"The aim of this book is to show why these metaphors are inadequate, why
they need replacing, and why we will not understand how life works until we
do. It also attempts to sketch out what might be put in their place."
(Prologue, How Life Works, Philip Ball, 2024).
To explain 'How life works' is an extremely ambitious venture with a 2000 year history. But first: what are these metaphors? For example this one: DNA is 'the secret of life'. The Human Genome is said to be 'our own instruction book' and 'The Book of Life'. But according to Ball this is like looking into a dictionary to understand literature. My impression is that Ball is throwing 'the dictionary' (DNA, the genome) out the window. But we haven't even finished completing the dictionary, we don't know how many words there are and how the words are used.
My problem with Ball is that he overreacts in such an extreme degree that he tries to doubt the importance of the discovery of the structure of DNA by Watson and Crick in 1953 (see my previous blog). Tellingly, Ball relegates the 1962 Nobel Prize for DNA to a footnote. I can't say it better than Bergstrom and Dugatkin in their most recent Evolution textbook:
|
|
Bergstrom,Dugatkin (2023) |
"For the better part of the past 4 billion years, desoxyribonucleic acid -DNA- has been the chemical underpinning of life on Earth. At a very basic level, it is changes in DNA sequences and DNA expression that underlie the process of biological evolution by driving changes in phenotype and causing differences in fitness."
After a description of the Watson-Crick structure of DNA they continue:
"Pause for a moment and consider what is encapsulated into those last six sentences: It is a triumph of modern biology that we are capable of describing the stuff of life in such succinct terms." [2]
Furthermore, we have good reasons to claim that DNA is the only molecule capable of
sustaining life and giving rise to millions of species. There are no known
rivals. There is no alternative. It would be a huge error to dismiss DNA to
explain life on earth.
Ball is not the first scientist to claim that DNA is not 'the secret of
life'. Nearly 30 years ago Stuart Kauffman wrote:
"Life does not depend on the magic of Watson-Crick base pairing or any other specific template-replicating machinery." [3]
Nick Lane (2022) wrote: "genes did not 'invent' metabolism, but the reverse." [4], others have similar views [6].
One can't discuss biology and evolutionary biology if one doesn't get DNA right. Philip Ball downgrades DNA to an extreme degree. But both emphasizing and de-emphasizing DNA too much is a bad thing. Emphasizing DNA too much only occurs with claims like "DNA is the blueprint of life" [5] and "DNA copies itself", "DNA self-replication", "Gene self-replication". Let's have a closer look.
Biologists know that these statements are only true in the cellular
environment. Just as viruses can't self-replicate, 'our' DNA can't
'self-replicate'. DNA needs enzymes (polymerases) to replicate. Viruses need enzymes to replicate. This view creates a unity between viruses and 'our own' DNA. There is only a gradual difference in usefulness for the host (some claim that there are useful viruses).
No biologist
ever said DNA is alive. It is a big but dead polymer. It's an archive, a library. Biologists know that DNA
on its own is not sufficient to explain life. The reason is that life
consists of three interconnected subsystems: a hereditary system (DNA,RNA),
an energy producing subsystem (metabolism) and a boundary system
(membrane):
|
|
The 3 parts of life according to
Tibor Gánti [1] 1. chemical motor system = metabolism 2. chemical boundary system = cell membrane 3. chemical information system = heredity, DNA |
It is immediately clear from this diagram that by definition only
the total system can be called alive. DNA is a subsystem. So, it follows
from the logic of this definition of life that DNA isn't alive. Furthermore,
I didn't realize until now that our
own DNA depends just as much as viruses on the cellular environment to do anything at all. I didn't see it
in that way before. Viruses aren't alive. DNA isn't alive. Interestingly, it
follows also that 'our' DNA is a kind of 'parasite' of the cell. The
cell, our cells are its hosts. So, not just DNA sequences such as
transposons are parasitic. Paradoxically, the whole genome is a 'parasite'. A parasite requires a host. We are the host. Did I just rediscover Dawkins'
selfish gene concept? By the way, the 'parasitic'
nature of DNA is also the reason it can't be involved in the origin of life.
In that sense DNA can't be the start of life.
|
|
vicious circle |
In the cellular environment DNA is not 'the start of everything', despite the fact that
according to Crick's famous 'Central Dogma' information flows from DNA to protein. That may be confusing for some. DNA
is not the start of everything in the cell. A circle has no starting point. Proteins are always required In the processes of DNA-replication, DNA transcription, mRNA splicing and
translation. Those proteins must be present and have been synthesized
earlier on. Indeed they have been synthesized on the basis of information in
DNA. And in order to read that information enzymes have to be
present...etc. That's the circle.
Strictly speaking genes do not 'control' development, because that suggests an active involvement of genes. Genes do not express themselves, they are being expressed. I agree with Ball's criticism that genes are not actively doing anything [6]. That's a gain.
However, Ball's main point is that in order to understand 'how life works' one
must understand the biochemical and physical forces involved in the cell and
the organism. In the chapters Networks, Cells, Tissue, Bodies, Rethinking medicine, dozens of
genes pop up again and again:
Src, Int1, TNF, bicoid, caudal, even-skipped, Hunchback, Giant, Kruppel, Dkk2, Dkk4, FGF, Sonic hedgehog, HoxD13, FGFR3, EDAR, Hsp90, Notch, Otx, Hex, Wnt, Nodal, E-cadherin, SHH, Shroom, myosin II, NF1, NF2, chordin, BMP, TGF-β, Gata1, Gata2, GPU.1, Sinr, SinI, Oct4, Sox2, c-Myc, Klf4, FBn1, CFTR, TSLP, CTLA4, IL6R, HBB, SRY, Sox9, SF1, APP, BRCA1, BRCA2, p53, ZIC4, ...
Conclusion:
- If you can't tell a DNA-free, gene-free story, then don't pretend you can.
- If you do tell a DNA-free, gene-free story, then what is its relevance to biology?
-
If you need genes to tell your story, give them a proper place in your
story.
For example Ball writes in chapter 8:
"The discovery of 'patterning genes' for the early body plan transformed our understanding of how genes affect development, and won Nüsslein-Volhard and Wieschaus the 1995 Nobel Prize for physiology or medicine".
|
|
Christiane Nüsslein-Volhard (2006) Coming to Life How Genes Drive Development |
Indeed! There you have it. According to the Nobel Prize website they "succeeded in identifying and classifying the 15 genes that direct the cells to form a new fly." So, 1) it's all about genes, 2) if genes are the words of the dictionary, then they discovered the meaning of those words. Those 'blueprint-geneticists' discovered which genes are used in the early embryonic development, and when and where they are used. They discovered not only isolated words, but the context in which they are used. They are making significant progress in understanding important sentences of the 'language of life' (Francis Collins: 'the language of God'). It is part of 'how life works'. This research is opening the black box of development (see Fig. 2.1 in Ball's book).
Anyway, there are no gradients without gene products. Alan Turing invoked hypothetical morphogens and gradients. Those 'blueprint-geneticists' proved that morphogens do exist. Just as those 'blueprint-geneticists' have proven that Mendels hypothetical factors do exist. That is science. That is progress.
There is a lot more to say. But this is enough for today. I invited a physicist to comment on the physical aspects of How Life Works.
Postscript: a contradiction
2 March
I discovered a few sentences in chapter 9 which seem to nullify everything Ball wrote in chapter 2 against the importance of DNA:
"we each have within us a deep evolutionary memory embodied in our genomes. If these are not blueprints, they nevertheless do encode information shaped and inherited over eons that is indispensable to our formation." chapter 9. 17/123
Well, in essence this is identical to my quote from Bergstrom-Dugatkin. ('eons' is in fact 3.5 billion years). Here, Ball describes the indispensability of DNA! Does it matter whether DNA is called a 'blueprint' or 'indispensable information'? What's the difference? He continues:
"To what extent life is dictated by this Darwinian memory and to what extent it can draw on spontaneous ordering mechanisms is one of the central questions for understanding how it works."Indeed, that seems to be the central question of the book How Life Works. It's all about the relative importance of DNA and spontaneous order. Both are indispensable. Then, why write a whole book to downplay DNA? Maybe, the consensus view in biology is that DNA is the most important cause of the creation of an organism?
Notes
-
Tibor Gánti (2003) The Principles of Life. See:
my review. Ball points out that a living entity must have a boundary of some kind (Ch 9. 83/123)
- Bergstrom, Dugatkin (2023) Evolution, p 189. (textbook) see my website.
- Stuart Kauffman (1995) 'At Home in the Universe. The Search for Laws of Self-Organization and Complexity' (my review). Ball doesn't mention Kauffman's book.
- Nick Lane (2022) Transformer: The Deep Chemistry of Life and Death.
- No biologist uses 'Blueprint of life' literally. That's impossible: DNA is a linear sequence. A cell is 3-dimensional object. In a review of How Life Works Denis Noble wrote "It’s time to admit that genes are not the blueprint for life" (Nature). Fine, what are genes really?
- Ball quotes Richard Lewontin (1992): "Not only is DNA incapable of making copies of itself, but it is incapable of 'making' anything else." (end of Chapter 2) [1 March 2024]
Blogs about How Life Works
-
A review of Philip Ball (2024) How Life Works. With Postscript 29 Feb 2024
- The Secret of Life according to Philip Ball, 19 Feb 2024
- What's wrong with a DNA-centric view? Philip Ball (2024) How Life works, 12 Feb 2024.
Reviews by others
- Adam Rutherford: How Life Works by Philip Ball review – the magic of biology. The Guardian, 11 Jan 2024.
Gert, I reread chapter 2, I agree that Ball is too negative about genes, not only in this chapter but in the whole book! His main point is that the widely used ‘blue print’ metaphor is wrong. The whole book “How life works” is an attempt to dismantle this idea. He argues that even for many proteins there is not a 1:1 relation to genes because of alternative splicing (in the case of eukaryotic cells). Of course that is right, but without genes there would be no splicing at all – something Ball would never deny of course.
ReplyDeleteHe could have made his statement more clear by saying that no any organism is ‘constructed’ from genes like an airbus is built from a fully detailed set of drawings, where each screw and wire needs to be in place to prevent malfunctioning. I think no biologist would believe that life is working like this. The weak point of Balls critics on the blue print metaphor is that he takes it to literally.
But, Balls book also is a strong protest against the ‘selfish gene’ concept of Richard Dawkins. Such metaphoric language suggests that genes are operational modules that fully control the cells and organisms. Which is definitely not the case.
So, I agree with you that the central question of the book is all about the relative importance of DNA and spontaneous order. Interpreting ‘spontaneous order’ as order arising from the lawful, collective behavior of particles such as morphogens and cells. In such complex systems genes don’t program for patterns and the like, but for crucial parameters of morphological processes.
Gert, het raadsel van het leven?
ReplyDeleteIk dacht dat Darwin dat voor ons opgelost had, dat alleen de herkomst een vraag bleef: scheikunde of buitenaards?
Met deze post maak jij me duidelijk wat ik die mij nooit zo heeft bezig gehouden: dat je leven niet eens kunt aanwijzen, zelfs niet als je het in je handen hebt. Je noemt het een levend wezen, maar waar zit dat leven?
Ik weet niet of het jouw bedoeling was, maar daar moest ik ineens over nadenken en ik begrijp dat we daar ook (nog) niet uit zijn. Misschien daarom dat het Cees Dekker nog steeds niet gelukt is een celletje te bouwen?
En nooit zal lukken, denk ik erbij.
Tegelijkertijd zag ik op het blog Sandwalk van Larry Moran de vraag langs komen:Why philosophy of biology waar ene Robert Lawrence Kuhn zich mee bezig houdt. En ik vroeg me af: zit er toch niet meer filosofie in evolutie dan we aankunnen.
Moran heeft het niet zo op filosofie en ik krijg er, wetenschappelijk gesproken, ook de kriebels van.
https://sandwalk.blogspot.com/2024/03/why-philosophy-of-biology.html
Hallo Leonardo! Leuk dat je langs komt op mijn blog. Ja, The Secret of Life daar kun je verschillende dingen mee bedoelen.!
ReplyDeleteJa, WAAR zit dat leven? Het zit niet in 1 eigenschap. Het is de interactie van drie subsystemen! Niet een van de drie, maar alledrie.
Leonardo, jij zag ook de link op Sandwalk. Die video heb ik ook bekeken en vond die inspirerend. Robert Lawrence Kuhn had ook een video over Information in biology. Ik heb naar aanleiding daarvan weer eens wat gelezen in de Philosophy of Biology. Ik ben nu het ebook van Paul Griffiths, Karola Stotz (2013) 'Genetics and Philosophy: An Introduction' aan het lezen. Zij hebben een uitgesproken anti gene-centrism standpunt, net als Philip Ball. Maar zij doen het zorgvuldiger en systematischer, zoals filosofen het doen. Veel vind ik mierenneukerij en sla ik over. Maar er zitten nuttige inzichten in. Goed als achtergrond om Ball beter te kunnen beoordelen. Ball is nogal slordig hier en daar, en niet goed doordacht.
Na, een gastblog, probeer ik nog een definitief eindoordeel te schrijven... Hoop ik...
Bedankt Gert,
ReplyDeletePhilip Ball is chemicus en natuurkundige. Ik las wel eens artikelen van hem in verschillende online bladen, zoals Quanta magazine en vond ze best goed.
Ik sta versteld van zijn stelling dat DNA en genen niet de basis zouden vormen van leven en biologie. Als je heel cynisch bent kun je stellen dat deze antithese de lezers nieuwsgierig maakt, en dat verkoopt waarschijnlijk beter dan iemand die biologie netjes volgens de klassieke weg uitlegt of er over schrijft.
Ik wilde nog iets toevoegen over het Centrale Dogma. Dat DNA zichzelf niet kan repliceren. Dat is absoluut waar. Het is daarentegen wel mogelijk om RNA te repliceren/transcriberen in DNA door de reverse transcriptase. Het zijn de (retro)transposons die door ons genoom springen en de retrovirussen die zich er nestelen. Wij zien dit altijd als een fout in de ‘normale’ gang van zaken, omdat deze retrotransposons mutaties kunnen veroorzaken, terwijl het al honderden miljoenen jaren aan de gang is. Maar het maakt zeker deel uit van de cyclus van het retrovirus, maar dus ook van de ‘cyclus’ van ons DNA, het genoom! Precies omdat het een cyclus betreft is er geen startpunt. Je kunt bij het DNA of het retrovirale RNA beginnen. In dat opzicht kan DNA zichzelf repliceren.
Overigens, Patrick Forterre, viroloog, is overtuigd dat het leven begon met DNA-virussen die de eerste cellen, die RNA als genoom bevatten, infecteerden.
Natuurlijk zijn DNA en RNA niet levend. Zoals we weten wordt er wel van uitgegaan dat ze in de prebiotische wereld in een wedloop om de ‘fittest’ verkeerden. Het RNA dat sneller repliceert en stabieler is ‘wint’. Er zijn ook RNA’s die met de juiste ingrediënten zelfstandig in vitro repliceren. Het RNA en DNA was (waarschijnlijk) toen al fundamenteel als ingrediënt voor de start van het leven. De uitspraak van Lane (voorgaande blog) “genes did not 'invent' metabolism, but the reverse.” is enigmatisch. Het metabolisme wordt uitgevoerd door eiwitten. Bedoelt hij dat eiwitten eerder in de cellen bestonden en de genen bouwden of bedoelt hij dat het metabolisme en dus het leven ontstaan is rond de zwavelgradiënten in de thermische vents, het eerste chemische gradiënt?
Je zet ons wel aan het denken en ik ben erg benieuwd naar de vervolg blogs.
Leonardo,
ReplyDeleteEr bestaan nauwelijks korte definities van ‘leven’ waar iedereen tevreden over is. Ik vond laatst deze:
Leven is een natuurlijk proces dat plaats heeft in complexe georganiseerde dynamische structuren die wij levende wezens noemen.
Van Jaime Gómez-Márquez
Best goed geformuleerd omdat het duidelijk is dat het om een proces gaat en dat wij (subjectief), die zelf ook tot de levende wezens behoren, dit leven noemen en zo classificeren.
Marleen, en ook Gert,
ReplyDeleteEr is wel vastigheid in de logica, of, zo je wilt, in de filosofie. Een zaadje ontmoet een eitje en op dat moment wordt er veel vastgelegd. Blueprint. Bouwplaat.
Ruim 130 jaar geleden ontmoette in West Europa een zaadje een eitje en er kwam een zeer gewelddadig persoon tevoorschijn. Iets eerder hadden ergens in Zuid Azië een zaadje en een eitje elkaar ontmoet en er kwam een zeer vredelievend persoon uit. Maar ’t is niet zo dat er in West Europa alleen maar heel gewelddadige personen geboren worden, en in Zuid Azië alleen maar vredelievende personen.
En zo ontmoetten, nu zo’n 350 jaar geleden in West Europa een zaadje en een eitje elkaar en er kwam een componist tevoorschijn waar we nu nog stil van worden. En in Zuid Amerika kwam, nu ruim 80 jaar geleden, een zaadje een eitje tegen en er kwam een zeer getalenteerde voetballer uit. Niet dat er in West Europa alleen maar grote componisten opgroeien en in Zuid Amerika alleen maar talentvolle voetballers.
En allemaal zijn ze groot geworden met moedermelk en Olvarith (of een remplaçant daarvan) en daarna aten ze allemaal stamppot andijvie met spekjes of lekkere currygerechten of feijoada. Maar wel heel verschillende persoonlijkheden.
Én: twee unieke kenmerken. De vingerafdruk en het DNA.
Dat wil zeggen: mijn DNA en het DNA van een kanariepietje lijken niet zo heel erg veel op elkaar, terwijl het DNA van mijn vader en dat van mij als twee druppels water zijn. En het zegt toch wel iets dat geweldsmisdrijven opgelost kunnen worden met DNA onderzoek.
En van dat DNA ben ik, sinds ik mij, dankzij jullie, met evolutie bezig mag houden, overtuigd dat de logica zegt dat die verschillen in dadendrang en verschijningsvorm veel, heel veel met dat DNA te maken hebben en dat die vingerafdruk een gevolg is van het DNA. Ik geloof nu zelfs dat de jaren die ik op deze aardkloot mag doorbrengen – móet doorbrengen! – min of meer vastliggen in het DNA (een mogelijkheid die door de wetenschap niet afgewezen wordt) en dat ik daar alleen wat aan kan doen door voor een trein te springen – en misschien ligt dat zelfs wel vast in die bouwplaat.
En misschien dat je “leven” niet onlosmakelijk met DNA mag verbinden, maar wel met die dadendrang, en dat is toch wat leven manifest maakt. Zonder verschil in dadendrang wordt alles dood(s).
Mijn manier om over mijn DNA na te denken. Okay, grote stappen gauw thuis, maar wel heel logisch.
En dan komt de filosofie om de hoek kijken.
Determinisme? Het mechanistische wereldbeeld?
De vrije wil. Had Hitler een andere persoon kunnen worden als Kaiser Wilhelm II niet in de eerste wereldoorlog was gestapt en Hitler niet naar Frankrijk en België had gestuurd? (Let wel: Wilhelm kwam ook tevoorschijn uit zo’n blueprint.)
Marleen, dank voor je commentaar. Sorry, voor de vertraging. Frans de Waal kwam er tussendoor. Daar moest ik even aandacht aan besteden.
ReplyDeleteBij eerste lezing is het nogal verbijsterend en onbegrijpelijk wat Philip Ball wil aantonen, en waar hij heen wil.
Ik lees hoofdstuk 2 nu voor de derde keer en begin er iets meer van te begrijpen. het is schokkend.
Maar, ik vind het belangrijk om te begrijpen hoe een intelligente buitenstaander tegen genetica en biologie aan kijkt.
Marleen, je schrijft dat DNA zichzelf niet kan repliceren (mee eens), maar begrijp ik je goed dat RNA wel zichzelf kan repliceren? omdat reverse transcriptase door retrotransposons gecodeerd worden?
Ik heb grote bewondering voor Nick Lane. Hij bedoelt dat de bouwstenen van DNA en RNA eerst op de een of andere pre-biotische manier gesynthetiseerd moeten worden. Prebiotisch omdat er toen nog geen enzymen waren. Zonder die bouwstenen heb je geen DNA/RNA.
Zie zijn recente artikel: To unravel the origin of life, treat findings as pieces of a bigger puzzle, in Nature (must read!) geeft een overzicht van de huidige stand van zaken van het onderzoek naar de Origin of Life. Lane is een open-minded onderzoeker.
Hartelijk dank voor de prachtige link naar het artikel van Nick Lane. Ook ik heb veel respect voor deze wetenschapper. Hij pleit hier voor onderzoek waarvan ook negatieve resultaten erg belangrijk zijn en dus ook gepubliceerd dienen te worden, zodat de juiste hypothese rond de prebiotische oorsprong van het leven gevormd kan worden. Zoals je zegt is hij voorstander van een hypothese waarin zowel eiwitten als strengen (deoxy)ribonucleotiden een rol hebben. Of die bepaald hebben welke genen er gevormd zouden worden, vind ik daar echter niet terug.
ReplyDeleteEr bestaat het idee van een replicator: een RNA met zowel katalytische functies als informatie/opslagfuncties, dat zichzelf kan repliceren. In werkelijkheid kennen we alleen de RNA-virussen waarvan het RNA codeert voor de RNA-afhankelijke RNA-polymerase, ook wel RNA-replicase, wat een enzym is dat het RNA van deze virussen repliceert, hetzelfde RNA dat voor het enzym codeert. Dit systeem kan in vitro muteren en resistent worden tegen bijvoorbeeld het gif ethidiumbromide, wat aantoont dat een dergelijk systeem selectie kan ondergaan en kan evolueren; een belangrijk gegeven binnen onderzoek naar prebiotische ontwikkelingen.
Bovenstaande heeft niets te maken met reverse transcriptase en transposons waar ik het in voorgaand commentaar over had en wat eigenlijk off-topic was.
Leonardo, dank voor je fraaie 'een zaadje ontmoet een eitje' filosofie over het leven en DNA. Inderdaad. Ball zou jouw filosofie denk ik 'genetisch determinisme' noemen... en dan bedoelt hij dat niet als complimentje want hij trekt als een ware Don Quichot ten strijde tegen het duivelse genetisch determinisme; hij heeft er onlangs een heel boek tegen geschreven! {^_^}
ReplyDeleteDag Rolie Barth,
ReplyDeleteIk weet niet of ik uw comment goed begrijp, maar ik zou het belang van genen willen onderstrepen voor wat betreft het bepalen van de morfologie en het patterning van organismen. Het is genoeg om artikelen van Wikipedia te bekijken over hox genes, morphogens en pattern formation. Alles is afhankelijk van de transcriptie van de juiste genen in de juiste weefsels.
(Om discussies over Wikipedia te voorkomen beweer ik dat voor een oppervlakkig begrip van deze onderwerpen Wikipedia geschikt is.)
Bovendien vind ik Dawkins een geweldig goeie wetenschapper en schrijver en hij heeft het wat mij betreft nog steeds bij het rechte eind.
Marleen, het belang van genen zal ik nooit ontkennen. Wat Ball wil zeggen - en daarin ben ik het met hem eens - is dat er fysische, chemische en biologische processen zijn die bepalen WAT genen kunnen doen. Binnenkort zal ik dat nader toelichten in een gastblog die Gert mij aangeboden heeft.
ReplyDeleteOp 19 september 2024 om 20:00 geeft Philip Ball een lezing voor Studium Generale in Groningen. https://sggroningen.nl/nl/evenement/how-life-works Ik heb gister een kaartje gekocht. De lezing is toegankelijk voor iedereen (wel vooraf opgeven).
ReplyDeleteKlaas, bedankt. Ik neem aan dat er geen live stream is omdat je er voor moet betalen...
ReplyDelete