Een interessante overeenkomst tussen Darwin, en Watson & Crick

In de draft versie van mijn vorige blog over vier DNA paradigma's had ik een paragraafje over een opvallende overeenkomst tussen Darwin enerzijds en Watson en Crick anderzijds staan. Ik vond het zo interessant dat ik het bewaard heb voor een apart blog.

Charles Darwin en Watson & Crick publiceerden beide een revolutionaire theorie die de biologie voorgoed veranderd heeft. Charles Darwin op basis van een boek in 1859: The Origin of Species en Watson en Crick op basis van een kort artikel A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid in Nature in 1953.

Dat beide publicaties de wetenschap voorgoed veranderd hebben, staat buiten kijf. Zeker achteraf bekeken. Maar, als je kijkt naar het bewijs op het moment van publicatie, dan is dat nogal zwak [6]. En waren er nog ontzettend veel problemen. En dat is merkwaardig. En plotseling zag ik een overeenkomst tussen beide theorieën. Dat wil zeggen: de hoeveelheid bewijsmateriaal en de problemen die opgeroepen werden.

James Watson en Francis Crick

Het Watson-Crick model werd gepubliceerd en vrijwel meteen als een revolutionaire ontdekking gezien. Als een doorbraak. Als een oplossing van een probleem. En het werd snel algemeen geaccepteerd. Maar tegelijk waren er vele serieuze onopgeloste problemen. De volle omvang van die problemen is pas nu duidelijk. Ik noem er een paar:

• DNA is helemaal niet zo stabiel. Dat was de ontdekking van Lindahl 20 jaar na Watson en Crick. 
• Het C-G basepaar heeft 3 H-bindingen en is 30% sterker dan het basepaar A-T met 2 H-bindingen. Waarom het zwakkere A-T paar in DNA? en niet twee sterke baseparen?
• Tegenstrijdige eisen: enerzijds moet DNA stabiel zijn om als erfelijkheidsmolecuul te kunnen dienen, anderzijds moet de dubbele helix open gaan om afgelezen te kunnen worden. Hoe wordt dat opgelost? (de AT en CG basesparen kunnen dan wel de basis zijn voor stabiliteit maar ze mogen niet irreversibel binden)
• is de helix vorm (in tegenstelling tot bijvoorbeeld een platte ladder vorm) niet een extra belemmering voor het openen van de strengen?
• Nu weten we dat behalve de helix vorm DNA sterk is gecondenseerd in chromosomen (nucleosomen), wat het probleem alleen maar groter maakt. Hoe wordt DNA weer ontrold om afgelezen te worden?
• Er was toen niets bekend over de nauwkeurigheid van DNA replicatie. Men wist van mutaties, maar men nam aan dat baseparen voldoende betrouwbaar waren
• Dit probleem werd snel erkend: hoe worden eiwitten geproduceerd op basis van de baseparen in DNA? hoe ziet de  genetische code eruit? hoe coderen baseparen voor aminozuren? Deze vraag werd als eerste aangepakt.
• Hoe is dit alles evolutionair ontstaan? Daar wordt nog steeds hard aan gewerkt (?)
• etc. etc. etc. [5], [7]

Charles Darwin

Charles Darwin

Weliswaar had Darwin niet een kort artikeltje zoals Watson en Crick, maar de overeenkomst is dat hij de evolutietheorie publiceerde zonder cruciaal bewijsmateriaal [1]:

1. Darwin had geen juiste theorie van erfelijkheid en zijn evolutietheorie had die hard nodig (zodoende kreeg de Lamarckiaanse erfelijkheid van verworven eigenschappen te veel nadruk)
2. Darwin had geen bewijs dat er altijd voldoende erfelijke variatie voorhanden zou zijn als aangrijpingspunt voor natuurlijke selectie
3. Darwin had geen bewijs voor de gemeenschappelijke afstamming van al het leven op aarde. Hoe had hij die kunnen hebben zonder DNA bewijs?
4. Darwin had geen bewijs dat soorten ontstaan door afsplitsing en zo een grote 'Tree of Life' vormden
5. Darwin had in 1859 nauwelijks fossielen, laat staan fossielen van overgangsvormen ('missing links')
6. Darwin had geen bewijs voor het bestaan van natuurlijke selectie in de natuur (wel van kunstmatige selectie).
7. Darwin had geen bewijs van de afstamming van de mens (van de aap-achtigen)
8. etc. etc. etc.

Darwin had zeker vele plausibele argumenten, dat wel. Zijn Origin was één groot argument. Maar hij had geen of nauwelijks harde bewijzen [2]. Niemand in die tijd. Tegenwoordig hebben we de tools, de data en de bewijzen, maar nog steeds werken evolutiebiologen aan de details (of meer dan details?).

Overeenkomsten

De overeenkomsten vallen mij op:

• het waren revolutionaire theorieën, nieuwe paradigma's
• met grote impact op de biologische wetenschappen
• ze hadden waanzinnig veel wetenschappelijke implicaties
• en bijgevolg vele onopgeloste problemen,
• waarvan vele pas jaren later boven water kwamen
• maar de paradigma's werden desondanks aanvaard door de wetenschappelijke gemeenschap

Vooral dat gegeven van weinig bewijs en veel onopgeloste problemen valt mij op. Zou dit verschijnsel vaker voorkomen in de wetenschapsgeschiedenis? (Einstein's speciale en algemene relativiteits theorie?[4]  Continental Drift?). Als het klopt, dan zegt het iets over hoe wetenschap werkt in de praktijk. Ik weet niet of dit verschijnsel bekend is in de wetenschapsfilosofische of wetenschapshistorische literatuur.

Waarom is dit allemaal zo belangrijk? Wat Darwin betreft is dit van belang, omdat creationisten al 150 jaar eisen dat de evolutietheorie compleet moet zijn, en dat er compleet bewijs moet zijn voor de theorie, en dat deze anders verworpen dient te worden. Als creationisten dezelfde eisen aan Watson en Crick zouden stellen, dan was de moleculaire structuur van DNA een controversiele theorie en daarmee de hele moleculaire genetica!

De verschillen

• Watson en Crick hadden minimaal bewijs, het was eerder een zeer elegante hypothese, maar het probleem dat ze wilden oplossen, de structuur van DNA, was een afgebakend probleem. En ze hadden het geluk dat DNA een regelmatig molecuul was met een eindeloze herhaling van maar twee baseparen en maar één soort suiker en fosfaat. Dat zijn dus maar 6 componenten. DNA was weliswaar een lang molecuul (Watson en Crick wisten absoluut niet hoe lang!), maar ze wisten wel dat het uit een zeer beperkt aantal componenten bestond. Het DNA structuur probleem had maar een beperkt aantal oplossingen, misschien maar één goede oplossing. Het was vrij gemakkelijk uit te maken of het model goed of fout was. 
• In tegenstelling hiermee had Darwin's evolutietheorie waanzinnig veel implicaties op vele wetenschappelijke terreinen, en niet één simpele oplossing. Het was geen simpele theorie. En het was niet makkelijk aan te tonen of de theorie goed of fout was.
• Nog een verschil: de oplossing van de structuur van het DNA bedreigde geen gevestigde belangen, integendeel. En er waren geen concurrenten. Darwins oplossing bedreigde grote gevestigde belangen (religie!) en er waren oudere concurrenten (Lamarck) en een tijdgenoot (Wallace).

Paradigma is voorwaardelijke oplossing

1 december 2015

Nadat ik bovenstaande had geschreven, realiseerde ik mij dat een paradigma in de zin van Kuhn eigenlijk geen oplossing is, maar een voorwaardelijke oplossing. Voor Kuhn was een paradigma een voorbeeldige oplossing, voor Lakatos een onderzoeksprogramma. Dat laatste klopt, maar het onderzoeksprogramma moet de vragen oplossen die het paradigma opgeroepen heeft. Het is dus géén vrijblijvend onderzoeksprogramma dat de vrijheid heeft om onderzoeksvragen te kiezen. Het nieuwe paradigma is een oplossing op voorwaarde dat de problemen die het opgeroepen heeft opgelost worden. Lukt dat niet, dan is de oorspronkelijke oplossing in feite geen oplossing.
Voor de evolutietheorie betekent dat (neo-)Darwinisme een oplossing is voor het ontstaan van soorten op voorwaarde dat de problemen die ik hierboven opsomde opgelost worden. Dit idee ken ik niet uit de literatuur, dus volgens mij is dat nieuw. Ik moet het nog verder uitwerken (ook voor Watson en Crick).

In tegenstelling tot wat ik boven schreef hadden critici van Darwin gelijk dat er nog veel problemen opgelost moesten worden, voordat we van een 'complete' oplossing kunnen spreken [3]. De 150 jaar na de Origin of Species was een periode dat Darwinisten de plicht hadden alle problemen op te lossen. Het was géén vrijblijvend onderzoek. Ze beseften dat niet. Misschien hebben ze gedacht dat ze de oplossing in handen hadden, maar dat was niet zo. De critici waren te ongeduldig. Maar alle 6 problemen die ik hierboven noemde zijn ondertussen in voldoende mate opgelost. Nieuwe problemen dienden zich na 1953 aan: de Eigen- en de Lindahl paradox bijvoorbeeld. Vallen die ook onder de voorwaardelijke oplossing van het Darwinisme? Wordt vervolgd!

Noten

1. In 1859. Voor een complete lijst van problemen zie: In What Way Was Darwin Wrong? op mijn WDW website.
2. Barry Gale (1982) 'Evolution Without Evidence. Charles Darwin and The Origin of Species'. University of New Mexico Press. Mijn review van het boek.
3. De kritici (de creationisten) hadden geen gelijk wanneer ze Darwinsime wilden vervangen door een bovennatuurlijke 'oplossing', want dat is geen wetenschap. 
4. Gravitatiegolven zijn de laatste nog niet geteste voorspelling van Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie. Waarschijnlijk is de theorie compleet, maar is hij daarna compleet getest?
5. Dat met baseparing het verhaal klaar is, blijkt achteraf een grote vergissing: "mutational processes include exposure to exogenous or endogenous mutagens, abnormal DNA editing, the incomplete fidelity of DNA polymerases, and failure of DNA repair mechanisms"  Ludmil B. Alexandrov (2015) Understanding the origins of human cancer, Nature.
6. "The previously published X-ray data^5,6 on deoxyribose nucleic acid are insufficient for a rigorous test of our structure. So far as we can tell, it is roughly compatible with the experimental data, but it must be regarded as unproved until it has been checked against more exact results." 1953 Watson-Crick publicatie.
7. Spontaneous deamination is the hydrolysis reaction of Cytosine into Uracil, releasing ammonia in the process. wikipedia.