Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Mutatiesnelheid, substitutie snelheid en evolutie van virussen

Een belangrijke factor in evolutie is de mutatiesnelheid. Deze wordt bepaald door hoeveel fouten er optreden tijdens de reproductie van een cel of organisme, tijdens de replicatie van zijn DNA. Hoe betrouwbaarder de polymerase die het DNA kopieert, hoe minder fouten er gemaakt worden. De DNA-polymerase wordt daarbij ook gekenmerkt door proofreading. Zodra het enzym ontdekt een fout gemaakt te hebben, keert het om, knipt de fout eruit, vervangt de foute base door de goede en gaat weer verder. Ondanks de eigenschap van proofreading worden er toch nog fouten gemaakt die in het DNA sluipen. Gaat het om eencelligen dan heeft dit mutatie en evolutie tot gevolg. Bij meercelligen is er sprake van mutatie en evolutie wanneer de fouten in de geslachtscellen ingevoerd worden. Zodra de mutatie deel uitmaakt van het fenotype, d.w.z. zodra de mutatie gefixeerd is, kan er door selectiedruk geselecteerd worden op de nieuwe eigenschappen van het gemuteerde organisme en is er sprake van evolutie. Mutaties die gefixeerd worden vormen de substitutie snelheid ofwel de evolutiesnelheid. Substitutie snelheid wordt vaak gebruikt bij het classificeren van virussen en organismen.

In het geval van virussen is de hoge evolutiesnelheid een gevolg van grote populaties, korte generaties en hoge mutatiesnelheid. Zoals hierboven beschreven is mutatie afhankelijk van het aantal fouten dat gemaakt wordt. RNA virussen hebben een hogere mutatiesnelheid dan DNA virussen; ze maken nu eenmaal meer kopieerfouten. Maar, ook in het geval van RNA replicatie bij virussen kan er sprake zijn van proofreading

Het SARS-CoV-2 virus heeft, net als andere coronavirussen, een groot genoom. Het bevat zo’n 30.000 basen waarschijnlijk dankzij proofreading. Het heeft een mutatiesnelheid van 1.12 × 10−3 mutations per site per jaar. Dat zou iets meer zijn dan 2 mutaties per maand in het hele genoom. 

Fig. 1 SARS-CoV-2-mutatiefrequentie in verschillende geografische gebieden. Acht nieuwe terugkerende hotspots-mutaties (namelijk 1397, 2891, 14408, 17746,17857, 18060, 23403 en 28881) en 5 reeds in de literatuur gerapporteerde hotspots (namelijk 3036, 8782, 11083, 28144 en 26143) werden onderverdeeld in 4 geografische gebieden: Azië (n = 71), Oceanië (n = 15), Europa (n = 101), Noord-Amerika (n = 33). De grafiek toont de cumulatieve mutatiefrequentie van alle gegeven mutaties die in elk geografisch gebied aanwezig zijn. Mutatie locaties in virale genen worden in de legende vermeld, evenals de eiwitten (d.w.z. niet-structureel eiwit, nsp) die deze mutaties presenteren. De figuur laat zien dat genomen van Europese en Noord-Amerikaanse patiënten een toename in mutatiefrequentie vertonen in vergelijking met Azië. Europa en Noord-Amerika vertonen een verschillend patroon van mutaties vertonen: mutatie 14408 (rood), 23403 (zwart), 28881 (elektrisch blauw) en 26143 (licht groen) zijn voornamelijk aanwezig in Europa, terwijl 18060 (roze), 17857 (paars) en 17746 (lichtblauw) voornamelijk aanwezig zijn in Noord-Amerika (Pacchetti et al. 2020)

Zoals door Gert Korthof beschreven in zijn post op Evolutie blog (Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?), kan er in een immuun verzwakte patiënt een nieuwe variant ontstaan. We hebben daar de mogelijkheid bediscussieerd dat een virus, wanneer het vrij spel heeft, kan muteren en diversifiëren zoveel het wil. Een hoge mutatiesnelheid door kopieerfouten is een risico voor een virus want, zoals besproken in voorgaande post op dit blog, bestaat er een trade off: maakt het virus te veel fouten dan kan het vlug muteren en zich snel aanpassen aan nieuwe omstandigheden, maar het riskeert ook door een catastrofe aan fouten virulentie te verliezen of zelfs te verdwijnen en uit te sterven. Over het algemeen zijn mutaties in virussen schadelijk en het gemuteerde virus sterft uit. Dan zijn er de neutrale mutaties en vervolgens slechts enkele die gunstig zijn. Een virus dat een immuun verzwakte patiënt infecteert kan vrij muteren en is daarbij vrijwel onafhankelijk van hoe besmettelijk het moet zijn om over te kunnen springen op een andere gastheer. Het blijft immers in de patiënt. Uiteindelijk zal er een virus vrijkomen dat besmettelijker kan zijn dan het originele virus waarmee de patiënt geïnfecteerd raakte. 

Een interessant gegeven wordt beschreven door het artikel van P. Simmonds et al. 2019.  Endogene virale elementen (EVE’s) in het genoom van zoogdieren, vogels en andere eukaryoten laten zien dat virussen vergelijkbaar zijn met hedendaagse virussoorten die al tientallen miljoenen jaren geleden bestonden. Een voorbeeld: het HBV (virus dat hepatitis B veroorzaakt) werd gevonden in het genoom van mensen die 2500-3000 jaar geleden in Europa en Centraal-Azië leefden. Deze antieke virussen kwamen duidelijk overeen (‘matched’) met de HBV virussen van vandaag  en verschilden slechts voor 1,3 – 3% van de moderne HBV virussen. De substitutie snelheid van de antieke HBV virussen ligt ongeveer 100x lager (8.04 × 10−6 SSY – Substitutions per Site per Year – tot 1.51 × 10−5 SSY in de antieke virussen tegen 7.72 × 10−4 SSY in de huidige virussen).

Dergelijke studies wijzen uit dat virussen van lang geleden een lage substitutie snelheid bezitten, terwijl virussen uit recentere perioden of hedendaagse virussen veel hogere substitutie snelheden vertonen. Wanneer virale evolutie wordt gemeten over korte tijdschalen, worden typisch snelle opeenvolgingen van verandering waargenomen. Echter, over langere tijdschalen, zijn de evolutionaire snelheden van virussen verschillende orden van grootte langzamer en naderen die van hun gastheren. Over de langste tijdschalen (100 miljoen tot 1 miljard jaar) waren substitutie snelheden voor DNA- en RNA-virussen van welke soort ook, bijzonder vergelijkbaar namelijk snelheden van 1–5 × 10−9 SSY; deze waarden komen op hun beurt nauw overeen met de gemiddelde substitutie snelheden van 2,2 × 10−9 SSY bij het genoom van zoogdieren. Er bestaat tot nog toe geen duidelijke verklaring van dit fenomeen. Misschien is de meest algemeen aanvaarde verklaring wel dat snelheidsmetingen op korte termijn processen op populatieniveau vastleggen, inclusief schadelijke transitorische mutaties en gunstige maar transitorische shortsighted aanpassingen voor hun huidige host die dus geen lange termijn kennen. De substitutie-snelheden op lange termijn daarentegen geven beter de werkelijke fixatiesnelheid van mutaties over macro-evolutionaire tijdschalen weer.

Fig. 2 Benaderingen om de evolutie van het RNA-virus te bestuderen. Het Venn-diagram illustreert de twee historische, en grotendeels parallelle, onderzoeksgebieden in virus evolutie – de experimentele en de vergelijkende – die aan het eind van de jaren zeventig ontstonden. Ze overlappen elkaar in het algemeen alleen bij de studie van een beperkt aantal virusoverdracht gebeurtenissen tussen de verschillende hosts, waarbij vaak sprake is van een aanzienlijk knelpunt (bottleneck) in de populatie. Door het gebruik van in vitro of in vivo modelsystemen, richten experimentele studies zich grotendeels op de evolutie op korte termijn, met name die welke plaatsvindt binnen individuele gastheren. Daarentegen behandelen vergelijkende benaderingen interhost, epidemiologische schaal dynamiek die meerdere ronden van interhost transmissie met zich meebrengt en zijn meestal gebaseerd op fylogenetische analyses. De auteurs van het artikel waar deze illustratie uitkomt (Geoghegan et al. 2018) suggereren dat een nieuwe evolutionaire genetica-benadering nodig is om deze kloof te overbruggen.

Deze laatste verklaring doet denken aan de intra-host besmettingen met SARS-CoV-2 van patiënten met een verzwakt immuunsysteem, zoals beschreven door Gert Korthof. Deze besmettingen zouden veel mutaties voortbrengen (veel varianten) die vergelijkbaar zijn met de korte termijn metingen hierboven beschreven. Kijkt men op langere termijn – naar de besmettingen tussen verschillende gastheren – dan is de mutatiesnelheid veel lager. Op de lange termijn worden immers mutaties vastgelegd die het virus een ‘goede’ besmettingsgraad verschaft. Dat laatste is gedurende intra-host reproductie niet nodig, het virus muteert immers in het wilde weg. Inter-host reproductie is daarentegen afhankelijk van een (sterke) besmettingsgraad – de juiste mutaties daarvoor worden geselecteerd door een bottleneck en gefixeerd (zie fig.2).

Referenties

Evolutieblog Gert Korthof: Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?

Complexities of Viral Mutation Rates; Kayla M. Peck, Adam S. Lauring. Journal of Virology Jun 2018, 92 (14) e01031-17; DOI: 10.1128/JVI.01031-17

Simmonds, P., Aiewsakun, P. & Katzourakis, A. Prisoners of war — host adaptation and its constraints on virus evolution. Nat Rev Microbiol 17, 321–328 (2019). https://doi.org/10.1038/s41579-018-0120-2

Robson, Fran & Khan, Khadija & Le, Thi & Paris, Clément & Demirbag, Sinem & Barfuss, Peter & Rocchi, Palma & Ng, Wai-Lung. (2020). Coronavirus RNA Proofreading: Molecular Basis and Therapeutic Targeting. Molecular Cell. 79. 10.1016/j.molcel.2020.07.027.

Evolutionary Virology at 40; Jemma L. Geoghegan, Edward C. Holmes. GENETICS December 1, 2018 vol. 210 no. 4 1151-1162; https://doi.org/10.1534/genetics.118.301556

Emerging SARS-CoV-2 mutation hot spots include a novel RNA-dependent-RNA polymerase variant. Pachetti et al. J Transl Med (2020) 18:17 https://doi.org/10.1186/s12967-020-02344-6

Trade-off: over virussen en mensen

Een trade-off is gebaseerd op de beschikbaarheid van een bepaalde hoeveelheid energie. Wordt er veel energie gestoken in een parameter van het bestudeerde systeem dan kan er vanzelf niet al teveel overblijven voor een andere parameter. De term wordt veel gebruikt in economie. In een evolutionaire trade-off is er een balans tussen twee tegenstrijdige selectie-drukken. Een voorbeeld van evolutionaire trade-off is de eendagsvlieg, die in zijn volwassen reproductieve vorm geen functionerende darm heeft en maar één dag leeft. Dit komt doordat de energiebron voor onnodige voedingsapparatuur naar organen voor vliegen en voortplanting gegaan zijn. (Een voorbeeld van Richard Dawkins).

In deze blogpost wordt de mogelijke trade-off van virussen met hun host belicht. Een virus is niet meer dan een relatief korte RNA- of DNA-molecuul verpakt in een omhulsel. Laten we daarom eerst eens bekijken wat deze moleculen zijn en waartoe ze in staat zijn.  

De primordiale wereld en de rol van RNA

Sommige wetenschappers veronderstellen dat pre-biologische moleculen chemische reactie-cyclussen ondergingen die zich onafhankelijk konden voltrekken. Er zouden verschillende chemische cyclussen plaatsgevonden kunnen hebben op de vroege Aarde zo rond 3,8 miljard jaar geleden. Als ze dezelfde bouwstenen gebruikt zouden hebben om hun cyclussen te voltrekken, dan moeten ze met elkaar gewedijverd hebben. De meest efficiënte cyclus zou de minder efficiënte cyclussen overvleugeld hebben. Ook bij de eerste zelf-replicerende moleculen was er dus sprake van selectie. Deze chemische evolutie ging vooraf aan de biologische evolutie. 

Er is lang gedacht over welke moleculen de eerste en belangrijkste waren in deze primordiale cyclussen. Waren het DNA, RNA of proteïnen? In levende cellen is het het DNA dat de code voor proteïnen draagt die via het mRNA wordt afgelezen. In de jaren ’80 ontdekte Thomas Cech daarentegen dat RNA een soort moleculair hybride is en inderdaad ook code draagt voor proteïnen maar ook enzymatische activiteit heeft en andere moleculen kan veranderen. Maar wat vooral van belang was voor de theorie van de primordiale wereld, was dat RNA ook een loop kon maken en zijn eigen code kon bewerken zonder hulp van enzymen. De bioloog Gerald Joyce nam het RNA van Cech en liet het los op DNA. Hij kreeg natuurlijk vrijwel geen reactie, maar hij liet het evolueren (nam steeds de fractie RNA moleculen die het efficiëntste waren in het splitsen van DNA) en kreeg uiteindelijk, na twee jaar, RNA moleculen die net zo goed DNA konden splitsen als hun eigen RNA. Het bleek later dat RNA veel reacties kan voltooien en aminozuren kan binden en wordt daarom als de hoofdrolspeler gezien van de primordiale wereld ofwel de “RNA-wereld”. Het RNA kon zowel de rol van DNA als de rol van eiwitten vervullen. Met de daadwerkelijk opkomst van door RNA gecodeerde enzymen kon hetzelfde RNA nog vlugger gekopieerd worden en daarmee zijn efficiëntie verhogen. Ook het dubbelstrengs DNA zou door toevoeging en kleine veranderingen uit het enkelstrengs RNA ontstaan kunnen zijn. Het DNA is veel stabieler en heeft de functie van informatieopslag van onder andere onze genen.

Een virus is een streng RNA of een DNA-molecuul dat door een membraan of envelop omhuld is. Om zich te kunnen reproduceren is een virus totaal afhankelijk van zijn gastheer. Dat kan een bacterie, eencellige of meercellige eukaryoot zijn. Reproductie is een van de kenmerken van ‘leven’. Er zijn nog vele andere kenmerken, die ik hier niet wil noemen, om het eenvoudig te houden. Virussen worden beschouwd als niet-cellulair leven. Ze bezitten immers genen, maar voor hun metabolisme zijn ze geheel afhankelijk van een gastheer. Nadat ze gebruik gemaakt hebben van de replicatie machine van de gastheercel, assembleren ze vanzelf. Deze eigenschap versterkt het vermoeden dat ze als zelf-assemblerende organische moleculen aan de wieg hebben gestaan van het eerste leven.

Trade-off in virussen

Er bestaat de hypothese van een trade-off voor virussen. Daarbij gaat een toename in virulentie ten koste van besmettingskans en andersom. Er ontstaat een balans, een trade-off van twee tegenstrijdige selectiedrukken: één die de pathogeen aanzet om meer te groeien en zodoende de gastheer meer uit te buiten, en één die ervoor zorgt dat de gastheer lang genoeg kan overleven om soortgenoten te besmetten. Wanneer als gevolg van een genetische mutatie een virus virulenter wordt en zijn gastheer zo ziek maakt dat hij overlijdt, dan verdwijnt het virus met de dood van zijn gastheer. Is het virus afhankelijk van een levende gastheer die rondloopt om zoveel mogelijk mensen te besmetten, dan moet het virus niet dodelijk zijn. Het griepvirus maakt de gastheer licht ziek omdat zijn levenscyclus afhangt van het niezen van zijn gastheer op een volgende gastheer. Voor een aantal virus-gastheer systemen is de hypothese aangetoond (waaronder HIV bij mensen en myxomatose in konijnen ). Deze systemen vinden een positieve correlatie tussen virulentie en besmetting.

Fig. 1 Trade-off van een virus
Elke toename van virulentie (groen) zou moeten worden gecompenseerd door een afname in besmettelijkheid (rood) en andersom. Gaat een van deze twee paramaters buiten de range (stippellijn) van optimale fitness (blauw) dan heeft het virus een lage fitness (ook in blauw), wat kan betekenen dat het virus verdwijnt.

Het is daarentegen ook mogelijk dat het virus vooral wedijvert met andere ziekteverwekkers in de gastheer. In dat geval wordt het lastig om de trade-off hypothese te bestuderen.

Op Twitter kwam ik deze grafiek tegen gepost door @AdamJKucharski, mathematicus en epidemiologist

Gevonden op https://twitter.com/AdamJKucharski/status/1348742487846875138?s=20

Adam Kucharski illustreert hier dat wanneer een parameter zoals besmettelijkheid 50% toeneemt dan neemt het aantal doden exponentieel toe. Wanneer uitsluitend de virulentie met 50% toeneemt dan gaat het aantal doden recht evenredig omhoog. Als de besmettelijkheid hoog is, en als de trade-off van toepassing is op dit virus, dan zou de virulentie moeten dalen. Het zou kunnen dat wanneer de besmettelijkheid toeneemt en de virulentie inderdaad vermindert het virus minder doden veroorzaakt. Om te weten of er in het geval van Covid19 een trade-off systeem is tussen SARS-Cov-2 en de mens, moet er bijgehouden worden hoeveel mensen er sterven ten opzichte van het aantal positieven. Gegevens zoals het aantal mensen dat sterft, dat wordt opgenomen in het ziekenhuis of dat in de loop van de tijd positief test op het virus, worden gebruikt om in te schatten hoe gemakkelijk het virus zich verspreidt. Deze gegevens bepalen de R-waarde. Als de R-waarde hoger is dan één, neemt het aantal gevallen exponentieel toe, maar als het R-nummer lager is, zal de ziekte zich uiteindelijk niet meer verspreiden, omdat er niet genoeg nieuwe mensen worden geïnfecteerd om de uitbraak in stand te houden.

Gezien vanuit het virus is de trade-off een prima deal, het reproduceert zich net zo goed en behoudt dus zijn fitness zowel met hoge besmettingskans en lage virulentie als met het omgekeerde. Natuurlijke selectie bepaalt hoe deze waarden liggen. De interactie virus-gastheer is afhankelijk van vele factoren die mij onbekend zijn, maar die zeker te maken hebben met waarden aan de kant van de gastheer zoals bevolkingsdichtheid, immuniteit van de mensen, seizoen, bewegingsvrijheid van de mensen en waarden aan de kant van het virus zoals de besmettelijkheid en virulentie.

Het is te hopen dat er voor SARS-Cov-2 en de mens ook een trade-off bestaat en dat we deze kunnen doorbreken door de besmettelijkheid zodanig te verlagen dat deze een extreem lage fitness oplevert. Dat gebeurt wanneer we immuun oftewel gevaccineerd zullen zijn.

Referenties

Benton, M.L., Abraham, A., LaBella, A.L. et al. The influence of evolutionary history on human health and disease. Nat Rev Genet (2021). https://doi.org/10.1038/s41576-020-00305-9

Geoghegan, J.L., Holmes, E.C. The phylogenomics of evolving virus virulence. Nat Rev Genet 19, 756–769 (2018). https://doi.org/10.1038/s41576-018-0055-5

EVOLUTIONAIRE GENEESKUNDE: FEIT OF FICTIE? door Michiel DE KEYSER. UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT DIERGENEESKUNDE Academiejaar 2014 – 2015

Evolution, The Triumph of an Idea: From Darwin to DNA by Carl Zimmer 2002

Natural selection and disease. Lecture by Richard Dawkins The Pharmaceutical Journal Vol 265 No 7117 p528 October 07, 2000 The Conference

Duur-zame energie

Volgens een onderzoek uit Oxford, uitgevoerd samen met Nobelprijswinnaar en Amerikaans econoom Stiglitz, worden veel banen gecreëerd door te focussen op de overgang naar hernieuwbare energie. De bouw van windmolenparken en zonnepanelen met de aanleg van infrastructuur zou het mogelijk maken om 3 keer meer banen te creëren dan wanneer traditionele fossiele energie wordt gebruikt. Dergelijk werk vergt namelijk veel mankracht.

Onderaan het artikel waarin dit te lezen was stond bij wijze van kritiek ook dat Italië neutraal is gebleven voor wat betreft de maatregelen die genomen kunnen worden om door te gaan zoals voorheen, zodra de Covid-19-crisis voorbij is, of om van koers te veranderen, richting een duurzame economie. Persoonlijk vind ik het een goede positie, aangezien het budget voor de verschillende uitgaven van de staat noodzakelijkerwijs bijna volledig zal moeten worden geconcentreerd op de strijd tegen de Covid-19-pandemie en de economische gevolgen daarvan.

Vervuiling

Luchtvervuiling Milaan van vóór de corona-pandemie. Photograph: Claudio Furlan/LaPresse via ZUMA Press/REX/Shutterstock

In Nederland is er een groep van activisten, Urgenda genaamd, die via juridische procedures bepaalt dat de overheid zich moet houden aan een reductie van CO2 om een ​​bepaalde waarde, die als acceptabel wordt beschouwd, niet te overschrijden. Dankzij deze groep, die dus uit een man en een paardenkop bestaat en die geen democratische vertegenwoordiging heeft, ook al zijn ze enorm populair onder de groenen, schieten nu overal in het land biomassa-centrales uit de grond. Biomassa wordt beschouwd als hernieuwbare energie. Biomassa is gelijk aan pellets, aan vernietigde bossen. Om de CO2-uitstoot zo laag mogelijk te houden, subsidieert de Nederlandse overheid het gebruik van biomassa, omdat Europa deze energiebron tot hernieuwbaar heeft bestempeld. De vermindering van CO2 in de atmosfeer zou alleen plaats kunnen vinden tijdens de aangroei van bossen, aangezien nieuwe bomen weer CO2 zullen gaan opnemen. Er wordt een soort lening genomen op de toekomst.

In deze context maakten Michael Moore en Jeff Gibbs een documentaire, Planet of the Humans,  waarin de vernietiging van de bossen aan de kaak wordt gesteld. In feite hekelen ze de hele ‘groene’ beweging in die zin dat ze door het kapitalisme tot slaaf is gemaakt zonder dit te beseffen. We zien verschillende keren jonge mensen die protestborden omhoog houden met de woorden “we willen 100% hernieuwbare energie”, waarbij ze alle energie bedoelen die niet fossiel is, dat wil zeggen zonne-energie en windenergie. Volgens Ozzie Zehner, een wetenschapper in UC Berkeley, bedraagt de op deze manier verkregen energie minder dan de energie die wordt gebruikt om met fossiele bronnen diezelfde panelen en molens te bouwen.

In het recente verleden maakten Moore en Gibbs deel uit van sympathisanten van groene activisten en linksen, maar met deze film hebben ze veel vijanden onder hen gemaakt. Als het waar is wat ze in de film laten zien, hebben ze over de hele wereld vijanden en zullen ze zich een tijdje moeten verstoppen. De officiële wetenschap erkent zelf het probleem van klimaatverandering en vergemakkelijkt het nemen van maatregelen ter bestrijding van CO2-uitstoot. In de praktijk betekent dit dat de wetenschap het gebruik van hernieuwbare energiebronnen en biomassa bevordert en goedkeurt om de stijging van CO2 tegen te gaan. Het keurt ook de constructie van elektrische auto’s goed met het gebruik van grondstoffen uit andere continenten. Er zijn nu multinationals actief in de biomassa-industrie die worden geprezen door de wetenschap, door (groene) politiek en door groen links.

Dit wetende kunnen we niet langer gewoon voorstander zijn van hernieuwbare bronnen en een ‘duurzame economie’. De groenen haalden gewoonlijk uit tegen grote olieproducerende multinationals, maar we moeten ook oppassen voor de markt van de hernieuwbare industrie. Dat Italië dus nog niet duidelijk heeft gekozen voor een op fossielen gebaseerde economie of, integendeel, voor een hernieuwbare economie – voor de komende tijd na Covid-19 – mag niemand teleurstellen. Zoals vaak gebeurt, vertraagt ​​Italië zijn keuzes, maar het kan ook een voordeel zijn anderen te laten experimenteren. De econoom Stiglitz mag dan uitrekenen dat er 3 keer meer arbeidsplaatsen komen met een duurzame economie, maar het hierboven geschetste plaatje laat zien dat er veel meer komt kijken bij dit wellicht steriele met computermodellen opgestelde rekensommetje.

Uit:

EuropaToday Dario Prestigiacomo

Elsevier Weekblad Simon Rozendaal

YouTube; Planet of the Humans Moore and Gibbs

Coronavirus, zijn we schuldig of slachtoffer?

Geschiedenis van Pandemieën

Illustratie van de Geschiedenis van Pandemieën (voorzover bekend), van het internet, bron onbekend

Gedurende deze tijd van social distancing en, zoals het geval is in sommige landen, van een lockdown, kan worden gezegd dat deze periode van isolement voor velen ook een moment van reflectie is over hun leven en over de situatie waarin de wereld zich bevindt. Het is een tijd om je voor te bereiden op een ander leven, waarin je misschien meer bewust bent van je gedrag met betrekking tot het milieu, het klimaat en de verandering ervan en met een groter besef van de waarde van vele privileges die al sinds lang zijn verworven. We voelen ons collectief schuldig omdat we de aarde hebben geëxploiteerd, het milieu hebben vervuild en we voelen het gewicht van een grote verantwoordelijkheid. In feite is er geen ontsnapping mogelijk, we lijken nu definitief verantwoordelijk te zijn voor klimaatverandering. We kunnen zeggen in het Antropoceen aangekomen te zijn, niet alleen vanwege de vervuiling en ons indrukwekkend plastic spoor, maar vooral omdat we, als de wereldwijde temperaturen blijven stijgen, denken dat het onze schuld is en als ze dalen, denken we dat dit te wijten is aan onze klimaatstrategie. De mens voelt zich heden ten dagen 100% verantwoordelijk voor het klimaat.

 

Dit sentiment komt naar voren in het nieuws op televisie, in kranten en in social media. Met de komst van het Covid-19 coronavirus lijkt het erop dat we weer een ander voertuig hebben gevonden voor ons schuldgevoel. De komst van dit virus zou aantonen hoe slecht we tot nu toe hebben geleefd, en hoeveel het de schuld is van overbevolking, van ons slechte beheer van het milieu en de vernietiging van ecosystemen. Op dit punt voel ik me gedwongen om het virus en de mens te verdedigen: min of meer dodelijke virussen hebben altijd bestaan ​​en zijn een constant gezelschap geweest van de mens gedurende zijn migratie over de wereld, zelfs toen de bevolking nog beperkt was en we nog heel weinig impact op de planeet, haar biosfeer en haar bewoners hadden. Het Covid-19 is daarom onschuldig, in feite is het niets meer dan een microscopisch deeltje bestaande uit verschillende macromoleculen dat zelfs niet in staat is buiten zijn gastheer te leven. De mens staat echter, met al zijn technologie en wetenschap, met lege handen voor dit virus, dat ​​onschuldig is. Wij zijn niet slecht of schuldig, we zijn slachtoffers van de wapenwedloop dat het mechanisme van de natuur vormt.

Dezelfde natuur die we zo bewonderen als we de bloei van bloemen in het voorjaar zien, en die we nu nog meer bewonderen, nu we in isolement zijn en de dieren en planten hun ruimte heroveren.

De zon was er eerder…

Iedereen spreekt over CO2 als een broeikasgas dat de Aarde te veel zou doen opwarmen. Er wordt ook veel gesproken over en soms behoorlijk getwijfeld aan de juistheid van modellen.

Er kwam in december 2017 een artikel vrij in Nature dat onderzocht heeft in hoeverre een antropogene bijdrage aan de atmosfeer (broeikasgassen, sulfaten en roet) verantwoordelijk zijn voor de globale opwarming. In plaats van de geijkte globale klimaatmodellen te gebruiken, maakten de onderzoekers simulaties met neurale netwerken (NN). Deze zijn gebaseerd op het idee dat we hebben van biologische neurale netwerken in de zin dat de input door het netwerk stroomt, daarbij het netwerk een verandering doet ondergaan en vervolgens met output komt. Het netwerk is gebaseerd op een geheel aan verbonden eenheden of knooppunten die artificiële neuronen genoemd worden die de neuronen in het biologische brein nabootsen. Net als de synapsen in een biologisch brein, kan elke connectie een signaal doorgeven van de ene kunstmatige neuron naar de andere. Een kunstmatig neuron dat een signaal ontvangt kan het verwerken en vervolgens het signaal doorgeven aan andere artificiële neuronen waaraan hij gekoppeld is.

De globale klimaatmodellen stammen van een moedermodel af en lijken daardoor erg veel op elkaar; hun resultaten ten opzichte van elkaar kunnen daarom niet robuust genoemd worden.

Met behulp van de NN hebben de onderzoekers laten zien dat radiative forcing van de broeikasgassen grofweg dezelfde resultaten opleveren als de klimaatmodellen hetgeen de antropogene opwarming bevestigt, tenminste voor wat betreft de periode van 1975 tot nu. Het moet wel opgemerkt worden dat broeikasgassen als waterdamp niet expliciet genoemd worden. Dit laatste broeikasgas is altijd in meer of mindere hoeveelheid aanwezig en als gevolg van opwarming kan waterdamp toenemen.

Ze voerden runs uit met behoud van de antropogene input op de waarde van het jaar 1850 plus de werkelijke gegevens van radiative forcing van de zon en de vulkanen. Slechts rond 1884 en 1992 waren er lichte pieken van vulkanische activiteit. De temperatuurtoename tussen 1910 en 1975 is volgens de auteurs voor een groot deel toe te wijzen aan de elfjarige zonnecyclus. Dit resultaat wordt in het abstract genoemd, maar wordt verder niet uitgewerkt.

Figuur 1. Reconstructie van de globale Temperatuur door NN modellen. Zwarte lijn =geobserveerde T, rode lijnen =resultaten van ensemble runs, blauwe lijnen = ensemble gemiddelde. (a) Met reële waarden van Antropogene Radiatieve Forcing (RFANTH), Radiatieve Forcing van de zon (RFSOLAR) en Radiatieve Forcing van vulkanen (RFVOL) als inputs. (b) Attributie runs wanneer RFANTH vaststaat op de waarde uit 1850. Creative Commons License 4.0. Fig. 1 from Pasini et al. 2017

 

Het is een veelgestelde vraag: neemt CO2 toe als gevolg van temperatuurstijging of is het nu juist andersom? Je zou uit deze gegevens kunnen concluderen dat er een lichte temperatuurstijging geweest is door de zon (1910-1975) en dat als gevolg daarvan CO2 en andere broeikasgassen zijn vrijgekomen uit de oceanen en de steppes. Deze broeikasgassen zorgen vervolgens voor een verdere toename van de temperatuur. De auteurs spreken eigenlijk uitsluitend over broeikasgassen; welke ze daarmee bedoelen is niet duidelijk.

Het lijkt er dus op dat de temperatuurstijging die we zien van 1850 tot op het heden zowel aan de zon als aan broeikasgassen is te wijten, waarbij de zon vooral een rol speelde tussen 1910 en 1975 en de broeikasgassen voornamelijk van 1975 tot heden.

 

Pasini A., Racca P, Amendola S, Cartocci G, Cassardo C Attribution of recent temperature behaviour reassessed by a neural-network method. Nature Scientific Reports 7; article number 17681 (2017) https://doi.org/10.1038/s41598-017-18011-8

 

Het paleoklimaat tegenover de toekomst

Op dit blog zijn al een tijdje geen posts meer verschenen. Dat heeft veel te maken met een verandering in persoonlijke interesses. De lange pauze heeft er voor gezorgd dat het klimaatdebat mij steeds meer is gaan interesseren. Ik was, zoals de meeste mensen, overtuigd van het klimaatprobleem en dat we daar met zijn allen iets aan zouden moeten doen. Na “Spiegelzee” van Salomon Kroonenberg te hebben gelezen, en na de uitzending van Lubach over duurzame energie te hebben gezien, is mijn mening verschoven. Ik heb het debat een beetje gevolgd en wel van beide kanten.

Omdat er nu een recente review op Nature Geosciences is verschenen met een intrigerende grafiek en interessante resultaten wil ik een figuur daaruit belichten. Deze geeft aan de hand van proxies het verloop weer van CO2 en temperatuur gedurende het paleoklimaat en gedurende recentere perioden tot de huidige industriële fase.

In het kort de strekking van het artikel. De auteurs zeggen dat de klimaatmodellen de gevolgen van opwarming op relatief korte termijn onderschatten. Veel modellen bevatten geen “slow feedback”-processen zoals die aanwezig zijn in de “real world” en die relevant zijn voor de opwarming van de Aarde, zoals langetermijnveranderingen in ijskappen, in zeeniveau, in vegetatie of biochemische feedbacks die de hoeveelheid andere broeikasgassen dan CO2 in de atmosfeer kunnen doen toenemen of doen afnemen.

Daarbij komt nog dat het begrip van atmosferische processen onder warmere randvoorwaarden, zoals die gepaard gaan met wolkenfysica en aerosols, gelimiteerd is. Het kan daarom niet verwacht worden dat de klimaatmodellen realistische lange termijn feedbacks bevatten en dat leidt dan tot een toegenomen onzekerheid voor wat betreft de klimaatgevoeligheid.

Nu is de conclusie dat klimaatmodellen de opwarming en haar gevolgen onderschatten. Dat zou betekenen dat de temperatuur veel hoger uit zou vallen dan voorzien, maar vooral dat de gevolgen ervan groter zouden zijn dan verwacht. Dit zou heel goed ook een ander punt belichten, namelijk dat ons gevecht tegen de CO2-uitstoot weinig zin heeft. Dat wordt door de auteurs onderstreept met de zin: “Even if future emissions are reduced, warming will continue beyond 2100 for centuries or even millennia because of the longtermfeedbacks related to ice loss and the carbon cycle.”

Ook zou je kunnen concluderen dat de modellen nog niet goed genoeg zijn om voorspellingen te doen. Je kunt met dit artikel vele kanten op.

Paleoclimate constraint 2°C

legenda paleoclimate 2°C

Maar dan nu de figuur. Het gaat om figuur 1. Eronder staat de legende die ik onvertaald overgenomen heb. In alle grafieken staat op de linker y-as het temperatuurverschil ten opzichte van de aangegeven periode (△T) en op de rechter y-as het CO2 beide afgeleid van proxies. Let op dat in grafiek d en e het om temperatuuranomalieen gaat. Uit grafiek a die een lage resolutie heeft zou je kunnen afleiden dat zowel temperatuur als CO2 sterk schommelen en dat tot op de dag van vandaag doen. Je zou over deze 4 miljoen jaar zelfs een gemiddelde temperatuurverlaging kunnen zien (de tijd gaat van rechts naar links). De laatste 800.000 jaar zijn uitvergroot in grafiek b waar er een gelijklopende schommeling is in CO2 en temperatuur enz. In b is te zien dat de temperatuuranomalie daalt terwijl het CO2 toeneemt gedurende het Holoceen Thermal Maximum. Tot slot in grafiek e de bekende slotfase van 400 ppm CO2 met ongeveer 1°C stijging van de temperatuur. Het is een erg mooie figuur die laat zien dat de temperatuur altijd al erg geschommeld heeft (en dan zijn dit nog maar de laatste 4 miljoen jaar). Het kleine en korte piekje van de laatste eeuw kan gelezen worden als een onrustbarende snelle temperatuurstijging, maar ook als het resultaat van verfijnde en gevoelige meetapparatuur.

Helaas weet ik te weinig van klimaatonderzoek af, de conclusie blijft dus open. 

Uit: H. Fischer et al. Palaeoclimate constraints on the impact of 2 °C anthropogenic warming and beyond Nature Geoscience volume 11, pages474–485 (2018)

 

arbitrium

Virussen communiceren met elkaar en met hun nakomelingen door middel van een korte proteïne. De hoeveelheid van dit eiwit bepaalt of de gastheercel lyse ondergaat of dat het virus de cel spaart. Dit eiwit, dat kort geleden ontdekt is, wordt arbitrium genoemd.

bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)

bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)

Wanneer virussen hun gastheer infecteren, gaat dit een veel gevallen gepaard met de kaping door het virus van de replicatie- en translatieprocessen van de gastheercel. Er worden dan opnieuw alle bestanddelen van het virus aangemaakt die zich samenstellen tot nieuwe virussen. Wanneer deze vrijkomen barst de cel open; er vindt lyse plaats en de cel gaat dood. Maar het genetisch materiaal van het virus kan ook deel uit gaan maken van dat van de gastheer. Het plaatst zich in het DNA van de gastheer en blijft slapende. Het virus veroorzaakt dan geen dood van de geïnfecteerde cellen, maar wordt na iedere celdeling doorgegeven aan de dochtercellen. Het virus lift zo mee op het DNA van de gastheercel. Dit is de lysogene cyclus, niet te verwarren dus met de eerder beschreven lyse cyclus.

lytische cyclus en lysogene cyclus

lytische cyclus en lysogene cyclus

Jaren heeft men onderzoek gedaan naar hoe deze keuze gemaakt werd. Men zocht vooral naar intracellulaire signaalwegen en genetische circuits in de gastheercel. Ook de onderzoekers van deze studie zochten naar moleculaire signalen tussen bacteriecellen en ontdekten zo het relatief korte eiwit verantwoordelijk voor de keuze (“arbitrium”) tussen lyse en lysogeen. Zij werkten niet zoals gewoonlijk met het bacteriofaag lambda, het meest bekende bacterievirus, en het bacterie E. Coli, maar met Bacillus subtilis en vier verschillende fagen. Ze infecteerden de bacteriën met de fagen en screenden het medium op zoek naar molecuulsignalen geproduceerd door de bacteriën. In plaats daarvan vonden ze een molecuul dat geproduceerd werd door een van de vier fagen: phi3T. Ze noemden het arbitrium.

Arbitrium wordt vrijgegeven na digestie met enzymen van een proteïne die door de faag gecodeerd is. Het korte eiwit arbitrium verspreidt door het medium en wordt vervolgens door specifieke kanalen in het membraan doorgelaten tot het plasma van een nabijgelegen bacteriecel. Arbitrium inhibeert een faagfactor die op haar beurt een gen activeert dat het lyse-proces stimuleert via een onbekend mechanisme. Het lyse-proces wordt door arbitrium dus verminderd of stilgelegd.

De onderzoekers zagen dat er vergelijkbare arbitrium systemen zijn in wel 100 bestudeerde fagen, waarbij elke faag alleen door zijn eigen geproduceerde arbitrium geregeld werd. De verschillende arbitrium-peptiden verschillen immers in hun samenstelling van aminozuren. Het is dus duidelijk dat een bepaalde faag in eerste instantie zich door lyse snel vermenigvuldigt, maar naarmate de concentratie van arbitrium toeneemt zal de lysogene cyclus de overhand krijgen. Dit overlevingsmechanisme is gebaseerd op het feit dat de faag zich alleen blijvend kan handhaven mits er genoeg gastheercellen overblijven. De lyse doodt de cellen en het tijdig stopzetten daarvan verzekert het virus van overleving omdat zijn gastheer blijft doorleven.

Vooralsnog is dit mechanisme van betekenis in bacteriofagen en bacteriën, maar het is waarschijnlijk dat er ook voor virussen en eukaryoten een dergelijk mechanisme bestaat.

Dit feedbacksysteem waarin elke faag zich vermenigvuldigt door productie van een eigen eiwit waaraan alleen hijzelf en zijn eigen nakomelingen gehoorzamen, geeft aan dat fagen uiterst bepalend zijn voor de biosfeer. Zij hebben hun evolutie onder eigen controle. Daarbij is het interessant te bedenken dat virussen zich samen met de eerste preprokaryoten ontwikkelden, zoals de hypothesen van Patrick Forterre stellen. Kunnen we, nu we weten dat ze communiceren met hun nakomelingen, ook spreken van levende virussen? Zou de kennis over het arbitrium systeem kunnen helpen in de strijd tegen resistente bacteriën?

Ref:

Erez, Zohar; Steinberger-Levy, Ida; Shamir, Maya; Doron, Shany; Stokar-Avihail, Avigail; Peleg, Yoav; Melamed, Sarah; Leavitt, Azita; Savidor, Alon (2017-01-18). “Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions”Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21049ISSN 1476-4687.

Davidson, Alan R. (2017-01-18). “Virology: Phages make a group decision”Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21118ISSN 1476-4687.

Optimalisatie en selectie van ‘the fittest’

In snelgroeiende organismen als bacteriën en gist, kan er een verschil in ‘fitness’ gemeten worden door het vervangen van codons door een corresponderend synoniem codon. Vrijwel alle codons hebben synoniemen. Een codon, dat bestaat uit een triplet van DNA, codeert voor een aminozuur, de bouwsteen van proteïnen.

amino-acid-table-singlet-code

 

Elk aminozuur wordt gecodificeerd door meerder tripletten omdat de code redundant is. Er zijn namelijk 4^3 mogelijke tripletten of codes, aangezien het DNA uit vier verschillende ‘letters’ bestaat. Dit geeft 64 mogelijke codons terwijl er slechts 20 aminozuren zijn. Gemiddeld heeft elk aminozuur dus ongeveer 3 codons waardoor het gecodeerd wordt. In werkelijkheid worden sommige aminozuren door wel zes codons gecodeerd en sommige door slechts twee. Dit betekent dat een aminozuur als Glycine, dat gecodeerd wordt door vier codons (GGA, GGT, GGC en GGG), vier synoniemen heeft. In principe coderen ze alle vier voor Glycine, maar in de praktijk, althans in de bestudeerde micro-organismen, blijkt er vaak een codon gebruikt te worden. Zodra deze codons in het laboratorium vervangen worden door een synoniem, verlaagt dat de fitness van het organisme.

 

Nu opperen de onderzoekers dat het eerder de snelheid is waarmee de eiwitten gevormd worden die bepalend is voor de fitness. Deze snelheid kan dalen door een indirect mechanisme, waarbij de synoniemen de elongatie van het eiwit vertragen, en de ribosomen daardoor langer op de mRNAs blijven zitten. Er zijn daardoor minder vrije ribosomen beschikbaar en de gehele eiwitproductie wordt vertraagd.

Een andere mogelijkheid zou kunnen zijn dat er meer van een bepaald tRNA is dan van zijn synonieme tRNAs waardoor het eiwit sneller en efficiënter aangemaakt wordt. Een voorbeeld is opnieuw Glycine. Stel dat het GGT het optimale synoniem vormt, dan zou het kunnen zijn dat het tRNA dat Glycine aandraagt met het anticodon CCA het meest overvloedig aanwezig is. Zodra dit codon vervangen wordt door een synoniem, bijvoorbeel GGG, dan wordt de efficiëntie van eiwitproductie plotseling beperkt door een schaars tRNA met anticodon CCC en vertraagt de eiwitproductie. De snelheid van eiwitproductie is rechtevenredig met het selectieve nadeel van de populatie met een synoniem melden de auteurs.

salmonella

Salmonella

Het verschil in fitness voor de vervanging van een codon door een synoniem kan 0,01 procent per generatie bedragen in Salmonella meten de onderzoekers. Dit zou aantonen dat het in de natuur gebruikte codon het optimale codon is. De bestudeerde genen waren tufA en tufB, beide betrokken bij de productie van een elongatiefactor.

Dit soort studies laten zien dat in een cel de codons niet willekeurig zijn, dat er een zogenaamde synonymous codon usage bias bestaat. Deze studie kwantificeert daarbij ook het selectiepotentiaal van de optimalisatie van een codon.

Wat ik niet goed begrijp is waarom er voor deze studie het gen voor elongation factor bestudeerd is, een gen dat tenslotte directe consequenties heeft voor de snelheid van eiwit productie. Waarom is er niet gekozen voor een gen dat een eiwit codificeert dat niet direct betrokken is bij de translatie. In dit geval bestaan er namelijk niet alleen de ‘negatieve’ gevolgen van de synonymous codon usage bias, maar ook de verlaging van de productie van een eiwit door effecten op de productie van de elongation factor dat direct van belang is voor de eiwitproductie.

h/t Rob van der Vlugt

Uit:

Brandis G, Hughes D (2016) The Selective Advantage of Synonymous Codon Usage Bias in Salmonella. PLoS Genet 12(3): e1005926. doi:10.1371/journal.pgen.1005926

ScienceDaily

Een nieuw uiterst zelfzuchtig gen

Zoals Dawkins al schreef in ‘The selfish gene’ kunnen genen als zelfzuchtig beschouwd worden. Die genen die het organisme voordeel bieden zullen overleven. Met de woorden van Dawkins: “We zijn overlevingsmachines – robot vehikels, blind geprogrammeerd om de zelfzuchtige moleculen bekend als genen te bewaren.” (min of meer vrij vertaald uit het voorwoord).

Genome-engineering-a-new-field-of-scientific-studyEnkele weken geleden kwam in een discussie over de veertigste verjaring van de bestseller van Dawkins het zelfzuchtige gen weer ter sprake. Er werd door Laurence Moran op zijn blog Sandwalk opgemerkt dat de genen waar Dawkins het over heeft niet echt zelfzuchtig zouden zijn, want alleen het DNA dat zich binnen hetzelfde genoom repliceert zou pas echt zelfzuchtig genoemd kunnen worden.

Mijn gedachten dwaalden toen af naar een zeer speciaal en uiterst geval van selfish genes, namelijk genen die een ‘meiotic drive’ veroorzaken. In dat proces worden genen die normaal eerlijk over de geslachtscellen verdeeld worden ongelijk verdeeld, waarbij het gen dat dit veroorzaakt meer dan in de helft van de gevallen aanwezig is. Dit gen, dat ook wel een ‘segregation distorter’ genoemd wordt, komt zo onevenredig vaak in het nageslacht voor en kan uiteindelijk gefixeerd worden. Dit proces is onafhankelijk van het voordeel of nadeel dat het gen zelf biedt.

Gedurende meiose worden er haploide cellen gevormd. Elke cel ontvangt één van de twee homologe chromosomen. Dit resulteert bij grote aantallen geslachtscellen in een gelijke verdeling van de homologen. De allelen worden dus gelijk verdeeld zoals ook de wet van Mendel voorschrijft. Er zullen 50% allelen A zijn en 50% allelen a wanneer het organisme heterozygoot is. Gedurende meiotic drive is het gen (allel) A zo zelfzuchtig dat het er voor kan zorgen dat deze balans helemaal verschoven is. Wanneer dit allel een nadeel vormt voor het organisme kan het desondanks toch gefixeerd worden.

Zoals Dawkins in 1976 al illustreerde met het gen t in de muis, kan dit laatste allel, dat letaal is in homozygose (wanneer het organisme twee kopieën van dit allel bezit), zich in de populatie ophopen in heterozygose (wanneer er slechts een kopie van aanwezig is) door meiotic drive. Uiteindelijk zullen er steeds meer exemplaren zijn die homozygoot voor het gen t en ze zullen doodgaan. Een lokale populatie kan op deze manier uitsterven.

Een interessante alinea in ‘The selfish gene’ van Dawkins is de volgende:

“In spite of its deleterious side-effects, if a segregation distorter (het gen t uit het voorbeeld) arises by mutation it will surely tend to spread through the population. Natural selection (which, after all, works at the gene level) favours the segregation distorter, even though its effects at the level of the individual organism are likely to be bad.” (p.236 30th anniversary edition)

Hier kan over gediscussieerd worden, want natuurlijke selectie zou dit nadelige gen moeten doen verdwijnen en dat is wat het uiteindelijk ook doet wanneer deze lokale populatie uitsterft.

Er is nu opnieuw een gen gevonden dat verantwoordelijk is voor meiotic drive, een segregation distorter. De homologe chromosomen worden gedurende meiose van elkaar vandaan getrokken op een onevenwichtige manier en het gen R2d2 kan daardoor in grote getale verspreid raken in de populatie. Het gen veroorzaakt wel een kleinere worp en heeft dus duidelijk een nadeel in fitness. Desondanks verspreidt het zich met het gemak van een ‘selective sweep’ door de populatie. Dit resultaat wordt in de online bladen aangekondigd met titels als ‘Research challenges Darwin’ en de wet van Mendel alsof het een nieuw fenomeen betreft. Als we Dawkins moeten geloven is de selective sweep het gevolg van natuurlijke selectie en wordt Darwin dus niet betwist.

Uit:

Richard Dawkins; The selfish gene, 1976

Didion JP, Morgan AP, Clayshulte AM-F, Mcmullan RC, Yadgary L, Petkov PM, et al. (2015) A Multi-Megabase Copy Number Gain Causes Maternal Transmission Ratio Distortion on Mouse Chromosome 2. PLoS Genet 11(2): e1004850.
doi:10.1371/journal.pgen.1004850

John P Didion, et al. R2d2 drives selfish sweeps in the house mouse
Mol Biol Evol first published online February 15, 2016
doi:10.1093/molbev/msw036

ScienceNews

 

h/t Rob van der Vlugt

LUCA – the big bang of evolution

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

 

Een paar dagen geleden botste ik op een conclusie van Douglas L. Theobald, over universal common ancestry (UCA) – een positieve bevinding – neergelegd in Nature, in a letter to the editor. Ik denk dat dat niet zomaar een voorbarige conclusie was, maar een pertinent onjuiste conclusie: een conclusie die niet getrokken mag worden gegeven de premissen die aan de conclusie ten grondslag (zouden) moeten worden gelegd. Ik denk verder, dat dat niet zozeer een misrekening is van Theobald alleen, dan wel een misrekening van de evolutionist community die in haar wetenschappelijke methode de mogelijkheid van deze misrekeningen als het ware heeft ingebakken.

Vooraf moet opgemerkt worden dat Theobald over UCA spreekt, terwijl LUCA ook een staand begrip is: last universal common ancestor. Ik heb goede redenen om aan te nemen dat Theobald hetzelfde fenomeen op het oog heeft. Hij refereert enkele keren aan (het gebruik van) LUCA bij andere auteurs, en geeft dan niet aan dat zijn UCA daarvan zou afwijken. Daarnaast, en bovendien, voor de evolutionist dekt het begrip common ancestor dezelfde redenatie als common ancestry: de evolutionaire gedachte die the existence of universal homologies én in de constructie van het DNA én in de wijze waarop DNA en RNA zich manifesteren bij vermeerdering, als zekerheid van de onzichtbare, en bewijs van de onkenbare evolutie ziet.

De bijdrage van Theobald bestaat uit twee artikelen: a letter in Nature (abstract; 2010). Hierin maakt Theobald gewag van zijn bevindingen.
Een uitgebreider artikel in Biology Direct (2011), n.a.v. kritiek op de wijze waarop hij tot zijn conclusies gekomen is. De kritiek – let wel: niet op de conclusies, maar op de methode – kwam van Koonin & Wolf. Dit tweede artikel is peer reviewed door 3 wetenschappers. Wat daarbij opvalt is dat alle drie de wetenschappers positief zijn over de activiteit van Theobald, maar vraagtekens zetten bij zijn verslag, dan wel een stevige discussie aangaan, met als conclusies: suitable for publication (1ste reviewer), a great contribution to an ongoing discussion (2de reviewer) en the clash of scientific philosophies on display between the ‘old guard’ of Koonin and Wolf (and reviewers) […] and the ‘new guard’ of Theobald.

GSSP site in de Ediacara Hills, waar rudimentaire sporen van leven zijn gevonden - Ediacaran biota (GSSP is een keurmerk voor geologisch belangrijke locaties)

GSSP site in de Ediacara Hills, waar rudimentaire sporen van leven zijn gevonden – Ediacaran biota
(GSSP is een keurmerk voor geologisch belangrijke locaties)

 

De methode van Theobald is als volgt.
Hij bouwt statistisch materiaal op, op basis van de uitkomsten van een computermodel van evolutie, een computermodel dat algemeen geaccepteerd wordt. The probability van de mogelijke stappen vooruit in de ontwikkelingen in de evolutie wordt daarbij een kanswaarde toegekend.
Het aldus verkregen statistische materiaal wordt daarna geïnterpreteerd met de Bayesian benadering van statistics. Die benadering houdt grofweg in dat the probability mede bepaald wordt door de verwachtingen die de onderzoeker mag hebben op basis van logische denkstructuren (Bayes zelf sprak hier van believe).

Waar ik hierboven sprak van de evolutionist community, doelde ik op die scientific philosophies die een rol spelen in het wetenschappelijke proces, en die zich in het hart van de evolutionist community manifesteren: de handboeken bijvoorbeeld. In het handboek dat ik nu hanteer (Barton et alii) volgt, na de hoofdstukken evidence for evolution en the origin of life – dat begint met de vraag: Is it extraordinary to consider that all living creatures on Earth share a common ancestry. – het hoofdstuk the last universal common ancestor and the tree of life. Dat hoofdstuk telt 28 bladzijden. Aan het eind van het hoofdstuk weet je dat er geen bewijs is, en dat er ook andere interpretaties mogelijk zijn. Echter, er worden 23 bladzijden besteed aan de behandeling van de veronderstelde gang van zaken, waarbij de tree of life de bepalende denkvorm is, en in twee bladzijden wordt de mogelijkheid overwogen van gene transfer between species, waarbij niet de tree of life zichtbaar wordt maar een soort van, zeg maar spaghetti structuur.

Merk op dat het grote probleem is het ontbreken van fossielen. Daarvoor heb je botten en ander hard residumateriaal nodig, en dat was er in de beginfase van het leven niet.

Wat zijn nu de werkelijke mogelijkheden.
Op de wereld bevinden zich 2 plekken A en B, waar dezelfde rotzooi is komen te liggen als gevolg van de big bang en de vorming van ons sterrenstelsel. Rotzooi dat de neiging heeft om zich te ontwikkelen tot meer rotzooi, een ontwikkeling die begeleid wordt door wat we nu atmosferische en klimatologische omstandigheden noemen. Gelijkelijke wel te verstaan: er is geen enkele voorkeursreden om aan te nemen dat er zoiets was als een voor- en achterkant van de aarde.
Plek A en B liggen op behoorlijke afstand van elkaar. Dat dat verondersteld mag worden weten we, omdat zowel in Groenland als in Australië sporen van een elementaire vorm van leven gevonden zijn, met een zelfde leeftijd: iets meer dan 3,5 miljard jaar, respectievelijk iets minder dan 3,5 miljard jaar.
Er is geen voorkeursreden om te veronderstellen dat op plek A wel ontwikkeling zou plaats vinden en op plek B niet, of omgekeerd. Ofwel, er zijn in plaats van 10^n (n is groot) mogelijkheden, precies 3 mogelijkheden:
op plek A wel en op plek B niet, op plek B wel en op plek A niet, en op zowel plek A als plek B.
Om plek A én plek B een positive probability te geven was er meer dan plenty time: het leven is zich een half miljard jaar geleden gaan manifesteren zoals wij het nu kennen, en daar was ruim 3 miljard jaar voor beschikbaar.

 

Fjord wanden met sedimentaire lagen, Scoresby Sound, East Greenland. by Frans Lanting.

Fjord wanden met sedimentaire lagen, Scoresby Sound, East Greenland. by Frans Lanting.

 

Als we hier kijken naar probabilities, moeten we goed naar David Deutsch luisteren, denk ik. De natuur kent geen probabilities, dat is een uitvinding van de mens die denkt dat de natuur door de wiskunde is bepaald in plaats van dat onze ontwikkeling van de wiskunde door de verschijnselen in de natuur is vorm gegeven. Iets gebeurt, of iets gebeurt niet, en daar liggen geen statistische methoden aan ten grondslag.
En ook geen randomizer!

Uitgaande van de mogelijkheid dat er op twee plekken precies hetzelfde gebeurt met de daar liggende rotzooi onder gelijke omstandigheden, zijn er nu twee mogelijkheden.
Op plek A ontstaat een andere vorm van leven dan op plek B (1) òf op plek A is de uitkomst van de ontwikkeling (nagenoeg) gelijk aan die van plek B (2). Met “anders” dan wel “gelijk” bedoel ik: beide ontwikkelingen vertonen wel of niet die kenmerken die door de evolutie theorie bepalend worden geacht voor common ancestry.

Eerst de mogelijkheid van niet het zelfde: er ontstaat een biosfeer (plek A) en een biosfeer accent (plek B).
Op enig moment ontmoeten die biosferen elkaar- noodzakelijkerwijs, de loop der dingen. Er is geen clash of civilizations – de biosferen hebben verschillende manifestaties en dus verschillende behoeftes – er is geen reden voor een struggle for life.
Van een dergelijke ontwikkeling zijn geen sporen te vinden.
Het kan gebeurd zijn, het kan niet gebeurd zijn. Het heeft dan ook geen zin om hierover te speculeren – voor zover het gebeurd is kennen we de specificaties niet. Dat levert in deze discussie ook geen probleem, want het speelt in het denken van de evolutionist community in het algemeen, en in het denken van Theobald versus Koonin en Wolf geen enkele rol.

De andere mogelijkheid: er ontstaat een biosfeer A en een biosfeer B die, zoals logisch verwacht mocht worden – gezien dezelfde rotzooi als beginvoorwaarde en dezelfde begeleidende omstandigheden als ontwikkelingsvoorwaarden – in alle verschijningsvormen overeenkomstig zijn.
Op enig moment ontmoeten die biosferen elkaar- noodzakelijkerwijs, de loop der dingen. Er is een clash of civilizations – de biosferen hebben dezelfde manifestaties en dus overeenkomstige behoeftes – er is alle reden voor een struggle for life. Uiteraard heeft die struggle for life zich voorgedaan, en tot resultaat gehad dat er winnaars en verliezers zijn geweest. Uiteraard, want ik moet hier de theorie van de evolutie volgen, waarvoor voldoende aanwijzingen voorhanden zijn.

Mijn stelling is nu deze. Er is geen enkele aanwijzing die ons inzicht verschaft in welke mogelijkheid zich gemanifesteerd heeft in de natuur. Er is geen enkele aanwijzing die ons inzicht verschaft of de overlevenden van een mogelijke clash enkel uit A, of enkel uit B of uit A én uit B afkomstig zijn.
Geen enkele aanwijzing!
En de enige reden dat Theobald of, om diezelfde reden, Koonin en Wolf, tot de conclusies komen waartoe ze komen is omdat ze maar uitgaan van één scenario, en dat scenario in hun modellen stoppen, in plaats van ook zoiets als een plek A én een plek B op te nemen.
Dat betekent dus dat het geen enkele zin heeft om speculaties in die zin te verheffen tot hypotheses: er wordt in de modelmatige benadering geen rekening gehouden met meerdere ontwikkelingspaden en, voor zover iemand dat zou willen, er zijn geen specifieke aanwijzingen op basis waarvan je een model kunt inrichten.

Er is dus geen enkele uitspraak over UCA of LUCA mogelijk (QED).
Wat mij betreft: het kan gegaan zijn zoals de evolutionist community denkt dat het gegaan is, het kan ook heel anders gegaan zijn.

Enkele aanvullende opmerkingen.

Daar zijn de Ediacara organisms – vindplaatsen zowel boven de evenaar op het westelijk halfrond als onder de evenaar op het oostelijk halfrond – [… looking] very different from anything living today, so it is perhaps not surprising that the nature and affinities of these fossils remain controversial. Naar aanleiding waarvan de paleontologist McMenamin suggereert: … that the path toward intelligent life was embarked upon more than once on this planet.

Uiteraard hoefde het samenkomen van die twee biosferen niet te wachten op de uitwerking van territoriumdrift. Door de klimatologische omstandigheden – cyclonen, vulkanische uitbarstingen, inslagen van meteorieten – zal er in die oertijd veel stof zijn opgewaaid, waardoor er eerder contact kan zijn geweest, tijdens de ontwikkeling van die biosferen, dan dat dat heeft moeten wachten op territoria die naar elkaar toegroeiden.

Volledigheidshalve moet een clash tussen biosfeer A en een daarvan essentieel verschillende biosfeer accent  B overwogen worden. Maar dan, mutatis mutandis, wel een clash met winnaars en verliezers. Ook voor dit scenario geldt dat de afwezigheid van ook maar de geringste aanwijzingen tot terughoudendheid en bescheidenheid noopt bij uitspraken daarover.

 

alkaline hydrothermale bron

alkaline hydrothermal vent at Lost City. Atlantic Ocean, Mid-Atlantic Ridge. 2005 July. Credit: IFE, URI-IAO, UW, Lost City Science Party; NOAA/OAR/OER; The Lost City 2005 Expedition.

 

NB’s

In deze post komt panspermia niet ter sprake.
Het is uiteraard ook een mogelijkheid. Maar het zou eigenlijk geen andere vragen oproepen, wanneer Theobald, respectievelijk Koonin en Wolf, hun modellen op panspermia hadden losgelaten.

Er staat hier, als illustratie, ook een plaatje van an ocean environment waar leven zou (kunnen) zijn ontstaan. Een gedachte die gepropageerd is door geochemist Michael Russell, en verder is uitgewerkt door Nick Lane (waarover Marleen geblogged heeft).
Dat plaatje is ook toegevoegd om een probleem te signaleren.
Allereerst weten we niet waar het water vandaan komt, en wanneer het zich als water manifesteerde. Daarnaast weten we niets over de hoeveelheden en de accumulatie daarvan, behalve dan dat de oceanen van betrekkelijk recente datum zijn, zeker in verhouding tot het ontstaan en de ontwikkeling van leven. Even goed denkbaar is dat water ontstaan is als bijproduct van het leven – denk aan metabolisme – waarna het, door de overvloedige aanwezigheid, als accelerator kon optreden.

Eén (onderdeel) van de verklaringen van de tree of life – examples of universal homologies – luidt als volgt: translating RNA into proteins using a three-letter genetic code. Ik denk dat het vooral dit soort taalgebruik is dat evolutiebiologen parten speelt en tot zulke gedachtenspinsels leidt als hierboven besproken. Er wordt uiteraard niks vertaald, en een molecuul die zichzelf wil vermenigvuldigen gaat niet naar de winkel met de mededeling: doet U mij maar een cécégeetje. Wetenschappers die met zulke taal opgevoed worden, raken zo diep in het modelmatige dat ze als vanzelf gaan denken dat je het analoge, continue proces van evolutie in discrete modellen kunt simuleren…. op de voet gevolgd door vooronderstellingen die vervolgens, als selffulfilling backward prophecies, tot prachtige schilderingen van het verleden leiden.

 

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Meneer Opinie

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

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Why Evolution Is True

Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

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

<span>%d</span> bloggers liken dit: