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