In hoofdstuk 12, Origin of Life, van Eugene Koonin (2011) The Logic of Chance verkondigt Koonin een dermate opvallende theorie over het ontstaan van het leven dat ik die hier apart bespreek zonder het hele boek te bespreken. Dat is sowieso onmogelijk. Ik doe hier zelfs geen poging hoofdstuk 12 te bespreken. Het hoofdstuk is zondermeer het hoogtepunt van het boek. Wat voor het hele boek geldt, geldt zeker ook voor dit hoofdstuk: er staat te veel informatie in, om op een zinnige manier samen te kunnen vatten.
Koonin-threshold
Er is één zaak die er uit springt en waar ik wel over moet bloggen. En dat is wat ik de Koonin-threshold noem en met name zijn oplossing voor dit probleem. Nadat hij alle problemen ten aanzien van het ontstaan van het leven en alle mogelijke oplossingen heeft besproken, (en reken maar dat het een gezaghebbend en compleet overzicht is want hij heeft alles gelezen en er veel over gepubliceerd), komt Koonin uiteindelijk tot de conclusie dat er een minimale complexiteit van RNA moleculen nodig is vóórdat evolutie überhaupt een aanvang kan nemen. Specifieker: er zijn minimaal 13 RNA polymeren met een gezamenlijke lengte van 1800 bases nodig om de RNA-wereld op gang te brengen (p.435). Dit noem ik de Koonin-threshold. U moet even zonder verdere toelichting aannemen dat dit de meest cruciale stap is in het ontstaan van het leven. Lukt die stap niet, dan is het ontstaan van het leven hier op aarde kansloos.
Je zou zeggen dat alle biologische problemen op te lossen zijn met evolutie. Maar evolutie werkt niet als er niet aan bepaalde randvoorwaarden voldaan is. De belangrijkste randvoorwaarde is: replicatie van het erfelijkheidsmolecuul moet voldoende betrouwbaar zijn. Die voorwaarden kunnen zelf niet het resultaat zijn van biologische evolutie. Maar van een soort chemische 'evolutie' en dat komt neer op toevallige chemische reacties. Vandaar het dilemma.
Wat is het maximaal haalbare?
De gangbare opvatting over het ontstaan van het leven is dat de huidige DNA/eiwit wereld vooraf gegaan moet zijn door een RNA-wereld, die weer vooraf gegaan moet zijn door een pre-RNA-wereld. Daarvoor is er pre-biotische chemie. De bouwstenen van RNA zijn geen onoverkomelijk probleem, en de evolutie van RNA-wereld naar de wereld van DNA en eiwitten is ook geen onoverkomelijk probleem volgens Koonin. Die laatste overgang zou standaard Darwiniaanse natuurlijke selectie zijn. Het probleem is dat het overwinnen van die Koonin-threshold extreem onwaarschijnlijk is.
Kunnen natuurlijke processen die totale lengte van 1800 bases produceren? Wat is de
maximaal haalbare lengte van een geschikt RNA systeem dat zichzelf
repliceert? Koonin rekent dat uit op basis van het totaal aantal bewoonbare planeten in ons universum, de totale tijdsduur sinds de Big Bang en het totale volume chemisch milieu waarin RNA geproduceerd kan worden maximaal een RNA molecuul van 102 bases kan produceren (p. 435). Dat ligt ver onder de Koonin-threshold. Die 1800 bases zijn dus niet haalbaar. Een andere manier om dit uit te drukken is: de kans dat die 1800 bases gevormd worden is kleiner dan 10-1018. Dat is zó klein dat het uitgesloten is dat het per toeval hier op aarde heeft plaatsgevonden.
Many Worlds in One
Maar nu komt het: Koonin's oplossing is dat een Many Worlds in One (MWO) model van het universum het wel mogelijk maakt. Nee, onvermijdelijk maakt. In het MWO zijn er een oneindig aantal exacte kopieën van de aarde met alles er op en aan. Koonin geeft een toelichting op MWO in Appendix B. Hij realiseert zich dat velen dit een absurde oplossing zullen vinden (outrageous, repugnant). Het ziet er op het eerste gezicht uit als een wanhoopspoging. Een gebeurtenis die eerst onmogelijk was, wordt nu opeens onvermijdelijk. Dat gaat er bij mij maar moeilijk in. In strikte zin is het niet een ad hoc oplossing omdat de MWO onafhankelijke is bedacht door kosmologen om hun eigen problemen op te lossen [1]. Toch voelt het als ad hoc aan. Zelfs als MWO een respectabele wetenschappelijke theorie is. Het merkwaardige van de Koonin-threshold is dat de gebeurtenissen vóór en ná de threshold overgang eigenlijk geen onoverkomelijk probleem vormen (die voldoen aan normale kansberekeningen en chemische wetten). Het lijkt dus op het opvullen van een gat in je kennis. Eigenlijk alles op aarde wat niet extreem onwaarschijnlijk is, is geen probleem. Maar ik heb het gevoel dat het te hulp roepen van Many Worlds in One zeer ongewenste gevolgen heeft voor onze wetenschappelijke theorieën en nog veel meer. Waarom maar één onwaarschijnlijke gebeurtenis op aarde? Toevallig die gebeurtenis die het ontstaan van het leven verhindert? Waarom niet veel, zo niet oneindig veel onwaarschijnlijke gebeurtenissen? Waarom zou de spontane generatie van een bacterie dan niet mogelijk worden (verboden door Pasteur)? Ik ben echter bepaald geen Many Worlds in One expert, om te bepalen of dit geldige bezwaren zijn. Misschien is het meer een uitdrukking van mijn onwetendheid op dat gebied. Voor mij voelt de oplossing van Koonin aan als zeer vergezocht, special pleading voor dat ene probleem dat je dwars zit. Evolutiebiologen doen doorgaans geen beroep op oneindig vele universums om hun problemen op te lossen. Aan de andere kant heb ik respect voor biologen als Koonin die het lef hebben zich in te lezen ver buiten hun eigen vakgebied.
Voorgangers
Er zijn in het verleden meerdere wanhoopsoplossingen voor het ontstaan van leven bedacht. Beroemd is die van Francis Crick (de medeontdekker van DNA) die opperde dat de eerste levensvorm door buitenaardse intelligentie op de aarde is 'uitgezaaid' [2]. Maar het probleem was veel te vaag omschreven en de oplossing was al helemaal vaag.
Maar ook al zou Koonin's oplossing totaal overbodig blijken te zijn, dan nog blijft het waar dat hij voor het eerst preciezer dan wie dan ook heeft aangewezen waar de bottleneck van het ontstaan van het leven ligt. En een probleem zeer precies definiëren is een vooruitgang. Hij zegt zelf dat die berekening een ruwe benadering is. Maar het belang van de Koonin-threshold is niet het exacte getal, maar dat hij aangeeft welke RNA moleculen absoluut nodig zijn en de complexiteit daarvan. En natuurlijk waarom. Er zijn weinig anderen in staat om deze specificatie en bijbehorende berekening te geven. Zijn kennis op dat gebied is vrijwel onovertroffen. Zijn beheersing van het feitenmateriaal is fabelachtig. Daarom accepteer ik de Koonin threshold. Voor mij vormt dit het meest bijzondere en verbluffende onderdeel van het hele boek. Er valt nog heel veel over te zeggen.
De vooruitgang van de wetenschap
Maar ik voeg er mijn bescheiden mening aan toe: de Koonin-threshold geldt voor de huidige stand van zaken in de wetenschap. Dat lijkt me niet zo'n gevaarlijke claim. Als je de geschiedenis van de wetenschap bestudeert, bijvoorbeeld hoe lastig het bleek om de genetische code te ontcijferen nadat de structuur van DNA al bekend was [3], dan besef je dat er een grote wetenschappelijke doorbraak nodig is van het formaat 1859 (Darwin), 1900 (Mendel) of 1953 (DNA). Zaken die we achteraf evident vinden, vormden toen onoverkomelijke obstakels voor de top-wetenschappers van die tijd. Alle grote doorbraken waren onvoorzien en hadden revolutionaire gevolgen. Ik geloof ook dat er een grote wetenschappelijke doorbraak nodig is om aan te tonen dat de Koonin-threshold op natuurlijke wijze op aarde bereikt kan worden, zonder toevlucht te nemen tot drastische oplossingen als Many Worlds in One. Gezien het feit dat de grote ontdekkingen in de biologie tamelijk recent zijn (DNA is nog maar 60 jaar oud! het menselijk genoom is nog maar 10 jaar bekend!) en elkaar in hoog tempo opgevolgd hebben, ben ik niet pessimistisch. Het is simpel té vroeg om nu al met drastische oplossingen te komen.
Postscript donderdag 22 maart
Gratis beschikbaar: Eugene Koonin (2007) The cosmological model of eternal inflation and the transition from chance to biological evolution in the history of life, Biology Direct 2007, 2:15 (geeft een 'samenvatting' van hoofdstuk 12)
Postscript 21 okt
Middengedeelte (Wat is haalbaar?) herschreven. Conclusies blijven hetzelfde.
Kopjes aangepast.
Postscript 31 aug 2013
Op mijn website staat een iets uitgebreidere en geïllustreerde bespreking van de Koonin-threshold.
Noten
- Robbert Dijkgraaf gaf de Paradiso lezing afgelopen zondag 18 maart over de Big Bang, multiversums, string theorie, etc, maar heeft met geen woord over het ontstaan van het leven gesproken. Is kennelijk niet relevant voor cosmologen. Andersom dus wel: cosmologie is belangrijk voor evolutiebiologen volgens Koonin.
- Francis Crick (1981) Life itself: its origin and nature.
- Horace Freeland Judson: The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology
