Over het boek Naar alle onwaarschijnlijkheid. Toeval in de wetenschap en filosofie van Klaas Landsman (1)

Klaas Landsman (2018)
Naar alle onwaarschijnlijkheid.
Toeval in de wetenschap en filosofie

Theoretisch fysicus Klaas Landsman schreef een fascinerend boek over toeval in de natuurkunde, kosmologie, evolutie, filosofie en religie zoals niemand anders in Nederland dat had kunnen doen.

fine tuning

Na een inleidend hoofdstuk over het begrip coïncidentie begint Landsman met het idee Fine Tuning van de kosmos voor het leven. Om dit op een wetenschappelijk verantwoorde manier te kunnen doen, behandelt hij eerst de Algemene Relativiteitstheorie, het Standaardmodel van de deeltjesfysica en kosmologie. Dit is voor een bioloog zonder meer een pittig hoofdstuk. De dierentuin van elementaire deeltjes, met o.a. down-quark en up-quark, is voor mij duizelingwekkend zelfs angstwekkend ingewikkeld. Een bioloog hoeft dit allemaal niet te begrijpen om zijn werk te kunnen doen [2]. Wat van belang is dat wij ons leven te danken hebben aan x fundamentele constanten die zo onwaarschijnlijk precies zijn 'afgestemd' dat atomen, moleculen, sterren en planeten zijn ontstaan. Nemen we dit soort conclusies aan, dan weten we voldoende om de rest van het verhaal te kunnen volgen.

Het hoofdstuk over Fine Tuning vond ik zeer de moeite waard. Ik heb in het verleden veel over het onderwerp gelezen, maar de aanpak van Landsman is origineel. Hij maakt een verhelderende maar compacte analyse van Fine Tuning, verwerpt uiteindelijk zowel Fine Tuning als het Multiversum (!) en met name de conclusies die men er doorgaans uit trekt, omdat ze beide op een aantal denkfouten berusten. Dat doet hij niet zomaar. Hij geeft het idee Fine Tuning een kans. Hij vraagt: wat als Fine Tuning toch een zinnig concept zou zijn? Wat kunnen we dan van Fine Tuning leren? Het is voor mij een hoofdstuk dat ik zeker vaker zal lezen. Er wordt het nodige denkwerk vereist. Mijn gevoel is dat hier een gezaghebbende bespreking van Fine Tuning op tafel ligt.

natuurkunde

Klaas Landsman

Toeval is niet altijd een onderdeel van natuurwetten geweest: Newton's wetten waren deterministisch. Boltzman introduceerde toeval in natuurwetten. Einstein introduceerde als eerste toeval in de kwantummechanica. Het aardige van de uiteenzetting van Landsman is dat het niet als kant-en-klare theorie wordt gepresenteerd maar als een historische ontwikkeling met veel onzekerheden en (persoonlijke) controverses. Het blijkt dat Landsman werkt aan een oplossing voor de Schrödingers kat paradox. Dat behoort tot zijn vakgebied Foundations of Quantum Theory.

evolutie

In het hoofdstuk 'Toeval in evolutiebiologie' behandelt Klaas Landsman de rol van het toeval in evolutie. De rol van toeval wordt goed belicht, maar gaat enigszins ten koste van de rol van natuurlijke selectie. Bijvoorbeeld: neutralisme (whistleblower Kimura) vind hij erg belangrijk en fascinerend. Over het neutralisme van Kimura schrijft hij: "bracht hem tot de ketterse conclusie dat de klassieke darwinistische selectie via het recht van de sterkste nauwelijks een rol speelt in de evolutie... " [1]. Dat er later correcties (afzwakkingen) van Kimura's model zijn gekomen staat niet in de hoofdtekst, maar zet hij in een eindnoot (33).
Landsman noemt ook Stephen Jay Goulds 'rewinding the tape of life' [10] die uitstekend past binnen het thema toeval in evolutie.

De rol van toeval in evolutie heeft voor Landsman een speciale betekenis. In de epiloog schrijft hij: "Ook evolutie vind ik fascinerend omdàt het proces door toeval wordt aangestuurd" in plaats van dat het een voorgeprogrammeerd, deterministisch, doelgericht proces is. Voor hem betekent het dat evolutie een open-einde-proces is, dat nieuwe dingen kan voort brengen. Dus toeval heeft bij hem in dit verband een positieve betekenis. Dit contrasteert hij met de christelijke visie waarin alles doelgericht moet zijn.

Landsman noemt geen literatuur die de rol van toeval relativeert zoals convergentie [4]. Convergentie is het meerdere malen onafhankelijk ontstaan van dezelfde aanpassingen in diverse families in de Tree of Life. Het oog is een goed voorbeeld. Het beeldvormend oog met lens is niet minder dan 50 tot 100 maal ontstaan in de evolutie. D.w.z. het oog van alle hedendaagse organismen is niet via gemeenschappelijke afstamming van een verre voorouder afkomstig, die toevallig de juiste mutaties had. Toeval sluit dus niet uit dat evolutie meerdere malen dezelfde aanpassing voortbrengt. Je zou kunnen zeggen dat het ontstaan van het cameraoog onvermijdelijk was.
Verder heeft mathematisch bioloog Stuart Kauffman [3] betoogd dat het ontstaan van het leven in het universum geen toevalligheid is maar onvermijdelijkheid.

Nergens maakt Landsman fouten op het gebied van de evolutiebiologie, hij heeft de nodige literatuur geraadpleegd ([8], waaronder één leerboek [6]). Soms kwam ik een enkel boek tegen dat ik niet kende, maar de moeite waard lijkt (Chance in Evolution [7]). Bij sommige passages kan ik kanttekeningen plaatsen [5] [9]. De paragraaf 'De moleculaire structuur van mutaties' suggereert een uitleg van het mechanisme van mutaties op chemisch niveau. Maar dat is er niet. Toen hij het boek schreef kon Landsman nog niet weten dat chemische tautomerie van de bases A,T,C,G ten grondslag ligt aan mutaties in het DNA (zie mijn vorige blog Het is nu bewezen dat DNA noodzakelijkerwijs mutaties genereert. DNA mutability by design). Het zou goed passen in het betoog van een theoretisch fysicus [11].

In een volgende blog zal ik aandacht besteden aan het hoofdstuk 'Toeval en religie'. [12]

Noten

1. Klopt niet helemaal: Kimura heeft het over DNA sequence niveau, niet morfologisch! Zie mijn review. Kimura was een whistle-blower en revolutionair; gooide een knuppel in het hoenderhok. De orthodoxe neo-Darwinisten waren de gevestigde orde en het doelwit van de aanval. KL laat zich een beetje meeslepen. Het ware beter dat zijn afzwakking niet in een noot maar in de hoofdtekst was terecht gekomen. Het 'recht van de sterkste' is een foute uitdrukking.
2. Naar aanleiding van de uitspraak "beschrijvingsniveau van de fysica is irrelevant voor de mens". Speculatief: zou leven mogelijk zijn met atomen en moleculen zonder dat die weer uit nog kleinere deeltjes bestaan? Zijn die deeltjes echt nodig? Fotosynthese misschien? Gekscherend: het zal organismen een worst wezen hoeveel elementaire deeltjes er zijn, als ze maar voedsel, partner en een slaapplaats hebben. Misschien zijn ze nodig voor fysische processen in de zon en als je per se alles uit een oerknal wilt laten ontstaan.
3. De populaire versie is: At home in the Universe. De wetenschappelijke versie is: The Origins of Order. Self-organization and selection evolution.
4. Zie wikipedia artikel convergent evolution. Paleontoloog Simon Conway Morris heeft nogal aan de weg getimmerd met convergentie: Life's Solution. Inevitable Humans in a Lonely Universe; Fitness of the Cosmos for Life: Biochemistry and Fine-Tuning; The Runes of Evolution, How the Universe Became Self-Aware. Maar zie ook: George R. McGhee (2011) 'Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful'.
5. Ziekte van Huntington: hierbij speelt mee dat bij een veel voorkomende vorm van Huntington de ziekte verschijnselen pas optreden op oudere leeftijd nadat de drager zich heeft voortgeplant. Daardoor heeft natuurlijke selectie er geen vat op. We worden ouder dan vroeger. 
6. Ridley (2004) 3d ed. textbook Evolution. Zie voor overzicht van moderne texbooks Evolution hier.
7. Chance in Evolution. Edited by Grant Ramsey and Charles H. Pence (met bijdrages van specialisten)
8. Han Brunner (2016) When Chance Strikes: Random Mutational Events as a Cause of Birth Defects and Cancer  
9. Landman schrijft: "Mutaties moeten ooit een keer ontstaan en zijn van oorsprong dus altijd somatisch, " dat is een vreemd gebruik van het woord somatisch. In ieder geval zijn somatische mutaties evolutionair van minder belang. Het zijn mutaties in de geslachtscellen (germline) die impact hebben op de volgende generaties.
10. S. J. Gould: 'rewinding the tape of evolution would not guarantee the re-occurrence of the human species' in zijn boek Full House. Volgens wikipedia: "Gould's thesis in Wonderful Life was that contingency plays a major role in the evolutionary history of life." (in Wonderful Life). Zie ook mijn review van Gould.
11. In het Trouw interview komt hij héél dicht in de buurt: "Zo'n replicatiefoutje af en toe zit als het ware ingebakken in de structuur van het DNA, alleen de locatie is toevallig."
12. Nog even geduld aub: ik ben voor de tweede (!!) keer geveld door het griepvrius! (11 mrt). Over fine tuning gesproken: het menselijk lichaam is niet gefinetuned om bestand te zijn tegen een extreem simpel virus!

Bronnen/Literatuur

• ik heb de ebook versie gebruikt
• Homepage Klaas Landsman 
• Naar alle onwaarschijnlijkheid (Google books) 
• Interview met Klaas Landsman in Trouw 24 feb 2018
•  Klaas Landsman, Ellen van Wolde (2016) The Challenge of Chance. A Multidisciplinary Approach from Science and the Humanities.

Het is nu bewezen dat DNA noodzakelijkerwijs mutaties genereert. DNA mutability by design.

 > English summary 

James Watson en Francis Crick publiceerden in 1953 het beroemd geworden  3-dimensionale model van DNA. Maar in dezelfde publicatie spraken ze ook een vermoeden uit hoe door chemische varianten van de bases (isomeren genaamd) mutaties geproduceerd kunnen worden [4].
In het standaard Watson-Crick model van DNA paren de bases T met A, en C met G (meestal geschreven als: TA of AT en CG of GC).

(a) normale base paring TA en CG.
(b) afwijkende base paring: TG en CA
©Nature 2018 [1]

Deze base paring is het fundament voor het betrouwbaar kopiëren van DNA. Maar, met een lage frequentie vormen de bases isomeren (= een andere rangschikking van dezelfde atomen van hetzelfde molecuul) waardoor een TG paar of een CA paar ontstaat (zie figuur). Het bestaan van die afwijkende base paren zijn nu experimenteel aangetoond [1]. Wat Watson en Crick als hypothese naar voren brachten in 1953 is 65 jaar later aangetoond. Dat het nu pas is aangetoond komt omdat het experiment technisch gezien een hoogstandje is.

Wat is het belang hiervan? Wel, de betrouwbaarheid van DNA als drager van erfelijke informatie is afhankelijk van de correcte base paring. Die base paring maakt het betrouwbaar kopiëren van DNA mogelijk. Zonder dat zou je niet eens kunnen spreken van een 'erfelijkheidsmolecuul'. Als die base paring niet altijd correct is, ook al is het zeldzaam [2], dan is DNA als drager van erfelijke informatie niet meer 100% betrouwbaar. Er ontstaan mutaties in het DNA. Die mutaties zouden in de loop der generaties kunnen accumuleren. Het DNA zou op termijn degraderen.

Daar komt nog bij –en dat was nieuw voor mij– dat de fout gepaarde bases de 3-D structuur van DNA niet aantasten [3]. Ze passen net zo goed in DNA als de normale base paren. Het is ruimtelijk gezien een normale dubbele helix. De cel kan het niet detecteren als abnormaal DNA. En het 'foute' DNA wordt gewoon door de cel gekopieerd. De 'fouten' zijn erfelijk!

Maar als die muteerbaarheid veroorzaakt wordt de chemische eigenschappen van de 4 bases in het DNA, zijn die 4 bases in DNA evolutionair gezien dan wel geschikt? Zijn ze 'de beste keuze' die evolutie had kunnen maken? De 4 bases zijn immers inherent chemisch instabiel. Dat wil zeggen dat er geen externe oorzaken (bijvoorbeeld radioactieve straling) nodig zijn voor dat soort mutaties. Was er geen beter alternatief? Waren er andere mogelijke bouwstenen voor DNA zonder het probleem van isomeren? De vraag is makkelijk gesteld, het antwoord kan alleen gegeven worden door chemici.

Tenslotte een opmerking over 'goede' en 'foute' base paren. Er is niets inherent 'goed' aan het TA base paar en niets inherent 'fout' aan het TG base paar. Als TG het meest stabiele paar was en TA de uitzondering, dan had dat ook prima kunnen werken in DNA. 

Gezien vanuit de evolutietheorie is 'de keuze' voor de 4 bases in DNA niet perfect uit het oogpunt van stabiliteit, maar gezien vanuit het oogpunt van natuurlijke selectie is een zekere mate van muteerbaarheid van DNA juist essentieel. Dat bewijst niet dat de 4 bases de enige keuze waren, het kan een frozen accident zijn.

Gezien vanuit 'intelligent ontwerp' is de keuze (keuze zonder aanhalingstekens!) voor de 4 bases en 2 base paren een slechte keuze. Zeker gezien het feit dat de ontwerper de bouwstenen zelf kon ontwerpen en dus een 100% perfect ontwerp had kunnen realiseren. Daarbij ga ik er van uit dat de ontwerper niet de bedoeling had om evolutie door mutatie te realiseren (mutability by design) want dat zou onnoemlijk veel leed veroorzaken zoals aangeboren en erfelijke ziektes, kanker en veroudering.

Dit is niet de eerste keer dat ik over problemen met DNA blog, zie hieronder.

Summary

James Watson and Francis Crick appeared to be correct [1] about their suggestion in their famous 1953 paper that isomers of the 4 bases could cause mutations in DNA [4]. It follows that the 4 bases A, T, C, and G are inherently unstable, and can produce the mispairs TG or CA thereby destroying genetic information in the process. Because there are no external factors necessary to cause these mutations, DNA is mutable by design. In other words: evolution, genetic diseases and cancer by design.

H.F. Judson (1996) The Eighth Day of Creation

At first, Watson used the wrong enol configuration of the bases, but Jerry Donohue told him: "But those are the wrong forms". Watson replied: "They are in the textbooks". Donohue replied: "They are far more likely to take the keto forms." When Watson tried the keto forms, he discovered that the 2 pairs AT and GC fit perfectly in the 3-D structure. (page 146 of the 25th anniversary paperback edition of Judson 1996).

So, in the end Watson, Crick and Donohue used the right tautomeric forms, but according to Nature publication discussed above, they now appear to be wrong about the question whether the wrong forms do fit in the 3-D structure of DNA. They do fit, but they are rarely formed. I don't know what was wrong in the reasoning of Watson and Crick at the time. (added 21 Feb 2018)

Noten   

1. Myron F. Goodman (2018) Smoking gun for a rare mutation mechanism, Nature News and Views, 31 January 2018. (gratis)
2. "one per thousand to one per million base pairs formed"
3. "Such mutations would be easily accommodated because tautomeric mispairs do not distort the helical DNA structure." en: "the mismatched pairs had the same geometry as Watson–Crick pairs."
4. (expanded 22 Feb 2018): Watson, Crick (1953) actually wrote: "It is assumed that the bases only occur in the structure in the most plausible tautomeric forms (that is, with the keto rather than the enol configurations ...". In their follow-up paper they wrote: "We believe that the bases will  be present almost entirely in their most probable tautomeric forms." (but they do not provide any evidence!) and: "For example, spontaneous mutation may be due to a base occasionally occurring in one of its less likely tautomeric forms." (Watson and Crick 'Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid', Nature 30 May 1953).

Vorige blogs over dit onderwerp

• Geen leven zonder DNA-repair. De Lindahl paradox en de Eigen paradox 21 Oct 2015
• Subtiel verschil in correcte en foute baseparing in DNA, 13 Jul 2012 (dit blog is achteraf eigenlijk een voorloper van het huidige blog)
• Enkele verbazingwekkende feiten over zwakke plekken in DNA, 10 maart 2012
• Stabiliteit van DNA wordt schromelijk overdreven, 2 maart 2012
• Als DNA perfect is, waarom dan dood, erfelijke ziekte, kanker? 23 jan 2012

Over het boek van Johan Norberg: 'Vooruitgang, Tien redenen om naar de toekomst uit te kijken'

Johan Norberg (2016)
Vooruitgang, Tien redenen om naar de toekomst uit te kijken

Ik blogde eerder over de Zweedse historicus Johan Norberg naar aanleiding van een aardige, maar optimistische en korte lezing in de Brainwash Talks serie. Ik concludeerde dat optimisme eigenlijk wel erg makkelijk en goedkoop is. Maar ik had zijn boek Progress: Ten Reasons to Look Forward to the Future (Vooruitgang, Tien redenen om naar de toekomst uit te kijken) toen nog niet gelezen.

Gezien het feit dat Norberg politiek een liberaal is, was ik nieuwsgierig hoe hij omgaat met klimaat opwarming. Hij heeft een hoofdstuk over 'The Environment'  waarin hij schrijft over het klimaat:

"The burning of fossil fuels, which powered humanity's industrial ascent, also warmed the climate, with a number of detrimental consequences possible during the twenty-first century."

Tot zover goed: klimaatopwarming door menselijke activiteit wordt niet ontkend. Norberg is geen klimaatontkenner. Maar: hij kan het niet laten om de ernst van klimaatopwarming te relativeren door er op te wijzen dat de doomscenario's van jaren geleden niet zijn uitgekomen. etc. Verder citeert hij niet toevallig de Deense statisticus Bjørn Lomborg om zijn optimistische visie te onderbouwen; de Club van Rome (1968: hoe actueel!) wordt bekritiseerd, ze zaten er naast met hun voorspellingen (!), etc. etc. etc.


Er wordt pas duidelijk hoe hij écht denkt over klimaatopwarming in de volgende passage:

"But drastic and far-reaching efforts to limit carbon dioxide emissions might be counter-productive. It is not necessarily true that the best way forward is to limit emissions to such an extent as to prevent climate change. What is important is that our climate policies don't hurt our ability to create more wealth ..." (Chapter 6 The Environment, 36/57)

Dus:

1. we hoeven klimaatopwarming niet volledig tegen te gaan, een beetje is goed genoeg
2. áls we toch klimaatopwarming moeten bestrijden, dan mag het niet te veel kosten, het mag nooit ten koste van onze welvaart en rijkdom gaan

Met andere woorden: 'de aarde, de mensheid, de natuur redden' is een aardige en sympathieke doelstelling, maar mag niet ten koste gaan van de economie. Ben je dan een klimaat-ontkenner of slechts een klimaat-relativist? Wat mij betreft kunnen we Johan Norberg alsnog indelen bij de klimaatontkenners. Vergelijking: je huis staat in brand, en de brandweer gaat de brand 'een beetje blussen' want we hebben het wel over drinkwater en dat is kostbaar! Dat mag je niet verspillen! Het mag niet te veel kosten! Mijn reactie: je wilt je brandende huis blussen of niet. Je wilt klimaatopwarming bestrijden of niet.

De rest gaat vaak op een vergelijkbare manier. Illustratief is hoe hij het hoofdstuk The Environment begint: de Great London Smog van 1952! Dat is een slimme zet! Want hoewel het verkeer in Londen vastloopt, dat soort smog hebben ze niet meer. En het hoofdstuk over voedsel begint hij met de Zweedse hongersnoden. Hongersnoden kennen we niet meer in Zweden. Het hoofdstuk over Sanitation begint met stinkende steden en cholera, tyfus. Dat hebben we niet meer. Dus: vooruitgang! Norberg heeft als historicus het recht om met historische voorbeelden te beginnen. Zoals ik al schreef in mijn vorig blog: zó kan ik ook een optimist zijn. Het is zo wel erg makkelijk. Verrassend is dan weer dat hij Steven Pinker uitgebreid en met instemming citeert in het hoofdstuk over Violence. Steven Pinker is te karakteriseren als progressief, links en humanistisch.
Maar wat volgens mij weer typerend is voor Norberg is dat hij op een tamelijk eenzijdige en bizarre manier kernenergie verdedigt. Dat maakt het boek in plaats van een puur historische studie naar vooruitgang, een politiek boek. [1]
Zijn desinteresse voor het milieu blijkt wel uit het feit dat het woord 'plastic soup' niet voorkomt in zijn boek. [2]

Methodologisch zie ik een probleem om vooruitgang te bewijzen met een zeer slechte (of de allerslechtste?) periode wat betreft voedsel, oorlog of gezondheid. Bijvoorbeeld: mensen aten aardappels met stro omdat ze niets anders te eten hadden. De kindersterfte was hoog, er was structureel honger, vaders, moeders, kinderen stierven jong van honger of cholera en tyfus. Maar had de generatie daarvóór het dan nog slechter? En dáárvoor nog slechter? Evolutionair gezien hebben voldoende mensen voldoende kunnen eten om in leven te blijven en om zich voort te planten. Anders waren wij er niet geweest.
Zijn slechtere periodes niet afgewisseld met bloei periodes?

Ik vind het Norberg-optimisme schadelijk omdat het de nadelen van de vooruitgang relativeert en onbelangrijk maakt. Maar vooruitgang is nooit gratis. Het gaat bijna altijd ten koste van andere zaken. Vooruitgang ten koste van wat? Hoeveel mag het kosten? Is dit vooruitgang: vlees is goedkoop, vliegen is goedkoop? Waarom is het zo goedkoop? Hoe kan dat? Zijn er misschien nadelen die we over het hoofd zien?
Bijvoorbeeld: we produceren voldoende voedsel om de wereldbevolking te voeden? Nogal makkelijk om optimistisch te zijn, maar zie: Hans van Grinsven en Kees Kooman (2017) Dit is uw land. Het einde van een boerenparadijs. Die laten de schaduwkanten zien van onze voedselproductie.

Het is niet dat Norberg geen weet heeft van schaduwkanten. Hij laat gewoon zijn optimisme niet verpesten. Optimisme is een manier om niet te lang stil te staan bij de schaduwkanten van de vooruitgang, zodat je je geen zorgen hoeft te maken. En ik denk ook dat een optimist structureel ongevoelig is voor schaduwkanten van wat dan ook. Het zou je humeur kunnen bederven. Behalve dat optimisten vrolijke mensen zijn, zijn het ook waar-maak-je-je-druk-om types. Vooruitgang is te danken aan mensen die zich zorgen maken.

Noten

1. toegevoegd 14 feb 2018. Politiek boek: in Nederland zou Norberg een VVD-er zijn. 
2. toegevoegd 14 feb 2018.  Plastic soup: zijn de hoeveelheden plastic die we produceren, consumeren en weggooien werkelijk vooruitgang??? Is dat plastic zo belangrijk voor onze welvaart? Ieder arm land verlangt naar net zoveel plastic als rijke landen? Is plastic een goede indicator voor het welvaarts/welzijns niveau ?

 

Vorige blogs over dit onderwerp

• Rutger Bregman (2013, 2017) De geschiedenis van de vooruitgang (aanbevolen! ik weet niet of hij een liberaal is. Hier mijn blog)
• Hans Rosling benadrukt de vooruitgang op het gebied van volksgezondheid, maar zonder de politiek-liberale bijbedoelingen voor zover ik me kan herinneren. Op 8 december 2011 blogde ik over hem: Het nut van de wetenschap (3)
• Steven Pinker: The Better Angels of Our Nature: Why Violence Has Declined.  

Uitgeverij Nieuw Amsterdam heeft een vertaling uitgegeven van Norberg's boek: Vooruitgang, Tien redenen om naar de toekomst uit te kijken (2016). Ik heb de Engelse e-book uitgave: 'Progress: Ten Reasons to Look Forward to The Future' (vandaar dat ik geen exacte paginanummers kan geven).