Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

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.

Een voorzichtig begin in biofysica

Een overzicht gebaseerd op de eerste zeven hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’ (2013) van Werner R. Loewenstein

De vector van leven, zoals deze door Loewenstein genoemd wordt, is gebaseerd op het licht dat ons bereikt vanaf de zon. We weten al langer dat het zonlicht fotosynthese mogelijk maakt en dat dit de basis voor het leven vormt op Aarde. Maar de beschrijving van de mechanismen die daar aan ten grondslag liggen, uitgespeld tot op het kwantum, is een geheel nieuwe benadering van dit fenomeen.

Een artistieke weergave van het Light-harvesting complex van de purple bacteria

Figuur 1: Een artistieke weergave van het Light-harvesting complex van de purple bacteria

In de ontvangers van het licht, chlorofyl en β-caroteen, ofwel moleculaire ‘vallen’ liggen de elektronen als het ware klaar om geëxciteerd te worden door fotonen, ofwel de lichtkwantums. Dit brengt vervolgens een cascade aan moleculaire verschuivingen voort die de excitatie van de elektronen omzet in energie die vervolgens bruikbaar is voor het in gang zetten van het metabolisme dat de groei van de fotosynthetische organismen bevordert en het leven op Aarde draaiende houdt. De informatievector vanuit de kosmos vormt, eenmaal gearriveerd op Aarde, een circulaire vector zodra de informatie deel gaat uitmaken van het leven. Deze informatiecirkels liggen ingebed in het macromoleculaire domein. Er zijn mooie voorbeelden van macromoleculen die verantwoordelijk zijn voor de circulaire informatiestroom.

Deze macromoleculen worden door Loewenstein ‘demons’ genoemd naar de bekende Maxwell’s demons. Het vergt teveel ruimte om de Maxwell demon hier te beschrijven, maar een kort schema van een dergelijke demon is het volgende. Het gaat om een eiwit en een substraat die als een handschoen om een hand past en wel met zo’n hoge specificiteit (hij selecteert het substraat uit een myriade aan andere moleculen) waardoor men kan spreken van ‘cognitie’, dat wil zeggen een selectie uit verschillende keuzes en een winst aan informatie, een netto voordeel. Zoals te zien is in figuur 2 verandert de demon van gestalt als gevolg van de interactie met het substraat dat daardoor weer loslaat. Om opnieuw terug naar af te gaan en gestalt 1 te hervinden wordt een ATP geconsumeerd. Dit adenosine trifosfaat is het universele biologische betaalmiddel dat via fotosynthese gegenereerd wordt door de zon. Kortom de informatie van de zon wordt via ATP overgedragen aan de demon, reden waarom het een cognitieve entiteit genoemd kan worden.

Figuur 2: De cognitieve cirkel van een eiwitdemon. De demon (D) en zijn moleculaire gezel (M) gaan door een cirkel (a>b>c>d>a) waarin elektromagentische interactie met de gezel een switch veroozaakt van gestalt 1 naar gestalt 2; informatie onttrokken aan het organisch fosfaat (Ip) laat de terugkeer naar de oorspronkelijke gestalt 1 toe.

Hier ziet Loewenstein de evolutionaire continuïteit tussen het kosmische en het biologische. Het is moeilijk aan te wijzen waar het een eindigt en het ander begint, maar Loewenstein stelt voor de biologische start te leggen bij de driedimensionale macromoleculaire demons (RNA; ribozymen?). Deze levensvector zal doorgaan totdat de zon over vier miljard jaar opgebrand is.

Tot zover de proteindemon in het algemeen. Van deze demons bestaan veel soorten. Zo zijn er sensory demons die van belang zijn voor het zicht, de reuk, het gehoor enz., of kanaaldemons zoals de ionenkanalen. De eerste halen informatie op uit de omgeving, daarbij worden boodschapper moleculen gestuurd naar de tweede die deze informatie digitaliseren om hem door te geven aan het brein. Het mooiste voorbeeld is het oog. Het kan daarbij gaan om een klein aantal lichtgevoelige cellen in een schelpdier, maar we kunnen net zo goed uitgaan van het menselijk oog. De kwantums die door het oog opgevangen worden zijn fotonen. Fotonen kunnen al naar gelang hun golflengte lopen van de extreem korte γ-stralen (0.01 nanometer) tot de kilometers lange radiogolven. Maar onze ogen zijn ‘natuurlijk’ uitsluitend gevoelig voor het zichtbare deel dat loopt van 400 nanometer in het paars via alle tussenkleuren als geel en oranje rond de 600 nm tot 720 in het paars-rood. Onze ogen zijn gebouwd voor de waarneming, niet zozeer van het zonnelicht zelf, als van het licht dat weerkaatst uit onze omgeving. Een foton dat van de zon richting Aarde komt, wordt door een atoom geabsorbeerd zodra een elektron met een overeenkomende hoeveelheid energie naar een hoger orbitaal verhuist. Het foton verdwijnt daarmee, wordt virtueel en verschijnt weer zodra het elektron terugvalt naar het lagere orbitaal. Nu zijn ogen heuse kwantumsensoren. Wij ‘zien’ uitsluitend die fotonen die niet geabsorbeerd worden, dus gras absorbeert rood licht en wij zien het resterende groen.

Hoe onttrekken de demons van het zicht informatie uit de kwantumwereld en hoe maken ze elektriciteit van fotonen. Het werkt in elk geval niet zoals een fotocel die elektrisch stroom levert zodra er licht op valt. Daar vindt namelijk eenvoudige transductie plaats: één foton valt op de cesium plaat en een elektron komt eruit. Dit heeft weinig met cognitie te maken. Ieder foton is daarvoor geschikt. Een zichtdemon kiest zijn foton al naar gelang de golflengte, een blauwe of juist een rode. De demon maakt daarvoor gebruik van het pigment retinal, met alternerende dubbele en enkele verbindingen. Dit lijkt erg op caroteen, het primordiale fotopigment. Inderdaad, ons lichaam maakt retinaal aan van een caroteen, vitamine A. En net als in de antieke foton-‘vallen’, chlorofyl en β-caroteen, bezit het retinal elektronen die kritiek geplaatst zijn zodat ze fotonen kunnen vangen van een bepaalde golflengte. Het eiwit van de demon waarin het retinal gecentreerd ligt is rodopsine, dat afgesteld is op zichtbare golflengten. Het retinal ligt gedraaid rond een van haar dubbele bindingen en zodra het een foton vangt gaat deze draaiing eruit. Dit is een foto-mechanische transductie; het foton zorgt ervoor dat het retinal beweegt. Omdat het retinal ingebed ligt in het rodopsine en er aan gelinkt is wordt deze beweging doorgegeven aan deze demon. Deze stuurt daarop de messengers die op hun beurt andere demons activeren; het signaal wordt geamplificeerd. Dit hele proces van activatie van retinal tot die van rodopsine is uiterst efficiënt en duurt 200 femtoseconden met een efficiëntie van 0.7. Deze waarden zijn ongehoord in de gewone chemische reacties en behoren daarmee exclusief tot het kwantumrijk.

Verandering van conformatie van retinal onder invloed van licht. "RetinalCisandTrans" by RicHard-59 - Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons –

Verandering van conformatie van retinal onder invloed van licht. “RetinalCisandTrans” by RicHard-59 – Own work. Licensed under Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 via Wikimedia Commons

Het is voor de evolutie van ons oog en dan in het bijzonder van rodopsine interessant te onderstrepen dat de gevoeligheid voor de golflengtes precies daar ligt waar de zonnestralen het meest van leveren, namelijk het zichtbare deel tussen de 720 en 400 nm. De hoogste sensibiliteit van retinal ligt rond geel ofwel 590 nm, daar ligt ook de sterkste zonnestraling. Wij zien dan ook geen fac-simile van de werkelijke wereld maar een discriminerend plaatje dat ons helpt in ‘the struggle for life’. De overeemkomst in quanta van het elektromagnetische veld (de fotonen van de zon) en de quanta van de atomen (de elektronen orbitalen) geeft gratis informatie over de omgeving, die wij daardoor kunnen zien.

Omdat dit boek boordevol informatie staat tot dusver een samenvatting van de eerste zeven hoofdstukken van ‘Physics in Mind’. Wordt vervolgd.

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

 

Diepzeefossielen in de Alpen

Er worden voortdurend nieuwe ontdekkingen gedaan op allerlei niveau van leven. Zo wordt onderzocht hoe ons genoom in elkaar steekt, wat nu precies genen zijn en hebben we nog slechts een vaag idee hoeveel leven er in de oceanen zit. Op allerlei gebied zien we het topje van een ijsberg die doet vermoeden dat er heel veel te ontdekken en te bestuderen is.

In dat opzicht staat de biologie nog steeds in haar kinderschoenen. Gek genoeg zijn er wetenschappers die denken dat er in hun vakgebied niet veel nieuws meer te ontdekken valt. Er stond een interview aan George Ellis, een beroemd fysicus, in een blog van de Scientific American, waarin hij stelt dat men op het gebied van de kosmologie eigenlijk alles nu wel gemeten en gezien heeft. Alleen de gaten zouden opgevuld kunnen worden. Hij zegt dan betreffende de aarde en de oceanen als analogie het volgende:

“…exploring the Earth: once upon a time we had only fragmentary knowledge of what is there. Then we obtained a global picture of the Earth’s surface, including detailed satellite images of the entire land mass. Once you have seen it all, you have seen it all; apart from finer and finer details, there is nothing more to find. You might respond, but we can’t see to the bottom of the oceans. However, we do indeed now have quite good maps of the ocean floor too, through various sounding techniques.”

Dit is waarschijnlijk als analogie bedoeld voor hoe het gesteld is met de astrofysica en de kosmologie. Het is zeer spijtig te horen dat men er daar al ongeveer helemaal uit is en heb ook moeite dit te geloven. Dat je een plaatje hebt van hoe de wereld, het heelal, er in grote lijnen uitziet, wil nog niet zeggen dat je ‘alles al gezien hebt’. Het is nog lang niet duidelijk hoe de levensprocessen precies werken en het is dan ook vreemd om te stellen dat zodra je het ‘gezien’ hebt je er alles al van weet.

deepsea_01

diepzeefossiel

In de biologie is dat heel anders gesteld. Het citaat van Ellis laat ook zien dat je met een visie als die van een fysicus niet ver komt als je zo oppervlakkig kijkt. Het kan zijn dat hij tevreden is met wat hij weet na een leven lang onderzoek, maar veel onderzoekers beginnen nog maar net en stellen zich heel andere en diepere vragen.

Een mooi voorbeeld van hoe weinig we nog weten komt juist van de oceaanbodem. Daar bevindt zich een totaal onbekend ecosysteem, dat in het verleden een grote variëteit aan diersoorten heeft voortgebracht. Tot nu toe dacht men dat veel diepzeedieren zich ontwikkelden vanuit ondiepe kustwateren en vervolgens naar de diepzeebodem migreerden. Het tegendeel lijkt waar te zijn. Men vond in de Alpen zo’n 2.500 soorten fossiele diepzeedieren die duidelijk niet afhankelijk waren van licht en daar zich naar alle waarschijnlijkheid uit diepzeevoorouders ontwikkelden. Dit laat zien dat de diepzee een enorme biodiversiteit herbergt waar we slechts een idee van beginnen te krijgen. Zo blijkt maar dat de oceaanbodem ‘zien’ met satellieten niet betekent dat je er ook alles over weet. Integendeel, het onderzoek begint pas.

 

Uit:

Physicist George Ellis Knocks Physicists for Knocking Philosophy, Falsification, Free Will in Scientific American

Fossil discovery in Alps challenges theory that all deep sea animals evolved from shallow water ancestors in Physorg

Oorsprong van mitose en meiose, een theorie over de evolutie van de eukaryoot en seks

Na in het voorgaand blog de evolutie van geslachtsverschillen in Volvox bekeken te hebben, botste ik in Wikipedia tegen een verwijzing naar artikelen van Philip John Livingstone Bell aan. Zijn werk is puur theoretisch en behandelt de oorsprong van de eukaryotische cel, van mitose, meiose en dus het ontstaan van seks. Eukaryoten zijn alle cellen en organismen die wij gewoonlijk waarnemen, ze hebben een celkern. Prokaryoten zijn voornamelijk bacteriën. Virussen vormen een apart hoofdstuk, maar lijken een enorm belangrijke zo niet fundamentele rol te hebben gespeeld in het ontstaan van de eukaryotische cel zoals Bell in zijn theorie laat zien.

Een blog biedt eigenlijk niet genoeg ruimte voor een uitgebreide verhandeling van mitose en meiose. Kort gezegd is mitose de celdeling in de eukaryotische cel waarbij de lineaire chromosomen (DNA) eerst verdubbeld en vervolgens eerlijk verdeeld worden over de dochtercellen. De meiose daarentegen bestaat uit twee delingen: een die de chromosomen verdubbelt (waarna er het essentiële fenomeen van crossing –over plaatsvindt waarbij de genen van vaders en moeders kant uitgewisseld worden), en een tweede die zonder verdubbeling van de chromosomen plaatsheeft, waardoor er een zogenaamd gehalveerd genoom ontstaan ofwel haploïde cellen, de geslachtscellen.

Mitose in door virus geïnfecteerde cellen.  a of alfa corresponderen met + en - in de tekst

Mitose van geïnfecteerde cellen en ‘binary fission’ van niet geïnfecteerde cellen.

Dit ingewikkelde maar vrijwel universele mechanisme (althans voor wat betreft de eukaryoten) is volgens Bell ontstaan uit drie organismen: een virus, een Archaea (een soort oerbacteriën zonder dubbel membraan) en bacteriën. De Archaea, of de voorloper ervan, bood het cytoplasma dat het virus kon infecteren en waar het zijn genetisch materiaal kon deponeren en repliceren met behulp van eigen polymerasen en/of reverse transcriptase en ribosomen of met die van de gastheer. Een bacterie, waarschijnlijk de alfa-proteobacterie, vormde de eerste mitochondriën.

De theorie van Bell stelt dat het virus met zijn RNA of DNA de gastcel infecteerde, waarna het lineaire chromosoom (met centromeer) van dit virus repliceerde en, zodra deze cel fuseerde met een niet geïnfecteerde cel, zich deelde zodat de twee chromosomen zich over de twee dochtercellen verdeelden. Door meerdere infecties met verschillende maar verwante virussen zou het aantal chromosomen toegenomen zijn. Deze proto-eukaryotische, of eigenlijk reeds volwaardige eukaryotische cellen konden daardoor licht verschillen in genetische opmaak (we noemen ze + en – cellen met elk n chromosomen). Hun cellen konden fuseren (lees ‘bevruchten’) en zo een cel voortbrengen met 2n chromosomen. Zodra daar wederom twee celdelingen op volgden hebben we opnieuw twee haploïde cellen + en twee haploïde cellen -. Dit is exact hetzelfde als meiose.

Meiose in geinfecteerde cellen. a en alfa corresponderen met + en - in de tekst

Meiose in geïnfecteerde cellen. a en alfa corresponderen met + en – in de tekst

Dit is een pure theorie die zich echter wel baseert op wat men nu nog terugziet in de tegenwoordige wereld tijdens infectie met het pox-virus. De theorie stelt dus niet alleen dat zowel mitose als meiose een ‘uitvinding’ zou zijn die dankzij de virussen heeft kunnen voorvallen, maar ook dat de celkern van oorsprong vrijwel uitsluitend viraal RNA of DNA bevatte. Op het blog van Gert Korthof is er een levendige discussie over of virussen nu wel of niet als levende organismen moeten worden beschouwd. Patrick Forterre, een gevierd viroloog, is daar een voorstander van en gezien hun mogelijke belang in het ontstaan van mitose en meiose, hebben de virussen wel een speciaal ereplaatsje verdiend.

Uit: Sex and the eukaryotic cell cycle is consistent with a viral ancestry for the eukaryotic nucleus. Philip John Livingstone Bell. Journal of Theoretical Biology 243 (2006) 54–63.

 

Evolutie van sekse in Volvox

Naar aanleiding van een discussie op het evolutieblog van Gert Korthof, waarin opnieuw Joris van Rossum ter sprake kwam, is dit nieuws wel te moeite waard om te signaleren. Joris van Rossum beweerde in zijn proefschrift dat de evolutietheorie of, specifieker, natuurlijke selectie het ontstaan van sekse niet kon verklaren. Als je over alles dat wetenschappelijk niet verklaarbaar is een proefschrift kunt schrijven dan zou dat heel veel proefschriften opleveren. Het is veel interessanter om te zoeken naar een verklaring van het ontstaan van seks. Omdat seks ofwel de meiose die daarbij hoort grote variatie oplevert is het mogelijk dat dit de rede is waarom seks gehandhaafd blijft (al zijn er organismen die het kenmerk verloren hebben). Van het ontstaan van meiose bestaan natuurlijk uitsluitend theoretische modellen, die erg interessant zijn, en wellicht in een later blogbericht aan de orde komen.

In deze context is het aardig om de ontwikkeling van sekse te bekijken in Volvox. Nu zijn er ééncellige algen die na meiose hun haploïde cellen opnieuw combineren tot diploïde cellen via isogamie: de haploïde geslachtscellen zijn niet van elkaar te onderscheiden en tegenovergestelde seksen worden aangeduid met + en -. In Volvox, een meercellige alg, bestaat daarentegen anisogamie; de geslachtcellen vormen echte ei- en zaadcellen, waarbij de eicel relatief groot en onbeweeglijk is en de zaadcel klein is en zich met flagellen voortbeweegt.

Volvox (hier gevonden)

Volvox (hier gevonden)

Onderzoekers bestuderen Volvox carteri, een prachtige meercellige alg die uit wel 2.000 cellen kan bestaan, al langer omdat ze een sleutel kan vormen tot het onderzoek naar het ontstaan van meercellig leven. Meercellig leven kan zich niet simpelweg delen en moet voor reproductie gebruik maken van seksen. Volvox leeft in zoet water en ontwikkelde zo’n 200 miljoen jaar geleden meercelligheid. In het verleden bestudeerde men reeds de eencellige alg, Chlamydomonas reinhardtii, en vergeleek de genetische opmaak tussen ‘mannetjes’ (-) en ‘vrouwtjes’ (+). C. reinhardtii wordt gekenmerkt door isogamie, waarbij de geslachtscellen aangeduid worden met + en -. Ouder onderzoek stelde reeds vast dat deze geslachtverschillen bepaald worden door het gen MID (van minus dominance; een gen voor een domein van een transcriptiefactor). Is het aanwezig dan is de sekse -, en is het afwezig dan is de sekse +. Men vroeg zich daarop af of en in hoeverre dit gen bepalend zou kunnen zijn voor de anisogamie en plaatste het MID-gen, dat ook in Volvox carteri aanwezig is, in vrouwelijke cellen. In mannetjes werd het gen uitgezet (met knock-out). En inderdaad, het MID-gen maakte mannetjes van de vrouwtjes en de mannetjes zonder MID-gen veranderden in vrouwtjes. Ieder van deze getransformeerde seksen waren in staat zich met succes te reproduceren met ‘gewone’ volvox.

Het gen, dat voor een deel van een transcriptiefactor codeert, is dus niet alleen bepalend voor de simpele ‘polariteit’ van de sexen, maar determineert, via een genetisch netwerk, ook de secondaire karakters van deze ‘polariteit’, namelijk de anisogamie.

Bovenstaande is een recent onderzoek en verklaart op zich niets van het ontstaan van seks, ofwel het ontstaan van meiose. Over dit laatste zijn heel interessante theorieën ontwikkeld waarin bacteriën, archaea en virussen een rol lijken te hebben gespeeld. Dat is eigenlijk waarop men zou moeten scherpstellen, wil je het ontstaan en het behoud van seks kunnen verklaren. Dit onderzoek geeft slechts een beeld van hoe anisogamie bepaald kan worden in deze algen. Meercelligheid is meerdere keren uitgevonden dus anisogamie waarschijnlijk ook.

Uit: Geng S, De Hoff P, Umen JG (2014) Evolution of Sexes from an Ancestral Mating-Type Specification Pathway. PLoS Biol 12(7): e1001904. doi:10.1371/journal.pbio.1001904

 

 

Lag de oorsprong van leven bij virussen?

three_viruses_mimi_pandora_pith

Foto door Chantal Abergel en Jean-Michel Claverie Drie recent ontdekte reuzevirussen — mimivirus (boven), pandoravirus (midden) and pithovirus (onder)

De theorieën over de oorsprong van het leven lopen uiteen, maar over één ding is men het eens. Er bestond ooit een RNA-wereld waarin er zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA. De laatste katalyseerde de replicatie van de eerste en zo ontstonden er de eerste replicatoren. Nu bevatten onze cellen DNA (deoxyribonucleic acid) als opslag voor informatie, terwijl veel verschillende soorten RNA (ribonucleic acid) bijvoorbeeld als boodschapper (RNAm) of drager van aminozuren (RNAt) dient. Er is blijkbaar een moment geweest waarop het RNA omgezet is in DNA. Nu geldt het dogma in de biologie dat DNA omgeschreven wordt in RNA dat op haar beurt weer afgelezen wordt voor de vorming van eiwitten. Er bestaat slechts één uitzondering, en dat is het enzym reverse transcriptase dat alleen door retrovirussen gecodeerd wordt. (Er is een andere reverse transcriptase die telomeren synthetiseert, zie de reactie van Gert Korthof).

Al een tijdje bestudeert de viroloog Patrick Forterre de mogelijkheid dat retrovirussen aan de oorsprong van de eerste cellen heeft bijgedragen. Ik schreef al eerder over zijn werk en theorie en de details kun je in dit eerdere blog lezen. Hij stelt dat de retrovirussen DNA maakten en daarmee cellen infecteerden die vervolgens dit stabielere DNA gebruikten als informatieopslag.

Nu is er recent een enorm virus ontdekt, het pithovirus, dat nog groter is dan veel bacteriën. De afmeting is meer dan 1,5 micron en het draagt zo’n 500 genen waarvan vele niet gerelateerd zijn aan de ons reeds bekende genen. Voordat dit virus werd gevonden, wist men al van andere grote virussen zoals het mimivirus en pandoravirus die ook veel niet gerelateerde genen bevatten. Zo langzaamaan begon zich een andere theorie te vormen.

Men dacht vroeger dat virussen zich later hebben ontwikkeld dan cellen, omdat alle toen bekende virussen voor hun replicatie of vermenigvuldiging afhankelijk waren van cellen. Het zou dus wel eens omgekeerd kunnen zijn, namelijk, dat virussen eerder ontstonden dan cellen. Ze zouden in eerste instantie in de RNA-wereld geleefd hebben die bestond uit zelfzuchtige RNA’s die de boventoon gingen voeren. Deze werden omsloten door capsiden, bestaande uit proteïnen.

Een argument voor de The Virus World Theory stelt dat virussen genetisch gezien een grotere diversiteit hebben dan cellen. Waren ze afgeleid van cellen, dan zou er een kleinere diversiteit zijn dan die we aantreffen bij cellen. Eugene Koonin is voorstander van The Virus World Theory, terwijl Patrick Forterre denkt dat virussen hun opmars maakten nadat er voorlopers van bacteriën, Archaea en Eukaryoten, die hij protoeucaryoten noemt, hun intrede deden. Hij onderstreept daarbij dat virussen op het toneel verschenen voordat LUCA (Last Universal Common Ancestor) bestond. Abergel en Claverie, een echtpaar van virologen, beweren daarentegen dat virussen afstammen van uitgestorven cellijnen. Er was geen unieke cellijn volgens hen, maar een waren een heleboel verschillende cellijnen die allemaal uitgestorven zijn. De virussen bevatten nog steeds de antieke genen van deze uitgestorven cellen.

Kortom, er is in Frankrijk een flinke discussie gaande rond dit onderwerp. Daar wordt heel wat ge-e-maild over virussen. Het zou leuk zijn als deze discussie wat meer open was, zodat wij hem konden volgen. Misschien hebben ze allemaal gelijk en verschenen virussen tegelijk met cellen, met het daarop volgende uitsterven van bepaalde cellen waar antieke infecterende virussen nog steeds een overblijfsel van zijn. Het zou zomaar kunnen.

Uit: Hints of Life’s Start Found in a Giant Virus. QuantaMagazine

 

 

 

Kwantumbiologie

Naar aanleiding van een discussie op het evolutieblog van Gert Korthof ontstond een zoektocht naar de rol van kwantummechanica in de biologie. Hierbij is er een probleem. Fysici en biologen lijken elkaar niet goed te verstaan zoals ook aangegeven wordt in een artikel in Nature. De opleiding tot biofysicus verloopt niet in daarvoor opgezette departementen, maar de studenten wisselen van het ene naar het andere departement om wat van fysica, chemie en biologie te leren. Deze stof moet dan geïntegreerd worden.

Schrödinger wees in 1944 in What is life? als eerste op de noodzaak tot het studeren van kwantumbiologie. Daarmee wordt de rol van de kwantummechanica in de biologie bestudeerd. Dit gebeurt veelal in processen als fotosynthese, visie en brownse motors in cellulaire processen om er paar te noemen. Het lijkt erop dat ook microtubulen in neuronen onderhevig zijn aan kwantumfenomenen waarmee het bewustzijn beïnvloed zou worden.

In de discussie op het evolutieblog van Gert Korthof kwam daarentegen de vraag naar voren of ‘kwantumtoeval’ of kwantumfenomenen, die het enige werkelijk bestaande toeval zouden vormen, aan de basis kunnen staan van biologische mutatie, ofwel mutatie van DNA, dat het toeval in de biologie vormt. Het antwoord daarop is ja. In 1963 publiceerde Löwdin een studie naar de rol van proton tunneling. Dit fenomeen is lastig in een blog weer te geven, maar heeft te maken de waterstofbindingen tussen complementaire basen van het DNA. De protonen worden daarbij door de twee tegenover elkaar liggende basen gedeeld. Daarbij kunnen er door proton tunneling, dat een kwantumfenomeen is, tautomeren ontstaan van deze basen, die bij de eerstvolgende replicatie met de verkeerde base combineren, waardoor er een mutatie insluipt. Het ziet er dus naar uit dat dit fenomeen verantwoordelijk is voor spontane mutaties. Deze zouden vervolgens aan de basis staan van somatische mutaties die leiden tot veroudering en kanker kunnen veroorzaken. Het lijkt mij dat dit fenomeen ook relevant is voor erfelijke mutaties aangezien er in de geslachtscellen ook replicatie voorkomt. Dit soort mutaties zijn spontaan en hebben niets te maken met door radiatie of chemicaliën geïnduceerde mutaties. Zij zijn op geen enkele wijze voorspelbaar.

Er kwam ook een ander onderwerp aan bod in de discussie bij Gert Korthof en dat is de mogelijkheid dat kwantummechanica aan de basis staat van de oorsprong van leven. Zoals Peter M. Hoffmann het zegt in zijn boek Life’s Ratchet:

“Life must begin at the nanoscale. This is where complexity beyond atoms begins to emerge and where energy transforms readily from one form to another. It is here where chance and necessity meet. Below the nanoscale, we find only chaos; above this scale only rigid necessity.

Er zijn blijkbaar niet veel mogelijkheden om het ontstaan van leven op dit niveau aan te tonen of ten minste te schetsen. Toch wagen sommige fysici zich daaraan, en één van hen, Paul C. W. Davies heeft het volgende bedacht. Ook hierbij gaat het om de zogenaamde non-trivial kwantumeffecten. Zijn hypothese is dat het leven direct ontstond uit de wereld van atomen zonder complexe intermediaire chemie. Aangezien het leven voornamelijk gekarakteriseerd wordt door replicatoren, stelt hij een klein simpel voorbeeldje van hoe zoiets in zijn werk zou kunnen gaan. Hij noemt dit Q-life en proponeert twee verschillende sequenties aan spins A en B in gecondenseerde materie. Deze twee sequenties interageren en als gevolg daarvan transmuteert B in A. Deze transmutatie ziet er uit als AB → AA. Omdat de sequentie B nu weggevaagd is, is deze transmutatie asymmetrisch en irreversibele. Dit ‘systeem’ zou op een bepaalde manier door de organische moleculaire wereld, waarin alles langzamer gaat maar ook grotere diversiteit oplevert, overgenomen worden.

Als bioloog is dergelijke taal moeilijk te begrijpen en ik heb ook geen idee of dit ooit empirisch aangetoond kan worden. Het is slechts een kleine poging om te laten zien hoe moeilijk het is een brug te slaan in de communicatie tussen biologen en fysici. Maar het is zeker mogelijk wanneer de kwantummechanica onderwezen wordt aan biologen.

Uit: Peter M. Hoffmann. Life’s ratchet. 2012

Paul C.W. Davies. Quantum aspects of life. Chapter 1: A Quantum origin of life? 2008

P.O. Löwdin Proton tunneling in DNA and its biological implications. REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOLUME 35, NUMBER 3 JULY 1963

Hierbij bedank ik alle deelnemers aan de discussie bij Gert Korthof en in het bijzonder hemzelf.

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 like this: