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]