Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

De proto-RNA wereld

De hypothesen over de oorsprong van leven lopen nog steeds uiteen. Ook de omstandigheden waaronder het leven zich ontwikkeld zou hebben kent vele versies. De bekendste zijn de primordiale soep en de alkaline hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. Deze laatste heeft tegenwoordig een grote voorkeur, onder andere omdat de hete bronnen schoorstenen vormen van poreus materiaal waarin de eerste cellen gevormd en genesteld zouden kunnen zijn geweest. Bovendien bestaat daar een verschil in pH tussen de binnen- en buitenwand van de schoorsteen, waardoor er een stroom aan protonen beschikbaar was als energiebron voor dit eerste leven.

De protocellen moeten ook DNA of RNA opgebouwd hebben. Men gaat er van uit dat er eerst RNA ontstond en spreekt dan van de RNA-wereld. RNA is niet alleen een eenvoudiger molecuul dan DNA, het heeft ook de mogelijkheid tot auto-replicatie via de ribozymen. Patrick Forterre lanceerde de hypothese dat retrovirussen vervolgens dit inmiddels cellulaire RNA omzetten in DNA, dat veel stabieler is en als informatieopslag dient.

2,4,6-Triaminopyrimidine

2,4,6-Triaminopyrimidine

Maar hoe werd het eerste RNA gevormd. Tot nu toe hielden veel onderzoekers zich bezig met hoe de verschillende

cyaanzuur

cyaanzuur

‘onderdelen’ zich kunnen vormen en hoe daaruit het RNA kan ontstaan. Hoe komen het ribose en de base tot een nucleoside en met fosfaat tot een nucleotide? Dit onderzoek is al vele decennia bezig, maar werpt niet veel vruchten af. Nicholas Hud zoekt momenteel naar een heel andere oorsprong. Hij heeft bepaalde moleculen bij elkaar geplaatst en zag dat deze ook polymeren konden vormen. Deze reactie verloopt geheel spontaan. Hij liet zien dat een licht gewijzigde vorm triaminopyrimidine (TAP) en cyanuurzuur (CA) vanzelf assembleren en daarmee op de klassieke basenparen lijken. Ze vormen dan hexameren die zich opstapelen en lange polymeren vormen. Ze toonden ook aan dat TAP heel eenvoudig een binding aangaat met ribose, en zodoende spontaan nucleosiden vormt. Zodra daaraan CA toegevoegd werd ontstonden er lange polymeren, de lengte van genen (meerdere duizenden basenparen).

TARC CA

Structuur van TARC (een licht veranderde vorm van TAP) en CA met R (ribose). Deze opeengestapelde hexameren of rosetten vormen lange polymeren van ongeveer 100 nm (0,1 micrometer; dat is erg lang).

Deze studie laat zien dat het in principe relatief eenvoudig kan zijn een voorloper van RNA te creëren. Of de evenementen zich werkelijk zo en met deze ingrediënten hebben voorgedaan blijft ook voor de auteurs de vraag. Het is echter van belang op te merken dat er nu een verschuiving is ontstaan in het hele concept van de RNA-world. De vraag is nu niet meer hoe de verschillende onderdelen (ribose, fosfaat en base) een nucleotide konden vormen en vervolgens een RNA-streng, maar hoe een voorloper van een auto-replicerend polymeer vorm kon geven aan een polymeer van RNA. Dit betekent een heel andere manier van denken en experimenteren en Nicholas Hud heeft daarmee een verandering in het concept van de RNA-wereld gecreëerd. In zijn concept lijkt er sprake te zijn van een ware evolutie van polymeren, met als eindpunt RNA en niet een recht-toe-recht-aan chemische reactie van de bouwstenen van een nucleotide en de polymerisatie daarvan tot RNA.

protoRNA-evolution_web

De proto – RNA theorie. Let op de veranderingen die stapsgewijs plaatsvinden in respectievelijk de ribose, de base en het fosfaat. Door Nicholas Hud. (Klik voor een grotere weergave op het plaatje)

Het ging wellicht om een primordiale melange aan moleculen, waar de meest stabielste en efficiëntste replicatoren de boventoon gingen voeren. Als de polymeren van Hud inderdaad zo eenvoudig tot stand komen, kunnen deze deel uitgemaakt hebben van een verscheidenheid aan polymeren, waaruit de ‘beste’ overbleven. Er zijn momenteel veel hoeken van waaruit het ontstaan van de eerste replicatoren bekeken wordt. Zo is er bijvoorbeeld het werk van Jeremy England dat berekent hoe alle replicatoren (al het leven) energie vrijgeven gedurende de replicatie en daarmee aan de Tweede wet van de thermodynamica gehoorzamen, of dat van Addy Pross (zie ook blog van Gert Korthof), die spreekt van dynamic kinetic stability (DKS) in contrast met de Tweede wet van de thermodynamica. Recente ontwikkelingen zijn er ook met in silico experimenten, waarbij strings binnen een binair polymeer model na verschillende replicatie-cyclussen voortdurend dezelfde combinaties opleveren, alsof er een interne selectie plaatsvindt. Al dit onderzoek staat in de kinderschoenen, maar het belooft heel wat en er zullen nog meerdere blogs op volgen.

Uit: Chemists Seek Possible Precursor to RNA by Emily Singer in Quantum Magazine

C. Chen, B. J. Cafferty, I. Mamajanov, I. Gállego , J. R. Krishnamurthy, and N. V. Hud. Spontaneous Prebiotic Formation of a β-Ribofuranoside That Self-Assembles with a Complementary Heterocycle. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136 (15), pp 5640–5646 DOI: 10.1021/ja410124v

Met dank aan Harry Pinxteren, Gert Korthof en Rob van der Vlugt voor de discussies, boeken en artikelen

 

Heeft de slang nu wel of niet gesproken

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

Leonardo speelt nog een liedje

Leonardo speelt nog een liedje

Heeft de slang nu wel of niet gesproken

Door enig geruis in de samenleving, ik bedoel in dat deel van de samenleving waarin ik mij nu weer even beweeg, werd ik attent gemaakt op een artikel in NATURE: Does evolutionary theory need a rethinking? Een vraag in de kop, waarna het artikel zich onmiddellijk opsplitst, qua indeling en qua bijdragende auteurs in een Yes, urgently deel en een No, all is well deel. En ik moet U zeggen: ik ben van een paar kleine verbazinkjes in een paar grote gevallen.
Het geruis kwam vooral vanuit de blogosphere (1, 2), maar wie de moeite neemt om het artikel zelf te lezen, en daarna de reacties – vooral de reacties! – ziet dat het water bij Nature al gaat rimpelen.

Het heeft mijn gedachten bijna onmiddellijk naar de affaire Geelkerken verplaatst. Nu zal in het evolutiebiologenwereldje, en vooral daar waar het ongeloof een grote vlucht heeft genomen, de affaire Geelkerken geen bellen doen rinkelen, dus ik zal U even bijpraten.
Geelkerken was een dominee, één van een groepje dwarse dominees in de Gereformeerde Kerken die zich, nu zo’n honderd jaar geleden, bij het verhaal over de zondeval – we zitten dan qua tijdperk nog heel erg dicht bij de schepping – afvroeg of de slang daadwerkelijk gesproken had. Slangen missen nu eenmaal the faculty of speech, die is van dominees en linguïsten en dat soort mensen. En hij deed dat openlijk, op de preekstoel. Daar is een hoop gedonder van gekomen, dat uiteindelijk leidde tot disciplinaire maatregelen, waarna aan het einde – het zal U niets verbazen – NL weer een denominatie meer telde.

Zij die het rechte pad bewaken

Zij die het rechte pad bewaken

 

Wat is voor mij de evolutietheorie.
Laat ik daar onmiddellijk duidelijk over zijn: de associatie met het geloof is er voor mij ook in dit opzicht. Maar ik zal het minder verdacht, positiever neerzetten.
Ik vergelijk het met een prachtige ronde kaas, zoals die uit de kaasvorm komt, eertijds van de boer, heden ten dage van de fabriek. En daar ligt die kaas op de plank van de kaasboer. Mooie ronde vorm, compact in aanzien en gewicht (en dat kan behoorlijk zwaar zijn, hoog soortelijk gewicht; ik weet niet of U zich een voorstelling kunt maken van een Italiaanse commessa die een nieuwe parmigiano aan moet gaan snijden – wel, ik ben een keer als klant naar de andere kant van de balie gegaan om het lieve kind te helpen).
En dan komt er een klant en die wil daar een stukje van. En de kaashandelaar moet de nieuwe kaas aansnijden, halveert de kaas, en de klant die toekijkt zegt: maar, daar zitten gaten in. Ja zegt het kaasboertje, dat klopt, dat hoort bij deze kaas, maar dat weegt niks dus daar betaalt U niet voor.
Ik bedoel hier gatenkaas dus te gebruiken in een veel positievere zin dan gewoonlijk gebruikt. Eigenlijk heel positief.

De evolutietheorie is de theorie van de hypotheses en de open einden.
De evolutietheorie is de theorie van het door de elektronische microscoop via beeldscherm waarneembare DNA – met beeldjes die de programmeur vertaald heeft op basis van de concepten in het hoofd van de gebruikersdeskundige evolutiebioloog – en de gevonden fossielen.
De evolutietheorie is ook de theorie van de lacunes en van het gemis aan experimenteerbaarheid.
Maar wel een mooie ronde kaas, goudgeel gekleurde korst en voorzien van keurmerk.
Een prima verhaal om te verklaren hoe we vanuit de big bang geworden zijn wat we nu zijn.

En als zodanig een veel beter verhaal dan het scheppingsverhaal.
Voor mij!
Het scheppingsverhaal vind ik als metafoor wel een prachtig verhaal, mits je voor ogen blijft houden dat er sprake is van twee metaforen: de volheid van de zevendaagse week als metafoor voor een enorme tijdspanne, en de schepper God als metafoor voor een heel ingewikkeld, niet overal en altijd navolgbaar verhaal.
Het is als zodanig ook een universeel verhaal. Het zijn niet alleen de joods-christelijke worteltjes die verantwoordelijk zijn voor de verspreiding van deze “goede boodschap” noch kunnen ze er het auteursrecht  van claimen. Het is alleen jammer dat voor een heleboel mensen de metafoor God veranderd is in een werkelijke, levende God. Ik denk dat de evolutietheorie daarover ook wel iets kan zeggen, maar dat is hier van een andere orde.

En nu blijkt dus ook de evolutie verschillende denominaties op te kunnen leveren. Zoals je de RK hebt en de PKN, zo heb je in evolutieland nu de SET en de EES.
Well, what’s in a name?
Heel wat. Mutation en natural selection, én genetic drift, en ook nog gene flow die tegenover developmental bias en plasticity, én niche construction, en ook nog inclusive inheritance dreigen te komen staan. Een positief punt: waar niet gelovigen vaak de draad en de kluwen niet kunnen onderscheiden bij kerkelijke haarkloverijen, is hier goed te volgen waarover het gaat.

Ik begrijp dat we de evolutie zien als een aanpassingsverhaal: het levende wezen past zich aan aan de omgeving. Okay, wat is die omgeving, waarom is die veranderd? Hebben we het dan alleen over de materialistische omgeving, of ook over de biosfeer. Volgens mij het laatste, want het woord biotoop lijkt me niet voor niks uitgevonden. Zoals de eikenboom een element is in de biotoop van de mens, zo is de mens een element in de biotoop van de eikenboom. En het lijkt me een typisch geval van gesneden koek, dat wanneer de mens zich aanpast de eikenbomen zich gaan aanpassen, en wanneer de eikenbomen zich aanpassen dat dan de mens zich gaat aanpassen.
Als die biotoop als zodanig wijzigt, waarom wijzigt die dan. Is daar dan sprake van een hiërarchie: “lagere” soorten wijzigen eerder, of vaker?

Voor zover ik het begrijp, zijn die wijzigingen traceerbaar als spoor van gewijzigd DNA. (Ik neem nu even aan dat wijzigingen zichtbaar in de verzameling fossielen het gevolg zijn van de DNA-mutatie – of ik daarmee meer SET dan EES ben laat ik graag aan de gelovigen over.)
Dus, de kernvraag lijkt mij: waarom doen zich mutaties voor in het DNA?
En ik denk dat dat een filosofische vraag is. Zelfs als wij vandaag de dag DNA-mutaties kunnen provoceren, zullen wij dan ooit weten waarom en hoe miljoenen jaren geleden een wijziging in het DNA tot stand kwam die ons mens zijn een stapje dichterbij bracht?

Hier zijn we bij een paar grote vraagtekens van mij beland, waarvan ik me nog eens bewust werd via het artikel in Nature.

Kevin Laland c.s. schrijft: “We hold that organisms are constructed in development, not simply ‘programmed’ to develop by genes. Living things do not evolve to fit into pre-existing environments …”. Ik sta er verbaasd van dat dit opgeschreven moest worden.
Mij is toch duidelijk gemaakt dat mutaties in genen aan de orde van de dag zijn, dat levert gedurig uiterlijke, functionele kenmerken op die verschillen, en evolutie wil dus zeggen dat die kenmerken die het meest fitten bij de omgeving, overleven. Er is toch niemand die beweert, of beweerd heeft, dat er geprogrammeerd is?
Elders schrijft hij: “The (EES) insights derive from different fields [...] They show that variation is not random.” Well, who’s in charge, zou ik zeggen.
Er lijkt warempel sprake te zijn van cryptocreationism, of cryptodesignationism.

En dan is daar het gebruik van het woord aanpassing.
Ik gebruik het hierboven in de actieve zin: iets past zich aan. Ik heb Wiki er maar bijgehaald – dat mag in dit geval, want evolutiebiologen verwijzen graag naar Wiki, er is zelfs een groepje activistische evolutionaire biologen dat ketterijen in Wiki bestrijdt – en dat zegt: Adaptation refers to both the current state of being adapted and to the dynamic evolutionary process that leads to the adaptation. Adaptations contribute to the fitness and survival of individuals. Daar zit dus een passief deel in, being adapted, en een actief deel, dynamic evolutionary process.

IJsberen zijn niet wit omdat het zo wit was op de Noordpool. Er lopen daar witte beren rond en nu, na miljoenen jaren, geen bruine beren meer, omdat de witte beer in die omgeving fitter was voor overleving, hetzij als voedselverzamelaar, hetzij tegen andere voedselverzamelaars. Dus de bruine beer is er begonnen, zo gaat het verhaal, maar het is nu de “mutatie” witte beer die de klok slaat.
Dat verhaal kun je ook heel anders vertellen, een andere manier om die ronde kaas te halveren en te laten zien dat het gatenkaas is, want …
Een bruine beer krijgt een jong, en dat ziet er heel anders uit dan de rest van haar jongen. Wit, of witachtig. Laten we aannemen dat de moeder op dat moment nog vertederd is. Kijk nou toch vader beer, wat schattig, een wit berinnetje. Vader bruine beer bromt een beetje misnoegd. Het beestje wordt door moeder beer nog wel extra vertroeteld. Maar al gauw wordt het beestje een blok aan het been. Want als de groep voorttrekt, en het beestje blijft wat achter, ook jonge beertjes zijn nieuwsgierig, dan moeten de oudere beren goed kijken waar het witte beestje uithangt, zeker als je tegen de laagstaande zon in kijkt. En al snel wordt duidelijk dat het beestje eerder een gevaar is voor het voortbestaan van de groep, dan een leuke versiering. En we weten maar al te goed wat alle samenlevingsvormen doen met dat wat de boel weliswaar opleukt, maar toch afwijkt van de norm: op z’n zachtst wordt het verstoten, op z’n ergst gaat het op de brandstapel.
En zo mag het eigenlijk een Godswonder heten dat er überhaupt witte beren op de Noordpool rondlopen.

En of die slang nu wel of niet gesproken heeft … ach, ik denk dat dat wel voor altijd een raadsel zal blijven.
Persoonlijk ben ik van mening dat ook slangen kunnen praten, en beren ook; vooral witte ijsbeertjes, die als eerste van hun moeder te horen krijgen dat mama echt wel van haar houdt, ook al ziet ze er dan een beetje anders uit. Alleen, wij mensen kunnen het met onze beperkte kennis niet herkennen als faculty of speech.
Het is niet onmogelijk dat de primitievere Adam en Eva, naamgevers aan de diersoorten, dat nog wel konden.

Zie ook: een ijsbeer beerde zoveel ijs

Zie ook: seks met eikenbomen

Het denken dat zichzelf (niet) kent

Gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

 

Leonardo musiceert

Leonardo musiceert

 

Wij hebben geest zoals wij honden houden,
een hond om de gedachten te bepalen,
een net van wegen dat wij voor de wereld houden,
dorps wegennet om ze te laten dwalen.
Chr. J. van Geel

Het denken dat zichzelf (niet) kent

Het lopen deelt ons niets mee over het lopen, niet als onze benen lopen, ook niet als onze benen over de rand van de stoel hangen, en niets anders te doen hebben. Het lopen heeft zichzelf ook niet in allerlei subfuncties opgedeeld, noch hoor ik het vragen of het uit zichzelf loopt of dat het wordt opgewonden.

Hoe heel anders is dat met het denken. Ons brein zorgt voor het denken, maar vertelt ons ook dat het daarover nadenkt.
Vermenging van functies … of misschien zelfs belangenverstrengeling?
Bovendien, bij dat nadenken vraagt het brein zich af of het wel kan nadenken, al wordt dat iets anders verpakt: heb jij wel een vrije wil zegt het brein dan tegen dat wat het aanstuurt – en dat wat aangestuurd wordt wordt daar behoorlijk onzeker van.

 

brain_7

Ceci n’est pas un cerveau …
… en het is zeker niet mijn brein

 

Ik heb hier drie boeken voor me liggen.

Allereerst is daar THE FUTURE OF THE MIND van Michio Kaku. Kaku is een bekend fysicus, heeft onder andere bijgedragen aan de snarentheorie, en heeft zich door veel gesprekken met neurologen verdiept in de vraag naar de toekomst rondom ons brein.

Dan is daar Het brein te kijk waarin een aantal neurologen NL, van naam en faam, hun licht doen schijnen op diverse zaken die het brein betreffen.

En ten slotte, waar het allemaal mee begonnen is, een  boekje – a VERY SHORT TOUR of the MIND – van de Nieuw Zeelandse neuroloog Michael Corballis, 21 short walks around the human brain, gebaseerd op informatieve columns in The New Zealand Geographic over zijn bezig zijn.

Tegen het laatst genoemde boekje ben ik aangelopen – met plezier! Het bezit van de andere twee is de vrucht van een zorgvuldig selectieproces, want er wordt door (bezitters van?) het brein heel veel over het brein te berde gebracht, boekenkasten vol.

Hoe ziet dat brein er uit?
Wel het is opgebouwd uit dezelfde stoffen die je overal in het lichaam aantreft: haarvaatjes, het plasma en de celletjes, er stroomt bloed door heen – die soms ook zo genoemd worden, maar ook, omdat het het brein is denk ik, wel suggestieve namen krijgen.
Zo is er het neuron, eigenlijk het bepalende element voor onze denkcapaciteit, dat wel als een “datatransmitter” wordt gezien: het heeft een ontvang-zend-lichaam (soma) dat voorzien is van een ontvanger – dendriet – en een zender – axon.
Verder heeft de massa een zekere structuur, een gelaagdheid, waar ook wel evolutionair technische kwesties aan verbonden worden – de toename van laagjes gaat daarin samen met de toename van intelligentie.

Wat doet het brein?
Dat wordt door het brein onderverdeeld in functies, alsof het een bedrijf is (met een zeer platte organisatiestructuur).
Het gaat dan om
– ons visuele systeem
– de aandacht
– de geheugenfunctie
– het emotionele systeem
– onze motoriek
– de taalfunctie
Hierbij vallen onmiddellijk een paar dingen op.
De denkfunctie zelf heeft geen plekje in dit organigram.
De focus van het hedendaagse onderzoek richt zich op de dynamiek en de connectiviteit binnen het brein, waarmee de neurologen de (moderne) frenologie achter zich hopen te laten. Maar het denken wordt voorlopig – noodgedwongen? –  nog gedomineerd door systemen en functies.
Daarnaast,  de overmatige aandacht voor het zien en onze faculty of speech. We hebben meer zintuigen dan het gezicht, maar aan gehoor – goed kunnen horen is toch wel heel belangrijk – reuk, smaak en tastzin wordt geen specifieke aandacht besteed.
Terwijl de taal zoveel aandacht krijgt – beter te zeggen: we zijn helemaal kapot van de mogelijkheid dat we kunnen praten (en van ons zien, én ons denken) – wordt er helemaal niets over onze faculty of music gezegd. Daar is toch ook sprake van grammatica, zinsbouw, recursiviteit. Akkoord, niet iedereen heeft die faculty.

Meten is weten. Kunnen we objectieve waarnemingen aan het brein doen, en levert dat eenduidige interpretaties op?
Heel wat mensen zullen die vraag zonder verder nadenken positief beantwoorden. In het algemeen hebben de neurologen, m.n. zij die aan de weg timmeren, voor een positief beeld gezorgd. En eerst in het ziekenhuis moeten ze aan verwachtingsmanagement gaan doen. Als ik hier zou opschrijven wat er niet kan, dan zouden nogal wat mensen teleurgesteld raken.
Ik daarentegen, scepticus van geboorte, ben eigenlijk heel optimistisch gestemd. Ik denk dat, technisch gesproken, de oppervlakte goed in kaart is gebracht, en dat er in de diepte heel veel vragen beantwoord zijn.
De hersenen geven elektrische en magnetische signalen af, afhankelijk van een specifieke activiteit. Daarnaast is de doorbloedingsfunctie zo ingericht dat die ook zichtbaar maakt welk gedeelte van het brein meer en minder actief is. Op basis daarvan is in nauwe samenwerking met fysici een gereedschapskist ontwikkeld die technologisch van een hoog niveau mag worden genoemd.
Dus, terwijl er vroeger EEG (en ECG) waren (event-related potentialen), is daar nu bij gekomen MEG = het meten van event-related magneetvelden, PET en fMRI = twee verschillende manieren om te meten waar het bloed kruipt.
Maar, er mag best nuchter over worden gedaan.
Alle technieken hebben zo hun beperkingen en nadelen, inclusief mogelijke beschadiging van de hersens.
En verder, wat betreft de precisie, ons brein telt zo’n honderd miljard neurons (wie die allemaal geteld heeft weet ik niet) maar die kunnen we niet stuk voor stuk waarnemen. Ik zal zelf geen conclusie trekken, maar de meest optimistische van de schrijvers citeren: MRI scans can see only dots or voxels within a fraction of a millimeter. But each dot may contain hundreds of thousands of neurons. [...] The holy grail of this approach would be to create an MRI-like machine that should identify individual neurons and their connections.

De beeldvorming rond het brein gaat twee kanten op.
Eén, die van de dierenwereld. Eigenlijk hebben dieren geen brein, maar ze hebben wel hersens en een – soms imposante – hersenpan. Maak dan als mens maar eens waar dat je superieur bent. Wel, daar is een maat voor gevonden: na lang zoeken is log breingrootte tegenover log lichaamsgrootte gezet, hetgeen leidde tot het encephalization quotient. Welnu, dat is voor de mens 7.44 terwijl het voor die grote dikke logge olifant maar 1.87 is.
Hè, gelukkig!
Maar, we moeten oppassen voor de dolfijnen en, zegt Corballis, there may be other creatures busily working on formulae to prove that they are the top dogs.
Omdat het dier volgens velen onder ons geen brein heeft, en in ieder geval niet die functionaliteit – de schepper aller dingen zij geloofd en geprezen – en omdat de mens voor dat wat hij in zich heeft graag metaforen zoekt in de buitenwereld die dat allemaal niet in zich heeft, heeft lange tijd de klok, en met name het horloge als metafoor gediend, totdat de computer zijn intrede deed, en dan m.n. de PC in zijn huidige vorm en met zijn huidige geheugenomvang en rekenkracht.
Ook dat gaat twee kanten op. Enerzijds worden er onmiddellijk argumenten gevonden, om duidelijk te maken dat de vergelijking niet helemaal opgaat – de PC is achterlijker – anderzijds willen we graag de tovenaarsleerling zijn die het beter kan dan de meester, en zo zijn velen van ons er heilig van overtuigd dat er straks robots rondlopen die qua denkkracht niet van de mens te onderscheiden zijn.
Ik vind wat dat betreft één wetenschappelijk artikel nog altijd normbepalend. Het is een product van de breinen van Hauser, Chomsky en Fitch over de (our!) Faculty of language: what is it, who has it (the three of us, of course) and how did it evolve. De taalfunctie wordt hier volledig beschreven als een systeem met subsystemen. Het is alsof ze willen zeggen dat de evolutie bezig is gegaan volgens het incremental build model.

Wat kunnen we met ons weten over het brein.
Brein en psychologie zijn nauw met elkaar verweven. Sommige problemen, die thuishoren in dit gebied, kunnen bevestigd worden met de meetinstrumenten. Maar daar is alles mee gezegd.
We kennen allemaal Stephen Hawking. Die  heeft een neuroprosthetic device op zijn bril, dat bepaalde signalen van zijn brein kan interpreteren en kan doorgeven aan een computer, zodat hij “some contact” kan onderhouden met de buitenwereld. Kaku, de meest optimistische van het stel, beoordeelt het als zeer primitief.
Recent zijn we geïnformeerd over de behandeling van een man met een locked-in-syndroom. Hij “praat” nu met behulp van een computer. Dat wil zeggen: na een jaar oefenen kreeg hij – mind you, binnen het uur! – één zin op het scherm.
Dit wordt gedaan m.b.v. een sample techniek: de man kreeg een opdracht, zijn hersenactiviteit werd gemeten, en vanaf dat moment weet de computer wat de man met dat specifieke event-related potentiaal of magneetveld wil.
Overbodig te zeggen dat deze functionaliteit alleen voor die ene patiënt beschikbaar is.
Je kunt het knap noemen. Je kan ook zeggen: wel, de samplers die de grondslag vormen voor de elektronische muziek liggen meer dan een straatlengte voor op deze vorm van sampling. Het resultaat van deze sampling is vergelijkbaar met het informeren van een piloot die een Boeing aan de grond moet zetten op een landingsbaan zonder landingslichten, waarvan hem is verteld dat die achter de duinen, ergens tussen IJmuiden en Haarlem begint.

Ik ga niet in op de inhoud van de boeken, dat is meer de stiel van Marleen. Ik volsta met een korte karakteristiek.
THE FUTURE OF THE MIND vind ik relatief het slechtste boek. Niet dat Kaku niet kan schrijven, hij brengt zijn boodschap enthousiasmerend over. Maar het is zo Amerikaans, zo optimistisch. Niet dat Kaku denkt dat we vandaag alles al weten  en morgen alles kunnen. Maar hij is er van overtuigd dat we binnen een overzienbare periode zo ver zijn: dat we alles van het brein weten, en dat we mensen met problemen aan het brein kunnen helpen.
Het brein te kijk vind ik het beste boek. Het is nuchter geschreven door wetenschappers die hun sporen op dit gebied verdiend hebben. Onderzoekers die weten waar ze heen willen, maar er niet zeker van zijn of ze dat ooit zullen bereiken.
Met a VERY SHORT TOUR of the MIND is dit allemaal begonnen. Het is het liefste boekje dat ik sinds tijden in mijn handen heb gehad – het vorige zijnde VANDAAG STAAT NIET ALLEEN  van de hand van Jan Pen, econoom in Groningen (een bundeling van een aantal van zijn artikelen voor Hollands Maandblad). In karakter doet deze wetenschapper mij aan Pen denken, zoals hij tevreden maar bescheiden vertelt over wat hem in de jaren dat hij zijn vak uitoefende is overkomen dan wel opgevallen. Zijn overgrootvader heeft, nu meer dan honderd jaar geleden, een boek geschreven Fourty-five Years of Sport en hij zegt zelf I don’t suppose I have learned or conveyed anything as useful as my great-grandfather.

Zoals gezegd: geen inhoud. Ik volsta met een aantal zaken die mij na lezing (zijn blijven) intrigeren. Daarbij moet U weten: ooit heb ik het boek De tranen van de krokodil, over de evolutie van het brein, van Piet Vroon in mijn handen gehad, een schrijver in wiens gezelschap ik mij zeer thuis voelde. Van hem is de uitspraak Ik vind dat een mens onder ogen moet zien, hoe oud hij ook is en hoeveel hij ook gestudeerd heeft, dat hij eigenlijk van de hele bliksemse bende niets begrijpt.
Een uitspraak die ik weer heel goed kan vatten.

Eerst iets over de publieke receptie.
Het boek Wij zijn ons brein van Dick Swaab, een wetenschapper niet zo bescheiden als Corballis, kreeg een recensie in The Guardian, n.a.v. de Engelse vertaling daarvan. Alhoewel de recensie kritisch mocht worden genoemd, kreeg het zeer beslist geen negatieve beoordeling. Toch heeft het Joris Luyendijk verleid tot een SOS-tweet: onze eigen Dick Swaab afgebrand in The Guardian.
Ik denk dat deze reactie iets zegt over onze verhouding met ons brein, en daarom ook iets over onze verhouding met (onze!) breinkijkers

Is er iets dat ons brein uit eigen kracht te voorschijn brengt?
Het brein werkt op prikkels, wordt geactiveerd door prikkels. Het brein kan bijgestuurd worden door opdrachten van onderzoekers, maar dat is ook weer een prikkel.
Waarbij zich een interessant fenomeen laat zien: de hallucinatie – is dat nu een waarneming zonder prikkels, of zijn het prikkels zonder waarneming?

In computertermen is ons brein een multiprocessor. Ik heb dat zelf aan den lijve ondervonden. Ik probeerde de wekelijkse woordgolf puzzel (VARA radio) op te lossen: van brood naar koren. (De spelregel is dat je per keer één letter mag vervangen in een woord zodat er een ander – bestaand! – woord wordt gevormd. Dus koren wordt bijv. koken of brood wordt broed.) Van koren naar brood is een moeilijke omdat je van twee lettergrepen naar één lettergreep moet gaan. Ik had wel een oplossing, maar die bestond naar mijn smaak uit teveel schakels. Ik sprak er op de werkplek met een collega over, die ook verzot was op dit soort puzzels. Ook hij had een oplossing gevonden, en ook hij was niet tevreden over de lengte van zijn woordgolf.
Ik stapte ‘s avonds in de auto, op weg naar huis, aandacht gefocust op het verkeer, op wat er morgen weer te wachten stond, op wat mij thuis te wachten stond, en ik hield mij absoluut niet bezig met dit spelletje.
Ik rij het dorp waar ik woonde binnen, en ineens dreun ik zomaar een andere woordgolf van koren naar brood op, eentje waar ik qua lengte tevreden over kon zijn.
Sindsdien vraag ik mij af: is schizofrenie eigenlijk een soort van uit de hand gelopen multiprocessing?

Kunnen we robots voorzien van een brein zoals het onze? Ik geloof er niet in, en ik heb er meerdere argumenten voor. Maar één argument vind ik toch altijd voldoende: als we een robot willen bouwen met een menselijke geest, moet die robot onvoorspelbaar worden. En helaas, er bestaan geen onvoorstelbare programma’s. Dat is inherent aan het woord programma: het loopt een programma af.
Terzijde: deep blue, de schaakrobot die de regerende wereldkampioen Kasparov heeft verslagen deed iets wat Kasparov wel kon, maar eigenlijk niet kon omdat het niet mag: een zet terugnemen. Deep blue deed niets anders – en kon ook niet anders. Hij deed een zet – raakte vervolgens nota bene een stuk van Kasparov aan om dat te verplaatsen! – enz. en òf hij was tevreden en bracht de stelling terug tot de oorspronkelijke stelling met uitvoering van zijn eerst geplande zet, òf hij was niet tevreden, en bracht de stelling terug tot de oorspronkelijke om vervolgens een andere zet te proberen.

Hoe langer hoe meer figureren neurologen in de rechtspraak. Er wordt wel gesproken van neurolaw. De functie van de neuroloog is dan die van getuige à decharge: de verdediging onderneemt een poging om wetenschappelijk vast te stellen dat de dader dat wat hij misdaan heeft niet aangerekend kan worden – en derhalve niet veroordeeld mag worden. Deze praktijk is al zover voortgeschreden dat het in de Verenigde Staten de zorgelijke aandacht van het Witte Huis heeft gekregen.

Kun je je hoofd leegmaken?
Het is een bekend advies van goeroes.
Het is ook een bekend advies aan musici die een soloconcert geven. Maar in dat hoofd zit o.a. de muziek die gespeeld moet worden.
Daar is nog iets raars mee. Als je een stuk lang niet hebt gespeeld, zit het vaak nog steeds in je hoofd. Maar de meeste musici moeten flink studeren om het weer in de vingers te krijgen.
Terwijl er toch twee dingen zijn. Allereerst is het hoofd duidelijk in het geven van de opdrachten, maar de vingers doen niet wat het brein wil. Daarnaast is er ook zoiets als muscle memory. Studie na studie bevestigt dat, niet alleen bij musici, maar ook bij sporters etc.
Waar zit dat muscle memory, en waarom kan dat niet samenwerken met het overige geheugen.

Er zijn (nog) geen aanwijzingen dat God een speciaal plekje heeft in de hersenpan. Persoonlijk zou ik graag prioriteit zien voor verdergaand onderzoek. Ik denk dat er iets vergelijkbaars is als de blinde darm, maar dan ergens in de hersenpan. Een soort aanhangsel waar de persoonlijke god huist. En zoals je blindedarmontsteking kunt krijgen, kun je ook aan dit aanhangseltje appendicitis krijgen. Alleen, met ernstiger gevolgen. Je krijgt dan een geloofsfanaat die ten strijde trekt tegen ongelovigen en anderszins gelovigen.
Er is ook wel weer iets dat tegen deze theorie pleit, of althans de onvolkomenheid ervan aangeeft: er zijn ook niet-gelovige evolutiebiologen die ten strijde trekken tegen ID’ers en Creationisten – en ook daar is de brandstapel niet ver weg.

Het beste boek eindigt met een vreemde eend in de bijt: de vraag naar het bewustzijn, de aard van het bewustzijn (geest?) en de vrije wil; in het neurologenwereldje is zelfs sprake van cryptocartesiaanse theorieën, waarbij de pijnappelklier als verbinding tussen het fysieke brein en het geestelijke … ja, wat is dat eigenlijk, dat geestelijke?
Wat mij betreft, het denken over dat soort dingen is bij voorbaat van iedere inhoud geledigd. Maar het wordt gedacht, en het hoofd is op dat moment niet leeg.

Dat geldt zeker voor de vraag naar de vrije wil. Volgens sommige neurologen bestaat die niet, en is dat wetenschappelijk beredeneerbaar. Wat het eerste betreft ben ik geheel akkoord, of het wetenschappelijk vast te stellen is betwijfel ik.
Neurologen zouden eigenlijk juist tot de conclusie moeten komen dat er vrije wil is. Ze moeten hun proefpersonen, die toch altijd bewust aan een onderzoek meedoen, bij tijd en wijle aansporen tot focusing. Ik kan dat niet anders uitleggen dan dat de proefpersoon zelf bepaalt wanneer hij waar zijn aandacht legt.
Persoonlijk kan ik de vrije wil wel leonardiaans beredeneren. Mensen doen vaak onvoorspelbare dingen, zelfs zij die vastgeroest zitten in het patroon van de dagelijkse sfeer.
Mensen zijn eigenlijk zo onvoorspelbaar dat je ze met een gerust hart een vrije wil toe kunt dichten.

In slaap zinken

dagelijkse verticale migratie

dagelijkse verticale migratie

Ons slapen en waken en de verticale migratie van zoöplankton in de oceanen hebben eenzelfde mechanisme en oorsprong gemeen. Het gedrag van zoöplankton wordt gekenmerkt door dagelijkse verticale migratie. Hierbij migreert het plankton ’s nachts naar het oppervlak of ondiep water om zich te voeden met fytoplankton of ander zoöplankton.

Men heeft lange tijd verondersteld dat deze migratie samenhing met licht en donker. Maar het blijkt dat ook zoöplankton dat op veel grotere diepten verblijft, waar geen licht doordringt, met hetzelfde ritme op en neer migreert. Men vraagt zich al geruime tijd af hoe dit plankton kan ‘weten’ dat het moet migreren als er geen licht genoeg is om de overgang van dag en nacht te kunnen onderscheiden. Er bestaat de hypothese dat dit op grote diepte levend plankton het migreren van het zoöplankton aan het oppervlak ‘voelt’ of ‘hoort’.

Nu verscheen er recent een artikel in Cell, waarin men aantoonde dat larven van een zeeworm Platynereis dumerilii, een soort zoöplankton, migreren als gevolg van een variatie in melatonine. Het verzwakken van het licht aan het eind van de dag veroorzaakt een toename van melatonine in de zenuwcellen van het brein. Deze toename is een gevolg van een cascade van fototransductie waar net als bij de gewervelden gebruik gemaakt wordt van opsines. De larven bewegen zich voort door kleine haartjes heen en weer te bewegen. Ze bewegen gedurende de dag langzaam omhoog, maar met het toenemen van melatonine gedurende de nacht, wordt dit bewegen langzaam gestaakt en de diertjes zinken weer naar de beneden. De toename van melatonine heeft tot gevolg dat er een gestaag ritme van elektrische ontladingen ontstaat. Dit ritme overstemt de slag van de neuronen die de beweging van de haartjes controleren waardoor de beestjes zinken.

Het blijkt dat deze dieren, net als mensen, onderhevig kunnen zijn aan een jet lag. De cyclus blijft doorgaan zelfs als de diertjes tijdens hun dagritme in het donker geplaatst worden. Zoals uiteengezet in de tweede alinea, zou dit fenomeen heel goed de verklaring kunnen zijn voor het feit dat plankton op grote diepte, waar licht afwezig is, toch dagelijks verticaal migreert. Het plankton op grote diepte betreft waarschijnlijk volwassen exemplaren waarbij op jongere leeftijd de klok is afgesteld.

artemia copy

pekelkreeftje

Tot nu toe werd de rol van melatonine voornamelijk bestudeerd in gewervelden. Dit is een van de eerste onderzoeken die ongewervelden bestuderen voor wat betreft de rol van melatonine in hun gedrag. Er zijn nog meer studies nodig in andere ongwervelden. Het zal vervolgens misschien mogelijk zijn conclusies te trekken. Men stelt al wel hypothesen op over de mogelijkheid dat dit mechanisme van migratie de evolutionaire basis vormt voor ons slaapritme. Ook wij ‘verzinken’ elke nacht in een diepe slaap. Er doet zich dan een analoog fenomeen voor: de thalamus, een soort doorgang van de zintuigen naar het brein, produceert dan een gestaag ritme waardoor haar neuronen bezet zijn. Deze kunnen dan geen signalen doorgeven naar de rest van het brein.

Een ander recent onderzoek bekijkt een mogelijk effect van deze dagelijkse verticale migratie. Studies in grote tanks toonden aan dat het op en neer zwemmen van artemia salina, een pekelkreeftje, behoorlijke stromingen kunnen veroorzaken. Deze studie pleit er voor dat een dergelijk fenomeen als parameter meegenomen zou moeten worden in modellen over het klimaat dat immers bepaald wordt door oceaanstromingen.

Al deze ideeën en gegevens samen doen de gedachten toch weer teruggaan naar het beroemde boekje Gaia van James Lovelock; het klimaat van onze planeet hangt wellicht af van het slaap- en waakritme van haar organismen.

Bekijk ook deze prachtige video over plankton:

Uit:

Cell: Melatonin Signaling Controls Circadian Swimming Behavior in Marine Zooplankton (free access)

New York Times (Carl Zimmer)

Scitable by Nature Education: What Makes Plankton Migrate?

Science News: Can sea monkeys stir the sea?

Verhalen over de pijnappelklier

 

Niet lang geleden kwam er een blogartikel voorbij dat niet echt recent was, maar voor mij wel veel nieuws bevatte. Dat er veel mysterie bestaat rond de pijnappelklier is al langer bekend, en veel verhalen erover dateren van duizenden jaren terug. De pijnappelklier bevindt zich (bij de mens) behoorlijk centraal in het brein, tussen de twee hersenhelften waar het deel uitmaakt van de epithalamus. De pijnappelklier is een intrigerend orgaan: het afscheiden van melatonine door deze klier bepaalt het dag-, nachtritme. Deze afscheiding is een gevolg van het verminderde blootstaan van het netvlies aan licht. Met het ontvangen van licht door het netvlies, wordt de productie van melatonine geïnhibeerd. Oorspronkelijk was deze klier geassocieerd met een derde oog, of parietaaloog. In sommige fossielen vindt men nog een holte terug. Veel hagedissen en kikkers bezitten dit laatste orgaan nog steeds. Dit oog is altijd door huid bedekt in de nu levende soorten, maar is nog steeds gevoelig voor licht dat ook hier de productie van melatonine inhibeert. De melatonine is bij amfibieën bepalend voor de snelheid van metamorfose.

Surrealist Angel Dali

zonder titel – Salvador Dalì

DMT (N, N – Dimethyltriptamine)  is een verboden drug dat veel voorkomt in bepaalde planten en waarvan in Zuid-Amerika een drankje wordt gebrouwen. Het wordt evenwel ook aangemaakt door zoogdieren waaronder de mens en lijkt op neurotransmitters als serotonine. Waar het precies aangemaakt wordt, in welke weefsels, is niet duidelijk aangetoond. Medisch onderzoeker en psychiater Richard Strassman deed er veel onderzoek naar en schreef er een boek over. Hij beweert dat de pijnappelklier er de belangrijkste producent van is. Hij onderzocht de effecten van toediening van DMT aan 11 vrijwilligers. Deze proefpersonen experimenteerden voornamelijk hetzelfde soort hallucinaties. Ze zagen kleurrijke en prachtige beelden, voelden geen onderscheid meer tussen zichzelf en de kosmos en beschreven hun ervaringen als een van de belangrijkste in hun leven. Ze spraken allemaal van de aanwezigheid van elven en buitenaardse wezens, waarvan zij vaak meer de aanwezigheid voelden dan ‘zagen’. Strassman veronderstelt dat onze pijnappelklier DMT afscheidt en daarmee het dromen stimuleert. Zijn boek ‘DMT: The Spirit Molecule: A Doctor’s Revolutionary Research into the Biology of Near-Death and Mystical Experiences’ heb ik niet gelezen, en ik weet dus niet wat hij beweert over de bijna-dood ervaringen. Maar het blogartikel naar aanleiding waarvan dit blogbericht tot stand kwam, schetst de hypothese dat de pijnappelklier niet alleen de producent van DMT is. De klier zou tijdens de laatste minuten tot seconden van de dood het brein overspoelen met DMT en de stervende zou op dat moment dezelfde mooie ervaringen hebben. Als toegift en fantasierijke hypothese staat er in het blogartikel dat gedurende de laatste seconden waarin het brein nog actief is, de drug een dilatatie van tijd doet ervaren, waardoor de stervende het idee krijgt in een eeuwigheid te verkeren.

Dit is het nieuwste verhaal dat er te horen is over bijna-dood ervaringen. Wat mij betreft één van de zovele verhalen. Vooralsnog is er niet aangetoond dat de pijnappelklier in het bijzonder DMT produceert. Recent onderzoek van Strassman zou hebben aangetoond dat in de rat de pijnappelklier relatief hoge concentraties van DMT aanwezig zijn. Het zijn voorlopig allemaal junkverhalen.

 

Uit:

Archives of General Psychiatry (experimenten toediening DMT aan vrijwilligers)

Biomedical Chromatography (DMT in de pijnappelklier van de rat)

Blog by Jesse Davis (Het blogartikel)

Science (DMT is endogeen en heeft een eigen receptor)

Wikipedia

Maximum prijs in de zorg

Hierbij nodig ik de lezer uit de volgende uitzending van Een Vandaag te bekijken. Hoewel ik er hier in Italië ver vandaan zit, trek ik me dit probleem wel aan. Deze uitzending gaat over het instellen van een prijsplafond voor de behandeling van ernstig zieken. Dit probleem geldt voor alle leeftijden. Oud en ziek zijn daarentegen is een zware last voor de maatschappij. Dit komt niet in de uitzending aan bod, maar is wel iets dat iedereen zorgen zou moeten baren. Het kan daardoor misschien gebeuren dat deze oudere zieken worden ‘opgegeven’, omdat ze teveel kosten. De combinatie van deze twee kenmerken, oud en ziek, is misschien soms beslissend terwijl de arts volgens zijn eed er alles aan moet doen om een mens te redden of te genezen. Het prijsplafond dat men poogt in te stellen is namelijk een prijs per gewonnen levensjaar.

Klik hier voor de uitzending: Eén vandaag – maximumprijs in de zorg

Een voorstel van een prijsplafond van 80.000 euro per gewonnen levensjaar: plotseling heeft 62% van de specialisten geen mening meer.

Een voorstel van een prijsplafond van 80.000 euro per gewonnen levensjaar: plotseling heeft 62% van de specialisten geen mening meer.

1VCommissieWijzen

Voor het bepalen van het prijsplafond trekt 73% van de specialisten zich terug en wensen een commissie wijzen

 

De resultaten van de enquêtes onder 2000 medisch specialisten wijzen uit dat meer dan 70% van deze artsen denkt dat er een maximum prijs in de zorg moet komen. Je zou verwachten dat dit probleem hen koud zou laten. Het is uiteindelijk de maatschappij via de staat die betaalt voor de zorg. Het treft hen dus niet persoonlijk. De arts zegt niet geconfronteerd te willen worden met deze keuze in de behandelkamer, maar hij wil wél dat er een maximum vastgesteld wordt. Uiteindelijk legt hij de verantwoordelijkheid voor een dergelijke beslissing bij een speciale commissie. Dit alles is op te maken uit de resultaten van de enquêtes waar de artsen aan hebben meegedaan. Het getuigt van hypocrisie dat men van een kant een maximum wil, maar daar niet mee lastig gevallen wil worden tegenover de patiënt, en een commissie het uit wil laten zoeken. Waarom heeft deze groep artsen dan niet gekozen voor het juiste antwoord: ik heb geen mening. Dat is namelijk wat de specialist geantwoord zou moeten hebben als hij vindt dat zich er een commissie over dient te buigen. Uiteindelijk blijkt, zodra er een concreet plafond gesteld wordt van 80.000 euro per gewonnen levensjaar, dat 62% van de medisch specialisten zegt daar geen mening over te hebben.
Deze uitzending (van half augustus jongstleden) speelt al langere tijd door mijn gedachten, omdat er in Nederland zo vreselijk rationeel met ziekte en ziektekosten wordt omgesprongen, terwijl de medisch specialisten eigenlijk helemaal niet rationeel en consequent nadenken. Bovendien wordt dit probleem in (minder welvarende) landen vaak helemaal niet aangekaart.
Uiteindelijk heeft Marcel Levi helemaal gelijk. Ook als ziekenhuisdirecteur moet je aan de patiënt blijven denken. Wouter Bos, die nu ook ziekenhuisdirecteur is, denkt aan de financiën van het land, een beroepsdeformatie?

De eerste ionenpompen en de oorsprong van leven

journal.pbio.1001926.g002 gradient

Figuur 1: Boven de barrière het zeewater en daaronder de basische waterstroom. Op de grens daarvan en in het gradiënt bevindt zich de eerste benadering van een cel met lekkend membraan waar de OH- en H+ passief door verspreiden. Een eerste protonkanaal exploiteert het gradiënt voor de vorming van ATP of de assimilatie van koolstof door fixatie van CO2. doi:10.1371/journal.pbio.1001926.g002

Nick Lane houdt zich al lang bezig met onderzoek naar de oorsprong van leven in hydrothermale bronnen. Daarover schreef ik verschillende blogs, waaronder deze voorgaande die de hypothese simpel weergeeft. Alkaline hydrothermale bronnen bestaan uit een poreuze schoorsteen waar door de wand een proton gradiënt bestaat. Het basische water met hoog pH (dus weinig H+; de protonen) stroomt door de schoorsteen naar buiten. Aan de buitenkant van de schoorsteen is het pH lager (met relatief hoge concentratie aan H+). Dit verschil zorgt ervoor dat er een gradiënt bestaat tussen de binnenkant en buitenkant van de schoorsteenwand. Nu stelt de hypothese dat zich hier de eerste cellen vormden. Deze konden zich nestelen in de poriën van de wand en gedurende de lange evolutie tijden membranen, RNA/DNA en eiwitten vormen – de basis ingrediënten van cellen.

In hun laatste publicatie, die rijk is aan prachtige illustraties, gaan Nick Lane en medewerkers nog

Rechts de evolutie van bacteriën en links de evolutie van Archaea vanaf LUCA

Rechts de evolutie van bacteriën en links de evolutie van Archaea vanaf LUCA.  doi:10.1371/journal.pbio.1001927.g001

 

verder terug in de tijd en tonen met behulp van modellen voor membranen aan dat er eerste een soort lekkend membraan bestond, waarbij protonen vrijelijk konden passeren. Deze passage of dit gradiënt kon uitgebuit worden door een protonpomp, verbonden aan een ATP-ase die ATP (het universele betaalmiddel in alle organismen) kon produceren of waarbij CO2 geassimileerd en gefixeerd werd. Toch stroomt in deze lekkende cellen het grootste deel van de binnengestroomde protonen snel weg. Ze pasten hun model aan en toonden aan dat een vermindering van de lekkage een sterker gradiënt door de celwand creëert. Deze verbetering ging vermoedelijk samen met het ontstaan van een pomp die zowel natrium als protonen pompte in tegenovergestelde richting – de zogenaamde natrium (sodium) proton antiporter of SPAP. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat uitgebuit kon worden door een ATPase met promiscue activiteit ten aanzien van zowel natrium als protonen zoals het geval is voor primitieve ATPase. Aangezien lipide membranen minder permeabel zijn voor Na+ permitteerde dit het ontstaan van een gradiënt voor natrium dat, samen met het natuurlijk bestaande gradiënt voor H+, uitgebuit kon worden om energie uit op te halen. Deze 60% toename in beschikbare energie, de capaciteit ook in minder sterke gradiënten te kunnen overleven en de beter sluitende membranen zouden de toekomstige cellen in staat moeten stellen andere ecologische niches te bewonen.
De SPAP gaf een groot voordeel gedurende de lekkende fase en bleef een goede uitvinding ook voor de meer sluitende membranen getuige het feit dat de fylogenese van dit eiwit aantoont dat het in LUCA, de laatste gemeenschappelijke universele voorouder van de cellen reeds aanwezig geweest moet zijn. Pas nadat er ook actieve pompen ontstonden werd het voordelig de membranen te dichten. Ook voor dit belangrijke facet hebben de onderzoekers modellen gemaakt. Het voert ver om ook dat helemaal te beschrijven. Het komt erop neer dat de verschillen in membranen tussen twee belangrijke domeinen van het leven, de Archaea en de bacteriën, voortkomen uit LUCA die waarschijnlijk een membraan van eenvoudige vetzuren had. De Archaea en bacteriën tonen elk kleine maar belangrijke verschillen tussen hun membranen, die te herleiden zijn naar een gemeenschappelijke voorouder met een lekkend membraan. Kortom, de identiteit van LUCA wordt volgens deze theorie steeds duidelijker. Hoe dit te rijmen is met het idee dat virussen aan de oorsprong stonden van de cellen en hun DNA zou eens beter belicht kunnen worden. Ook de RNA-wereld, die zijn oorsprong zou hebben in geothermale bronnen, laat zich moeilijk integreren in deze visie van de oorsprong van leven. Het wordt tijd dat wetenschappers als Nick Lane, Eugene Koonin, Patrick Forterre eens met elkaar gaan overleggen.

Het laatste nieuws uit Nature meldt dat men van plan is de zeebodem te gaan ontginnen op mineralen. Dit zou een gevaar kunnen betekenen voor de ecosystemen rondom de hydrothermale bronnen. We beginnen ons net de juiste vragen te stellen en het potentiele studieobject dreigt vernietigd te worden. Dat zou zonde zijn.

Uit: Sojo V, Pomiankowski A, Lane N (2014) A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria. PLoS Biol 12(8): e1001926. doi:10.1371/journal.pbio.1001926
Nature News: Health check for deep-sea mining. European project evaluates risks to delicate ecosystems.

Moleculaire demonen, de cognitieve eiwitten

Zoals beschreven in ‘Physics in Mind’ van Werner R. Loewenstein, waar ik de drie voorgaande blogs aan wijdde (1,2,3,), wordt er informatie doorgegeven via cognitieve demonen of eiwitten naar andere intracellulaire structuren. Dit idee is eigenlijk al best oud en werd voor het eerst duidelijk beschreven door Jacques Monod, in zijn beroemde boek ‘Toeval en onvermijdelijkheid’ (1970) in het hoofdstuk over Maxwell’s demons. Daarin beschrijft hij hoe deze cognitieve moleculen te werk gaan om tot slot te verwijzen naar Maxwell’s demons.

Maxwells demon

Maxwells demon

Voor de duidelijkheid een korte schets van Maxwell’s demons. Deze ogenschijnlijke paradox werd ontworpen door de natuurkundige James Clerk Maxwell die het bestaan van microscopische duiveltjes veronderstelde. Een dergelijk duiveltje zou in staat zijn tussen twee door een schot van elkaar gescheiden compartimenten selectief moleculen met een hoge snelheden (met hoge energie) door te laten. Deze laatsten accumuleren zodoende aan een zijde van het schot en de temperatuur van het betreffende compartiment zou daardoor rijzen ten opzichte van het compartiment met langzame deeltjes. Dit zou allemaal zonder energieverbruik gaan. Nu is dit natuurlijk onmogelijk en inderdaad Léon Brillouin en Szilard begrepen dat het duiveltje onderscheid moet kunnen maken tussen de snelle en langzame deeltje. Dit vooraf verkrijgen van informatie kost energie die in dit geval gelijk is aan de vermindering van entropie als gevolg van de differentiële selectie van de snelle en langzame moleculen. Een andere zienswijze, meer vanuit de informatica-wereld, veronderstelt dat het duiveltje elke keer gereset dient te worden om opnieuw een snel molecuul te kunnen herkennen. En ook dat kost energie. Het duiveltje gaat dus niet gratis te werk.

Dit soort demons met cognitieve eigenschappen bevinden zich in onze cellen als eiwitten die een substraat herkennen door er een stereospecifieke en niet covalente binding mee aan te gaan. Zij zijn in staat deze moleculen uit een myriade aan andere moleculen te herkennen. Ze zijn dus in staat deze moleculen te herkennen en te discrimineren. In dit verband lanceert Monod ook het concept van teleonomie. Hij stelt dat levende organismen zich onderscheiden van alle andere systemen in het universum omdat ze gekenmerkt worden door een project. Teleonomie is een typische eigenschap van globulaire eiwitten (en enkele RNA’s) die in staat zijn eiwitten te herkennen in tegenstelling tot de invariantie van het ‘dode’ DNA. Ze herkennen hun substraat, ondergaan een verandering van conformatie (vorm), laten het eventueel afgeleverde of veranderde substraat weer los en nemen hun oorspronkelijke conformatie aan door de consumptie van energie in de vorm van een chemisch potentiaal (meestal een ATP). Dit is analoog aan het resetten van Maxwells demon.

Nu is er in het boek van Loewenstein geen enkele verwijzing naar Monod en dat is op zijn minst vreemd zoniet een ernstige nalatigheid. Deze demons staan aan de basis van de teleonomie ofwel het vergaren van informatie en de verwerking daarvan – een centraal punt in het boek van Loewenstein. Zoals Monod zegt gaat het hierbij om de gelijkstelling tussen informatie en negatieve entropie. Dit is voor de demons van essentieel belang omdat zij orde creëren. Elke demon voert een programma uit waarbij deze orde creëert en energie consumeert.

Uit: Physics in Mind. A Quantum View of the Brain (2013) door Werner R. Loewenstein (2013)

Toeval en onvermijdelijkheid (1970) Jacques Monod

Derde en laatste deel van een verkenning van Biofysica

Een overzicht van de laatste groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ van Werner R. Loewenstein (2013)

Werner R. Loewenstein

Werner R. Loewenstein

Het kan al meteen verklapt worden: behalve in de zintuigen als visie is er in het brein zelf geen direct bewijs van kwantummechanica aangetroffen. Loewenstein licht dit uiteraard uitgebreid toe en laat zien hoe het brein wel gebruikt maakt van parallelle computatie. Dit zou een indirecte bewijs zijn van kwantum computing en betekent volgens hem dat het brein er dus wel gebruik van maakt. Het probleem lijkt te zijn dat de metingen door ruis overstemd worden.

Hij schildert in dit deel van het boek de anatomie van het brein af. Daarbij geeft hij veel belang aan de weergave van de ons omringende werkelijkheid. Hij benadrukt nog eens dat wat ons brein uit de ons omringende wereld haalt wellicht niet een totaal en compleet beeld is van de werkelijkheid, maar dat dit beeld er op gericht is en optimaal is om ons te doen overleven in ‘the struggle for life’.

Hij behandelt nog eens het zicht en hoe zich daarin stereovisie ontwikkelde. In het algemeen geldt voor de zintuigen dat wat rechts waargenomen of gevoeld wordt verwerkt wordt in de linkerhelft van ons brein. Dit is bekend, maar minder bekend is dat het een evolutionair overblijfsel is van de tijd waarin de zintuigen slechts dienden om obstakels te vermijden en te ontwijken, die werden aangestuurd door spieren in de tegenoverliggende lichaamshelft. (Wellicht zoiets als roeien met de rechter peddels wanneer je naar links wilt varen). Vervolgens wordt aangekaart hoe als gevolg van een veelzijdige en overvloedige input, de informatie in parallel verwerkt wordt. Zo worden er veel computaties tegelijk uitgevoerd, een totaal andere wijze dan die waarmee onze computers werken, waarin informatie in sequentie verwerkt wordt. Parallelle computatie is snel en is voordelig voor wat betreft de kosten aan informatie. Het is waarschijnlijk dat evolutie hiervoor koos precies vanwege de snelheid en zuinigheid en het is daarom te verwachten dat het al vroeg zijn intrede deed zoals bij wormen die slechts zo’n honderd neuronen bezitten. Sequentiële computatie zou veel te langzaam zijn en zou een wereld van luiaards opleveren. De snelheid is bijzonder hoog in het zintuig zicht en kan zeker niet van sequentiële computatie afhangen.

Het is belangrijk te beseffen dat het brein geen ‘plaatje’ heeft van de zichtbare wereld vergelijkbaar met fotografie. Er is absoluut geen sprake van een compositie van pixels. Er worden contrasten aangescherpt, bewegingen geaccentueerd. Bovendien bestaan er cellen in de visuele cortex die bijzonder gevoelig zijn voor de oriëntatie van de dingen in de buitenwereld. Daarin wordt onderscheid gemaakt tussen wat verticaal, horizontaal en dwars geplaatst is. Ook lijkt het of er slechts één cel is (neuron) die in staat is een bepaalde ‘gestalt’ of gelaat te herkennen (zie “Grandmother Cell”). In werkelijkheid gaat het om meerdere samenwerkende cellen. Een groepje van 25 neuronen was in staat te reageren op één gezicht van de 3.000 die getoond werden. Deze codering is een gevolg van het leren herkennen van gezichten ofwel ‘imprinting’. In de stroming van informatie naar deze cellen wordt betekenisloze informatie onderweg verloren, terwijl betekenisvolle informatie wordt bewaard. Maar wat is betekenisvol of wat bedoelt men met betekenis? Betekenis wordt gegenereerd door de neuronen. Filosofen zijn eeuwenlang bezig geweest de vraag over wat ‘betekenis’ is te beantwoorden. Richard Feynman (met een knipoog naar de vraag of filosofie nuttig is) merkte op dat wetenschapsfilosofie net zo nuttig is voor wetenschappers als ornithologie voor vogels.

Over het bewustzijn weten we niets. Ook Loewenstein kan er niets over zeggen. Er bestaat niet eens een duidelijke definitie van. Het is meer een gevoel van besef van het bestaan van een wereld buiten ons en binnenin ons, een gevoel met een eindeloze hoeveelheid nuances. Het is een gevoel van herinnering aan dingen – een geliefd gezicht, de aanraking van een verdwenen hand, het geluid van een stem die er niet is. Het is een besef van de tijd die verstrijkt, van geluk en verdriet, van verwondering en verlangen – het hele ik. Het bewustzijn is het hoogtepunt van informatieverwerking en computing. Het zou niet in je opkomen een computer te vragen of hij gelukkig is of spijt heeft bijvoorbeeld. Er blijft een diep gat tussen digitale informatieverwerking en bewustzijn.

Voor wat betreft het bewustzijn en kwantuminformatie zijn er verschillende theorieën. Is de decoherentie ofwel het instorten van kwantumgolven verweven met de observatie door een bewust wezen? Of wordt decoherentie veroorzaakt door andere binnenvallende deeltjes (fotonen van de zon of afkomstig uit diepere gebieden van de ruimte, of moleculen in de lucht of in het water? Decoherentie was een belangrijk onderwerp in de filosofie en wel de kennistheorie. Loewenstein vertelt dat decoherentie spontaan plaatsvindt, er is geen menselijke waarnemer voor nodig. Decoherentie heeft dan ook niets met bewustzijn te maken. De hypothese over kwantummechanica in de microtubulen van het brein komt ook te vervallen. Deze eiwitstructuren gaan niet verder dan het membraan, er is dus geen intercellulaire continuïteit. Ook theorieën betreffende de gap-junctions zijn onhoudbaar, ze zitten vol water en ionen die direct decoherentie zouden induceren.

De conclusie is dat aangetoonde kwantummechanische fenomenen niet verder gaan dan de fotosynthese en het zintuig zicht. De keus van evolutie werd bepaald door hetgeen beschikbaar was in de Aardse ruimte. Dat waren twee energievelden – een veld van elektronkwanta en een veld van fotonkwanta – en daar waar de velden overlapten was informatie gratis beschikbaar. Evolutie kon deze aanbieding niet weerstaan. Het neuronale netwerk van ons brein kan met twee computatie manieren werken: een kwantummanier waarin kwantumgolven het substraat vormen en de macroscopische manier waarbij grote pakketten ionen het substraat vormen. De eerste manier dient voor parallelle computatie en de tweede voor de integratie van de lagere orde van polynomiale computatie. Daarbij is de kwantum manier economischer voor wat betreft de informatie en was waarschijnlijk eerder op het bioevolutionaire toneel, lang voordat de twee manieren gingen samenwerken.

Het gaat er vanaf nu dus om de kwantumgolven in de hersencentra aan te tonen en op een of andere manier het probleem van de ruis te overkomen. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan met moelculen die kwantumboolians kunnen genereren. Daar wordt zeker en snel vooruitgang in geboekt.

Loewenstein besluit met:

“So, all things considered, there are reasons to be optimistic, though I am reminded of what chairman Mao said in the 1960s when asked what he thought of the French Revolution: “It’s too soon to tell”.”

 

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

 

Deel twee van een verkenning van de biofysica

Een overzicht naar aanleiding van de tweede groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’  (2013) van Werner R. Loewenstein

Dit deel beschouwt de drijfveer van evolutie ofwel mutatie. Vervolgens de ionenkanalen of digital demons die de neuronale ontwikkeling mogelijk maakte en daarmee de opkomst van het bewustzijn. Computing door computers en door neuronen. En uiteindelijk het specifiek menselijke, de ontdekking van de diepe werkelijkheid ofwel de rede.

Een getrouw beeld van de werkelijkheid (Paul Cezanne: Mont Saint Victoire)

Een getrouw beeld van de werkelijkheid? (Paul Cézanne: Le Mont Sainte-Victoire)

Loewenstein beschouwt de eiwitten als de driedimensionale extensie van het eendimensionale genoom. Het DNA is slechts een opslag van informatie en heeft eigenlijk geen enkele rol in cognitie. De eiwitten die erdoor gecodeerd worden vormen de driedimensionale cognitieve demons die de spil vormen van de vector van het leven: het opvangen van kwantums en het doorgeven van hun energie via de eiwitdemons in de reële driedimensionale wereld.

Het is desalniettemin het DNA dat aan de basis staat van de mutaties die de drijvende kracht achter de evolutie van complexiteit vormt. Mutaties zijn random. Ze worden veroorzaakt door random fotonen met hoge energie of door reactieve moleculen uit de omgeving waarin het DNA ligt. De Uv-straling, X- en γ-fotonen zijn de kwantum generatoren van mutaties. Deze fotonen kunnen de basen in het DNA beschadigen of indirect reactieve moleculen creëren die daarop met het DNA reageren. Ze zijn vrij zeldzaam omdat het DNA redelijk goed beschermd is tegen Uv-straling door het water in de cellen en omdat X- en γ-fotonen zeldzaam zijn. Bovendien wordt de schade zo goed mogelijk gerepareerd door reparatie-enzymen. De mutaties die hieraan ontsnappen, komen mogelijk via het RNA in de eiwitten terecht. Na een aantal berekeningen komt Loewenstein uit op een probabiliteit van 0.91 error-free transmission voor een proteïne van 1000 aminozuren. Hij beschouwt dit als hoog omdat het veel hoger ligt dan men zou verwachten uit statistische mechanica en dit is te danken aan de reparatiemechanismen. De cognitieve proteïnen en katalytische enzymen staan onder selectieve druk. Daarom is op basis van het niet coderende DNA of DNA dat codeert voor proteïnen met mechanische functie, uitgerekend dat het ‘mutatieritme’ per gen elke 200.000 jaar een nieuwe proteïnevariant voortbrengt. Als mensen zien wij hier dus weinig van, we zijn er ook nog maar kort, de meeste van onze genen bestonden al toen wij op het toneel verschenen. Deze genen waren reeds geoptimaliseerd door natuurlijke selectie. Deze fine-tuning is de ultieme functie van de random kwantum generator en zal nooit stoppen. Alles dat deze generator voortbrengt wordt in de driedimensionale wereld getest in competitie met andere mutanten.

Behalve de kwantum generator van mutaties is er een tweede generator van mutaties die alles te maken heeft met duplicaties en exon shuffling. Deze opereert naast de kwantum generator maar bezit daarentegen geen vast ritme. Hij gaat met sprongen te werk. Deze mutaties versnellen de moleculaire complexiteit enorm. De gedupliceerde DNA-fragmenten of genen kunnen door de kwantumgenerator verder af- of bijgesteld worden (fine-tuning) waardoor gedupliceerde genen kleine verschillen bezitten. Een voorbeeld daarvan zijn de vier verschillende rodopsinen van het zicht die elk een verschillende golflengte optimum bezitten. Ook belangrijk zijn composities van lange genen door het achter elkaar schakelen van duplicaten. Deze worden gekenmerkt door introns en zijn van groot belang voor de evolutie van hogere cel organisatie. Ze zouden wel eens aan de wieg van de meercellige organismen hebben kunnen staan.

Tot slot werken deze generators gratis. De kwantumgenerator betrekt informatie uit de kosmos (fotonen) en de tweede generator combineert al deze stukken DNA. Ze halen alles uit het DNA dat er in zit. Bovendien, zodra de driedimensionale spelers (de eiwitten) aan de beurt komen is er geen extra informatie nodig. Het vouwen van de proteïnen is helemaal afhankelijk van hun sequentie in aminozuren, ze vallen als vanzelf in hun basisconfiguratie.

Een ander kwantumaspect van de biologie betreft de metalloproteïnen zoals het cytochroom c. In het centrum van dit eiwit bevindt zich een atoom ijzer dat elektronen doorgeeft en waarbij de elektronen door een deel van het eiwit tunnelen. Men heeft lang gedacht dat het een puur chemisch proces was, maar John Hopfield toonde in 1977 aan dat het om electron tunneling gaat. Dit is een heus kwantumfenomeen en brengt een extreem hoge snelheid en efficiëntie voort. Deze door evolutie gegenereerde ‘uitvinding’ vormde ooit een hoogtepunt in elektrische transmissie. De metalloproteinen zijn zeer overvloedig aanwezig en ook sterk geconserveerd. Maar met het ontstaan van meercelligheid kon dit principe niet werken omdat de afstanden waarover getunneled zou moeten worden te groot zijn. Voor de transmissie van elektrische impulsen in neuronen kon dit systeem dus niet volstaan. Met de groei van de eerste neuronen heeft evolutie digital demons uitgevonden. Het zijn de ionenkanalen die dubbele cognitieve eenheden zijn: ze kunnen zowel onderscheid maken tussen de verschillende ionen als tussen de lokale voltages in het membraan. Ook hier zijn er geen informatiekosten aan verbonden. De passage van de ionen hangt af van het gradiënt dat door het metabolisme van de cel in stand wordt gehouden. De gevoeligheid voor het voltage is ingebouwd in het kanaal door middel van een sensor in de structuur van het eiwit. Het kanaal opent wanneer het membraanvoltage een bepaalde drempel bereikt. Het kanaal staat open of dicht, laat ionen door of niet en is daarmee een digital demon. Deze demons zijn nieuwkomers op het evolutionaire toneel, maar hadden groot succes. Dat is te zien aan hoe massaal ze voorkomen in de neuronen. Ze staan aan de basis van de snelle en efficiënte propagatie van het digitale elektrische signaal langs de neuronen. Daar zijn grote afstanden mee gemoeid en snelle computatie kan zo plaatsvinden.

Digital demons langs pijn-registrerende periferische neurons Uit Nature

Digital demons langs pijn-registrerende periferische neurons Uit Nature

De ontwikkeling van deze laatste demons liet de schijnbaar onbedwingbare ontwikkeling toe van het zenuwstelsel, en daarmee van het bewustzijn. Ook bewustzijn, waarvan wij denken daar het primaat van te bezitten, ontwikkelde zich langzaam. Het is zeker uitsluitend voorbehouden aan organismen met neuronen, maar wanneer en in welke dieren het precies verscheen is onduidelijk. De eerste neuronen zullen er twee of drie geweest zijn die samen informatie loops vormden en verantwoordelijk waren voor snelle reflexen. Enkele nazaten daarvan vinden we nog in de wervelreflex. Het aantal neuronen nam toe en vormde al gauw een neuronaal netwerk dat een geheugen en computercapaciteit had. Dit moet gezien worden in de tijdvector waarbij informatie uit het verleden het mogelijk maakt de toekomstige situatie in te schatten. Kortom het neuronale netwerk wordt een anticipeermachine. Om verwarring te voorkomen gaat dit niet over foresight in evolutie of foreseeing (voorspellen van) de toekomst, maar over forecognition. Deze kwaliteit is van groot belang in ‘the struggle for life’ en laat het toe een speer te lanceren naar een prooi, de aankomende seizoenen te herkennen aan de sterren of te zien dat er slecht weer op komst is. Loewenstein brengt na een uitgebreide beschrijving van de Universal Turing Machine, de conclusie naar voren dat ons brein geen exacte weergave van de realiteit geeft. Ons brein is een natuurlijke computer die gevormd is door natuurlijke selectie en die dient te overleven in ‘the struggle for life’. Het brein ontwikkelde zich om toekomstige gebeurtenissen te berekenen, en er op te anticiperen. Het brein dient niet zozeer een getrouw beeld van de wereld te geven, maar een bruikbaar beeld, bruikbaar voor het overleven en het welzijn van het organisme.

De enorme hoeveelheid aan informatie in ons geheugen zorgt ervoor dat er een immens groot aantal combinatorische mogelijkheden zijn die een nimmer ophoudende bron van inventiviteit vormen. Die capaciteit ontwikkelde zich zeer recent in de evolutie, wellicht niet eerder dan 40.000 jaar geleden met de verschijning van de Cro Magnon en zijn instrumenten. Dit vormt het laatste stadium van het neuronale netwerk. De mens kon zich eindelijk verheffen boven de zintuigelijke horizon en dingen zien die daarvoor aan hem verborgen waren. Het gaat dan niet om visueel zien, maar het zich bewust worden van een diepere realiteit, pure rede, the mind’s eye. Het is mogelijk uitsluitend met de rede wetenschappelijke ontdekkingen te doen.

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

a webzine about philosophy and science

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

Glaswerk

Ongepoetst en uit de hand

Aad Verbaast

te gek voor woorden eigenlijk

Antoinette Duijsters

Een andere WordPress.com site

Volg

Ontvang elk nieuw bericht direct in je inbox.

%d bloggers op de volgende wijze: