Zomergast Ionica Smeets, Wilfried de Jong, Fibonacci, Ananas, God

Ionica Smeets en Wilfried de Jong in Zomergasten 17 aug 2014

Een geslaagde zomeravond uitzending zondag 17 augustus 2014 met 'wiskundemeisje' en wetenschapsjournalist Ionica Smeets. Wilfried de Jong was de gastheer. Hij deed het erg goed. 

Ik haal er één item uit. Gezien mijn jarenlange bemoeienis met Darwin, evolutie en Intelligent Design, zal het U niet verbazen dat één opmerking van Wilfried de Jong bij mij insloeg als een bom. Het onderwerp: het aantal spiralen op een ananas die een Fibonacci reeks 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, ... vormen. Naar aanleiding daarvan merkte hij op:

"Dat zou je spontaan streng gelovig maken. Dat iemand dit heeft uitgedacht. Iemand nog veel ouder dan Fibonacci. Een 'Fibonacci op een wolk'! (...)
Want als de oerknal heeft plaatsgevonden, hoe kom je dan tot zulke precieze dingen?"

Een geweldige, onthullende, ontroerende opmerking. Heerlijk! Om van te smullen! Zeer waarschijnlijk is het een authentieke, spontane ingeving, maar wetenschappelijk naief. Naief, omdat het een variant is op de eeuwenoude, achterhaalde en niet uit te roeien vraag of het heelal ontworpen is. Toch begrijp ik de vraag wel. Voor een leek is het mysterieus dat een plant een wiskundige reeks kan maken. Wiskunde is door mensen uitgevonden. Wiskunde is moeilijk, het is iets voor nerds. Dus de ananas-ontwerper moet op z'n minst een geniale wiskundige zijn. Een begrijpelijke reactie van een niet-wetenschapper. Over het antwoord van Ionica straks meer. En op het eind laat ik zien dat de ontwerper-gedachte getypeerd wordt door inconsequent denken. Maar eerst wat nuanceringen.

Eerst wat nuanceringen

Toen Ionica de spiralen op een meegebrachte ananas liet zien, maakte Wilfried spontaan de (cruciale!) observatie dat die ananas "een kleine afwijking had. Het is een beetje gekke ananas. Sommige spiralen zijn wel een beetje moeilijk te zien". Inderdaad, ik heb thuis bij mijn eigen exemplaar geconstateerd dat er vaak 'een knik' zit in de spiraal. Er zijn dan wel 8 of 13 spiralen te tellen, de spiralen zelf zijn slordig gevormd [3]. Of het altijd Fibonacci getallen zijn, zou je toch wel 100 en liefst 1000 ananassen moeten scoren! Dat weet Ionica ook wel.

Wat is een afwijkende ananas? Bestaan er 'standaard' en 'afwijkende' ananassen? In de natuur is variatie de norm. Voor Darwin was variatie de basis van zijn evolutietheorie. Zelfs in een cultuurgewas als de ananas is variatie niet verdwenen. Als je het youtube filmpje van Vi Hart eens nauwkeuriger bekijkt, dan blijkt ze te zeggen:

"De drie groepen spiralen op elke ananas vormen bijna altijd een Fibonacci-reeks. Heel soms is het een Lucas-reeks, maar altijd drie getallen in een reeks."

Kijk! Dan worden de mogelijkheden al wat ruimer om patronen te herkennen. Is het niet de ene, dan is het wel de andere reeks. (De Lucas reeks verschilt van de Fibonacci reeks door de twee begingetallen).
Nog een noodzakelijke nuancering: de Fibonacci getallen reeks is oneindig lang. Dan zijn twee of drie getallen 8, 13, 21 wel een èrg magere afspiegeling van de oneindigheid. Het zijn bovendien ook nog kleine getallen. Fibonacci getallen worden oneindig groot. En tenslotte: de Fibonacci reeks wordt gevormd door simpele optelling van de twee voorgaande getallen. Eenvoudiger kan het niet. Hogere wiskunde als aftrekken, delen, kwadrateren, worteltrekken komt er niet aan te pas.

Realistisch?

Ik vond een terloopse, maar in dit verband cruciale, opmerking in het boek The Algorithmic Beauty of Plants [1]. Dat boek gaat over L-systemen. Dat zijn algoritmes uitgevonden door prof. Lindenmayer, waar ik ooit college bij gelopen heb (Utrecht). Die algoritmes genereren het systeem waarop bladeren aan de stengel van planten bevestigd zijn. Dit vond ik in het boek:

"Alternatively, random selection of similar surfaces could have been employed to prevent the excessive regulairty of the resulting image." (p. 104. [1])

Onthullend: excessive regulairty!  Om de planten realistisch te maken moet er een klein beetje random variatie aan de algoritmes toegevoegd worden! Anders zouden ze er als ... tsja, als computertekeningen uit zien!  

"Want als de oerknal heeft plaatsgevonden, hoe kom je dan tot zulke precieze dingen?" Antwoord: ze zijn minder precies dan je denkt. Planten zijn niet perfect mathematisch gevormd. Als planten door een computer gegenereerd worden, zie je onmiddellijk dat ze niet levens-echt zijn. Dit random aspect vind je ook terug in de meer geavanceerde recentere computer modellen van plantengroei [4].

Hoe moeilijk is Fibonacci te maken?

Hoe moeilijk is het eigenlijk voor een plant om een Fibonacci patroon te vormen? Er zijn planten waar opeenvolgende paren bladeren een hoek van 90 graden vormen (bijv.: de bekende kamerplant siernetel): is 90 graden moeilijker of makkelijker dan 137,5 graden? 

de belangrijkste 4 bladstanden (phyllotaxis).
Voor verklaring zie hier. De tweede is de siernetel

Of: is het makkelijker voor een menselijke embryo om precies 5 vingers aan iedere hand te maken? Of een hoofd met precies 2 ogen, 1 neus, 1 mond, en 2 oren in de juiste proporties en in de juiste posities op het hoofd? Ik denk dat Fibonacci patronen makkelijker zijn, juist omdat ze zo voorspelbaar, mechanistisch, deterministisch, ja, wiskundig zijn. Daarom kan de plant het met een voorgeprogrammeerd cellulair algoritme doen. Omdat er geen wiskundige formule is voor de constructie van het hoofd, nemen we aan dat een hoofd niet moeilijk te maken is. Maar dat hoeft natuurlijk niet zo te zijn.

Hoe kan een plant een Fibonacci reeks maken?

Ionica gaf als antwoord aan Wilfried de Jong: 

"Ik denk dat er wel een goede evolutionaire redenen is om op deze manier te groeien."

Nu, of er goede 'evolutionaire redenen' zijn, daar zijn de deskundigen het nog niet over eens. Als je het als een fitness probleem opvat, dus functioneel probleem, dan lijkt het op een optimalisatieprobleem. Bijvoorbeeld: hoe kun je met de minste lege tussenruimtes zoveel mogelijk zaden op een oppervlakte plaatsen? (dat is een wiskundig packing problem). Of: hoe kun je bladeren aan de stengel rangschikken met de minste schaduw voor onderliggende bladeren? (controversieel)
Als je kijkt naar directe oorzaken, dan vind je verschillende mechanismes en modellen in de wetenschappelijke literatuur. De ontwikkelingsbioloog Brian Goodwin heeft dit al 20 jaar geleden uiteengezet in zijn populair-wetenschappelijk boek How the Leopard Changed Its Spots (zie mijn review + speciale update n.a.v. de uitzending). 

phyllotaxis: om-en-om;  spiraal,  tegenover-elkaar;  krans

De Fibonacci spiraal verklaart Goodwin aan de hand van het fysische model van Douady and Couder die laten zien dat een Fibonacci patroon ontstaat wanneer je magnetische geladen druppeltjes in een schaaltje met een vloeibaar medium laat vallen. Het patroon ontstaat door onderling afstotende interacties van de druppels die zich vrij kunnen bewegen in het medium. Puur fysische krachten dus. Puur fysische krachten kunnen onder bepaalde condities Fibonacci patronen vormen. Goodwin suggereert dat cellen in een groeipunt van een plant zich op dezelfde manier gedragen. Het eindresultaat van het puur fysische mechanisme vertoont in ieder geval frappante overeenkomsten met het biologische mechanisme.

Richard Smith (2006) phyllotaxis model.
bij auxine maximum (rood) ontstaat nieuw orgaan
A: tweede orgaan gaat ontstaan, B: derde gaat ontstaan

Een recente publicatie [2] (zie plaatje hierboven) beargumenteert de centrale rol van de distributie van het plantenhormoon auxine over cellen van een groeipunt. Naburige cellen remmen elkaar. Een lokaal maximum van auxine veroorzaakt een nieuw orgaan. Wordt de onderlinge afstand groter dan is de remmende invloed kleiner, en kunnen nieuwe cellen/organen ontstaan. Het Fibonacci-patroon is niet van te voren in miniatuur aanwezig, maar ontstaat tijdens het groeiproces. Dit model kan getest worden met auxine-remmers. Er zijn additionele factoren betrokken die het patroon stabiliseren en er zijn mutanten. Mutanten zijn belangrijk: zegt iets over de genen die het aansturen.
Het grappige dat dit model ook weer een computer model is dat zowel rekent als 3-D plaatjes tekent, en uiteindelijk Fibonacci patronen produceert. En een hoop andere phyllotaxis patronen afhankelijk van de condities.

Het beste antwoord

Een 'Fibonacci op een wolk' is het antwoord van een dominee. Een dominee verklaart een regenboog met God, niet met Newton. Het antwoord van een wetenschapper is dat 'Ontwerper' als verklaring al eeuwen geleden uit de wetenschap is verdwenen. Zelfs als we geen volledig wetenschappelijk verklaring hebben, is de God-theorie wetenschappelijk onacceptabel, overbodig, ad hoc. Het heeft geen voorspellend vermogen, en het frustreert wetenschappelijke onderzoek. Het is niet eens een theorie. 

Toegift voor de wiskundige ananasliefhebber

fout: symmetrisch

fout (idem)

te vierkant

Op het internet vind je veel 'foute' ananassen. Fout volgens de wiskunde (volgens Ionica). De eerste twee zijn symmetrisch, de derde is niet symmetrisch maar de 'cellen' zijn nogal vierkant. De makers van het kinderprogramma Spongebob hadden het kennelijk ook niet begrepen, want een ananas heeft géén bilaterale symmetrie (volgens Vi Hart).

Toen ik onderstaande plaatje tegenkwam in het boek van Philip Ball The Self-made Tapestry, moest ik onmiddellijk denken aan de ananas. Zó zou de ananas er ideaal gesproken uit moeten zien!

 

Géén ananas! maar hexagonale cellen in een vloeistof (bron)

De werkelijkheid is iets anders:

een echte ananas: slordige zeshoeken...

deze komt aardig in de buurt van zeshoekige cellen...

Vraag voor de wiskundige ananasliefhebber: moeten volgens wiskundige principes de 'cellen' van de ananas zeshoekig zijn om spiralen te kunnen vormen? of kunnen het ook vierkanten of driehoeken of ... zijn? Werd niet verteld in de uitzending.

links: veel ruimte, rechts: weinig tussenruimte (bron)
hexagonaal i.p.v. cirkels heeft geen tussenruimte!

En: schrijft de wiskunde een specifieke hoek voor die spiralen moeten maken? En wat is de invloed van de vorm van de ananas op de spiralen? Dat zal samenhangen met de vorm van de cellen (bloemen).

Hier zie ik een paar enigszins evenwijdige verticale lijnen.
Overgangsvorm naar echte spiralen? (bron)

Overbekend hexagonaal patroon. Zowel verticale lijnen als
Rechtse en Linkse diagonalen zijn te zien. Is dit de ideale ananas???

Probleempje 

Het bovenstaand hexagonaal patroon heeft schuine naar links en rechts hellende lijnen, maar ook verticale rijen (6 stuks). De schuine lijnen lopen evenwijdig. Maar vouw je het patroon tot een cilinder, dan krijg je naar links en rechts draaiende spiralen. Dan heb je volgens mij een ideale wiskundige ananas. Maar er is een probleem. Het zou wel eens zo kunnen zijn dat je bij symmetrische patronen zoals bovenstaand altijd evenveel R- als L-draaiende spiralen hebt. Biologisch is daar niks mis mee, maar dan zijn het géén Fibonacci spiralen, want die moeten bijv. 8L en 13R spiralen hebben. Is dat de reden dat Ionica en Vi Hart zo met stelligheid beweren dat symmetrische ananassen geen Fibonacci-ananassen kunnen zijn? Maar kunnen ananassen dan wel hexagonale cellen hebben? Zo niet, wat is de vorm van de cellen dan wel? Wie kan hierover uitsluitsel geven?

Ondertussen vond ik dit schema van Hans Bär:

Wat duidelijk wordt is dat er op de linker 'spiraal' 8 cellen en op de rechter spiraal 5 cellen geplaatst kunnen worden. De linker spiraal heeft een kleinere hellingshoek (welke?), waardoor er meer cellen op geplaatst kunnen worden. Waarom hij overlappende driehoeken gebruikt is mij niet duidelijk (dennenappel?). Dat werkt in ieder geval niet voor de ananas omdat je op die manier geen goede vlakvulling krijgt. Wel wordt duidelijk uit deze figuur dat er geen bilaterale symmetrievlak kan zijn met verschillende hellingshoeken. Grappig dat hij de cellen in een rechte lijn heeft getekend! (vergelijk met mijn hexagon figuur!). De weergave van 0 tot 360° is ook aardig gedaan.

Toegift: het inconsequente 'ontwerper-denken'

Stel dat er een Ontwerper van het heelal zou zijn, waarom zou die Ontwerper uitgerekend een ananas en niet de mens uitgekozen hebben om wiskundig te ontwerpen? Is een ananas belangrijker dan de mens? Hmmm. Kun je überhaupt van een cultuurgewas, dat al 6000 tot 9000 jaar gekweekt en geselecteerd wordt door mensen, zeggen dat het door God geschapen is? Hmmm. En als er een geheime boodschap in verborgen zit ("the fingerprint of God"), hoeveel mensen zullen spontaan Fibonacci in een ananas herkennen? Helaas: Fibonacci zelf kan de ananas niet gekend hebben, want de de ananas kwam pas ná 1493 naar Europa. Jammer voor Fibonacci. Dus niemand vóór Fibonacci (1170 - 1250) kan de reeks herkend hebben. Trouwens, het Bijbelboek 'Genesis' rept niet over de Fibonacci-reeks. Maar goed, je kunt je er altijd uit redden met: Gods wegen zijn ondoorgrondelijk. 

Iemand heeft dit uitgedacht:

Icosahedral Capsid Protein van een virus (ViralZone)
de classificatie van virussen is op geometrische figuren gebaseerd!

Ik weet nog iets dat perfect mathematisch is ontworpen: virussen! Virussen zijn Regelmatige veelvlakken (Platonic solid). Er bestaan vijf regelmatige veelvlakken, die al bekend waren bij de Griekse filosofen. Voorbeelden: het herpes virus heeft de vorm van icosahedron. Zou Wilfried de Jong bij het zien van deze geometrisch gevormde virussen ook spontaan uitroepen: Dat zou je spontaan streng gelovig maken. Dat iemand dit heeft uitgedacht ? 

Hoe plausibel is het dat de ananasplant en vele andere planten doelbewust volgens een wiskundige reeks ontworpen zijn? God zou een universum gemaakt hebben dat gebaseerd is op een wiskundige reeks van een mens (een wiskundige) in plaats van dat God het zelf uitgevonden zou hebben? Dus dan zou het de God-reeks moeten heten. Hoe plausibel is het gezien alle afwijkingen? En hoe selectief is de waarneming. Waarom heeft God de maiskolf niet spiraalvormig ontworpen, maar 'nette' evenwijdige rijen gegeven? Waarom zijn appels en bananen niet volgens Fibonacci ontworpen? Waarom bestaat een spinneweb niet uit Fibonacci spiralen? i.p.v. concentrische cirkels? 

Waarom heeft mais evenwijdige rijen en geen spiralen?

Is het hele idee falsifieerbaar? Dus: alles wat niet uit Fibonacci spiralen bestaat is niet ontworpen? Als je consequent denkt! En waarom de keuze voor Fibonacci? Waarom het heelal niet op priemgetallen baseren? Wie geeft het antwoord?
Voor Fibonacci-fans: dit zijn Fibonacci-tijden: 8:13 en 13:21 en 21:34 ! Vergezocht? Leuk? Onzin? Een 7-daagse week lijkt een universeel gegeven in alle culturen, maar 7 is géén Fibonacci getal! Vervelend. Maar het zit wel in de Lucas reeks! Dus toch ontworpen? Alles is toegestaan als het maar 'wiskundig' is? Is het toeval dat de mens 5 (Fibonacci getal!) vingers per hand heeft? Of heb je altijd tenminste twee (opeenvolgende) getallen nodig? Voor de liefhebbers is er een speciale wikipagina Fibonacci numbers in popular culture!

Intelligent Design

ID-ers en creationisten beweren dat je Fibonacci overal tegenkomt in de natuur! (google maar even). Ik had een merkwaardige ervaring met de Amerikaanse ID-er en wiskundige William Dembski. Hij had de moed of brutaliteit om een criterium op te stellen waaraan je 'design' in de natuur kunt vaststellen. Toen ik hem er op wees dat Fibonacci in het plantenrijk voorkwam en aan zijn design-criteria voldeed, was hij in verlegenheid gebracht. Zijn design-criterium moest verschijnselen met een natuurlijke verklaring er uit filteren. Hij kende het voorbeeld niet (!) en wilde het tegelijkertijd ontkennen en bevestigen. Ik had hem zogenaamd niet begrepen. Hier kun je het nalezen.
Maar Intelligent Design komt niet alleen in de christelijke wereld voor, ook de moslims hebben Fibonacci ontdekt: God's Design in all things. Een rammelde website: Michael Behe wordt David Behe genoemd en dat is nog het minste.

De hele uitzending Zomergasten is nu op youtube te vinden! 

 

Noten

1. P. Prusinkiewicz, Aristid Lindenmayer (1990). 'The Algorithmic Beauty of Plants'. (toen erg duur, nu als gratis pdf op internet)
2. Richard S. Smith et al  (2006) A plausible model of phyllotaxis, PNAS 2006.
3. Als de Ontwerper het aantal spiralen exact kan laten ontstaan, waarom zou hij dan ook niet perfect mathematisch gevormde spiralen kunnen laten ontstaan? 
4. Noise and Robustness in Phyllotaxis (2012): "... all organisms are affected by natural stochastic variability..."

Vorig blog over Ionica Smeets

Ionica Smeets geniale verdediging van de zuivere wiskunde 29 maart 2011

Zie ook

Is er orde in de natuur? blog 2 Feb 2015

Gehakkelde Aurelia

Gehakkelde Aurelia, 7 Sept 2014 ©GK

Te mooi om niet te laten zien!

De vlinder is o.a. te herkennen aan de onregelmatige vleugelranden 
(vandaar de naam?)
Je moet altijd een beetje geluk hebben met vlinderfotografie,
ze blijven nooit lang op één plek zitten. 
Dus: gewoon snel veel foto's nemen. 
Deze is gefotografeerd op een heideveldje in het Willem Arnts bos
met een eenvoudige compact camera. 

Is filosofie nuttig? Pleidooi voor het beëindigen van een stammenoorlog

"Dat de filosofie niets oplevert is onjuist: de hele democratische vrije maatschappij, waarin wetenschappers heerlijk in vrijheid hun onderzoek kunnen doen, is van vezel tot kruimel een filosofen-machine. Ontwikkeld door filosofen. Geen wetenschapper aan te pas gekomen. Bovendien hoeft filosofie niets anders op te leveren dan goede ideeën, het is immers filosofie en geen scheikunde?: wel, goede ideeën zijn er in overvloed, meest bedacht door filosofen." (Jan Riemersma) (mijn bold)

Dit citaat komt weliswaar uit een comment, en is niet een volledig uitgewerkt betoog. Maar het gaat mij om de gedachte die er achter zit. De aanleiding was een filosofie-onvriendelijke opmerking  van Neil deGrasse Tyson, presentator van de beroemde serie 'Cosmos', in een debat over sommige filosofen. Tyson hekelde een bepaald soort nutteloze filosofie die al lang kan en behoort te worden vervangen door empirisch onderzoek. Let op: hij zei dit dus niet in de serie Cosmos! Maar sommigen zagen hun kans schoon om naar aanleiding daarvan de hele serie Cosmos in een kwaad daglicht te zetten. Of misschien wel de hele wetenschap (dezelfde wetenschap die mogelijk gemaakt werd door de filosofie!). Dit is natuurlijk fout. Tyson deed géén uitspraak over alle filosofie en alle filosofen. Zijn zgn. 'aanval op de filosofie'  interpreteer ik als: vraagstukken die je door waarneming en experiment kunt oplossen moet je niet met filosofie proberen op te lossen. Voor de rest kan filosofie heel nuttig zijn.

Wat is het nut van filosofie?

In het algemeen: wat is het nut van filosofie? Volgens filosoof Jan Riemersma hebben we de democratische staat aan filosofen te danken. Hij 'vergeet' hierbij bijvoorbeeld de filosoof Plato:

"Not all instrumental arguments favor democracy. Plato (Republic, Book VI) argues that democracy is inferior to various forms of monarchy, aristocracy and even oligarchy on the grounds that democracy tends to undermine the expertise necessary to properly governed societies. ... " Stanford Encyclopedia of Philosophy

Dus: niet iedereen heeft de kennis, ervaring en intelligentie om een land te besturen. Maar in een democratie kan een persoon gekozen worden die dat allemaal niet heeft door mensen die dat ook niet hebben [1].


Tijdperk
Plato leefde in een tijdperk waarin slavernij normaal was en democratie zeker niet vanzelfsprekend. En hij was niet in staat om slavernij te veroordelen en democratie als beste staatsvorm aan te prijzen [1]. Dus: het hangt van het tijdperk af of filosofen nuttige dingen gezegd hebben. Filosofen worden beïnvloed door het tijdperk en de samenleving waarin ze leven. Hetzelfde geldt overigens voor de bijbelschrijvers. Filosofie is niet tijdloos. De historische ontwikkeling van de menselijke beschaving en in welke fase van die ontwikkeling de filosoof zich bevindt is een belangrijke toevoeging.

Hoe kan dat? Aangezien filosofen werken met logische, tijdloze argumenten? Waarom is logica niet voldoende? Dat is een interessant vraagstuk. Dat ga ik nu niet beantwoorden [2], [3]. Worden filosofen beinvloed door de maatschappij of beinvloeden zij de maatschappij? Of allebei? Ook te veelomvattend voor nu.
Ik noem nu alleen even een paar filosofen die ik ken en die grote invloed gehad hebben op het denken over de maatschappij en waarvan je moeilijk kunt voorstellen dat ze een paar eeuwen eerder geleefd hadden en dan nog dezelfde filosofie hadden.

Een paar voorbeelden

1. John Stuart Mill: On Liberty (heb ik in mijn studententijd gelezen en ik was diep onder de indruk!) en The Subjection of Women. Het nut van filosofen voor mens en maatschappij!
2. Peter Singer: The Expanding Circle (2) en (1) heb ik over geblogd. Expanding: historisch proces. Opvattingen over dieren hebben zich ontwikkeld in de geschiedenis.
3. Denis Diderot, Voltaire, Jeremy Bentham, David Hume (zie o.a. blog Philipp Blom: Het Verdorven Genootschap ): Verlichtingsfilosofie die niet een paar eeuwen eerder denkbaar was
4. Spinoza als voorbereider van de 'Age of Enlightenment'. Kwam voor in mijn blog Diarmaid MacCulloch en A History of Christianity 19 apr 2010 en: Diarmaid MacCulloch vertelt enthousiast over godsdienstoorlogen 15 juli 2012.
5. List of atheist philosophers ! En of filosofie nut heeft! en of wikipedia nut heeft!
6. Steven Pinker: van belang o.a. vanwege The Humanitarian Revolution en The Rights Revolution die maken de historische dimensie duidelijk. Zie o.a. mijn blog Steven Pinker (2) Verklaringen voor de afname van alle vormen van geweld. 
7. Filosoof Daniel Dennett (begon met 'Darwin's Dangerous Idea') heeft enorm veel betekend om evolutionair denken ingang te vinden onder vakgenoten en het grotere publiek. Idem: filosoof Michael Ruse.
8. ...

Dus ...

Het belangrijkste, denk ik, wat ik probeer te zeggen is:  er zit een tijdsdimensie, een historische ontwikkeling in de filosofie (denken in het algemeen) [4], wat de oorzaken daarvan ook mogen zijn. Misschien is er wel beïnvloeding door techniek en wetenschap. Het denken over democratie, mensenrechten, vrouwenrechten, dierenrechten, kinderrechten zijn filosofische revoluties. Vaak onder woorden gebracht, versterkt, of zelfs in gang gezet door filosofen. Wat dat betreft: geen kwaad woord over filosofen!

En ten tweede: als de wetenschap inderdaad de vrucht is van de filosofie, dan zou de filosofie trots moeten zijn op wat ze heeft voortgebracht, en omgekeerd zou de wetenschap dankbaar moeten zijn dat ze ooit is voortgekomen uit mensen (zo'n twee tot drieduizend jaar geleden) die nadachten, en vragen stelden over de wereld en met theorieën kwamen, en die filosofen werden genoemd. Dat is toch een veel positievere en vruchtbaardere opvatting dan een stammenoorlog tussen wetenschap en filosofie?

 

Postscript 23 april 2021

In Nature 23 april 2021 verscheen een aardig artikel van een jonge wetenschapper: How philosophy is making me a better scientist. Ze geeft een aantal lees tips die zij als nuttig had ervaren in haar wetenschappelijk werk (logica, wetenschapsfilosofie, ethiek). Het artikel is gratis.

Noten

1. toegevoegd 28 maart 2020:  Plato had wel degelijk een punt. Hèt bewijs dat democratie rampzalige gevolgen kan hebben is dat iemand als Trump president van Amerika kan worden. Iedere presidents kandidaat zou een examen moeten afleggen om te bewijzen dat hij/zij  algemene kennis van de wereld heeft. En begrijpt wat het nut van wetenschap is. En het nut van filosofie: hij/zij moet drogredenen (fallacies) kunnen herkennen, kritiseren en vanzelfsprekend zelf vermijden. Want met drogredenen kunnen er maatregelen doorgevoerd worden met zeer schadelijke gevolgen.
2. Waarom is logica niet voldoende? Omdat mensenrechten, etc. een ethisch probleem is. Het heeft met moraal te maken. [ toegevoegd 28 maart 2020 ]
3. Nu zou ik zeker zeggen dat drogredenen herkennen en vermijden het grootste nut is van de filosofie! En zou ik verwijzen naar mijn blogs over de drogredenen van Frans de Waal: Killing Animals in the Age of Empathy. Frans de Waal, a leading primatologist explains why he eats animals. en: Zijn wij slim genoeg om te begrijpen waarom Frans de Waal nog steeds vlees eet? [ toegevoegd 28 maart 2020 ]
4. Misschien is die 'historische ontwikkeling' niets anders dan het kritiseren en verbeteren van de denkbeelden van de vorige generatie. En dat kost tijd. En moeite. En moed. En originaliteit, en misschien wel genialiteit. Omdat logica vaak tegen persoonlijke en economische belangen in gaat. [toegevoegd 28 maart 2020 ]

Een nieuwe definitie voor 'leven'. Patrick Forterre: virussen zijn levend!

Patrick Forterre
virussen zijn levend!

Als je mensen vraagt is een virus levend? dan krijg je als antwoord: dat hangt er vanaf welke definitie van leven je hanteert. Of je krijgt als antwoord: het hangt er vanaf aan wie je het vraagt. Inderdaad, als je het aan Patrick Forterre vraagt, dan zijn virussen levend. En als je het aan Tibor Ganti vraagt zijn virussen niet levend.

Is een definitie subjectief? Ja, een definitie is subjectief. Ja, een definitie geven is filosofisch [1]. Maar, dat wil niet zeggen dat er geen goede of slechte definities bestaan. Een goede definitie moet globaal vastleggen wat we tot nu toe levende organismes hebben genoemd. En er geen niet-levende dingen onder laten vallen. Als de definitie een groep organismes uitsluit is hij slecht.

Stel dat we leven definiëren als alle koolstof-gebaseerde entiteiten die direct of indirect van zonne-energie afhankelijk zijn. Dan heb je vrijwel 99% van al het leven te pakken: planten, dieren, bacteriën, virussen. Echter, je sluit daarmee chemotrofe organismes uit. Die zouden dan volgens de definitie niet levend zijn. En dus is het een slechte definitie.

Waarom metabolisme essentieel is

Tibor Ganti
virussen zijn niet levend!

Een goede definitie van het leven zoomt in op essentiële kenmerken van het leven. Een essentieel kenmerk van het leven is dat het energie nodig heeft om te blijven bestaan. Dat sluit aan bij het ervaringsfeit dat je moet eten om niet dood te gaan. Daar zit een diepgaande fysische theorie achter: leven is een toestand 'far-from-equilibrium' [2]. Dat wil zeggen: de moleculen en de structuren (cellen, organen, lichamen) die daarmee opgebouwd worden vervallen tot een verzameling elementaire chemische bouwstenen (C,H,N,O,P,S,...) wanneer er geen uitwendige bron van energie beschikbaar is om die toestand die leven heet te onderhouden [2]. Die evenwichtstoestand heet 'dood'. Maar er is niet alleen externe energie nodig, ook een mechanisme om die uitwendige energie te benutten om de levende toestand in stand te houden. Dat mechanisme of dat proces noemen we metabolisme. Daarmee is metabolisme een essentieel kernmerk van leven. Metabolisme definieert leven. Het is dus géén willekeurig, subjectief, oppervlakkig, toevallig, secundair, niet-essentieel, uiterlijk kenmerk! Metabolisme houdt de levende toestand in stand. Metabolisme is hét hoofdkenmerk van leven. De cel (de ruimtelijke begrenzing) en het erfelijk materiaal (DNA,RNA) zijn de andere twee hoofdkenmerken [3]. Die cel en erfelijke informatie zijn (enigszins subjectief gezegd) nodig om het metabolisme in stand te houden en te reguleren. Dit alles in het kort. Zie mijn Ganti review voor details.

Is een virus levend?

De definitie van 'leven' van de virus expert Patrick Forterre [4], bevat géén metabolisme:

"A living organism can thus be defined as: "a collection of integrated organs (molecular machines/structures) producing individuals evolving through natural selection" [4].

Dit is een zeer compacte definitie. Erfelijkheid komt er niet eens in voor. Het gevolg van deze compacte definitie is dat virussen levend zijn. Dat is ook zijn bedoeling. Het cruciale punt is dus of je metabolisme opneemt in de definitie van leven of niet. Doe je dat wel dan vallen virussen erbuiten (Ganti). Doe je dat niet, dan vallen virussen erbinnen (Forterre). Tenminste, zo lijkt het.

Is de definitie met metabolisme een subjectieve keuze? Nee. Zoals hierboven aangestipt is, is metabolisme essentieel voor leven. Sluit Forterre bacteriën, planten, dieren dan uit? Nee, natuurlijk niet. De definitie is zo ruim en ambivalent dat die er ook allemaal binnen vallen. Maar zijn definitie mist de essentie van leven. Daardoor is het een slechte definitie [8]. Forterre ziet over het hoofd dat virussen indirect profiteren van het metabolisme van zijn 'gastheer'.

Complicatie's van de oude definitie

Er zijn twee complicaties met het 'metabolisme' als hoofdkenmerk van leven:

1. 'bacteriele sporen' of 'zaden' hebben géén metabolisme. Het is een tijdelijke rusttoestand die overigens langere tijd kan duren. Sporen en zaden zijn niet dood, want ze kunnen later tot leven komen. Is dat een probleem voor de definitie-met-metabolisme? Nee, het is een pseudo-probleem omdat zaden en sporen géén organismen zijn, maar fases in de levenscyclus van een organisme. Het is een conceptuele misvatting. Daarom vallen sporen en zaden niet rechtstreeks onder de definitie. Sporen en zaden zijn een schakel tussen twee fases waarin metabolisme noodzakelijk aanwezig is. Een zaad of spore is 100% afhankelijk, want het wordt geproduceerd door een volwassen organisme dat zelf metabolisme heeft. Inzien dat sporen en zaden géén organismen zijn, was voor mij de doorbraak in het denken over dit 'probleem'. (...) Daarom heeft het geen voordeel om metabolisme uit de definitie weg te laten. Integendeel, het is een groot nadeel om een essentieel kenmerk van het leven weg te laten.
2. het parasitaire karakter: parasieten hebben in verschillende mate hun metabolisme uitbesteed aan de gastheercel. Dat kan heel ver gaan: de obligaat intracellulaire parasieten zoals de bacteriën rickettsia en chlamydia worden als levend beschouwd terwijl ze geen eigen metabolisme zouden hebben [5,6]. Als je dit uitzoekt blijkt ricketttsia wel degelijk eigen ATP te produceren en vermoedelijk eigen eiwitsynthese uitvoert. Dus metabolisme. Chlamydia beschikt over onderdelen van het metabolisme en verspreidt zich via sporen. Zijn extreme parasieten een argument tegen metabolisme in de definitie van leven? Ik denk het niet, want a) ze hebben wel degelijk een gereduceerd metabolisme, b) hun metabolisme is sterk geïntegreerd met het gastheer-metabolisme zodat onderscheid soms moeilijk wordt. Hoe dan ook: ze bestaan dankzij metabolisme. Op een planeet zonder metabolisme heb je geen leven, zelfs geen virussen, en uiteraard geen obligaat intracellulaire parasieten.

 

Nieuwe opvatting over virussen  

(toegevoegd 26 juli 2014)
Forterre introduceert een nieuwe opvatting over virussen ('the real viral organism'):

"the viral factory corresponds to the real viral organism, whereas the virion corresponds to the mechanism used by the virus to spread from one cell to others and that to confuse the virion with the virus would be the same as to confuse a sperm cell with a human being." [4]

De 'viral factory' is de plek waar het virus gerepliceerd wordt. De relatie virion en virus is vergelijkbaar met de relatie zaadcel en menselijk lichaam? Er is een gigantisch verschil tussen een zaadcel en een mens! Een virus heeft helemaal niet zoiets als een haploïde zaadcel en een miljarden-cellig diploïd lichaam!

"The confusion between the virus and the virion was first criticized by Claudiu Bandea who considered that the intracellular phase of the virus life cycle is the ontogenetically mature phase of viruses (Bandea 1983). As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction. Therefore, life is an effective presence”." [4]

'Virions' werden eerder gedefinieerd als: 'the viral particles produced during infection', dus de inerte deeltjes vergelijkbaar met sporen van bacteriën.
Welnu, als de intracellulaire fase in de cyclus van een virus de 'volwassen fase' is, en als die fase metabolisme inhoudt, waarom neem je dan 'metabolisme' niet op in je definitie van leven? Het lijkt er dus op dat Forterre wat betreft de definitie zelf slachtoffer is van de verwarring van 'virus' en 'virion' die hij aan anderen toeschrijft! Hij laat 'metabolisme' weg omdat hij kennelijk nog denkt in de oude opvatting van virusen zijn inerte deeltjes!

Je kunt 'virussen' als 'levend' opvatten op voorwaarde dat je alle fases in hun levenscyclus beschouwt en een virus dus niet gelijkstelt met het inerte virusdeeltje (virion). Een virus is dan een nog extremere parasiet als rickettsia en chlamydia. Een virus heeft zijn totale metabolisme uitbesteed aan een gastheercel. Dus een virus is een metabolisme-parasiet (vergelijk met een koekoek!) en een informatie-parasiet omdat hij ook niet alle genetische informatie bezit die nodig is voor replicatie.

Nieuwe definitie van leven:  

( herschreven 26 juli 2014 )
 
De nieuwe definitie: Levende entiteiten hebben tenminste in één fase van hun levenscyclus metabolisme. Levende organismes kunnen dus een fase hebben zonder metabolisme [13].

Dit is een gedeeltelijke definitie omdat ik me focus op metabolisme. Maar belangrijk genoeg voor dit moment. Het is een ogenschijnlijk kleine, maar belangrijke correctie op de definitie van Ganti [3] (eigenlijk de eerste correctie die ik mij permitteer op de definitie van Ganti!). In Ganti's definitie zijn virussen geen levende entiteiten. Dat komt waarschijnlijk omdat hij dacht aan de inerte virusdeeltjes (virions). In de nieuwe definitie zijn virussen levend wanneer ze opgevat worden als entiteiten met cycli, net als bacteriën die spores produceren, en als obligaat metabolisme-parasieten [9]. 

De wijziging is dus dat virussen conform moderne inzichten ('reuze virussen', 'giant viruses') niet meer worden opgevat als inerte deeltjes, en de eis van metabolisme wordt iets 'flexibeler' geformuleerd, maar zeker niet verwijderd of afgezwakt. Het voordeel van deze werkwijze is dat metabolisme niet weggelaten hoeft te worden uit de definitie van het leven, zoals Forterre doet. Metabolisme weglaten is onacceptabel omdat metabolisme onmisbaar is voor het leven [10]. Nog een voordeel is dat virussen 'dezelfde behandeling' krijgen als de gewone parasieten en geen uitzondering meer zijn. 
Ook kan de aparte categorie 'potentially living but not dead' (Ganti) vervallen, omdat sporen een fase in de levenscyclus van bacteriën zijn net zoals virions een fase in de levenscyclus van virussen zijn. Eigenlijk heb je dan de 4 categorieën van Ganti [14] niet meer nodig, maar slechts twee: levend en niet-levend. Dat is een vereenvoudiging en omdat het overbodige onderscheidingen weglaat en een minder ad hoc karakter heeft. 
Door virussen onder de definitie van 'leven' te laten vallen verdwijnt ook het probleem te verklaren hoe het kan dat virussen evolueren en überhaupt een evolutionaire stamboom hebben, die bovendien nauw verweven is met de Tree of Life [11]. 
Ook wordt hiermee de toch enigszins onbevredigende opvatting van James Griesemer en Eörs Szathmáry [12] dat virussen niet levend zijn, maar wel kunnen evolueren, overbodig. In de nieuwe opvatting zijn virussen levend en kunnen ze evolueren.

 

Dankwoord
Ik heb veel te danken aan Marleen Roelofs omdat ze blogde over Lag de oorsprong van leven bij virussen?, ze mij op kundige wijze tegensprak en mij een artikel van Patrick Forterre toezond. Waarvoor allemaal hartelijk dank!

26 juli: wijzigingen doorgevoerd naar aanleiding van de discussie.

Noten

1. Marleen citeert Forterre in bold: "Belangrijk: The question, “are viruses alive?” is typically a philosophical question, meaning that it is our choice to decide if viruses are living entities or not" waarschijnlijk om te benadrukken dat het een subjectieve en geen empirische kwestie is. Maar zo onschuldig is die keuze niet!
2. "The equilibrium sytems are dominated by small molecules such as CO2, H2O, N2, NH3, and so on." H.J. Morowitz  ‎(1999) A theory of biochemical organization, metabolic pathways, and evolution. (pdf is gratis)
3. Zie mijn review van The Principles of Life van Tibor Ganti waarin dit systematisch maar kort wordt beschreven.
4. Patrick Forterre (2010) Defining Life: The Virus Viewpoint, Orig Life Evol Biosph. Apr 2010; 40(2): 151–160. See: § What is Life?
5. "Viruses do not have their own metabolism, and require a host cell to make new products. They therefore cannot naturally reproduce outside a host cell – although bacterial species such as rickettsia and chlamydia are considered living organisms despite the same limitation. " (wikipedia).
6. Marleen: "Er zijn heel wat parasieten die hun levenscyclus niet kunnen voltooien zonder hun gastheer. En die worden wel degelijk als levende organismen beschouwd."
7. "in 1983 by Claudiu Bandea who wrote that ‘the living phase of the virus is the intracellular phase of its life cycle’ in: Patrick Forterre (2010) Giant Viruses: Conflicts in Revisiting the Virus Concept. (met dank aan Marleen voor de pdf). Die visie dat virussen een 'life cycle' hebben was een eye-opener voor mij! Mijn voorkeur is: 'virussen veroorzaken metabolisme' in plaats van 'virussen hebben een metabolisme'.
8. De definitie is slecht o.a. omdat hij te vaag is, te weinig specifiek, er geen metabolisme in voorkomt, en omdat er evolutie in voorkomt. Het gedeelte "a collection of integrated organs (molecular machines/structures)" klinkt als: een verzameling dingetjes die iets met elkaar doen. Zie voor details van de kritiek: 'Comparison with other definitions of life'-paragraaf in: [3].
9. Het is dus conceptueel fout om te stellen: "De virions zijn wat mij betreft net zo levend als zaden en sporen." (hier) omdat virions en zaden geen organismes zijn maar fases in de cyclus van organismen. Daarna volgt: "In zaden zit een embryo dat wel degelijk een wellicht slapend metabolisme heeft." NB of het nu waar is of niet van dat slapend metabolisme, dit wijst er op dat metabolisme kennelijk belangrijk is!!
10. Citaat Marleen: "As Bandea wrote in a landmark paper “in this phase the virus shows the major physiological properties of other organisms: metabolism, growth, and reproduction." (mijn bold). NB: metabolisme wordt hier belangrijk gevonden. Welnu, dan moet het ook in de definitie!
11. Citaat Marleen: "Viruses have co-evolved with members of these three domains according to the scheme of Darwinian evolution".
12. Zie figuur 'Overlapping but non-identical sets of units of evolution and units of life', afkomstig van de editors James Griesemer en Eörs Szathmáry, in: [3]. Ik doe hier geen uitspraak over andere aspecten van de figuur.
13. Dit was mijn oorspronkelijke definitie: "Levende entiteiten hebben óf een eigen metabolisme óf zijn geheel of gedeeltelijk afhankelijk van het metabolisme van een andere levende entiteit."
14. De vier categorieën zijn: (1) living; (2) potentially living but not dead (resting seeds, dried-out or frozen micro-organisms); (3) dead (irreversible change from a living to a non-living state); (4) non-living (physical and chemical systems). De categorie 'dood' is identiek aan 'niet-levend' dus die is niet noodzakelijk.

Noodzaak versus toeval in de evolutie. Vier wetenschappers die noodzakelijkheid verdedigen

 Christian de Duve

Iedereen heeft wel eens gehoord van het 'Rerun the tape of life' argument. Het zegt dat als je het evolutieproces opnieuw zou laten beginnen vanaf het ontstaan van het leven, er dan heel andere planten en dieren zouden ontstaan. En dan zouden wij er misschien niet geweest zijn. 

Het is een argument voor de belangrijke of zelfs overheersende rol van het toeval [1] in de loop van evolutie. Het argument is afkomstig van de paleontoloog en populair-wetenschappelijk auteur Steven J. Gould die het uiteenzette in Wonderful Life (1989) [5]. De meeste biologen zijn het met hem eens dat het toeval een grote rol speelt [2]. Het wordt 'historical contingency' genoemd. De geschiedenis van het leven op aarde zit vol van die historical contingencies. Maar toch is er een klein aantal wetenschappers dat 'noodzakelijkheid' verdedigt. De eerste is:

(1) Christian de Duve 

Zie mijn blog Is Christian de Duve een deïstische fine-tuner? Het toevals evangelie versus noodzakelijkheids evangelie). Maar daarna ontdekte ik ook nog de biofysicus Harold Morowitz en de van origine Nederlandse paleontoloog Geerat Vermeij. Tenslotte is er nog de paleontoloog Simon Conway Morris.

(2) Harold Morowitz

Harold Morowitz (Santa Fe)

"Harold Morowitz has long been a vigorous proponent of the view that life on earth emerged deterministically from the laws of chemistry and physics, and so believes it highly probable that life exists widely in the universe". (wikipedia)

Een ieder die serieus geïnteresseerd is in het thema toeval versus onvermijdelijkheid in evolutie, kan ik zijn publicaties:

• 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution' (1999)
• 'Energy flow and the organization of life' (2006)

aanbevelen (beide pdfs gratis te downloaden). Het eerste is pittig, en geeft een diepgravend overzicht over wat onvermijdelijkheid, determinisme in de biologie inhouden, en hoe hij denkt dat je de toevallige en onvermijdelijke eigenschappen van het leven kunt onderscheiden. Morowitz zegt dat het leven zowel onvermijdelijke als toevallige eigenschappen heeft. Zeer belangrijk om vooruitgang te boeken in de controverse. Het tweede artikel is iets korter (10 pag).
Morowitz heeft het (extreme?) standpunt dat het onvermijdelijk is dat het leven op aarde ontstond, en dat tenminste de eerste stappen hetzelfde zullen zijn op iedere vergelijkbare planeet en dat biofysici in staat zouden moeten zijn die eerste stappen logisch af te leiden uit de basisbeginselen van schei- en natuurkunde, samen met de begincondities van de aarde. Zijn vertrekpunt is dat er chemische energie aanwezig was op de vroege aarde, en het metabolisme van de eerste levensvormen te begrijpen is als een logische manier om die opgehoopte energie af te voeren. Dus niet: organismen 'zoeken' energiebronnen, maar energie kan goed afgevoerd worden door het metabolisme van levensvormen. Het eerste metabolisch systeem werd als het ware tot leven 'gedwongen'. Dat metabolisme is het kernmetabolisme of core metabolism dat in de loop van de evolutie hetzelfde is gebleven. Ondanks dat het totale metabolisme enorm is uitgebreid in de loop van de evolutie, is de kern nog steeds terug te vinden in het huidige leven. Dat core metabolism is universeel. [Dat zou dus ook op aarde-achtige planeten voor moeten komen!].

Morowitz' analyse zegt niet veel over morfologische evolutie en biodiversiteit. Hoe verder je komt in de loop van de evolutie, zegt hij, des te meer wordt de rol van het toeval groter ('frozen accidents') [3]. Zaken die anders hadden gekund.

(3) Geerat Vermeij

(3) Geerat Vermeij
©Lifeboat Foundation

Het bijzondere van Geerat Vermeij is dat hij geen fysicus of chemicus is, maar paleontoloog en toch plaatst hij kritische kanttekeningen bij 'historical contingency' [4]. Volgens Vermeij bestaat 'historical contingency' uit unieke evolutionaire uitvindingen. Maar er zijn maar weinig echt unieke uitvindingen. De meeste zogenaamde unieke uitvindingen zijn slechts schijnbaar uniek omdat ze significant langer geleden hebben plaatsgevonden (langer dan 500 miljoen of 1 miljard jaar geleden), waardoor veel fossiele informatie verloren is gegaan. We hebben dus incomplete data. Daardoor lijkt het alsof een evolutionaire uitvinding uniek is. Dit onderbouwt hij met uitgebreide data. Een belangrijke maar relatief onbekende bijdrage aan het debat toeval - noodzakelijkheid. Tenminste, ik kende deze publicatie nog niet.

(4) Simon Conway Morris

 

Simon Conway Morris

Simon Conway Morris werd vooral bekend door het boek: Life's Solution. Inevitable Humans in a Lonely Universe (2003) dat die zich expliciet richt tegen Gould's rerun the tape of life argument. Hij wijst er op dat convergentie veel vaker voor komt dan er in de officiële evolutie handboeken vermeld staat. Zijn boek documenteert dat een overvloed van voorbeelden. Daarom verdient het om apart gereviewed te worden. Voorbeelden: onafhankelijke ontwikkeling van visuele systemen, reuksystemen, echolocatie, intelligentie. Actief vliegen is onafhankelijk 'uitgevonden' bij vogels, insecten en vleermuizen. Simon Conway Morris wordt vooral vaak aangehaald door creationisten omdat hij de overheersende rol van het toeval in evolutie bestrijdt. Het 'toeval' wil dat Conway Morris christelijk is. Het laatste hoofdstuk heet: 'Towards a theology of evolution'. Jammer, want nu heeft men de neiging om zijn hele boek te zien als een poging zijn christelijk standpunt te onderbouwen. En daardoor lijkt het dat dit boek genegeerd wordt door de meerderheid van wetenschappers. Zo noemen bijvoorbeeld Bergstrom en Dugatkin in hun studieboek Evolution (2012) wel een ouder wetenschappelijk boek van hem, maar niet Life's Solution (te 'populair' om genoemd te worden? of bias?).

NB: er is nu een alternatief: George R. McGhee (2011) 'Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful'. (is ook paleontoloog) [11 jul 2014]


De vier wetenschappers Christian de Duve, Harold Morowitz, Geerat Vermeij en Simon Conway Morris geven ieder op verschillende manieren tegenwicht tegen de standaardopvatting die zo vanzelfsprekend is dat het niet eens meer opvalt. Zelfs Carl Sagan in zijn klassieke bestseller Cosmos (1980) schrijft:

Carl Sagan: Cosmos,
paperback 2013

"Were the Earth to be started over again with all its physical features identical, it is extremely unlikely that anything closely resembling a human being would ever emerge. There is a powerful random character to the evolutionary proces. A cosmic ray striking a different gene, producing a different mutation, can have small consequences early but profound consequences late. Happenstance may play a powerful role in biology, as it does in history. ..." (p. 297 en verder, Cosmos, paperback uitgave 2013 )

Wie er gelijk heeft weet ik (nog) niet, maar dankzij deze vier wetenschappers ben ik er achter gekomen dat het standaardbeeld van de overheersende rol van het toeval in evolutie helemaal niet zo vanzelfsprekend is. Vanzelfsprekendheid is nooit goed. Kritiek is wel degelijk mogelijk. Er bestaat een alternatief dat onderzocht moet worden wil je een genuanceerd beeld vormen over de rol van toeval in evolutie.

Noten

1. 'Toeval' zoals biologen dat begrip gebruiken! Fysici gebruiken 'toeval' in een andere betekenis. Dit verhaal gaat over biologie.
2. Natuurlijk niet zoals het creationistisch misverstand over evolutie wil dat het leven door toeval ontstaat of dat genen, eiwitten of organismen door toeval ontstaan. Mutaties zijn toevallig en natuurlijke selectie is niet toeval.
3. "At the core, the behavior tends to be governed by deterministic physical chemistry, and, as one moves out from the core, frozen accidents play an ever-increasing role in the historical unfolding of biology. As has been noted, biology stands between physics and history. "
4. Geerat J. Vermeij (2006) 'Historical contingency and the purported uniqueness of evolutionary innovations', PNAS, 2006. (gratis)
5. Jeroen Hopster Stephen Jay Gould: de evolutie van een iconoclast, ABG 97 (2013) (gratis) hier komt ook het beroemde Replaying the tape of life gedachten experiment aan bod.
   
   

How to Search for Life on Mars

The Martian Protein Detector
(see for original: ©Scientific American)

In my previous blog I discussed shortly universal characteristics of life as proposed by Christian de Duve. Precisely those characteristics are needed for designing a good test for detecting life on Mars. Recently, Christopher P. McKay and Victor Parro From NASA discussed How to Search for Life on Mars, in the Scientific American, June 2014. 

It is an interesting article. It is written by people actually involved in designing an instrument for detecting (microbial) life on Mars.

One obvious test for the presence of life, unsurprisingly, is DNA. However,

"One drawback of relying on DNA detection to reveal life on Mars is that although DNA is common to all life on Earth, it may not occur in alien life. Or, if it is present, it may be so different that DNA detectors built to find Earth biology will miss it". (my emphasis)

For that reason, they rejected DNA tests. Indeed, one cannot exclude alternative DNA, that is, DNA with a different structure, different bases or sugars [1,2]. Indeed, alternative DNA could exist on Mars. By the way, also, alternative amino acids, that is, other than the 20 amino acids on earth, could be used in proteins on Mars. The detection of amino acids on its own would not be a proof of life [3].

In stead of DNA testing, they opted for immunoassay testing "which is already in use for simultaneously detecting hundreds of different types of proteins, polysaccharides and other biomolecules (including DNA itself)".

This seems a reasonable thing to do, because complex molecules are highly unlikely produced abiotically [4], and so are certainly the most reliable proof of life we can think of.

Furthermore, "life on Earth is dominated by left-handed amino acids. If an experiment detects amino acids and finds a particular set that has a dominant left- or right-handed chirality, this would be compelling evidence for the presence of life."

The funny thing is, that the NASA researchers ended up by using methods already in use (on earth!) to detect complex terrestrial biomolecules. In other words: complex molecules characteristic for life on earth (including DNA itself)! How could they do otherwise? How could you detect alien life if you don't how to detect it?

Christian de Duve certainly would have agreed with that, since DNA and proteins (enzymes) are a universal feature of life (see my previous blog). And as far as I know, the NASA researchers do not attempt to sequence DNA or proteins. A specific DNA sequence would not be a universal characteristic of life.

For more details see the original article in the Scientific American.

Notes

1. Molecular alternatives to DNA, RNA offer new insight into life's origins
2. An Alternate DNA Structure
3. http://cmex.ihmc.us/data/frontpg/missions/samret/Bada/BadaAbs.htm 
4. "The equilibrium sytems are dominated by small molecules such as CO2, H2O, N2, NH3, and so on." H.J. Morowitz  ‎(1999)

Universal features of life according to Christian de Duve

In his Singularities: Landmarks on the Pathways of Life (2005) Nobel Prize winner Christian de Duve points out what he thinks are universal chemical features of life (p. 160):

"The deterministic view suggested by our analysis supports such a possibility, as it encompasses most of the key chemical features of life [1], including

• membranes
• bioenergetic couplings (at least at the substrate-level kind)
• DNA genes
• RNA mediators of gene expression
• information transfers via base pairing
• RNA-dependent protein synthesis
• the universal genetic code
• as well as a number of enzymes, coenzymes, ribozymes

To the extent that those features arose by a combination of deterministic chemistry and selective optimization, they were essentially bound to arise under the conditions that surrounded their birth and would similarly arise should these conditions be duplicated. Almost the only key feature that may have been decided by chance is chirality, although even here, there may have been some bias. (...) 
Furthermore, the message of cosmic chemistry should not go unheeded. When looking at a list of the compounds detected in outer space or in meteorites and other celestial objects, one is struck by the number of substances that are utilized by life. This can be hardly a meaningless coincidence." (p. 160).

If these are the universal characteristics of life, what are non-universal characteristics? These are specific sequences of DNA, RNA and proteins. For example, a base C at the 10th position of a gene, or a Leucine amino acid at the 133th position of a protein are a non-universal characteristics. I suppose, De Duve would agree that these are historical contingencies [2].

My conclusion: it follows from de Duve's list that things like left-handed amino acids, introns, the eukaryotic cel (with mitochondrion(-DNA), chloroplast(-DNA), eukaryotic chromosome) and the Tree of Life (with three domains eukaryotes, archaeans, and bacteria) are not universal features of life. That is: they are not expected on other planets harboring life. [conclusion added 3 Jul 2014]

Of course, the universal features of life are relevant for detecting life on Mars. A next blog will discuss that topic. 

Notes

1. The Major Metabolic Pathways are potentially a universal feature of life. The enzymatic control of metabolic pathways is probably species-specific, certainly the DNA sequences of the enzymes are. [GK]
2. Harold J. Morowitz "has long been a vigorous proponent of the view that life on earth emerged deterministically from the laws of chemistry and physics". See: 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution', Complexity Volume 4, Issue 6, pages 39–53, July/August 1999:
   "To provide a framework for distinguishing historical aspects of biology from the more deterministic ones consider the following abstraction: an ensemble of earths, a very large collection of identical planets in macroscopically identical solar systems 4.0 billion years ago before there were biological entities. Each of these earths will unfold in time and will have features that may be compared. There will be common properties that belong to the deterministic, domain, and distinctive features that are historical in nature." [added: 5 July 2014]
   

 

Related blog

• How to Search for Life on Mars, 3 July 2014
  

Is Christian de Duve een deïstische fine-tuner? Het toevals evangelie versus noodzakelijkheids evangelie.

Ik weet niet meer precies hoe ik bij Christian de Duve kwam, maar tot mijn verrassing bleek dat zijn visie op het eerste gezicht veel overeenkomsten vertoont met de visie van Emanuel Rutten. Dat wil zeggen de combinatie van deïsme en fine-tuning van de cosmos voor (intelligent) leven.

Christian de Duve 1917 - 2013

 

Eerst even een update over Rutten, daarna over Christian de Duve. Overigens: het onderwerp fine tuning heeft alles te maken met wetenschappelijke vragen als: is het ontstaan van het leven (op aarde) een toevalsproces of is het een onvermijdelijke gebeurtenis? En: is het ontstaan van de menselijke soort voorspelbaar, gegeven het ontstaan van leven of is dat ook een gevolg van een toevallige samenloop van omstandigheden? Beide vragen waar die wetenschappelijk benaderd kunnen worden.

Ik blogde over het tv optreden van Emanuel Rutten [1] en over het open-einde karakter van evolutie [2], d.w.z. er is geen doel in de evolutie, er is geen garantie op een bepaalde uitkomst, evolutie is onvoorspelbaar. Toen ik hem vroeg naar een reactie [3] bleek –tot mijn grote verrassing– dat het open einde karakter van evolutionaire processen voor hem helemaal geen probleem was! Hij bleek er vanuit te gaan dat er genoeg planeten in het heelal waren, en dat daardoor de kans 1 is dat er op tenminste op één planeet intelligent leven ontstaat (de mens). Hij nam dus op de koop toe dat er een ongekend aantal mislukte planeten bestonden waar geen leven of alleen bacterieel leven ontstaat [6]. En alsof dat nog niet verbazingwekkend genoeg was, bleek hij ook te accepteren dat het ontstaan van het leven én de evolutie van de mens (uit dierlijke voorouders), een geheel natuurlijk proces was. Dus, zonder ingrijpen van hogerhand. [12]

Dat betekent dus dat alle onoverkomelijke bezwaren die creationisten en Intelligent Design aanhangers al jaren aanvoeren tegen het spontaan ontstaan van het leven en Darwinistische evolutie, kennelijk voor hem niet gelden. Maar hoe zit het dan met: Cees Dekker, Ronald Meester, Joris van Rossum en hun Amerikaanse collega's Phillip Johnson, William Dembski, Michael Behe, Richard Weikart en Granville Sewell [13]. Ik weet niet hoe Rutten daarop zou reageren. Ik laat dat nu even zitten.

Christian de Duve

Nu over de Nobelprijswinnaar en biochemicus Christian de Duve. Hij is een gerespecteerd wetenschapper en ontving in 1974 de Nobelprijs. (Zie het wikipedia artikel voor de wereldwijde erkenning die hij heeft gekregen). Ik heb zijn populair-wetenschappelijk boek 'Life Evolving. Molecules, Mind and Meaning' (2002) er nog eens op nageslagen. Het lijkt dat hij op een min of meer indirecte manier deïsme en fine-tuning verdedigt:

"Why not imagine a God who, from the start, created a world capable of giving rise to life by sole unfolding of natural laws of His own devising? This view, is now defended by many deists..." (p.53)

Hij zegt niet dat hij zelf een deist is. Maar de suggestie is er wel. In het laatste hoofdstuk 'How about God in All That?' heeft hij het over 'deists':

"It is compatible with science in the measure that the postulated God, after flipping the universe into being, merely sits back and lets His creation unfold without interfering with its operations. Intelligent design is restricted to the Big Bang as is revealed in the remarkable set of coincidences uncovered by the anthropic principle. This explanation is intellectually satisfying to the extent that it offers an answer to the key metaphysical question raised by the existence and properties of the universe." (p. 302).

Hier komt toch duidelijk de suggestie naar voren dat de Duve fine tuning opmerkelijk genoeg vindt om een 'intelligent design' als verklaring aan te nemen en bovendien dat die verklaring een intellectueel bevredigende oplossing is. Hij voegt er ook nog aan dat hij zichzelf niet als atheïst zou willen omschrijven (p. 303). Het komt bij mij zeer inconsistent over om wél intelligent design van de big bang een goede verklaring te noemen, maar op vele plaatsen in zijn boeken [10] intelligent design in niet mis te verstane bewoordingen te verwerpen.

Het is lastig hem vast te pinnen. Na verschillende reacties op fine tuning behandeld te hebben, zegt hij dat ongeacht de verklaring van de fine-tuning van de kosmologische constanten, of dat nu intelligent design of multiversum is (!), dat het meest frappante is dat er überhaupt leven en bewustzijn bestaan in het universum (299). Meest frappante? Was het niet onvermijdelijk? Het universum is niet gemaakt voor ons ("but that does not make it a universe made for us", 300). Raadselachtig standpunt.

'Life is no accident'

Waarin hij wel duidelijk is: het ontstaan van het leven is een natuurlijk en onvermijdelijk proces is: 'Life is no accident. Life is inevitable' [4]. Dat is een wetenschappelijk positie en een wetenschappelijk te verdedigen positie. In een later boek Singularities (2005) laat hij religie er helemaal buiten en concentreert zich geheel op de wetenschappelijke argumenten voor de onvermijdelijkheid van het leven. Hij heeft zowel statistische als chemische argumenten.

Statistisch: De onvermijdelijkheid van evolutionaire verschijnselen zit hem hier in. De Duve rekent ons voor dat als je 10 keer met een munt gooit, de kans dat je kop hebt 99,99% is en je moet 38 keer met een dobbelsteen gooien om met 99,99% kans een 6 te krijgen [5]. Dus, dat er een zes verschijnt is onvermijdelijk. Samengevat: "Chance does not exclude inevitability" (p. 176 Life Evolving). (Merk op dat deze statistische gedachtegang overeenkomt met die van Emanuel Rutten: als er voldoende planeten zijn, dan is de kans 1 dat er op tenminste 1 leven ontstaat [3].)

Chemisch: Behalve de waarschijnlijkheidsredenering, is een belangrijke reden die de Duve heeft voor de onvermijdelijkheid van het leven: het leven is gebaseerd op chemische reacties. Chemie is deterministisch. Er zijn chemische wetten. Chemische reacties verlopen voorspelbaar. Chemische reacties zijn niet random. Dus ook de chemische reacties bij het ontstaan van het leven zijn deterministisch van aard. Deze twee argumenten tonen volgens de Duve aan dat het ontstaan van het leven geen toeval is en zelfs dat het onvermijdelijk is.

'The gospel of contingency'

Het wordt pas echt leuk als de Duve reageert op kritiek:

"A major objective of this book has been to expose the fallacy of this "gospel of contingency", which is being preached in the name of science." (p. 297 Life Evolving) 

Het evangelie van het toeval gepredikt in de naam van de wetenschap! De Duve valt vooral de beroemde paleontoloog Steven Jay Gould [9] aan die meende dat de evolutie van het leven op aarde van toevalligheden aan elkaar hangt (het 'rerun the tape of life' argument); een aaneenschakeling van onwaarschijnlijke gebeurtenissen. 
De tegenaanval vanuit de evolutiebiologie bleef niet uit. Eén reviewer [7] in het blad Science prijst deDuve's boek Life Evolving, maar betwijfelt of het leven en de mens zo onvermijdelijk zijn, gezien de vele historische toevalligheden ('historical contingency') en als de omstandigheden op de jonge aarde iets anders waren, was het leven misschien nooit ontstaan.

'The gospel of inevitability'

Een tweede reviewer [8] in Nature bestrijdt de Duve's overtuiging dat "it is self-evident that the universe was pregnant with life and the biosphere with man". Er is géén noodzakelijke vooruitgang in de evolutie, en complexiteit hoeft niet noodzakelijkerwijze toe te nemen. Volgens hem verwart de Duve mogelijkheid met noodzakelijkheid. Het is uiteraard mogelijk dat het leven ontstond, want het is er. Maar daarom is het nog niet noodzakelijk. We kennen het scenario en de omstandigheden nog niet waaronder het leven ontstond, dus we kunnen de kans ook niet berekenen. Sommige historische gebeurtenissen waaraan wij ons bestaan te danken hebben, zoals de genetische code en de eukaryotische cel, zijn uniek en zeer onwaarschijnlijk. Zijn conclusie: de Duve moet met hard bewijs komen. Dat zal helaas niet meer gaan, want Christian de Duve is op 4 mei 2013  overleden.

Toeval of noodzakelijkheid? Wie heeft er nu gelijk? Wie zit er dichter bij de waarheid? De Duve is chemicus en celbioloog, geen evolutiebioloog. Logisch dat hij het deterministische aspect van de chemie benadrukt. Hij bekijkt het leven als chemicus. Er zit meer determinisme in de chemie, dan in de biologie (zeker in het verloop van 4 miljard jaar evolutie). De Duve vertegenwoordigt een minderheidsstandpunt [11]. Zijn critici zijn vooral evolutiebiologen, paleontologen en geologen die vertrouwd zijn met zeer groot aantal uiteenlopende historische toevalligheden en massa uitstervingen. Het leven is méér dan chemie: het heeft een ecologische en planetaire context (in het kort gezegd!). Voor hen is het determinisme van de chemie niet doorslaggevend in het grotere geheel. En voor hen is de fine tuning niet relevant. Zij nemen de chemie zoals die is als uitgangspunt. Cruciaal zijn de omstandigheden die het ontstaan van het leven mogelijk maken. Maar er zijn eindeloos veel omstandigheden mogelijk. Die allemaal gehoorzamen aan de natuurwetten. Dat helpt dus niet. De zeldzaamheid van de omstandigheden gunstig voor het ontstaan van het leven bepalen hoeveel planeten je nodig hebt.
Voor de Duve lijken deïsme, fine-tuning, de onvermijdelijkheid van het leven en bewustzijn, de afkeer van 'het evangelie van het toeval', en het determinisme van de chemie allemaal heel goed bij elkaar te passen. 

De waarheid zit hem volgens mij in een combinatie van 'het evangelie van het toeval' en 'het evangelie van de onvermijdelijkheid'. Hoe precies, is het onderwerp van toekomstig onderzoek. Boeiend is het zeker.

Is Christian de Duve een deïstische fine-tuner? 1 juli 2014

 
De vraag in de titel van mijn blog had ik nog niet beantwoord. In zijn Life Evolving (2002) lijkt hij sympathiek te staan tegenover deïsme, maar hij baseert dat niet op fine tuning. Hij lijkt sowieso niet echt geïnteresseerd te zijn in de details van fine tuning van fysische constanten. In zijn Singularities (2005) laat hij alle religieuze speculaties weg en concentreert zich volledig op de wetenschappelijke kanten. En die zijn interessant! Kom ik op terug!

Is de Duve vergelijkbaar met Emanuel Rutten? 1 juli 2014

 
de Duve (2005) laat iedere fine tuning en deïsme achterwege. Zijn betoog voor de onvermijdelijkheid van het leven zou echter gebruikt of misbruikt kunnen worden door fine-tuners zoals Emanuel Rutten. Rutten is echter geen deïst omdat hij ingrepen toestaat (bewustzijn!). Bovendien weet Rutten helemaal niets van chemie en biologie, waardoor hij geen wetenschappelijk interessant of origineel verhaal kan houden.

 

 

Postscript 8 juli 2020

Jaren later kwam ik dit boek tegen: Christian De Duve (2011) De Jésus à Jésus… en passant par Darwin. (door google vertaald als: 'From Jesus to Jesus… via Darwin').

Gezien de inhoud zou het een vertaling kunnen zijn van: Genetics of Original Sin (2009) dat bij dezelfde uitgever Odile Jacob verscheen.

Noten

1. Blog 30 mei, Emanuel Rutten: fine-tuning is een heel goed argument voor God 
2. Blog 2 juni Fine tuning voor intelligent leven kan niet via evolutionaire processen.
3. Te gast bij TV programma 'Andries'
4. "In this book, I have defended the thesis, that life arose naturally, by the sole enactment of physical and chemical laws." (Life Evolving, p. 288).
5. zie ook tabel in: Singulariteis. Landmarks on the Pathways of Life, p.2.
6. Over die inefficiëntie van hypothetische fine tuning nog een volgend blog. Vele  voorbeelden zijn te noemen van inefficiëntie, dat het zelfs kenmerkend is voor de toestand van het heelal. Als je zoveel feiten als irrelevant moet bestempelen is er iets vreselijks mis met je standpunt...
7. Antonio Lazcano (2003) Just How Pregnant Is the Universe? (Science) Dit is een review van Life Evolving in Science. De reviewer meent dat de Duve géén aanhanger is van een "designer universe created by a deity possessing a special interest in life" en zelfs dat de Duve "a scientist who became increasingly convinced of the failure of religion to explain natural phenomena." Heeft hij slecht gelezen!? Dat is misschien een verklaring waarom hij zo positief is over het boek?
8. Eörs Szathmáry (2002) The gospel of inevitability. Dit is een review van Life Evolving in Nature. (is een bekend evolutiebioloog)
9.  S.J. Gould: Wonderful Life: "Gould's thesis in Wonderful Life was that chance was one of the decisive factors in the evolution of life on earth."
10. Al direct in het begin van zijn boek Singularities wordt ingelligent design verworpen: "Strictly speaking, such a possibility hardly deserves mention in a scientific context" (p.4) en op nog vele plaatsen in het boek.
11. De Duve en de bioloog Simon Conway Morris zijn de enige twee serieuze bekende biologen die ik ken die de rol van noodzakelijkheid en onvermijdelijkeheid verdedigen. Dáárom zijn ze interessant. Ze geven tegengas. Dat geeft te denken. Dat geeft een genuanceerder beeld.
12. Het ingrijpen dat hij wel toestond was het uitdelen van bewustzijn aan mensen. [met dank aan Kees] Dat ingrijpen is natuurlijk fataal: het is geen wetenschap. [ 1 juli 2014]
13. Granville Sewell: "In these articles he reiterates the view that evolution violates the second law of thermodynamics". [toegevoegd: 11 jul 2014]