Het einde van het reductionisme? Bespreking hoofdstuk 18 Rolie Barth (2021) De kosmos en het leven, een Meesterwerk

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

1. 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).
2. 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

• Enige kanttekeningen bij het boek van Rolie Barth (1), 03 January 2022
• Rolie Barth over zebra's en Turing modellen, 06 December 2021
  
• Rolie Barth: De Kosmos en het Leven, een Meesterwerk. Eerste indrukken, 29 November 2021