Het einde van het reductionisme?
"Alles bij elkaar genomen is dit het einde van het reductionisme" (p.358).
|
Rolie Barth (2021)
De kosmos en het leven, een
Meesterwerk
|
"Het einde van het reductionisme" is de titel van paragraaf 14 van
Hoofdstuk 18 'Gekanaliseerde evolutie' van het boek De kosmos en het leven, een Meesterwerk van fysicus-predikant
Rolie Barth.
De auteur omschrijft reductionisme als:
"de overtuiging dat alle biologische rijkdom uiteindelijk te herleiden is
tot atomen en moleculen in combinatie met de fundamentele natuurwetten,
vooral de kwantumfysica en -chemie. Alsof het leven niets anders is dan
complexe fysica." (p.355).
Wel, dit is jammer voor voor de verklaring van de strepen van de zebra! (zie
omslag van het boek). Want: "In het model van Turing kunnen patronen
ontstaan wanneer twee of meer chemicaliën zich met met verschillende
snelheid door een weefsel verspreiden en ondertussen met elkaar reageren."
(p.197). Die twee stoffen noemt men de 'activator' en de 'inhibitor'. Door
de interactiesterkte tussen activator en inhibitor te variëren krijg je
zebra's met verschillende driedimensionale patronen (p.199-200). Wat gebeurt
hier? Het zebrapatroon verklaren met twee stofjes? Dat lijkt sterk op
reductionisme. De verspreiding van die twee stoffen wordt door Barth vergeleken met diffusie van stoffen in een gas of vloeistof (p.198).
Is dit een biologisch patroon reduceren tot het natuurkundig proces diffusie?
"Er is grote overeenkomst tussen de vorming van zandribbels en die van
zebrastrepen." Zandkorreltjes! Alweer elementaire fysica. We zien hier
reductionisme in actie: zebrastrepen worden gereduceerd tot de diffusie en
interactie van twee stofjes. Barth heeft zelf een tweedimensionaal
schema ontworpen voor de ontwikkeling van vingers en tenen op basis
van een activator en inhibitor (p. 340). Tsja, die twee
stofjes zijn eiwitten die op genen gebaseerd zijn ... je kunt dus nog niet zonder genen.
Ik geloof net als Barth dat Turing modellen in de biologie
verhelderend [1] kunnen zijn. Turing modellen kunnen testbare hypothesen opleveren. Die hypothesen
kunnen in experimenten getest worden (zie
mijn blog over Turing modellen), verfijnd worden, en zo nodig worden er meer variabelen ingevoerd om ze realistischer te
maken. Maar, in tegenstelling tot wat Barth denkt, zijn ze slechts
verhelderend zolang we ze blijven gebruiken als
methodologisch reductionisme. Dus als onderzoeksmethode. Dat is wat anders dan "Alsof het leven niets anders is dan complexe fysica!". Want dat is
ontologisch reductionisme: de aanname dat er niets anders bestaat dan verzamelingen atomen en hun interacties. Het succes van Turing modellen toont aan dat de wetenschap
niet kan zonder methodologisch reductionisme. Ik denk dat Barths
probleem met 'het reductionisme' verdwijnt als hij onderscheid maakt
tussen methodologisch en ontologisch reductionisme. Als
Barth met reductionisme bedoelt dat DNA en eiwitten niet alles kunnen
verklaren in de biologie, dan ben ik akkoord. Ook chemische-fysische krachten spelen een rol .
Is kanalisatie in feite reductie?
"Mutaties en natuurlijke selectie exploreren daarom het reservoir van
fysisch mogelijke protein folds. ... Kortom, eiwitevolutie kan putten
uit een reservoir van
een beperkt aantal fysisch mogelijke structuren. ... De evolutie van
eiwitten wordt daarom voor een deel gekanaliseerd door fysische
mogelijkheden van ketens van aminozuren." (p.345).
Wat hier gebeurt is de evolutie van eiwitten verklaren door de
eigenschappen van de onderdelen van eiwitten, nl. de aminozuren. De
reductie gaat nog verder: het gaat eigenlijk alleen om de fysische-chemische eigenschappen 'waterafstotend' en 'waterminnend'. En er
bestaat maar een beperkt aantal mogelijke structuren die gedicteerd worden
door de fysica en chemie. Daar is niets mis mee, maar dat is wel een reductie naar een lager niveau dan het biologsiche.
In een volgende paragraaf van hetzelfde hoofdstuk wordt het
energieverbruik van dieren gereduceerd tot de fysica van de
stofwisseling. Er wordt een fysisch wiskundig model
opgesteld ter verklaring van de relatie stofwisseling en lichaamsgewicht
(p.349).
"De stofwisseling ... is te herleiden tot dezelfde fysische
mechanismen."
'Herleiden tot' is: 'reduceren tot'. Het is logisch dat een fysicus tot
een fysische benadering van evolutie komt. Als biologen evolutie verklaren
door mutaties in het DNA,
dus reductie tot het moleculaire niveau, maar binnen de biologie, is dat dan verwerpelijk reductionisme? Barth reduceert biologische
verschijnselen tot een nog dieper liggend niveau: de fysica, een vak dat over dode dingen gaat.
Kanalisatie: maar hoe?
Er bestaat maar een beperkt aantal mogelijke eiwitstructuren die
gedicteerd worden door de fysica. Vraag: hoe zou de evolutie (van
eiwitten) er uit zien zonder die beperking? [2]. Zou er dan een
onbeperkt aantal eiwitstructuren mogelijk zijn?
Volgens de database Pfam
zijn er 17,929 protein families. Dat is niet weinig.
Iedere eiwitfamilie bestaat uit meerdere eiwitten die een
gemeenschappelijke evolutionaire afkomst hebben.
DeepMind’s AlphaFold
tool heeft de 3D structuur van ongeveer 200 miljoen eiwitten bepaald. Dat
zijn alle nu bekende eiwitten. Het totaal aan alle eiwitstructuren heet:
The Protein Universe.
Vraag 1: HOE is evolutie van levensvormen precies gekanaliseerd?
We hebben nu naar schatting 8,7 miljoen planten en diersoorten. Zou er
een veelvoud zijn zonder kanalisatie?
Vraag 2: HOE ziet evolutie er uit zonder die beperking die er
vanuit de fysica wordt opgelegd? Je moet die twee zaken kunnen
vergelijken.
De rol van genen!
"Deze conclusie betekent niet dat de rol van genen uitgeteld is..."
(H18, p.353)
Dit doet welhaast komisch aan! Alleen al het idee dat genen een ondergeschikte rol zouden spelen! De
mens heeft 3,2 miljard base paren en 20.000 eiwit-coderende genen. De
Afrikaanse longvis heeft 40 miljard base paren, dat is ruim 10x zoveel DNA als de mens! Is al dat DNA wel nodig gezien 'zelforganisatie'? Je verwacht dat je niet veel genen nodig hebt als zelforganisatie een grote rol speelt in het leven. Order for free.
DNA is
het centrale onderwerp van de evolutiebiologie. In evolutie draait uiteindelijk alles om DNA. Levende systemen zijn
informatie-gedreven systemen (Hubert Yockey). Die systemen bestaan niet in de fysische wereld, de wereld van dode dingen. De twee stofjes die de zebrastrepen veroorzaken (activator, inhibitor) zijn eiwitten die onvermijdelijk door genen worden geproduceerd. Als Barth met reductionisme de claim bedoelt dat DNA en eiwitten alles kunnen verklaren, dan ben ik akkoord dat dat reductionisme is. Ook chemische-fysische krachten spelen een rol.
Het
idee dat fysische verschijnselen een grotere rol spelen dan DNA, genen en eiwitten moet dan ook wel van een niet-bioloog afkomstig zijn.
Overigens is Rolie Barth een uitstekende bruggenbouwer. Hij is thuis in de
wereld van de fysica en heeft zich behoorlijk verdiept in de biologie. Het
is eigenlijk ongelofelijk dat dit boek een eenmanswerk is! Het boek is een Meesterwerk!
Fysici spreken een andere taal
-
zelforganisatie (niet in Verklarende Woordenlijst)
-
niet lineaire dynamische systemen (uitgelegd op p.211)
-
circulaire causaliteit (wel in index)
-
kanalisatie (niet in index en Verklarende Woordenlijst)
Deze begrippen worden wel uitgelegd in het boek, maar blijven voor
biologen vreemde begrippen. Uiteindelijk zijn het begrippen ontwikkeld
voor levenloze systemen. Het doet altijd wat geforceerd aan om ze toe
te passen op levende systemen. De biologie werkt met begrippen die van
begin af aan voor levende organismen zijn ontwikkeld. Bijvoorbeeld: in de
evolutiebiologie is het begrip sex van cruciaal belang, maar het komt niet
voor in de fysica. Net als erfelijkheid. Kijken we naar een artikel waar
Rolie Barth naar verwijst:
The Scales That Limit: The Physical Boundaries of Evolution. Het is geschreven door twee theoretisch biologen en een wiskundige. Het is
een belangrijk onderwerp relevant voor evolutiebiologie maar de taal die
er wordt gesproken is geavanceerde wiskunde, ontoegankelijk voor de meeste
biologen, uitgezonderd het specialisme mathematische en theoretische
biologie.
Vanuit de biologie zijn wel aanzetten te vinden in die richting.
Bijvoorbeeld Stephen J. Gould (mijn review) heeft zich zeer uitgebreid beziggehouden met de vraag of natuurlijke
selectie en mutatie het fenotype van een organisme volledig kan verklaren.
Hij betoogde dat ook historische en structurele constraints een rol
spelen:
|
Figure 10-10 S. J. Gould (2002)
The Structure of Evolutionary Theory.
|
De fysisch en wiskundig georiënteerde biologen en mensen als S.J. Gould
zouden moeten samenwerken. Alleen een nauwere samenwerking maakt kans op een
nieuw hoofdstuk in een evolutie studieboek. Die boeken hebben tegenwoordig al een
omvang van 782 pagina's. Bijvoorbeeld het recente Zimmer, Emlen (2020)
Evolution. Making Sense of Life', Third edition. Er zou een hoofdstuk uit moeten verdwijnen (mijn
suggestie: gooi 'Quantitative genetics' er uit!) om plaats te maken voor een
nieuw hoofdstuk Constraints on evolution.
|
Zimmer, Emlen (2020)
|
'Kanalisering' is aanwezig in dit boek. Er is een paragraaf 'Constraining evolution: Obeying the laws of physics'
(par 9.8 p.342 ). Er wordt maar 1 voorbeeld gegeven: hoe insectengrootte
beperkt wordt door de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer. Ook komen ogen
in het boek aan bod. De vorm van lenzen wordt bepaald door de wetten
van de optica. De paragraaf kan uitgebreid worden tot een heel hoofdstuk.
Wie gaat die schrijven? Onderwerpen als de optica (ogen) en aerodynamica (vogels, vleermuizen, insecten) moeten er zeker in voorkomen. Mijn eigen wensen voor het ideale evolutie studieboek zijn een betere
integratie van evolutiebiologie met kosmologie, astrobiologie en Big
History. Dit kan allemaal uitstekend op een aantrekkelijke manier gedaan worden.
Fysici
zullen zich het unieke van de biologische denkwijze eigen moeten maken om te
kunnen samenwerken. Een voorbeeld van hoe het niet moet is fysicus Karo Michaelian die biologen de les wil leren zonder iets van biologie te begrijpen of zelfs te willen begrijpen (zie
mijn blog). Barth heeft zich behoorlijk in de biologie verdiept maar blijft op een fysische manier denken.
Er bestaan vele boeken op de intersectie evolutie-fysica-engineering,
waaronder een aantal populair wetenschappelijke boeken. Ik heb op mijn
website een speciale sectie
fysica, engineering and evolution
waarin ze kort toegelicht worden. Er is meer dan voldoende materiaal. Daar ligt het
niet aan.
23 mrt: paar zinnen ter verheldering toegevoegd in de tekst.
Noten
-
Rolie Barth: "Bij het lezen van artikelen over Turing-patronen ging het licht aan.
Als je twee of meer stoffen in een vloeistof oplost en ze zijn egaal
verdeeld, dan verwacht je niet dat die stoffen na verloop van tijd
zich vanzelf van elkaar scheiden, zodat er patronen ontstaan, zoals
strepen, vlekken, spiralen en takvormige structuren. En dat is precies
wat er gebeurt bij zelforganisatie." (pagina
500).
-
Vergelijk: het aantal boeken dat je kunt schrijven in de Nederlandse
taal wordt voor een deel gekanaliseerd door een beperkt alfabet,
woordenschat en grammatica. Is dit echt een beperking?
Vorige blogs
