Vliegen zonder oefenen en zonder leren: pimpelmezen vliegen uit

First flight of a blue tit from G Korthof on Vimeo.

Gisteren, 18 mei, rond 1 uur 's middags zijn binnen 1 uur alle 6 pimpelmezen uitgevlogen. Het is fascinerend om er naar te kijken. Ik had het geluk om het moment van uitvliegen op film vast te kunnen leggen.

 
Het wonderlijke is dat die beestjes opgegroeid zijn in een donker hol met 1 lichtopening bovenin, je ziet bijna niets, je kunt je nauwelijks bewegen omdat je met 5 anderen opgescheept zit, laat staan dat je kunt oefenen met vliegen. Je hebt niets van de buitenwereld gezien tot vlak voor het moment dat je je kop voor het eerst door de opening steekt. Je hebt nog nooit bomen, mensen, huizen, honden, katten, etc gezien, en toch presteer je het om in een rechte lijn weg te vliegen. Niemand heeft je leren vliegen. De eerste keer is raak. Je valt niet naar beneden (de nestkast hangt op 2 meter hoog). Je ouders zijn er niet bij. Je kunt zomaar op een dun, bewegend takje landen en je evenwicht bewaren terwijl je daarvoor alleen maar op de bodem van een nestkast hebt gezeten. Een zeer bijzondere prestatie! Zeker als je dat vergelijkt wat een mensenbaby presteert... Op het filmpje hoor je onze merel nog wat zingen ter begeleiding. Je ziet het jong op het filmpje aarzelen voordat hij de sprong waagt. Direct daarna het volgende jong. Het is lopende band werk. Ze verlaten alle zes het ouderlijk huis om nooit meer terug te komen.

Eén dag vóór het uitvliegen.
(foto fractie van een seconde voor landing).

Het genetisch alfabet is uitgebreid met twee letters

Vandaag publiceerde het tijdschrift Nature [1,2] een onderzoek waarin wordt aangetoond dat DNA met twee nieuwe bases (d5SICS en dNaM [3]) gevormd kan worden en dat een bacterie dat nieuwe DNA kan copieren alsof het zijn eigen DNA was. Dit is voor het eerst dat DNA met nieuwe bases in een levend organisme functioneert. Tot nu toe was dit alleen in vitro gelukt.

De universele standaard basen in DNA zijn de beroemde: A,T,C,G. Daar zijn nu twee aan toegevoegd. Vanaf nu kunnen we de vraag Waarom DNA? Wat zijn de voordelen van DNA? serieus onderzoeken. Want zonder alternatieven kun je de prestaties van DNA niet vergelijken met alternatieve erfelijkheids moleculen. DNA had het absolute monopolie. Je kunt dan hoogstens vaststellen dat DNA aardig voldoet als erfelijkheidsmolecuul. Maar dat wisten we al zo'n 3,5 miljard jaar. Want zolang doet DNA al dienst als drager van de erfelijkheid. Nu zijn er concurrenten op het toneel verschenen. Althans, in het lab. 

Een bacterie met eigen DNA en plasmid DNA.
De gele stip is een nieuwe base.
Gewijzigde figuur uit wikipedia.

 

De onderzoekers hebben DNA gesynthetiseerd met de nieuwe base. Dat hebben ze ingebracht in de bacterie E. coli. Bovendien hebben ze de bacterie zodanig gemodificeerd dat hij/zij de nieuwe bases uit het kweekmedium opneemt en inbouwt in nieuwe kopieën van het plasmide DNA. Het reparatiesysteem van de bacterie accepteerde het vreemd DNA. Het werd niet verwijderd of afgebroken. De nieuwe bases interfereren niet met de bestaande machinerie, voor zover bekend. Ik verwacht dat de nieuwe bases zich alleen kunnen handhaven op de lange termijn als ze voordelen hebben voor de bacterie.

Er zitten verschillende aspecten aan nieuw DNA. Het eerste is: kun je met die nieuwe bases een stabiele en regelmatige dubbele helix structuur maken? Daarvoor moeten de afmetingen en de orientatie van de bases correct zijn, en ze moeten met elkaar paren zoals A paart met T en C met G. De paring moet specifiek zijn. De  nieuwe bases mogen niet met A,T,C,G paren. En niet met zichzelf [6]. Alleen met de andere base van het paar. Watson en Crick hadden het maar makkelijk! Ze wisten al dat ze de structuur van DNA moesten bepalen op basis van A,T,C,G. Niks geen gezeur over alternatieve bases. [5]

Een tweede aspect is: kan de machinerie van de cel dat DNA kopiëren? (polymerase enzymen). Dat is nu gelukt.

Een derde aspect is: kan het nieuwe DNA afgelezen worden en kan er een eiwit geproduceerd worden? (translatie). Dat is nog niet aan de orde. Daarom kunnen we de vraag nog niet beantwoorden of deze nieuwe bases gelijkwaardig of zelfs superieur zijn aan de bestaande 4 bases.

Een vierde aspect is: kan de cel de bases zelf produceren? (anders is de cel afhankelijk van import uit de omgeving). Nog niet geprobeerd.

De onderzoekers zijn nog niet zover dat het nieuwe DNA ook afgelezen kan worden en er een eiwit geproduceerd kan worden. Maar potentieel kun je die twee nieuwe bases ook laten coderen voor de oude vertrouwde 20 aminozuren, maar ook voor een hele reeks nieuwe, niet natuurlijke aminozuren. Die zouden ingebouwd kunnen worden in eiwitten, zodat je eiwitten hebt met niet-natuurlijke aminozuren. Deze eiwitten kunnen eigenschappen heb die met geen enkel natuurlijk eiwit te realiseren zijn.

Een vijfde aspect is: werkt dit ook in DNA van planten, dieren en mensen (eukaryoten)? De bacterie (prokaryoot) heeft relatief simpel DNA. Mensen (en alle eukaryoten) hebben chromosomen. Dat is DNA verpakt in zeer specifieke eiwitten (histonen, etc). Hoe reageren de nieuwe bases met histonen? Hoe is de stabiliteit van het nieuwe DNA wanneer het miljoenen bases lang is? etc etc etc. Voorlopig zijn dit theoretische overwegingen omdat geen enkele ethische commissie nieuwe bases in het DNA van de mens zal toelaten. Het is überhaupt nog niet geprobeerd in planten en dieren. Zelfs nog niet in het eigen DNA van de bacterie (zie plaatje) voor zover mij bekend. Maar bacterieën zou je kunnen laten evolueren door natuurlijke selectie in het lab om steeds beter met het nieuwe DNA om te gaan. En dat is een hele klus, want er zijn tientallen enzymen betrokken bij DNA en bij eukaryoten honderden. Evolutie heeft er lang over gedaan om de machinerie te perfectioneren en alles op elkaar af te stemmen.

Een zesde aspect is: hadden deze nieuwe bases een rol kunnen spelen bij het ontstaan van het leven? Hadden ze een kans gemaakt om de standaard bases van DNA te worden? Zouden ze een één van de twee baseparen hebben kunnen vervangen? Of als derde basepaar kunnen fungeren? Het is nu nog te vroeg om deze vragen allemaal te kunnen beantwoorden. Maar een belangrijke mijlpaal in het onderzoek is bereikt.

Een Engelse versie van dit blog is ook op Panda's Thumb verschenen.

Noten

1. Denis A. Malyshev et al (2014) A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet, Nature, 15 May 2014. (dit is het originele artikel)
2. Ross Thyer, Jared Ellefson (2014) Synthetic biology: New letters for life's alphabet, Nature, News and Views, 15 Mei 2014 (online 7 May 2014) (dit is een begeleidend commentaar in hetzelfde Nature nummer)
3. Op deze pagina vindt je plaatjes van de nieuwe bases.
4. Robert F. Service "Creation's Seventh Day", Science, Volume 289, issue of 14 Jul 2000 p 232-235. (dit is een commentaar 14 jaar geleden op eerdere pogingen nieuwe bases te ontwikkelen).
5. Dit is natuurlijk enigszins ironisch uitgedrukt. Ik heb geblogd over de keuzemogelijkheden voor de structuur van DNA op 25 jan 2012 Wat waren de keuzemogelijkheden voor de structuur van DNA in 1953? Inderdaad, Watson en Crick hadden geen last van alternatieve bases, maar ze hadden in principe bijv. A met A kunnen laten paren.  [16 mei 2014]
6. 'Niet met zichzelf'. Dat is niet een absolute eis. Het hangt er van af. Als je nieuwe bases kunt ontwerpen die in gepaarde vorm even breed zijn (dezelfde afmetingen) als alle andere gepaarde bases, dan zijn ze geschikt voor DNA. Het grappige is dat Watson en Crick in 1953 vlak voordat ze de juiste structuur van DNA ontdekten ook overwogen hebben om A met A etc te laten paren. Daar is zelfs een afbeelding van (zie mijn blog van 25 jan 2012). Ze kwamen er al gauw achter dat DNA dan dikkere en dunnere plekken had en dat zou problemen op leveren. Zie p.145 James D. Watson The Double Helix. (penguin paperback). [17 mei 2014]

 

Vorige blogs over dit onderwerp

Vooral van belang is de serie Waarom DNA? (10 jan 2012)
t/m Waarom DNA? (5) XNA: een belangrijke stap naar functioneel alternatief DNA (20 april 2012)

Klimaatverandering. Herman Philipse. Lezing 3 en 4

Gastbijdrage Nand Braam

 

Lezing 3: Hoe te handelen bij onzekerheid?

Das grüne paradoxon van Hans Werner Sinn (econoom) laat zien dat bij onzekerheid vaak gekozen wordt voor korte termijn politiek. Bijvoorbeeld Canada had in het Kyoto-protocol een CO2-reductie beloofd van 6 % in 2009 t.o.v.  1990. Daarna werden grote teerzandlagen ontdekt in Canada, waaruit olie gewonnen kan worden. Dat werd in 2009 dus 17% vermeerdering van de CO2-productie voor Canada t.o.v. 1990. In 2011 stapte Canada uit het overleg. De vertoning was zo genant dat Canada zich hieruit alleen kon redden door zich terug te trekken. Kortom: hoe kunnen we free-riders straffen?

 
Bij de huidige onzekerheid kunnen we het volgende doen:

1. Terugdringen CO2-uitstoot. Mitigatie is zeer kostbaar. Alle grote landen moeten meedoen. Strafmaatregelen voor landen die niet meedoen.
2. Adaptaties.  Mitigatie is een wereldwijd probleem, adaptatie een lokaal probleem. Nederland moet nadenken/berekeningen maken over dijkverhogingen (gebeurt al volop). Arme landen lopen veel grotere risico’s (moreel probleem voor de rijke landen). Adaptatie is niet altijd mogelijk. Bijvoorbeeld als het gaat om de verzuring van de oceanen bij hogere CO2-concentraties in de lucht, is adaptatie eigenlijk niet mogelijk.
3. Geo-engineering. Toepassen van technieken die de opwarming van de aarde tegengaan. Het bekendste voorbeeld is de opslag van CO2 ondergronds. Speculatiever is het verminderen van de zonne-invloed door Aardse verwitting (geeft meer weerkaatsing van zonlicht) of soort spiegeltjes in de lucht laten zweven (albedo-verhoging; meer weerkaatsing van het zonlicht)

Kunnen  de kosten van investeren in klimaatmaatregelen afgewogen worden tegen de voordelen op lange termijn? Moeilijk. Bijvoorbeeld: als we de dijken in Nederland met 1 meter verhogen (kosten nu …. Euro), wat levert ons dat op over bijvoorbeeld 100 jaar (in euro)??.
Voorbeeld: Nederland kocht in 1626 Manhattan van de Indianen voor 26 dollar. Met een rekenrente van 4% zou dat nu 152 miljard dollar zijn. Wat hebben we aan dat soort berekeningen?

Bij de onzekerheden moeten we ook rekening houden met belangrijke omslagpunten:

1. Smeltend landijs in Groenland en Antarctica; minder weerkaatsing zonlicht: zichzelf versnellend albedo-effect.
2. Onder de toendra’s in het Noordpool-gebied bevinden zich grote hoeveelheden methaan. Als de permafrost ontdooit, komen er grote hoeveelheden methaan vrij (de methaan-bom). Methaan is een zeer sterk broeikasgas. Methaan wordt in de atmosfeer echter langzaam geoxideerd. Moeilijk in te schatten probleem.
3. Het eventueel doodgaan van de koraalriffen zal funest zijn voor de visstand wereldwijd.
4. Een andere tijdbom is de snelle aantasting van de oerwouden in het amazone-gebied.

Benadering: Voorzorgsbeginsel of verwachte waardebeginsel? Handelen volgens het voorzorgsbeginsel betekent bijvoorbeeld: tot ieder prijs voorkomen dat de “methaanbom” ontploft.

Herman Philipse kiest voor het voorzorgsbeginsel bij CO2-mitigatie. Dan dus bijvoorbeeld 10 % van het BNP per jaar investeren in maatregelen om CO2-mitigatie te bevorderen.

Vierde lezing: wat moeten we doen?

Uitgangspunt: geen pessimisme als zelfvervullende profetie maar ook niet teveel optimisme. Een realistische benadering dus volgens Philipse. Maar Philipse liet nu juist blijken tijdens deze lezingen behoorlijk pessimistisch te zijn. Maar goed het woord realistisch doet het altijd beter dan het woord pessimistisch, zeker in wetenschappelijke kringen.
Onze uitdaging in getallen: stel: we willen CO2equivalent-concentratie in 2050 beperken tot max. 500 ppm. [NB: dit is wellicht te hoog: 96% kans dat de temperatuur dan meer dan 2ºC stijgt t.o.v. pre-industrieel niveau; 44% kans meer dan 3ºC! Maar: we zitten nu al rond 450 ppm CO2equivalent-concentratie (402 ppm CO2)]. Dan moeten we de mondiale CO2-uitstoot in 2050 reduceren tot 50% van het 1990 niveau (we zitten nu ruim 60% boven het 1990 niveau). Dat betekent gemiddeld per persoon wereldwijd een reductie van 7-8 ton CO2equivalent per jaar naar 2 ton per jaar (groei wereldbevolking in acht genomen). Een bijna onmogelijke taak.
Domeinen van handelen:

1. Opvangen en opslaan C02
2. Overstappen naar uitstootvrije energie
3. Stoppen ontbossing met name in Brazilië en Indonesië; internationale hulp is nodig
4. Delen technologie met ontwikkelingslanden
5. Meer investeren in onderzoek

Nivo’s van handelen: Individu, bedrijf, lokale gemeenschappen, land, wereld. Op individueel nivo is de invloed gering. Wat zou het individu toch kunnen doen tegen klimaatopwarming?:

1. Niet reizen met het vliegtuig
2. Auto de deur uit
3. Huis isoleren
4. Wordt vegetariër (18% CO2-equivalenten uitstoot komt op rekening van vleesproductie en consumptie)
5. Politiek activisme: klimaatprobleem hoog op agenda zetten; Nederland is nauwelijks meer aanwezig in de debatten.

Middelen op het nivo van landen : marktwerking; CO2-belasting, emissiehandel of regulering?
Elke maatregel apart heeft zijn beperkingen. Waarschijnlijk is een mix van maatregelen het beste.
Op wereldschaal is internationale harmonisatie erg belangrijk.

1. Voeg wereldbank en IMF samen tot een WEO (World Environment Organisation).
2. doelstelling globale emissiereductie per decennium.
3. ontwikkelingslanden moeten snel meedoen (2020) want: in 2050 wonen daar 8 der 9 miljard mensen.
4. per land invoering emissiebelasting of –handel.
5. internationale samenwerking om ontbossing te stoppen.
6. ontwikkelen en delen technologieën.
7. adaptatiehulp arme landen.

Dit slagveld overziende is mijn (Nand Braam) tip aan u, als u op korte termijn op individueel nivo iets substantieels wilt doen tegen de klimaatopwarming en hetgeen u geheel en al zelf in de hand heeft:

Eet zo weinig mogelijk vlees.

 
Vorig blog over dit onderwerp:

Klimaatverandering. Herman Philipse lezing 1 en 2 (5 mei 2014)