Cosmos (7) Clair Patterson's zoektocht naar de leeftijd van de aarde en lood in ons milieu

Thema: The True Age of the Earth.

James Usscher

Hoe oud is de aarde?  James Usscher baseerde zich op stambomen in de Bijbel en berekende dat de wereld begon op zaterdag (!) 22 okt 4004 voor Christus, 6 uur 's avonds! [1].
Pas later werpt de wetenschap zich op de ouderdom van de aarde op basis van constant radioactief verval van uranium tot stabiel lood. Om de uitgangsconcenraties te achterhalen worden intacte ijzer-asteroïde fragmenten van de krater in Arizona gebruikt. Die fragmenten bevatten het loodgehalte toen de aarde gevormd werd. 

Het loodgehalte in deze meteoriet is
hetzelfde als toen de aarde ontstond

De opgave is dus om de uranium en loodgehaltes nauwkeurig te bepalen. Uraniumconcentraties waren consistent. Maar loodconcentraties liepen ver uiteen.

Geoloog Harrison Brown (1947): liet zijn promovendus Clair Patterson het loodgehalte in zirkonen (Zircon) uitzoeken. Het zou geen probleem moeten zijn. 
Maar Patterson was 6 jaar bezig loodverontreinigingen in de omgeving te elimineren om zuivere metingen te kunnen krijgen. Uiteindelijk lukte het: de aarde is 4,5 miljard jaar oud!

We zien een uitstapje naar de Romeinse tempel Forum Romanum, gewijd aan de God Saturnus. De Romeinen gebruikten overvloedig veel lood voor alles en nog wat, tegen beter weten in. De symptomen van loodvergiftiging komen overeen met de duistere kanten van de God Saturnus. 
Nu weten we dat lood giftig is omdat lood voor het lichaam lijkt op zink en ijzer en concurreert met die elementen. Lood blokkeert neurotransmitters.

Patterson krijgt onverwachts bezoek van de olieindustrie...

 

Maffia-achtig tafereel: bezoek van de olie- en loodindustrie uitgebeeld als een stel intimiderende heren die niet van plan waren een eerlijke wetenschappelijke discussie met Patterson aan te gaan. Eerst suggereerden ze om een ander onderwerp te kiezen, en toen Patterson dat weigerde dreigden ze hem met stopzetting van de financiering van zijn onderzoek. (tetra-ethyl-lood in benzine als antiklopmiddel).

De loodfabrikant huurde een wetenschapper in om te bewijzen dat lood ongevaarlijk was, en overal in het milieu voorkomt. Die probeerde twijfel te zaaien over de gevaren van lood. Niemand ging er decennia lang tegen in.
Maar Patterson was ondertussen een expert geworden in het meten van zeer lage concentraties lood. Hij ging de loodconcentraties van zeewater meten op verschillende dieptes. Hij vond dat aan de oppervlakte de concentraties honderd maal hoger waren dan op grote diepte. Patterson publiceerde zijn bevindingen in Nature. De financiering van Patterson's onderzoek werd onmiddellijk stopgezet. Hij had de pech dat hij door de olie industrie gefinancierd werd. Maar gelukkig werd hij door de overheid gesteund en kon zo hij loodverontreiniging in de verste uithoeken van de aarde onderzoeken. IJs van vóór de industriële revolutie! Loodgehalte van vroeger waren altijd lager. 'Mass lead poisoning on a unprecendented scale'...
Patterson vocht nog 20 jaar tegen de loodindustrie voordat lood eindelijk werd verboden in de USA. [2] 

Clair Patterson

Patterson, de man die de leeftijd van de aarde bepaalde, werd onbedoeld ook een strijder voor de volksgezondheid.

Dit verhaal was mij grotendeels onbekend. Een zeer geslaagde aflevering wat mij betreft. Door de zoektocht naar de ouderdom voor de aarde te combineren met de strijd tégen loodvergiftiging en vóór volksgezondheid (met Patterson als centrale figuur) wordt duidelijk dat zuiver wetenschappelijk onderzoek op een onverwachte manier van cruciaal belang kan zijn voor maatschappij, volksgezondheid en milieu. We zijn getuige van de strijd tussen 'de machten van het Kwaad' (de olie industrie) en 'het Goede' (de eenzame wetenschapper die ten koste van zijn eigen baan opkomt voor de gezondheid van duizenden en duizenden kinderen die het slachtoffer zijn van loodvergiftiging).

Noten

1. Die berekening en de waanzinnige precisie doet nu komisch aan, maar het was misschien wel de eerste systematische poging om de leeftijd van de aarde te berekenen. In feite was het een berekening van de tijdsduur dat  geschreven documenten terug gaan in de tijd van het volk dat die documenten naliet en natuurlijk niet van de ouderdom van de aarde.
2. Dit verhaal heeft grote overeenkomsten met het twijfel zaaien aan het verband tussen roken en kanker, en CO2 uitstoot en klimaatopwarming.

 

Vorige blogs over dit onderwerp

• 2 mei 2014 Cosmos (6) The planet of the tardigrades
• 1 mei 2014 Cosmos (5) een telescoop is een tijdmachine (Michell, Herschel, Faraday, Maxwell, Einstein)
• 30 april 2014 Cosmos (4) De ontdekking van het licht (Mozi, Ibn al-Haytham, Herschel, Fraunhofer)
• 29 april 2014 Cosmos (3): Newton en Halley. De opkomst van de natuurwetenschap
• 22 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (2) Evolutie
• 14 april 2014 Cosmos: A Spacetime Odyssey (1) Neil deGrasse Tyson

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)