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)

 

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.

 

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 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.

 

De eerste puzzelstukjes in een onderwaterwereld

De wereld onder water vormt een klein universum op zich, even onbereikbaar als het grote Universum om ons heen. Maar, waar Leonardo  in voorgaand bericht spreekt van the unobservability of the observable universe, een begrip dat we op deze plaats al zijn tegen gekomen bij de discussie over het laatste boek van Andreas Wagner, zou je, zoals David Gallo laat zien, kunnen spreken van the observability of the unobservable depths. Daar zouden zomaar puzzelstukjes op hun plaats kunnen gaan vallen. Onderzoekers hebben hierop recent wezenlijke vooruitgang geboekt.

De oceaanruggen zijn rijk aan hydrothermale bronnen. In een TED-talk uit 1998, vertoont David Gallo een film waarin deze hydrothermale bronnen te zien zijn (zie onderaan dit bericht). Deze kunnen verdeeld worden in twee soorten: de black smokers en de alkaline bronnen. Het water dat uit de black smokers omhoog komt is zeer heet tot wel 400°C en heeft een hoge zuurtegraad (pH rond 4.5). De alkaline bronnen daarentegen zijn veel koeler van 40 – 90°C en het water dat er uit omhoog borrelt is, zoals de naam al aangeeft basisch (rond pH 10).

David Gallo vertelt in zijn talk dat er het vermoeden bestaat dat het eerste leven hier ontstaan is. Nu zijn er steeds meer onderzoekers bezig deze hypothese te onderzoeken. Een bekend wetenschapper die zich daarmee bezighoudt is Nick Lane. Hij gebruikt in zijn lab reactors waarin de condities van deze bronnen gesimuleerd worden. Ik schreef vele berichten over zijn werk en publicaties ((1); zoek verder op dit blog op de naam ‘Nick Lane’)

De beste kandidaten voor het ontstaan van leven zijn de alkaline bronnen. Zij hebben een lagere temperatuur die de stabiliteit van de eerste organische moleculen zou bevorderen in tegenstelling tot de black smokers. Ze werden later dan de black smokers ontdekt, en bevinden zich op de oceaanbodem in Lost City langs de Mid-Atlantische rug, op enorme diepte waar geen zonlicht komt. Daar krioelt het van leven. Zie daarvoor ook de mooie film van David Gallo onderaan dit bericht.

Nick Lane heeft belangrijke hypothesen gelanceerd die allemaal erg plausibel zijn. De ‘schoorsteen’ van deze bronnen is gevormd door poreus materiaal waarin zich poriën van enkele micrometers tot millimeters bevinden. Daar kunnen zich korte moleculenstrengen zoals peptiden en RNA-strengen ophopen, waarbij door de dynamiek van de doorstromende water, de langste ketens neerslaan en de kortere de porie verlaten (zie ook een recent blogbericht over dit fenomeen). Het grootste probleem blijft de verklaring voor hoe de eerste organische moleculen gevormd kunnen zijn.

Ook hier heeft Nick Lane mogelijke verklaringen voor. In dit licht is het nieuws van gisteren, dat onderzoekers er met experimenten en computersimulaties in geslaagd zijn aan te tonen, dat de belangrijkste organische moleculen zoals mierenzuur en methanol gevormd kunnen worden dankzij een minerale katalysator, zeer interessant. Deze katalysator vertoont grote overeenkomsten met het enzym dehydrogenase (zie figuur).

A. Het centrale ferrodoxine in het enzym CO hydrogenase B. Het oppervlak van greigite Fe3S4 met de vierkante structuur uitgelicht. Uit Roldan et al.

Dit mineraal, greigite (Fe3S4) genaamd, bevindt zich in de wanden van de alkaline bronnen. Het is in staat de reductie van CO2 naar verschillende oplosbare organische moleculen te katalyseren. Het mineraal doet dit door deze verschillende tussenvormen te stabiliseren. De moleculen die gevormd worden zijn mierenzuur (formic acid; CH2O2), azijnzuur (CH3OOH),  methanol (CH3OH), pyrodruivenzuur (pyruvic acid; C3H4O3). De auteurs van het artikel laten precies zien wat de voorwaarden zijn voor het vormen van deze moleculen; onder verschillende pH-waarden geven ze tot op de honderdste elektronvolt nauwkeurig weer wat de energetische barrières zijn voor iedere reactie. Ze komen tot de conclusie dat deze reacties globaal energie afstaan, ze zijn thermodynamisch en kinetisch voordelig, en ze verhogen entropie. Er bestaan slechts initiële barrières of drempels die door de binding met de katalysator genomen kunnen worden. Zo zouden ze met behulp van de katalysator spontaan kunnen plaatsvinden mits aan de condities van pH wordt voldaan. De hoogste opbrengst van deze moleculen vond plaats bij pH 6,5. Met een pH van 5,5 in de primordiale omringende wateren vormt de alkaline bron een goeie kandidaat.

A. De vorming van mierenzuur in functie van tijd bij verschillende pH-waarden. B. Weergave van de reactanten (zie insets) op twee verschillende oppervlakten in functie van pH, binding energie (EB). C. potentieel energie-oppervlak voor het mechanisme van HCO3 reductie naar HCOOH op Fe3S4. Geadsorbeerde tussensoorten zijn gemerkt met * en hun voorgestelde structuur wordt getoond in de inset.

Deze studie laat zien dat het in de natuur mogelijk is, in afwezigheid van leven, deze eenvoudige organische moleculen aan te maken. Dit vormt een eerste stap naar iets grotere moleculen als ribose, aminozuren, en nucleotiden, de ingrediënten voor RNA en peptiden. In de bronnen van vandaag zijn deze moleculen niet te vinden, ze worden weggegraasd door bacteriën, die de hydrothermal vents nu bedekken.

Het volgende filmpje van David Gallo laat onder andere zien hoe alkaline bronnen eruit zien en wat voor dieren er leven.

Uit: ScienceDaily

Roldan, N. Hollingsworth, A. Roffey, H.-U. Islam, J. B. M. Goodall, C. R. A. Catlow, J. A. Darr, W. Bras, G. Sankar, K. B. Holt, G. Hogarth, N. H. de Leeuw. Bio-inspired CO2 conversion by iron sulfide catalysts under sustainable conditions. Chem. Commun., 2015; 51 (35): 7501 DOI: 10.1039/C5CC02078F (FREE ACCESS)

h/t Harry Pinxteren