog. 29 aug 2018

Dagpauwoog. 29 aug 2018

Deze met geen enkele andere vlinder te verwarren Dagpauwoog trof ik aan op een plaats waar ik hem niet verwacht had: een paadje met riet aan beide kanten in de Breebaartpolder (tussen de binnen- en buitendijk) tegen de Dollard aan gelegen (Groningen). De foto is gemaakt met een telezoom. Dan heb je niet het risico dat hij wegvliegt omdat je er te dicht bij komt. Het nadeel is dat de foto niet gestoken scherp is zoals bij een macrolens.
Maar, als je een statief gebruikt, en de ISO setting hoger zet, kun je toch enige scherpdiepte toevoegen en redelijk korte sluitertijden. Je moet snel werken, anders is hij weg. Deze 2 foto' s zijn uit een serie van plm. 25 opnames.

het kerkje van Termunten (Groningen).
Een relatief grote kerk in het gehucht Termunten. Met vrijwel door ouderdom onleesbare grafstenen. De kerk heeft een lange geschiedenis van restauratie inclusief het verkleinen (!) van de kerk die oorspronkelijk groter was. Zo'n kleine gemeenschap heeft niet het geld om er een groot restauratie project van te maken. De bomen erom heen geven een mooi beeld, maar onttrekt de kerk op afstand bijvoorbeeld vanaf de dijk, volledig aan het zicht. Misschien waren de bomen vroeger kleiner en de kerk groter?

Kleine Vos op vlinderstruik (4 sept 2018)
onbekende vlinder in eigen tuin (10 sept 2018)
Deze kleine maar fraaie (nacht)vlinder heb ik nog niet op naam kunnen brengen. Op de website van de vlinderstichting was hij niet te vinden tussen een paar honderd foto's (nacht- en dagvlinders), en ik vond zelfs niets wat ook maar in de buurt kwam in de speciaal daarvoor aangeschafte nieuwste druk van Nachtvlinders (met 1000 soorten). Hoe is het mogelijk! Het zal toch niet een extreme zeldzaamheid zijn? Een dwaalgast? Een mutant? Of is het determineren toch moeilijker dan simpel plaatjes vergelijken? Ik kom er op terug.

Nachtvlinders. 4e druk 2018.

Nachtvlinders hebben een slechte naam: saai, donker, oninteressant. Niets is minder waar: als je de gids doorbladert ontdek je snel dat er vele tropisch uitziende soorten bij zitten. Dat roept weer vele evolutionair-ecologische vragen op... 
het pandapaleis in Ouwehand
binnen: een weinig natuurlijke omgeving...
 
zoekplaatje: waar zit panda 1?

zoekplaatje: waar zit panda 2?

De twee reuzenpanda's in Ouwehand zijn in een gigantisch paleis gevestigd. Het paleis is van binnen en buiten prachtig gemaakt. Maar het lijkt eerder op een museum voor moderne kunst. De grote ruimte binnen heeft vele loopplanken en een klimboom, maar er is helemaal geen natuurlijke begroeiing. Er groeit zelfs geen bamboe! De bamboe wordt netjes op maat gesneden neergelegd. Weinig natuurlijks te bekennen. Wat betreft ruimte zouden er toch veel meer panda's kunnen leven? Misschien produceren ze nakomelingen? Dat zou de boel zeker wat opvrolijken.

Tot zover. Welcome back beste lezer na deze lange zomervakantie!

30 July 2018

Blogvakantie. Nachtvlinder, das, clivia, libelle, maansverduistering, ringslang

das (foeragerend) (telelens, statief)
Misschien wel de eerste das die ik ooit heb gezien. In levende lijve. Een toevalstreffer zonder hulp van de boswachter. In het hoge gras is hij soms lastig te zien. Hij is zo druk bezig dat hij geen aandacht heeft voor wat er rond om hem heen gebeurd. Deze waarneming is in overeenstemming met de beschrijving in wikipedia: "In bermen, weilanden en graslanden wroet de das naar kevers en insectenlarven, wanneer die gedurende een paar weken in het voor- en najaar onder het gras zitten."


(nog) onbekende fraaie nachtvlinder
met een zeer kleine nachtvlinder erbij
Wie weet hoe deze nachtvlinder heet? Ben de naam vergeten. Gefotografeerd tijdens de nachtvlinderexcursie 10 juli 2018 met Kees Boele (website). Dit is een relatief grote vlinder, de rest is allemaal veel kleiner (zie foto) en niet zo spannend voor een nachtvlinderleek. Methode is een paar HPL (UV) gloeilampen (website) na zonsondergang met een wit laken waar de vlinders op af komen. Ze gaan dan op het witte laken zitten. Het is onverklaarbaar dat nachtvlinders op UV licht afkomen. Wat is het nut daarvan? De kleuren die ze hebben zijn voor overdag als ze zich moeten camoufleren!
Tevens vleermuizen gezien en gehoord. Om hun sonar te horen heb je een zgn. bat detector nodig:
Pettersson Ultrasound detector D100 (website)
goedkoopste model is 165 euro
die de hoge frequentie transformeert naar lagere voor de mens hoorbare tonen. Kennis maken met vleermuisgeluiden (youtube).

libel op uitkijkpost in eigen tuin, zonnig weer.
Libellen eten wel degelijk ook in de volwassen, vliegende fase. Deze heeft een favoriete uitkijkpost in de zon, en schiet op een voorbijvliegend insect af. Of wacht hij op een partner? Letterlijk schitterende vleugels in de zon.

libelle vleugel close-up in zonlicht. 20 juli 2018
vertoont intrigerend patroon van gekleurde lichtvlekjes
De vleugels zijn ultra dun en licht, maar stevig. Ze vertonen gekleurde lichtvlekjes als je er op de juiste manier tegen het zonlicht in naar kijkt.

Na méér dan 10 jaar bloeit de Clivia weer!
en hoe! Vóór 1990 heeft hij ook eens gebloeid.

maansverduistering 27 juli 2018 23:13: uur
55-300 telelens + statief
Maansverduistering 27 juli 2018: het was droog weer, maar half bewolkt, en de maan zat té vaak achter dunne wolkenlagen waardoor hij niet scherp in beeld te krijgen was. Bovendien stond ze erg laag; ze kwam maar net boven de daken uit. Bovendien was het lastig fotograferen tussen de bovenleiding van het spoor (station!). Dit was een spontaan gekozen plek! Volgende keer een betere positie uitkiezen met zichtbare horizon richting Zuid-Oosten. Maar beter iets dan niets. Maansverduisteringen zijn beter te voorspellen dan het weer!


zwemmende ringslang 31 juli 2018 (Arboretum Gimborn)
Deze ringslang lag aan de oever te zonnebaden. Toen hij mij zag, schoot hij het water in en zwom snel weg. Tong uit de bek. Ik vond hem niet meer terug.

Voor alle foto's geldt: klikken voor vergroting.

Augustus is blogvakantie. Alle comments worden gemodereerd (i.v.m. spam).

Ik wens iedere blogbezoeker een prettige zomer!

21 July 2018

Blendle laat je betalen voor een gratis artikel. *Update 22 Sep 2018*

Blendle laat je betalen voor dit artikel
Dit artikel kun je lezen voor  € 0,89
maar het artikel in de Groene Amsterdammer kun je gratis lezen op de website van de krant:
het gratis artikel
in de Groene Amsterdammer
Het artikel is zeer de moeite waard. Het is een interview met de onderzoeker die het boek Do Fish Feel Pain? (Oxford University Press). En het is helemaal gratis tot en met de laatste letter. (De beroemde gedragsonderzoeker, dierenliefhebber en carnivoor Frans de Waal wordt ook nog geciteerd. Zie dit fragment.)

Ik had een leestegoed aangeschaft bij blendle. Ik krijg op onregelmatige tijden een email alert met een lijst van nieuwe artikelen. Soms klik ik op eentje. Niets is verplicht. Als je het leest wordt het bedrag van je tegoed afgetrokken. Eenvoudig en transparant. Maar ik controleer nooit of de artikelen die ik via blendle lees ook echt achter een betaalmuur zitten. Deze keer wel. En ik schrok van het resultaat! Een eenmalig foutje? Of is het een bewuste strategie om zo nu en dan een gratis artikel er tussen te stoppen waarvoor je mag betalen?

Heeft U ook soortgelijke ervaringen, meld het aub!

Update 22 Sep 2018

Alweer laat blendle me betalen voor een gratis artikel (toevallig) weer in de Groene Amsterdammer! Nu heb ik het gehad met blendle. Eén keer kan een foutje zijn, twee keer is absoluut verdacht. Ik maak mijn tegoed op en daarna ben ik helemaal klaar met blendle. Het zijn bedriegers.

De Groene Amsterdammer (19 Sep 2018): gratis artikel.

17 July 2018

Wilma de Rek: De Kleine Darwin. Een samenvatting van de Origin of Species

Wilma de Rek (2018)
De Kleine Darwin.
Atlas Contact
Journalist en auteur Wilma de Rek schreef De Kleine Darwin. Zijn baanbrekende evolutietheorie samengevat. Het is inderdaad een klein boekje, 96 pagina's. Verkrijgbaar op papier als hardback en als ebook. Het is géén vertaling van de Origin of Species maar een samenvatting gebaseerd op de Nederlandse vertaling van Ludo Hellemans van de eerste druk. Wilma de Rek schrijft: "Dit boekje is geen commentaar, geen wetenschappelijke verhandeling, geen essay; het is een samenvatting. Dit is wat Darwin in de Origin beweert. Hier zullen we Darwins opbouw daarom netjes volgen, te beginnen met de inleiding en eindigend met zijn conclusie."
Zo'n samenvatting bestond er nog niet in de Nederlandse taal. Het is een goed idee om dat te doen. Ze heeft het manuscript door de filosoof Johan Braeckman laten lezen. Ik heb geen idee hoe groot zijn invloed was.

Ze geeft een uitgebreide historische inleiding over Darwin en zijn tijd voordat ze met de eigenlijke hoofdstukken begint. Ze merkt op dat de Origin 13 hoofdstukken telt (het zijn er 14). Haar boek telt echter 10 hoofdstukken inclusief de Inleiding maar exclusief haar historische inleiding. Zij heeft dus 10 hoofdstukken terwijl Darwins Origin 14 hoofdstukken telt. Darwin's hoofdstukken 7 (Instinct), 8 (Hybridism) en 9 (The imperfection of the geological record) zijn niet als zodanig terug te vinden. Verder is haar hoofdstuk 8 een samenvoeging van Darwin's hoofdstuk 11 en 12 'Geographical Distribution'.
Dit had ze wel mogen vertellen in haar inleiding, want de indruk wordt gewekt dat het hele boek hoofdstuk voor hoofdstuk wordt samengevat.

Grappig is dat ze ook geen commentaar geeft op verouderde inzichten zoals de erfelijkheid van verworven eigenschappen, ook niet in een voetnoot. Maar dat is ook wat ze in de inleiding heeft gezegd. Van één formulering vraag ik me af of Darwin dat zo gezegd heeft: dat kruising tussen soorten steriele nakomelingen oplevert is om 'verwarring van alle organische vormen te voorkomen'. Idem: dat verbazingwekkende aanpassingen van organismen 'het waarmerk dragen van een veel hoogstaander vakmanschap' (verwijst naar de Schepper en dat is nu net wat Darwin bestreed). Haar hoofdstuk 6: Moeilijkheden met de theorie opent ze met "In het zesde tot en met negende hoofdstuk komt Darwin zelf op de proppen met een aantal moeilijkheden met de theorie." Maar Darwin heeft maar één hoofdstuk met die titel. Zijn Hoofdstuk 7 heet 'Instinct', 8 'Hybridism' en 9 'On the imperfection of the geological record'. Zo had ik het nog niet gezien, maar het is wel haar interpretatie dat die 4 hoofdstukken over moeilijkheden gaan. Maar goed, er zit een kern van waarheid in. Darwin's eerlijkheid is daardoor alleen maar indrukwekkender.

Alles bij elkaar is het een goed idee om de Origin samenvatten in het Nederlands. Als je niet weet wie Darwin was en wat hij geschreven heeft, is dit een laagdrempelig begin. Doordat Wilma de Rek een buitenstaander is, komt zij zo nu en dan tot andere formuleringen dan je gewend bent. Dat geeft soms een verfrissende nieuwe blik op sommige inzichten uit Darwin's werk. Jammer dat Darwin's portret niet op het omslag staat! Al was het maar een klein portretje.

Ik heb de e-book versie gebruikt. Ik heb het boek toegevoegd aan mijn pagina met Nederlandse evolutieboeken (WDW website).

PS: wil iemand met toegang tot Facebook, LinkedIn, etc. haar op de hoogte stellen van dit blog?

donderdag 19 jul: kleine toevoeging aan de tekst.

22 June 2018

Hoeveel genen heeft de mens? (2)

We weten niet precies hoeveel genen de mens heeft blogde ik in 2014. Het ging mij toen niet om het exacte aantal genen, maar hoe moeilijk het is om vast te stellen of een stuk DNA ook daadwerkelijk 'een eiwit produceert'. Dan pas kun je het een gen noemen.
Schattingen over de laatste 30 jaar
van het aantal menselijke eiwit-producerende genen
©Nature
In Nature 19 juni 2018 verscheen een artikel New human gene tally reignites debate [1] dat de stand van zaken anno 2018 opmaakt. Dat is 17 jaar na de eerste bekendmaking van het menselijk genoom in 2001.

protein-coding non-coding total genessource
19.90115.77935.680GENCODE/EBI
20.20317.87138.074RefSeq/NCBI
21.30621.85643.162GTEx, CHESS 2018 [2]
De nieuwste data (GTEx, CHESS 2018) zijn gebaseerd op messenger RNA (mRNA). Zo selecteer je genen die daadwerkelijk afgelezen worden. Zo filter je 'genen' uit die wat betreft DNA kenmerken op genen lijken, maar toch niet afgelezen worden. Maar dan ben je er nog niet. Ze controleerden of kandidaat genen ook voorkomen bij andere soorten. Dat telde als tweede criteriumof het echte genen zijn [3].

De aantallen geven een behoorlijke toename te zien ten opzichte van de twee andere onderzoeken. Maar ze zijn gebaseerd op computer berekeningen, terwijl de vorige twee handmatig beoordeeld zijn. Daartegenover staat dat het nieuwste onderzoek op een veel groter aantal individuen berust [4]. Wat dat betreft zou het nieuwste onderzoek betrouwbaarder en vollediger moeten zijn. De onderzoekers claimen 5000 nieuwe genen gevonden te hebben.

Wat me opvalt is dat in de pers meestal uitsluitend het aantal eiwit-producerende genen gerapporteerd wordt. Ook in de grafiek van Nature staan alleen eiwit-producerende genen. Waarom? De zgn. niet-coderende genen, die dus alleen RNA produceren zijn net zo belangrijk. Omdat dat RNA belangrijke functies in de cel vervuld. Je komt dan op een totaal van ruim 43.000 genen. Het dubbele!

Dit is een interessant getal, want volgens berekeningen is het maximaal aantal genen dat natuurlijke selectie kan onderhouden ongeveer 40.000 ! [5]. Als deze schatting uit 1972 nog iets waard is, zitten we dus dicht bij ons maximum. Als je daar nog bij optelt dat er ook nog gen regulators zijn (die bijdragen aan het aflezen van genen), dan wordt het helemaal spannend. Een recente schatting van evolutiebioloog Michael Lynch is dat de 'kwaliteit van ons genoom' door schadelijke mutaties iedere generatie met 1% daalt [6]. Dat zou er op kunnen wijzen dat we ons maximum aantal genen al overschreden hebben. Maar er is een tweede factor. Dat is dat we natuurlijke selectie verhinderen haar werk te doen door de steeds verdergaande medische en sociale zorg. De oorspronkelijke publicaties [1,2] houden zich daar echter niet mee bezig. Die houden zich met fundamenteel onderzoek bezig.

Voor de liefhebbers nog een interessant gegeven: de onderzoekers vonden ruim 97.000 nieuwe zgn. splice variants in eiwit-producerende genen. Dat zijn verschillende manieren (alternative splicing) waarop introns [7] uit genen geknipt kunnen worden. Die worden niet als aparte genen geteld want ze zijn van hetzelfde stuk DNA afkomstig. Er bestaat dus tussen mensen een grote variatie hoe er geknipt wordt. Geen mens doet dat op precies dezelfde manier. Het gevolg: we hebben ook niet precies dezelfde eiwitten in ons lichaam. Wat is het effect van al die varianten? Zijn ze nuttig of schadelijk? Als je wilt uitzoeken of een ziekte wordt veroorzaakt door splice varianten dan ben je voorlopig nog niet klaar.

Alsof dat nog niet genoeg is: niet minder dan 30 miljoen stukken DNA worden afgelezen tot RNA moleculen, die waarschijnlijk van geen enkele nut zijn voor ons functioneren. 'Transcriptional noise' noemen de onderzoekers dat. Het moet wel noise zijn, want zoveel genetische informatie kan natuurlijke selectie helemaal niet onderhouden.

Een gek idee dat je miljoenen stukken DNA voor niets afleest. Dat vonden de auteurs ook: the cell is a relatively inefficient machine, transcribing more DNA into RNA than it needs.

Tot slot nog een cliffhanger (creationisten: opgelet!): ze vonden een gen dat de grootste overeenkomst vertoonde met de Chinese hamster en andere knaagdieren en veel minder met alle andere primaten. De mens heeft dus een knaagdier gen. Een evolutionair raadsel [8].

Postscript

25 jun 2018

De uiteindelijke conclusie die de auteurs trekken is dat het mysterieuze gen 102723822 een verontreiniging is [9]. Het is mij niet duidelijk in welk opzicht dit een verontreiniging is: van het biologisch materiaal, bij de verwerking in het lab, bij de verwerking in de computer? En waarom zou dit het enige gen van de 43.162 genen zijn in de verontreiniging? Zou je dan niet méér genen moeten verwachten? 
Ten tweede, en misschien nog belangrijker, als het een verontreiniging is, zou je dan niet 100% (in plaats van 98%) identiteit moeten verwachten met een bestaand gen in het genoom van een of andere soort? Uit hun conclusie blijkt dat het gen kennelijk in geen enkel mens voorkomt, anders noem je het geen verontreiniging. Voor mij is en blijft het een raadsel.

Vorig blog over dit onderwerp


Noten

  1. Cassandra Willyard (2018) New human gene tally reignites debate, Nature News (gratis). Het artikel is ook in de Scientific American verschenen onder dezelfde titel maar zonder de bovenstaande illustratie. Het betekent zo ongeveer: nieuwe score van aantal menselijke genen ontketent discussie. Het Nature artikel is gebaseerd op [2].
  2. Salzberg et al (2018) Thousands of large-scale RNA sequencing experiments yield a comprehensive new human gene list and reveal extensive transcriptional noise (preprint). (Full pdf).
  3. Nog een criterium: het ORF (Open Reading Frame) moest tenminste 180 baseparen of 60 aminozuren lang zijn. Dat betekent dat peptides niet meetellen. Waarom?
  4. "30 different tissues taken from several hundred cadavers". (!) dat zijn menselijke overledenen.
  5. "several researchers pointed out in the early 1970s that the estimated mutational load from deleterious mutations placed an upper limit of approximately 40,000 for the total number of functional loci" (wikipedia)
  6. Michael Lynch (2016) 'Mutation and Human Exceptionalism: Our Future Genetic Load', Genetics, 2016 Mar; 202(3): 869–875 (gratis full text). Citaat: "load of mutations imposed on the human population drags fitness down by  ∼ 100 × 0.01 × 1% = 1% per generation".
  7. Introns: stukken niet coderend DNA in een gen. Ik heb er verschillende blogs over gemaakt: Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns
  8. Kom ik later op terug. 
  9. "It is 98% identical to the closest rodent protein, but only 95% identical to the most similar human protein, ... It would be extraordinary for a human protein to have multiple hits to rodents that are all closer than any match to primates. Thus from evolutionary evidence, this protein is clearly a rodent protein, not a human one." "we concluded that this unplaced scaffold represents contamination in the current human assembly."

08 June 2018

Binnen 3 weken 3 keer door een teek gebeten

teek (ongeveer ware grootte, 2-3 mm)
12 mei 2018

teek (vergroot) 8 pootjes
12 mei 2018
Het zal je maar gebeuren: binnen 3 weken 3 keer aangevallen worden door een teek. Dat is mijn vrouw overkomen. Alle drie keren ontdekt tijdens/na het douchen. De eerste is ontdekt de volgende ochtend na een week vakantie in de natuur. De tweede en derde waren zeer waarschijnlijk uit de tuin afkomstig.

Je voelt helemaal niets. Je weet niet wanneer, hoe en waar ze op je kleding of je lichaam terecht zijn gekomen. Zitten ze op bladeren, grassprietjes? Ze zijn te klein om te zien zitten. Ze graven zich in je huid in en zitten daar stevig vast. Als je 's nachts op je zij of rug ligt maakt niets uit. Onder de douche spoelen ze er echt niet af. Ze blijven zitten. Je kunt ze ook niet altijd makkelijk vinden, bijvoorbeeld als ze op je rug zitten.

Lakens verschoond, maar waarschijnlijk was dat het probleem niet. Je weet ook niet hoe lang ze op je kleren kunnen blijven zonder dat je het weet. Dus: schone kleren aantrekken voor de zekerheid.

Het beest er voorzichtig uit getrokken met een pincet. Als er dagen later symptomen lijken te ontstaan van een met de Lyme bacterie besmette teek naar de huisarts. Doxycycline antibiotica kuur. Dat is een breed-spectrum antibioticum dat werkt tegen een hele lijst bacteriële infecties. Waarom eigenlijk een breed-spectrum antibioticum? Dat moet je tegenwoordig toch niet meer willen? Is er niets specifieker? En: helpt het?


Zegt de apotheekmedewerkster: U kunt aanvullend een pro-biotica kuur nemen om de darmflora weer op peil te brengen. Tijdens de antibiotica kuur? Dan worden toch die bacteriën ook gedood? Ja, daar had ze nog niet over nagedacht.

Het probioticum Orthiflor Plus van Orthica is verkrijgbaar bij de drogist en bol.com. Tsja, wat koop je niet bij bol? Helpt het? Herstelt de darmflora zich niet vanzelf? Het wordt verkocht als 'voedingssupplement' (!). Dan is het dus geen geneesmiddel.

Een tekenbeet is wel een serieuze zaak. Bij 5% van de patiënten ontwikkelen zich langdurige klachten zoals pijn en vermoeidheid. Het is dus zaak om alert te zijn op teken op je lichaam. Pas je kleding aan als je een wandeling in de natuur maakt of in de tuin werkt.

Er bestaat anti-teken spray dat teken af zou schrikken omdat ze een hekel hebben aan de geur. Helpt het? Waarschijnlijk net zo effectief als anti-muggenspray? 

Overigens zijn teken veel slimmer dan muggen. Muggen hoor je en voel je. Teken niet. Die bijten zonder dat je het voelt. Ze hebben de hele nacht de tijd om zich vol te zuigen met bloed. Slim. En geniepig.

Een wandeling in het bos of tuinieren is niet meer zo ongevaarlijk als het ooit was.


Lyme ziekte (NL wikipedia)


Simon Rozendaal: Teken: de gevaarlijkste dieren van West-Europa, Elsevier weekblad 26 juni 2018. Een diepgravend artikel gebaseerd op een interview met teken-specialist prof. Frans Jongejan.
"Een teek kan een waslijst enge bacteriën en virussen herbergen."

16 May 2018

Review of Karo Michaelian's Thermodynamic Dissipation Theory, PART 2. Darwin and Natural Selection

Karo Michaelian
'Thermodynamic Dissipation Theory
of the Origin and Evolution of Life',
12th printing, March 2017
In my first blog about Karo Michaelian's Thermodynamic Dissipation Theory I discussed his claims about the effects UV light on life and the inefficiency of photosynthesis. In this blog I discuss his views on the Darwinian theory of evolution.

Will to survive

Two striking criticisms are: the "will to survive" and the "tautological definition of fitness".
The "will to survive" occurs at least 17 times in his book. It must be crucial for his argumentation. Here a few examples:
  • "Traditional evolutionary theory based on an implicit metaphysical "will to survive" of the individual and the tautology of "survival of the survivors"  has little explicative value." (p. xxvi)
  • "... do not have a mysterious "will to survive and proliferate" as the Darwinists are obliged to see it." (p.129)
  • "The implicit and unjustified assumption of the "will to survive" in the Darwinian theory can now be replaced with an explicit and physically founded "will to produce entropy" (colloquially speaking)". (p.139).
Michaelian never gives a reference for the "will to survive". Charles Darwin did not use the "will to survive" in any of his books, articles and published manuscripts. This can be easily checked:
  1. Go to Darwin Online website 
  2. Go to Advanced Search
  3. type in the field Full Text: "will to survive" (or: "drive to survive", "survival instinct")
  4. Identifier: empty *)
  5. Results: No hits
*) If desired a search can be narrowed to The Origin of Species [1st ed.] by typing F373 in the field Identifier, etc. No identifier means all his published works. See for identifiers this page.

So, the conclusion is straightforward: Michaelian accusation of a mysterious, metaphysical will to survive is not based on Darwin and therefore does not need to be replaced by anything [6]. Furthermore, the 'will to survive' is not present in any Evolution textbook [4]. See for an overview of 36 evolution textbooks my website. Any textbook of the last 35 years is good enough for this purpose.

Ironically, his theory is explicitly teleological and metaphysical. In 19.3 he rejects the standard view in science that 'Life has no Purpose' (p.291). According to Michaelian life has a purpose. But the "will to produce entropy" is just as metaphysical as the "will to survive". Really surprising for a scientist practicing the most exact of all sciences: physics.

Survival of the survivors tautology

The "survival of the survivors tautology" occurs at least 9 times in his book! It must be an important part of his argument.
Freeman & Herron
Michaelian notes that philosopher Karl Popper pointed out that "survival of the survivors" is a tautology and later Popper changed his views on Darwinism somewhat (see footnote on page 266 of Michaelian's book). Sadly, all of this is outdated and irrelevant because in Evolutionary biology fitness and natural selection are defined and used in a non-tautological way. Again pick up any of the evolution textbooks of the last 35 years. The tautology is refuted in one of the oldest Evolution textbooks I have on the shelves: Minkoff (1983) Evolutionary Biology. Minkoff defines natural selection as the "differential contribution of heritable variations to the next generation" (page 82). This blog post is not the place to explain the theory of natural selection. An excellent discussion of the testability of natural selection can be found for example in Freeman and Herron (2007) Evolutionary Analysis [1], [7].

Sadly, the tautology problem is a well-known creationist objection to evolution. In the classification of Mark Isaak (2007) The Counter-Creationism Handbook it is listed as Claim CA500 (page 32) or see the TalkOrgins website. The father of the Intelligent Design movement Phillip Johnson didn't  miss the opportunity to use the tautology to make a fool of Darwinists (my review).

Remarkably and inconsistently, elsewhere in his book Michaelian knows very well the non-tautological definition of fitness and natural selection (chapter 19 section 8 'Evolution through Natural Selection', page 299) and even mentions antibiotic resistance as an convincing example of natural selection [8]. But that's the only example he thinks exists. He needs one consistent view throughout the book, getting rid of views that contradict each other. If he wants to criticize a theory, the first thing is to know the subject in the same depth as the experts [2]. It seems that Michaelian wants to discredit natural selection as much as possible in order to clear the way for his own thermodynamic selection.

Sadly, his criticism of natural selection and fitness are targeted at wrong and outdated views of evolution. Natural selection is in biology what the Second law of thermodynamics is in physics. Natural selection does not and cannot contradict thermodynamics or any other physical law. That would be a miracle. Natural selection assumes every possible physical, cosmological, chemical and geological condition. It is in this extended environment that natural selection operates and has operated since the origin of life.

There are however conditions where natural selection overrules thermodynamic selection in the sense that a flying bird overrules gravity. In general: when an organism is excellent in thermodynamic dissipation (entropy production) and survives to old age in good health, but has zero offspring, its excellent characteristics will not be inherited. And that's the end. That's where natural selection overrules thermodynamic selection.
If an organism with low dissipation (entropy production) produces more offspring than an organism with high dissipation, and this dissipation property is at least partly genetic, then the frequency of this property in the population will increase. Non-random representation of genetic differences in future generations is called natural selection. Natural selection (and a view other principles in population genetics such as drift) is sufficient to explain the properties of organisms given their environment.

gliding storks gain height for free (source)
see stunning beautiful video (16 secs)

Not Wasting Energy

There is a deep problem with thermodynamic selection. If thermodynamic dissipation means using and wasting as much energy as possible, then thermodynamic selection is refuted. In the animal world there is a rule of thumb: if you waste energy you are a loser [3], [5]. A good demonstration of the principle is the seasonal migration of birds. Like sailplanes, hang gliders, para-gliders, European white storks use rising air (thermals or ridge lift, gliding) to gain height (see picture and video). The storks subsequently glide for free downwards and forwards to travel a great distance and locate another column of rising air to gain height again. 
White storks exploiting thermals. © Science 25 May 2018
Of course they could simply use muscle power to travel in a straight line to their destination, but that would be very costly energetically. That would be stupid. Energy is not for free. Birds  do not fly "to benefit entropy production". They would not make the thousands of kilometers of their seasonal migration. The migration of birds has been compared to the Olympic Games because of the high physical demands of a non-stop flight for thousands kilometers. Especially in birds but also in planes, the need to be as lightweight as possible is easy to understand. One could store as much fuel as possible, but that increases weight and that is a disadvantage. The point is to store just enough energy and use it efficiently. That is: don't waste energy. The anatomy, physiology and behavior of birds is organized around this principle. And that refutes the idea that dissipation (entropy production) is maximized.

The problems with KM's view are connected to the question what life is. In contrast to free-floating molecules (pigments) in solution, cells and organisms are almost by definition not directly governed by physical forces. Bacteria, plants and animals do not spontaneously arise from abiotic materials under the influence of physical forces. Proto-life could. The big difference is that life contains inherited structures that harness energy from the environment. Metabolism is under genetic control. These structures make life to a large extent autonomous. Life is not at the mercy of thermodynamics. Molecules are. Bénard cells, Belousov–Zhabotinsky reaction, etc. are spontaneous, dynamic, temporary structures exclusively governed by physical forces. Life enjoys a structural permanence not present in dead non-equilibrium thermodynamic systems. It doesn't make sense to say that organisms are controlled by a 'local thermodynamic flow'. Energy (food) has to be actively searched, captured and digested. So, one cannot extrapolate from the fundamental molecules of life ('UV pigments') which obey the laws of physics and chemistry, to cells and organisms. Organisms circumvent the laws of physics in ingenious ways. Drop a dead bird, and it falls to the ground in agreement with the law of gravity. Drop a living bird and it flies away. That's life.

I think the value of Karo Michaelian's theory is in the application to single molecules especially at the origin of life, and the origin and replication of DNA. But there is more. KM has more ideas than a whole team of experts can evaluate. He has a list of no less than 16 paradigms in need of reform (chapter 19). Among them The RNA world hypothesis, Metabolism or Replication first, The Last Universal Common Ancestor, The Great Oxygenation Event, the Hydrothermal Vent Origin of Life, Pigments provide photo-protection, Photosynthesis is optimized in nature, and Panspermia. Additionally: homochirality (chapter 14). So, it is clear that he is far more than 'just another critic of evolution'. I personally like original writers the most. Right or wrong. It is intellectual entertainment. And yes, while reading, thinking, and writing, the brain produces a lot of entropy.


Notes

  1. Freeman and Herron (2007) Evolutionary Analysis, fourth edition. Chapter 3.2 'Evolution by natural Selection' (p.76,77,). They list 4 postulates of natural selection and how each of them is tested. On page 93 under the heading 'Fitness is Not Circular' the tautology problem is discussed explicitly.  Required reading! See homepage of my WDW website and the Introduction page for an overview of Evolution textbooks.
  2. In chapter 19 two sections deal with natural selection: 19.2 and 19.8. These should be severely updated and united in one section. Or deleted altogether. Please note that there is no 'natural selection' in the Glossary of technical terms! So, it is undefined in his book!
  3. "if you waste energy you are a loser" are my words, but something very similar is stated by John Tyler Bonner (2006) Why Size Matters, (p.123-): "There is also a constant selection, no matter what the size, for greater [physiological] efficiency." KM: you should seek a connection with metabolism theory. There has been a lot of research on metabolism rates in the animal world. Interesting theory: Rate of living theory: "Support for this theory has been bolstered by studies linking a lower basal metabolic rate (evident with a lowered heartbeat) to increased life expectancy." So, rate of metabolism is under genetic and evolutionary control, and is not simply dictated by physical laws.
  4. Coincidentally, the first sentence in an article about ribosomes in Science 18 May 2018 reads: "From an evolutionary perspective, life involves two simple goals: survival and reproduction." There is, however, a subtle difference between goal and purpose: goals can be measured whereas purposes cannot be measured. (source) [added 18 May 2018]
  5. In an article in Science, 25 May 2018 ("From local collective behavior to global migratory patterns in white storks") it is stated: "Similar to other large-bodied soaring migrants, white storks try to reduce the amount of energetically costly flapping flight by exploiting their atmospheric surroundings." The birds traveled 1000 km during the first 5 days of their migratory journey! Why would the authors use words as "flight costs"? See also this publication: 'The roller coaster flight strategy of bar-headed geese conserves energy during Himalayan migrations'. Science 347, 250–254 (2015). In biology this is all bloody obvious for many years. [added 26 May 2018 ]
  6. The "will to survive" is present in popular science books. For example Steven Pinker writes: "The struggle to stay alive is the primal urge of animate beings." (chapter 5 of Enlightenment now). In evolutionary biology this 'struggle to stay alive' is not an explanation of Darwinian evolution, but an adaptive behavior which is explained by average reproductive success of individuals. So this behavior is an effect, not the cause. It is not primary, but secondary. Compare: "the will to find a partner and have sex" or "why sex is fun". 'Sex is fun' explains why individuals have sex (proximate cause), but differential reproductive success explains why sex is fun (ultimate cause).  Karo confuses proximate and ultimate causes. elementary error. [added 26 May 2018 ]
  7. survival of the fittest: "But it is only that phrase that is tautological; there is nothing tautological about the concept of “fitness”, nor about natural selection. The phrase “survival of the fittest” is not part of a formal statement of Darwinism for that reason: it is a redundant phrase that adds nothing." (coelsblog) [added 30 May 2018]
  8. "An example showing that some kind of natural selection is indeed a force for change in the biological world is the rather recent discovery of bacteria acquiring resistance to our existing arsenal of antibiotics. (...) This appears to be incontrovertible evidence in favor of the theory of evolution through natural selection." (...) "but (...) is neither an accurate nor a useful description of the evolutive process and is insufficient to betray the underlying physical-chemical mechanism of evolution."  (p.299-300). [added 31 May 2018]

 

Postscript

28 May 2018

Here are  3 page scans from Freeman and Herron (see note 1). They show that there is no mysterious metaphysical implicit "will to survive" and no tautology:
  1. page 76, chapter 3.2 Evolution by Natural Selection, with 4 postulates:
  2. page 77
  3. page 93 with heading Fitness is Not Circular