Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

DNA en vulkanische rotsen

Al sinds de jaren zestig proberen onderzoekers Darwiniaanse evolutie te simuleren met replicerende DNA-strengen. Het is echter in veel experimenten gebleken dat replicatie van DNA in vitro voor een probleem zorgt. Bij deze kunstmatige replicatie blijken de fragmenten van DNA steeds korter te worden naarmate de replicatiecyclussen elkaar opvolgen. Kortere fragmenten repliceren namelijk sneller dan langere en zullen daardoor vlugger in aantal toenemen, waardoor de langere DNA-strengen uiteindelijk verminderen of ‘uitsterven’. Dit wordt wel het dilemma van Spiegelman genoemd, naar een pionier op het gebied van dit soort onderzoeken.

Nu is recent het nieuws verschenen dat dit dilemma vermeden kan worden. Er is door een groep onderzoekers van het Max Planck Instituut en Ludwig Maximilians Universiteit in Duitsland in eerste instantie aangetoond dat het mogelijk is de langere filamenten van kortere te scheiden. Door gebruik van capillaire buisjes, waardoor een vloeistof met DNA strengen stroomt en waarin een temperatuurgradiënt bestaat, laten ze zien dat de langere DNA strengen als gevolg van convectie en thermodiffusie aan de basis van dit buisje accumuleren.

Vervolgens werd er een experiment opgezet met Polymerase Chain Reaction (PCR). Dit enzym wordt doorgaans in laboratoria gebruikt om kleine hoeveelheden DNA te amplificeren met cycli van temperatuurwisselingen. Er werden DNA- strengen van verschillende lengte plus polymerase en primers in bufferoplossing door het buisje heen gestuurd. Er vindt zodoende replicatie van de verschillende DNA strengen plaats. Ook in dit geval accumuleerde de langere DNA-strengen. Het langere DNA wordt als het ware gevangen in het buisje, de kortere filamenten stromen met de vloeistof mee het buisje uit. Op de figuur kan gezien worden hoe de opgevangen fracties van de inhoud van het buisje kortere en langere DNA-strengen bevatten. Dit wordt aangetoond door middel van elektroforese van de verschillende fracties.

DNA_flownchem_630m

Een scala van dubbelstrengs DNA wordt geïnjecteerd in het capillaire buisje met lengtes variërend tussen 20 en 200 bp met stappen van 20. Het doorspoelen met buffer op de aangegeven snelheid (Vs) spoelt de lengtes tot en met 80 bp weg terwijl de langere strengen gevangen blijven zoals het resultaat op elektroforese rechts laat zien.

 

Deze resultaten zijn van bijzondere betekenis, niet alleen voor het onderzoek over het mogelijke ontstaan van DNA zelf, maar ook voor het onderzoek naar de oorsprong van leven in het algemeen. Er wordt in de publicatie gerefereerd aan vulkanisch gesteente op de zeebodem waarin een temperatuurgradiënt zou bestaan. Daarin kunnen kleine barsten of poriën zitten waarin zich macromoleculen als DNA kunnen ophopen en waarbij met replicatie van en mutaties in dit DNA er in principe Darwiniaanse evolutie mogelijk is.

Dit laatste zal altijd speculatief blijven, maar langzaamaan hopen de experimenten op waaruit blijkt dat dergelijke scenario’s mogelijk geweest zijn. Nu is dit experiment uitgevoerd met dubbelstrengs DNA. Doorgaans gaat men er echter van uit dat de eerste macromoleculen uit enkelstrengs RNA bestonden. Het is daarom niet duidelijk hoe dit experiment in deze hypothese past.

Nu hebben Nick Lane en Bill Martin veel geschreven over de mogelijke oorsprong van leven in de poriën van de schoorsteenwanden in hydrothermale bronnen. Het is enigszins opmerkelijk dat deze studie helemaal niet refereert aan deze wetenschappers.

 

h/t Rob van der Vlugt

Uit: Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S. & Braun, D. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry 0, (2015). (Free access in ReadCube)

Stilstaande evolutie, de nulhypothese

Evolutie van leven veronderstelt een ontwikkeling van organismen. De evolutietheorie van Darwin stelt dat soorten ontstaan door natuurlijke selectie. Het is moeilijk te testen of er bij afwezigheid van selectie toch evolutie plaatsvindt. Bijna elke omgeving of niche betekent competitie voor schaarse voedselbronnen en daaruit volgt een survival of the fittest. Nu heeft een groep onderzoekers organismen gevonden die al meer dan 2 miljard jaar niet geëvolueerd zijn. Het gaat hierbij om zwavel bacteriën.

Zij bestudeerden met speciale instrumenten zoals Raman spectrografie en confocale laser scan microscopie fossiele gesteenten van de zeebodem en vonden daarin fossiele filamenten van zwavel bacteriën. Wanneer ze deze vergeleken met de huidige zwavel bacteriën die op andere locaties leven zagen ze duidelijke overeenkomsten in de vorm en lengte van de filamenten. Zie de onderstaande figuur.

A

Hedendaagse en precambriaanse filamenteuze zwavelcyclerende micro-organismen. A en E Hedendaagse microben 7 – 9 micrometer in diameter vergeleken met fossielen van het 2,3 miljard jaar oude Turee Creek gesteente (B en F) en het 1,8 miljard jaar oude Duree Creek gesteente (C,D,G en H)

 

De gesteenten, die in het Australische Turee Creek en Duck Creek gevonden werden, dateren van resp. ca. 2,3 miljard jaar en 1,8 miljard jaar geleden. Deze perioden volgen op de Great Oxidation Event (GEO) en de ontwikkeling van deze zwavel bacteriën wordt gezien als een antwoord op de langzame toename van zuurstof in de atmosfeer. Daardoor konden deze bacteriën sulfaat (SO42-) en nitraat (NO3-) metaboliseren, stoffen die alleen na oxidatie van zwavel en stikstof beschikbaar zijn. De tegenwoordige zwavel bacteriën, die zoveel op hun fossiele voorouders lijken, bevinden zich in de bodem in een relatief zuurstofloze omgeving, maar profiteren van het sulfaat en nitraat uit de iets hoger gelegen diepten. Zij nemen deel aan de zwavelcyclus waarin bacteriën het sulfaat reduceren tot waterstofsulfide, dat opnieuw geoxideerd kan worden tot het element zwavel met behulp van zuurstof uit de bovenliggende lagen. Het zwavel kan dan weer geoxideerd worden tot sulfaat door andere bacteriën.

De betreffende zwavel bacteriën worden gekenmerkt door hypobradytelic lifetyles ofwel, een leefstijl die niet veranderd is gedurende meer dan 2 miljard jaar. Deze onveranderde leefstijl vindt men ook bij de cyanobacteriën, die zeer competitief waren door de productie van het toenmalige voor veel organismen giftige zuurstof. Voor de zwavel bacteriën geldt dat er, sinds het ontstaan van de eerste microbiële groepen, weinig tot geen stimulering was tot aanpassing aan veranderende condities. Het zijn bewoners van relatief koude, rustige, zuurstofvrije sedimenten, waar geen dagelijks licht doordringt. Deze condities zijn hetzelfde sinds de vroege geschiedenis van de Aarde. Een omgeving die dus niet veranderde.

Het is daarom verleidelijk deze zwavel bacterie gemeenschappen als bewijs te zien van de “negatieve” nulhypothese van Darwiniaanse evolutie: als er geen verandering plaatsvindt in de biofysische omgeving van een goed aangepast ecosysteem, dan zou er geen soortvorming, geen evolutie van de vorm, de functie of de metabolische eisen van biotische componenten zijn. Maar er moet rekening gehouden worden met het feit dat de morfologie van de bacteriën uit convergente evolutie voortkomt en dat het metabolisme en de genomen van de precambriaanse bacteriën wellicht anders was. Het DNA kan helaas niet vergeleken worden. Er zijn bovendien relatief weinig fossielen gevonden, waardoor er ‘missing links’ lijken te bestaan. Mochten er meer van dergelijke fossielen gevonden worden die dit gat wat kunnen dichten dan zal het mogelijk zijn de nulhypothese voor Darwiniaanse evolutie te bevestigen.

Eerdere hier verschenen berichten behandelen zwavel bacteriën die elektriciteit in de zeebodem genereren en geven wat extra informatie over hun metabolisme en leefwijze (1, 2) .

 

Uit:  J. W. Schopf, A. B. Kudryavtsev, M. R. Walter, M. J. Van Kranendonk, K. H. Williforde, R. Kozdone, J. W. Valleye, V. A. Gallardol, C. Espinozal, D. T. Flannery; Sulfur-cycling fossil bacteria from the 1.8-Ga Duck Creek Formation provide promising evidence of evolution’s null hypothesis; PNAS 5 january 2015 J. William Schopf, doi: 10.1073/pnas.1419241112

the arrival of stardust

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

De mens is gemaakt van sterrenstof, heet het, en de uitdrukking is weer eventjes in.
Echter, om iets van sterrenstof te kunnen maken, moeten er sterren zijn.
Maar … om sterren te krijgen moet er stof zijn waarvan sterren gemaakt kunnen worden.

Ik verwacht nu niet dat mij over zo’n honderd jaar dezelfde eer ten deel zal vallen als de bioloog Hugo de Vries aan wie het sofisme Natural selection may explain the survival of the fittest, but it cannot explain the arrival of the fittest wordt toegeschreven – aan welk sofisme een studieproject van meer dan 20 jaar is gewijd: hoe de fitness-factor in the fittest kon arriveren.
Ik doel hier uiteraard op het boek van Andreas Wagner The Arrival of the Fittest dat zoveel stof heeft doen opwaaien in het evolutiewereldje, en vooral in de periferie daarvan.
Ik voorspel hier: het gaat geen honderd jaar duren voordat dat andere vraagstuk, hoe komt het dat sterrenstof fit genoeg was om sterren te vormen, in een boek behandeld zal worden, een boek dat enkel zijn weerga zal vinden in Wagner’s boek.
Wij gaan de verschijning van dat boek nog meemaken … wat ik U brom.

Ik kom hierop door een artikel in de Volkskrant, vlak voor oudjaar, met de kop sterrenstelsel uit de computer ziet er steeds echter uit van Govert Schilling. Het beschrijft de presentatie van “tussenresultaten” van een grootscheeps onderzoek naar het ontstaan van sterren.
Echt een goed oudejaarsartikel: over dingen die ontelbare oudejaarsavonden geleden gebeurden, en begonnen toen er nog geen sprake was van een oudejaarsavond, en die door zullen gaan tot … ja, totdat er geen nieuwjaarsdag meer zal komen.
Of de tijd precies zal eindigen op een oudejaarsavond om 24.00 uur is mij niet bekend, zoals mij ook niet is meegedeeld of de tijd is begonnen op een nieuwjaarsdag om precies 0.00 uur. Maar wetenschappers kunnen nu eenmaal niet uit de voeten met eeuwigheid, dan kun je niet meten. Dus er is een absoluut nulpunt – the Hartle-Hawking state, of voor mijn part the Planck epoch – en een eindpunt – wie weet, the Bullock state.  *)

Ik loop al een tijdje te keutelen met dat Volkskrant-artikel, vooral met dat wat aan het artikel ten grondslag ligt: een rapportage vanuit het EAGLE-project. EAGLE staat voor Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments (een pdf document is op internet beschikbaar **)).
En over de rapportage vanuit een ander project, zonder naam voor zover ik kon nagaan, [who] have analysed ca. 2000 galaxies formed in the GIMIC suite – voor quenching, lees: het onderdrukken, of vroegtijdig te niet doen van stervorming – het survivalprobleem van sterren (ook daarvan is het pdf document via internet te lezen ***)).
Voor wie zich afvraagt waar de GIMIC suite zich ergens bevindt: dat is een computeromgeving. Ik vermoed dat de aldaar gevormde sterrenstelsels de ruimte in worden geschoten, opdat ze tot volle wasdom komen.

Dat ik het idee nu opgepakt heb is vanwege het volgende berichtje dat gisteren (1/2/2015, het moment van schrijven) op teletekst stond

teletekst

Weet U nog, bijna een jaar geleden werd door het Harvard team een “foto” gepubliceerd van signalen uit de ruimte, waargenomen met de BICEP 2, evidence of cosmic inflation in a fraction of the first second of the universe, zeg maar de eerste nieuwjaarsdag, het absolute jaar 0, nog net geen 0.00.01, through identifying the effects of gravitational waves for the first time.

acc. to Harvard: waves from the big bang

acc. to Harvard: waves from the big bang

Onder de kop Cosmology: First Light schreef Nature: BICEP2’s results triggered widespread elation in the cosmology community
Het bericht maakte toen zoveel indruk dat Kees Jaspers mij, vanwege mijn gedemonstreerde scepsis, in een comment onder Wagner (zie hierboven) bijna een jaar later corrigerend toesprak: Wat de tijd betreft. Kijk eens naar een ‘foto’ van de kosmische achtergrondstraling. Dan kijk JIJZELF meer dan 13 miljard jaar terug in de tijd.

Ik ga U niet lastig vallen met technische details. Govert Schelling was niet erg onder de indruk, geloof ik.
In principe is het heel eenvoudig. Je gaat uit van een boel deeltjes, berekent de zwaartekracht die ze op elkaar uitoefenen en kunt dan voorspellen waar en wanneer er een sterrenstelsel en een ster opduikt.
Helaas, na de oerknal waren er ontzettend veel deeltjes; er zijn 10^90 atomen volgens sommigen, dus als dat allemaal als los zand de ruimte in is geslingerd – let wel: de elementen moesten nog geboren worden, de verbindingen daarvan nog gevormd … poeh.
Wel, in het model wordt gewerkt met 7 miljard deeltjes. Dat is een zeven met negen nullen: dat vergde vele maanden rekentijd. Komt niet in de buurt van 18 nullen. Laat staan 45 nullen, dus hou maar op over 90 nullen.
Volgens onze verslaggever kun je met 7 miljard deeltjes niet eens het ontstaan van een ster simuleren, laat staan van planeten.

Tja, de evolutie van het leven is al moeilijk in experimenten te vangen. Maar het kan hier en daar, zie wat Marleen hierboven over de polypterus bichir kon melden. En gelukkig zijn er fossielen.
Maar hoe experimenteer je met de evolutie van sterrenstelsels.
Waar haal je sterrenstof vandaan?

Die sterrenwachters – Yoep Schaye van het EAGLE-project én Yannick M. Bahé (van het Planck instituut, dat nu vraagtekens zet bij het Harvard instituut) en Ian G. McCarthy van het quenching onderzoek – en al hun hulpjes, moeten het met een model doen. En dat is wat ik hier wil signaleren: het inzicht dat hun modellen, zachtjes gezegd, zeer armetierig zijn.
Overigens, daar zijn ze eerlijk over. De documenten staan bol van de slagen om de arm.
Vooral the shortcomings of the GIMIC suite spelen hierbij een rol. Zegt de GIMIC baas zelf.
Maar ondertussen.
Er is hoop!
Het EAGLE project.
Waarvan de EAGLE baas zegt: we should keep in mind that we have not attempted to model many of the physical processes that may be important for the formation and evolution of galaxies … en er volgt een waslijst van EAGLE shortcomings.

Het eigen leven dat die modellen gaan leiden dus, dat is mijn project.
In die modellen zitten een hoop premissen, meer dan er sterrenstof is, en veel te weinig sterrenstof. Expliciet wordt aangegeven dat een heleboel fysieke processen die een rol spelen niet zijn meegenomen.
Vervolgens wordt er doorgedenderd. En de plaatjes die uit die modellen tevoorschijn komen heten foto’s, wat zeg ik, het levert driedimensionale filmpjes op.
Schaye et al. en Bahé en McCarthy hope that EAGLE will prove to be a useful resource for the community.
Welke community?
The cosmology cummunity natuurlijk.
En liefhebbers. Want zegt Schaye We intend to make the simulation output public in due course …

Dus, binnen 20 jaar zal er een boek liggen THE ARRIVAL OF STARDUST. Ik leid dat af uit het feit dat zo’n 20 jaar voor het verschijnen van THE ARRIVAL OF THE FITTEST een document werd opgesteld, analoog aan de hier gesignaleerde documenten, over onderzoekingen middels computersimulaties die het signaal van Hugo de Vries serieus namen: als iets fit genoeg is, of genoeg fit, om te surviven, waar komt dan die fitness factor vandaan.
Of het nog spectaculairder kan dan Wagner’s boek, weet ik niet: een n-dimensionale bibliotheek is een n-dimensionale bibliotheek, en een random-walk blijft een random-walk. Met de computer getekende plaatjes blijven met de computer getekende plaatjes. Maar het zal minstens zoveel stof doen opwaaien.

Misschien wel sterrenstof.
Stof dat ook weer zal gaan liggen.
l’Histoire se répète …. wat ik U brom.

 

*) zie mijn post over de aankondiging van het einde der tijden door James Bullock soup painted by
**) zie Simulating the evolution and assembly of galaxies and their environments
***) zie Star formation quenching in simulated group and cluster galaxies

Plasticiteit in evolutie

Volgens een aantal evolutiebiologen zou de evolutietheorie, zoals deze sinds de Nieuwe Synthese van 1942 wordt beschouwd, uitgebreid moeten worden met een aantal moderne inzichten. Er wordt altijd al aan de evolutietheorie getwijfeld, bijgeschaafd en gemorreld, maar doorgaans heeft dit niet veel resultaten voortgebracht. Voorstanders van een modernere versie, die Extended Synthesis moet heten, zijn van mening dat er zich veel nieuwe ontwikkelingen in de biologie, de moleculaire biologie en ecologie hebben voorgedaan en dat daarom de evolutietheorie uitgebreid dient te worden. Daar bestaat een enorme discussie over waar niet lang geleden een artikel over in Nature verscheen. Daarin werden de meningen van de opponenten tegenover elkaar gezet.

polypterus bichir

polypterus bichir

Er komt in deze discussie ook het onderwerp plasticiteit aan bod: plasticiteit van het fenotype, dat helemaal losstaat van het genotype en die zich voordoet binnen de levensloop van een organisme. Is er vervolgens sprake van erfelijkheid van dit fenotype dan wordt dit fenomeen ook wel genetische assimilatie genoemd. Het mooiste voorbeeld van plasticiteit is geobserveerd door Standen et al. in hun studie op kwastsnoeken polypterus bichir. Men spreekt ook wel van adaptatie die voorafgaat aan mutatie in plaats van eerst mutatie en dan adaptatie.

Deze vissen bezitten vinnen die het aspect van ledematen hebben en ook als zodanig gebruikt worden wanneer het dier zich op land verplaatst. De vis bezit ook primitieve longen. Standen et al. onderzochten in hoeverre het fenotype van deze vissen zich aanpaste wanneer de dieren op het land grootgebracht werden. Ze werden daartoe van kleins af aan op kleine kiezel geplaatst en vochtig gehouden door een fijne waterspray. Er deden zich na acht maanden op deze manier te leven interessante veranderingen voor. Ten eerste ‘leerden’ de vissen beter lopen. Ze hieven zich meer op hun voorvinnen/voorpoten op om zodoende makkelijker stappen te nemen. Ten tweede werden contacten tussen beenderen in de ‘nek’ wat losser waardoor de kop meer vrijelijk beweegbaar werd. En ten derde werd het sleutelbeentje langer en sterker, waardoor de dieren beter bestand waren tegen de zwaartekracht. Hoewel er hier geen sprake is van erfelijkheid aangezien het gaat om veranderingen binnen het leven van enkele organismen in plaats van verschillende generaties, zijn het stuk voor stuk veranderingen die ook in het fossielenbestand worden teruggevonden in de eerste tetrapoden die aan land gingen. De visachtige voorouders van deze tetrapoden waren zeker geen polypterus, maar ze hebben er ongetwijfeld sterk op geleken. Deze studie werd in Nature gepubliceerd en er werd een video van gemaakt die hier te zien is (de muziek is helaas niet zo geweldig):

Er zijn nog meer voorbeelden van deze plasticiteit zoals in zogenaamde ‘tweevoetige’ muizen. Een speciale renmolen in de kooien stimuleerde de muizen vooral te lopen met hun achterpoten. Dit veroorzaakte langere achterpoten en grotere heupkoppen; exact de veranderingen die plaatsvonden bij de voorouders van de mens toen deze rechtop gingen lopen.

Andere mogelijke voorbeelden zijn convergente evolutie, zoals deze vaak gezien wordt bij stekelbaarsjes met

veldmuis op achterpoten

veldmuis op achterpoten

betrekking tot het verlies van de beenplaten. In het algemeen echter gaat het bij convergentie om gelijke omgevingen die leiden tot gelijke evolutionaire resultaten. In deze gevallen zou het opnieuw kunnen gaan om plasticiteit van het fenotype, waarbij gelijke voorwaarden leiden tot vergelijkbare plastieke antwoorden in de voorouderlijke soorten. Natuurlijke selectie zou deze trajecten vervolgens versterken, waarbij de ‘tendens’ tot een bepaald fenotype vast komt te liggen in het genotype. Dit is met bovenstaande studies nooit aangetoond en niemand claimt dat er bewijs bestaat voor dit mogelijke proces van genetische assimilatie. Maar plasticiteit wordt door een aantal biologen gezien als een fenomeen dat niet in de tekstboeken mag ontbreken. Volgens deze wetenschappers gaat het dus in evolutie vaak zoniet altijd om eerst adaptatie en vervolgens mutatie in plaats van andersom, eerst mutatie en daarna adaptatie.

 

h/t to Kees Jaspers

Uit: Adapt first, mutate later. Colin Barras New Scientist 17 january 2015
Kevin Laland,Tobias Uller,Marc Feldman,Kim Sterelny,Gerd B. Müller,Armin Moczek,Eva Jablonka,John Odling-Smee,Gregory A. Wray,Hopi E. Hoekstra,Douglas J. Futuyma,Richard E. Lenski,Trudy F. C. Mackay,Dolph Schluter,Joan E. Strassmann Does evolutionary theory need a rethink? Nature 514, 161–164 (09 October 2014) doi:10.1038/514161a
Evolutionary developmental biology: Dynasty of the plastic fish. John Hutchinson. Nature 513, 37–38 (04 September 2014) doi:10.1038/nature13743 (with audio)
Developmental plasticity and the origin of tetrapods. Emily M. Standen, Trina Y. Du & Hans C. E. Larsson. Nature 513, 54–58 (04 September 2014) doi:10.1038/nature13708

 

Een terugblik

De statistieken hulpaapjes van WordPress.com heeft een 2014 jaarlijks rapport voor deze blog voorbereid.

Hier is een fragment:

In de concertzaal in het Sydney Opera House passen 2.700 mensen. Deze blog werd in 2014 ongeveer 22.000 keer bekeken. Als je blog een concert zou zijn in het Sydney Opera House, zou het ongeveer 8 uitverkochte optredens nodig hebben voordat zoveel mensen het zouden zien.

De drukste dag van het jaar was november 29th met 207 bezichtigingen. De meest populairste bericht die dag was Arrival or survival.

Met dank aan veel mensen waaronder Gert Korthof, Tsjok DeClercq, Peter Borger, zaaikort, Antoinette Duijsters, Aad Verbaast, Kees Jaspers, Eelco van Kampen en iedereen die ik zou vergeten. Speciale dank aan de topreageerders opgesomd door de ‘hulpaapjes’ van WordPress:

Dit waren de 5 personen die de meeste reacties hebben gegeven op het drukst bezochte bericht:

  • 1harry pinxteren 194 REACTIES
  • 2Arno Wouters 117 REACTIES
  • 3leonardo 54 REACTIES
  • 4Rob van der Vlugt 48 REACTIES
  • 5nand braam 40 REACTIES

Ik dank jullie hartelijk voor het enthousiasme van het afgelopen jaar en hoop van harte dat ook het komende jaar veel discussie teweeg zal brengen.

Een droevig bericht

Tot mijn spijt vernam ik via facebook dat op oudejaarsnacht medeblogger Tsjok DeClercq is overleden. Hij reageerde af en toe en met zeer veel interesse, toewijding en kundigheid op de berichten van dit blog. Vaak mochten mijn blogs een ‘like’ van hem ontvangen. Hij was geïnteresseerd in wetenschap in het algemeen en evolutie in het bijzonder. Hij was wars van ID en creationisten en maakte steevast deel uit van een groep lezers en reageerders op het oude Volkskrantblog, met name op het blog van Peter Borger, waar ik hem rond 2009 ontmoette.

Hij was daarnaast een bekend saxofonist in Gent.

We waren ook vrienden op facebook waar hij bovendien lid van onze groep ‘wetenschap’ was.

Hij heeft enorm veel Nederlandstalige artikelen over evolutie ingedeeld en opgeslagen en van commentaar voorzien op zijn blogsite. We zullen hem en zijn artikelen missen.

Tsjok’s blog

 

5 januari 2015

De cellular automata van Gerard ‘t Hooft

Afgelopen donderdag 18 december was er een Lectio Magistralis van Gerard ‘t Hooft, Nobelprijswinnaar Natuurkunde in 1999 in de Aula Magna van de Universiteit van Padua. De titel was: “Cellular automata and the foundations of Quantum mechanics.”

Gerard t'Hooft in de Aula Magna

Gerard ‘t Hooft in de Aula Magna

Aangezien ik mij niet lang geleden voor kwantumbiologie en biofysica ben gaan interesseren, leek het me wel een goede gedachte deze lezing bij te wonen. Ik weet bijzonder weinig van kwantummechanica en doe hier een bescheiden poging beknopt weer te geven wat ‘t Hooft zoal zei. Het was ook niet mogelijk aantekeningen te maken, dus schrijf ik een en ander uit ‘t Hooft op. De foto van ‘t Hooft is vanwege het slechte licht niet goed gelukt, maar hij was er echt (zie foto).

Het abstract luidde als volgt:

“Quantum mechanics is usually regarded as a theory that is fundamentally different from any deterministic system. It even demands for an alien logic, and it is considered to be a fact that simple classical explanations of quantum phenomena will forever be impossible. Yet there are a few simple models that suggest the contrary. Wanting to know what would be wrong with such models, we investigated these further. We are getting models that look more and more like the quantum world, and they even yield fascinating explanations for some mysteries that have been haunting the investigators of the quantum. Could the usual “no-go” theorems be wrong?”

Een cellular automaton bestaat uit een matrix waarin een cel (geen biologische cel!) informatie bevat. Dit kan een 0 of een 1 zijn of een combinatie daarvan of heel iets anders. Deze informatie beïnvloedt de neighbouring cells volgens een bepaald algoritme en de matrix evolueert. Met de cellular automaton kan een big bang gesimuleerd worden of bijvoorbeeld evolutie van een heelal of evolutie volgens de evolutietheorie van Darwin.

 

 

Dit proces kan in principe reversibel zijn. Gerard ‘t Hooft voegde toe dat dit waarschijnlijk alleen van toepassing is op microschaal (elementaire deeltjes en wellicht moleculen?) maar niet op macroschaal (planeten?). Leonardo da Gioiella1) lijkt voorstander van het idee dat ons universum uitdijt en inkrimpt. Zie ook  een van zijn laatste comments onder voorgaand blog.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen de klassieke of Newtoniaanse fysica en de kwantumfysica die elk hun eigen regels hebben. Wij kunnen met onze meetapparatuur niet verder dan tot de nu bekende elementaire deeltjes. Nu is Gerard ‘t Hooft er van overtuigd dat we dat in de toekomst wel kunnen en wellicht zullen zien dat ook deze deeltjes onderhevig zijn aan de wetten van de klassieke fysica. Hoe groter de schaal is waarop je kunt observeren, hoe meer je onafhankelijk zult zijn van statistische metingen van het gedrag van de deeltjes. In dat geval zou het universum deterministisch zijn en ligt alles dat er nu gebeurt besloten in hetgeen er eerder gebeurd is.

De uitdrukking “ het stond (of staat) in de sterren geschreven” is dan van grotere betekenis dan je zou denken.

Dat het universum deterministisch van aard zou zijn, zou betekenen dat wij geen vrije wil hebben, volgens ‘t Hooft. Het is in dat geval ook denkbaar een universum te simuleren zoals beschreven in het artikel “het simulatieargument” van Kees Jaspers2).

De lezing behandelde nog veel meer onderwerpen, maar die waren voor mij niet allemaal even duidelijk. Bijvoorbeeld informatie in bits die zich op de wanden van de zwarte gaten zouden bevinden. Daar kan ik jammer genoeg door gebrek aan achtergrondkennis niets zinnigs over zeggen.

 

1) Leonardo da Gioiella gaf eerder gastbijdragen op dit blog en geeft regelmatig commentaar onder mijn blogberichten. Hij heeft ook een eigen blog en site.

2) Kees Jaspers is geïnteresseerd in fysica en ook hij draagt met reacties bij onder dit blog. Zie ook zijn artikel op Forum C van Geloof & Wetenschap en het blog van Jan Auke Riemersma over het simulatieargument en over de vrije wil.

Arrival or survival

Andreas Wagner, een bekend evolutiebioloog, werkzaam in Zwitserland,  heeft zojuist zijn nieuwste boek gepubliceerd met als titel: The Arrival of The Fittest. Solving evolution’s greatest puzzle. Met een dergelijke titel trek je natuurlijk een groot publiek. Het boek is geschreven voor iedereen met een minimum aan wetenschappelijke achtergrond en interesse voor evolutiebiologie.

Andreas Wagner is erg enthousiast over zijn onderzoek en dat werkt altijd aanstekelijk.

Het volgende bericht is geen review, maar slechts een aantal opmerkingen, waar eventueel door andere lezers van het boek op ingegaan kan worden.

De titel suggereert een hoop, namelijk dat er uit de doeken gedaan zal worden waar de ‘fittest’ of ‘fitste’ (meest aangepaste) fenotypen vandaan komen. Er wordt gesuggereerd dat Darwin dit niet kon weten omdat hij niets wist van genen, laat staan van genetische netwerken, robustness en innovability.

Daarmee wordt geïmpliceerd dat ‘the fittest’, de best aangepaste zich al kan manifesteren voordat natuurlijke selectie enige invloed uitgeoefend heeft op welk fenotype het meest aangepast is. Dit is een vreemde gedachtegang want ‘the fittest’ of ‘meest aangepaste’ is per definitie het fenotype dat het best in zijn omgeving past. Het kan ook de beste replicator zijn die zich sneller repliceert dan de andere replicatoren in het milieu. Het is daarmee de best aangepaste replicator. Vanaf het moment dat het fenotype zich manifesteert, komt het in contact met de omgeving en is het onderhevig aan selectie. De term ‘fittest’ kan dus niet losgezien worden van de omgeving en van selectie. Arrival of the fittest is dan eigenlijk een verkeerd concept. Het suggereert dat er een ‘fittest’ kan ontstaan zonder dat deze geselecteerd wordt, puur en alleen door mutatie. Kortom, van de titel deugt niets.

Het belangrijkste punt in het boek van Wagner is evenwel het idee of concept van de libraries of bibliotheken. Hij stelt dat genen kunnen muteren, waarbij in veel tot bijna alle gevallen de mutatie geen effect heeft op het fenotype. Zo is het mogelijk verschillende ‘teksten’ te hebben voor eenzelfde ‘boek’. Deze libraries zouden uit meer dan drie dimensies bestaan. Daardoor zou het makkelijker zijn voor de ‘readers’, deze ‘libraries’ te ‘browsen’. Het is evenwel niet duidelijk wat of wie de ‘readers’ zijn en hoe dat ‘browsen’ in de praktijk plaatsheeft. Wagner beweert dat dit ‘browsen’ het eenvoudiger maakt voor de genen om nieuwe mutaties te ontdekken die een zelfde fenotype produceren. Nadat men zich het hele boek afvraagt hoe zich dit in de praktijk manifesteert, geeft Wagner op de laatste bladzijde toe dat het uitsluitend een concept is. Het zou verklaren waarom evolutie zo snel heeft kunnen plaatsvinden. Dit komt weer aardig in de buurt van het creationistische gedachtengoed.

George Peabody Library

George Peabody Library

Hij schrijft letterlijk dat het door deze ‘libraries’ mogelijk is geworden dat het leven zo snel geëvolueerd is en beweert dat we anders nog steeds met een wereld van bacteriën te maken zouden hebben. Nu moet er wel op gewezen worden dat bepaalde etappen in de evolutie niets te maken hebben met genetica. Bijvoorbeeld het ontstaan van eukaryoten en dan met name de endosymbiose hebben niets met genetica of mutaties te maken gehad. Daar stapt hij zomaar over heen.

Ik had begrepen dat dit boek onder andere over evolvability zou gaan. Nu bleek dat het voornamelijk ging over innovability ofwel de mogelijkheid van het genoom te innoveren. Innovability heeft te maken met genetische netwerken waardoor er robuustheid bestaat. Mutaties hebben daarbij vaak geen effect op het fenotype en kunnen dan als neutraal gezien worden. Dit ziet men met name in organismen waarbij een gen zodanig kunstmatig gemuteerd is dat het zijn functie verliest. Men spreekt dan van knock-out organismen. Het gebeurt vaak dat deze organismen geen verandering van het fenotype laten zien. Men spreekt dan van robustness. Robustness is een gevolg van de enorme netwerken die genen kunnen vormen. Valt er een gen uit, dan wordt die functie eenvoudigweg omzeild of vervangen door een ander pathway.

Het lezen van deze bibliotheken door de netwerken van genen is een mooi idee, maar is puur een concept, een idee in het hoofd van deze schrijver. Het veronderstelt ook dat er libraries klaarliggen, waar het leven uit kan kiezen. En dat lijkt mij te ver van de werkelijkheid afstaan.

Dan besluit hij ook met twee eigenaardige zinnen. Heel mysterieus en mooi, maar helaas zonder enige betekenis, al ken ik enkelen die er misschien wat in ontdekken.

 When we begin to study nature’s libraries we aren’t just investigating life’s innovability or that of technology. We are shedding new light on one of the most durable and fascinating subjects in all of philosophy. And we learn that life’s creativity draws from a source that is older than life, and perhaps older than time.

Uit:        The Arrival of the Fittest. Solving evolution’s greatest puzzle. Andreas Wagner 2014

Zie ook: Roeren in de oersoep voor een context rond dit boek.

Doorkijkje

Op dit moment en de komende week ben ik bezig met het laatste boek van Andreas Wagner: The arrival of the fittest. De activiteiten op dit blog liggen daardoor stil. Mocht men behoefte hebben aan een mooi verhaal over het intelligent design in onze wereld, lees dan het volgende blogbericht:
building,castle,city,decoration,geometric,illustration-c2c52173e38265553372c83ff13dc9f7_h

Terug van weg geweest door Leonardo da Gioiella.

Eventueel commentaar mag ook hieronder achtergelaten worden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

cyanuurzuur

‘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

 

Jonas Bruyneel

Journalistiek/Literatuur/Kunst/Film

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

from the Ivory Tower to Main Street, and vice versa

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

Volg

Ontvang elk nieuw bericht direct in je inbox.

%d bloggers op de volgende wijze: