Fysica en biologie in de kwantumwereld

Na het laatste boek The Demon in the Machine van Paul Davies gelezen te hebben¹, is mijn interesse opnieuw uitgegaan naar hoe ver het nu is met de kwantumbiologie. Eerder op dit blog, meer dan 7 jaar geleden, wijdde ik vier berichten aan het prachtige boek van Werner R. Loewenstein Physics in Mind². Na de blogberichten ^{3, 4, 5, 6}, opnieuw doorgelezen te hebben, zijn mij meer dingen duidelijk geworden, ook dankzij de commentaren waaronder die van Gert Korthof, Harry Pinxteren en Kees Jaspers. 

Het boek van Paul Davies The Demon in the Machine wordt vooral interessant vanaf hoofdstuk 5 (p.144). Daar beginnen we te zien hoe de deeltjesfysica verbonden is met biologie, levende organismen, cellen en moleculen via de kwantumwereld. 

Zoals Davies duidelijk uitlegt is er in de kwantumwereld van alles mogelijk, zoals kwantums die plotseling, zonder aanwijsbare reden, van richting veranderen of terugkaatsen, of aan de andere kant van een ‘muur’ belanden. Allemaal fenomenen waar we raar van zouden opkijken als ze in onze dagelijkse macro-wereld zouden plaatsvinden, maar die zich voortdurend afspelen op subatomair en moleculair niveau. Andere kwantum effecten waar geen equivalent voor bestaat in onze macro-wereld zijn bijvoorbeeld elektronen die op twee plaatsen tegelijk lijken te zijn. Het elektron deelt zich echter niet op en elk experiment dat het elektron probeert te lokaliseren zal het altijd op de ene of op de andere plaats terugvinden. Maar zolang deze lokalisatie niet plaatsvindt zijn er natuurkundige effecten die volgen uit deze onbepaalde positie. Er zijn paren fotonen die op meters afstand spontaan hun activiteit coordineren en moleculen die tegelijkertijd zowel met als tegen de klok indraaien. 

Het hart van de kwantummechanica is de dualiteit van golf en deeltje. Beide aspecten kunnen aangetoond worden, maar nooit tegelijk. Worden er door twee deeltjes golven veroorzaakt die elkaar versterken, dan spreekt men van coherentie. Bestaat er daarentegen een wirwar aan golven die elkaar niet kunnen versterken dan gaat het om decoherentie. Veel van de bovengenoemde vreemde kwantumeffecten komen voort uit coherentie van golven. Worden de golven verstoord dan verdwijnt de coherentie. Onder condities zoals die in biologische systemen doet zich snel decoherentie voor door het onophoudelijke thermisch bombardement van watermoleculen. Toch schijnen er situaties voor te komen waarbij er abnormaal langzame decoherentie bestaat onder speciale omstandigheden.

Zoals je zou kunnen verwachten heeft evolutie ook van dit fenomeen gebruik gemaakt om processen als overdracht van informatie te verbeteren en te versnellen. Loewenstein beschreef al in zijn boek uit 2013, dat de rodopsinen in ons oog gebruik maken van coherentie waarbij kwantummechanica het toelaat parallelle computing te bewerkstelligen en daarbij binnen 200 femtoseconden gelijktijdig enorme pakketten informatie over te dragen van de retina naar de achterliggende hersenkwabben. In het zenuwstelsel is  reeds sprake van een uiterst snelle overdracht van signalen op macroniveau (macromoleculair niveau), door neurotransmitters en voltage-dependent kanalen. Daar zou de transmissie van informatie via kwantummechanica nog eens bijkomen die enorme hoeveelheden zintuiglijke prikkels in parallel, dus in één keer, kan doorgeven aan het centrale zenuwstelsel. Dit laatste is vooralsnog een hypothese en is nog niet definitief aangetoond vanwege de overmaat aan thermische ‘ruis’ die decoherentie veroorzaakt.

Fig. 1 Kwantumtunneling

Paul Davies’ boek is uit 2019 en beschrijft dit soort kwantum fenomenen in fotosynthese, het reukorgaan en de ‘cryptochromen’ van het netvlies van migrerende vogels. 

In fotosynthese (bij groene zwavelbacteriën) wordt er als gevolg van het vangen van een foton met de juiste golflengte een ‘exciton’ gecreëerd. Dit geëxciteerde electron maakt gebruik van de mogelijkheid van quantumdeeltjes om op meer dan twee plaatsen tegelijk te zijn. Het neemt daarbij allerlei denkbare routes naar het reactiecentrum, iets dat mogelijk is omdat het zich ook als golf voortbeweegt. Dit gebeurt gedurende een interval waarin er coherentie heerst. Het gemeten interval is 200 femtoseconden. Gek genoeg geven recente studies aan dat een lichte thermische ‘ruis’ bevorderlijk kan zijn voor de efficiëntie van transmissie van energie. 

Bij de migratie van vogels is het de ‘intrinsieke spin’ van de elektronen die ervoor zorgt dat elk elektron een klein kompas is dat het aardse magnetische veld ‘voelt’. Dit kan gebeuren wanneer een atoom een foton absorbeert en daarmee een elektron van zijn orbit verplaatst wordt. Dat elektron wordt dan gevoeliger voor het aardse magnetische veld. Het oog van vogels wordt voortdurend door fotonen geraakt, dat is nu eenmaal hoe ogen werken (fotonen van de juiste golflengte laten ons kleuren zien). Maar hoe ‘voelt’ de vogel waar het magnetisch veld is? Dit wordt mogelijk gemaakt door ‘cryptochromen’. In deze proteïnen van het netvlies wordt een elektron verplaatst door een invallend foton, maar ten opzichte van een tweede elektron, dat in het cryptochrome achterblijft en waarmee het eerste entangled is, wordt het ‘losse’ elektron door het aardse magnetische veld scheefgetrokken ten opzichte van het achterblijvende entangled elektron. De vrije positieve radicalen die zo gecreëerd worden reageren met elkaar of vormen neurotransmitters die een signaal vormen naar de hersenen van de vogel.  

Fig. 2 Quantum birds: Shedding light on the mechanism of magnetic sensing in birds

In het geval van het reukorgaan, is er sprake van kwantumtunneling waarbij vibratie een energie kwantum produceert, een phonon – een kwantum van geluid – dat extra dimensies verleent aan het simpele model van docking van geurmoleculen op geurreceptoren. Daarmee is het mogelijk het enorme scala aan geuren, maar ook de gelijkenis van verschillende geuren te verklaren.

Kwantum mechanica heeft alles te maken met coherentie die verstoord wordt door de thermische ‘ruis’. Maar de chaos en de ruis worden ook door het leven uitgebuit met biologische demons. Niet alle ruis is hetzelfde; er bestaat ook ruis die kwantumprocessen juist stimuleert.

Werner Loewenstein denkt dat er veel biologische systemen zijn die gebaseerd zijn op kwantummechanica. Hij eindigt ermee dat we met onze digitale wereld verkeerdom bezig zijn. Kwantumcomputing is zoveel zuiniger en efficiënter vergeleken met digitale computing, dat hij er van overtuigd is dat de evolutie van leven er ruim gebruik van heeft gemaakt. Precies omdat ‘Lady Evolution’ altijd de zuinigste, meeste economische, weg kiest.

1. Paul Davies – The Demon in the Machine – How hidden webs of information are solving the mystery of life – ALAN LANE Penguin Random House UK – 2019
2. Werner R. Loewenstein – Physics in Mind – A Quantum View of the Brain – Basic Books, Perseus Books Group, New York – 2013

Vier oudere berichten op dit blog die het boek van Loewenstein bespreken

3. Een voorzichtig begin in Biofysica
4. Deel twee van een verkenning van de Biofysica
5. Derde en laatste deel van een verkenning van de Biofysica
6. Moleculaire demonen, de cognitive eiwitten

ik ben geen informatiesysteem

Een gastbijdrage van leonardo da gioiella

Cees Dekker, onze nanobioloog, heeft een prachtige prijs gewonnen. Hij heeft besloten van dat geld een levende cel te bouwen, en heeft dat aangekondigd in het RD, het dagblad dat men gewoon is te lezen in reformatorische kringen.
Dat heeft een reactie van Peter Borger opgeleverd. In dat zelfde dagblad. En hoewel ik de uitkomst van de reactie van Borger wel kan volgen – die ziet dat niet zitten – is zijn argumentatie niet de mijne. Het is Borger zoals we hem kennen: van dik hout zaagt men planken, nogal negatief. Ook sarcastisch … verzuurd zou ik haast zeggen.

Borger werkt op een ander terrein van de biologie dan Dekker. Maar, vanuit de geestelijke hoek waar Borger en Dekker beide zitten, zou je niet verwachten dat Dekker leven wil creëren – die gaat de zondeval nog eens dunnetjes overdoen – en zou je een heel andere argumentatie verwachten van Borger: die heeft het over informatiesystemen die niet na te bouwen zijn vanwege hun gecompliceerdheid, en navenant tijdsgebrek.
Borger sluit daarmee aan bij één van de laatste woorden van Richard Feynman – nagelaten op een blackboard! –  die Dekker vreemd genoeg in positieve zin citeert: What I cannot create, I do not understand.

Let wel, die geloofskwestie is niet mijn strijdperk.

Wat mij ineens raakte was dat en Borger en Dekker én de evolutionist community op één lijn zitten.
De handboeken van de officiële evolutiebiologie spreken van het centrale dogma. Mijn boek zegt letterlijk: DNA interacts with the cell and the environment to determine the phenotype. [… DNA] must be transcribed into messenger RNA, ribosomal RNA, and other functional sequences. The mRNA is then translated into … En dat gaat zo nog even door.
Er komt code aan te pas, en er is sprake van decoding.
Dekker heeft het over robotjes – eigenlijk nanomachientjes – en systemen van biomoleculen.
En bij Borger komt het hoge woord er uit: informatiesystemen. De hoge woorden, om precies te zijn: Leven is gebaseerd op gedetailleerde informatieopslag en informatieverwerkende systemen.
Natuurlijk niet zijn hoge woord.
Ik noem dat het hoge woord.
Ofwel, de druppel die voor mij, in mijn gedachtegang die ik afliep, de emmer deed overlopen.

Mijn strijdtoneel hier is dus de officiële leer van de evolutie, die cellen, en organismes, en organen, en uiteindelijk mensen ziet als informatiesystemen.
Het moet afgelopen zijn met het gebazel over computers en informatiesystemen. Wat mij betreft gooien ze de leer van de evolutie maar op hun kop als dat moet, laat ze de handboeken maar herschrijven, andere metaforen bedenken – alles prima.
Deze onzin moet afgelopen zijn.

Ik ben geen informatiesysteem.
Zoals Harry geen kunstmatig intelligent wezen is. Nou ja, als psycholoog zal ie wel eens kunstmatig intelligent gedaan hebben. Vast.
Zoals Rob niet geprogrammeerd is. En als er al iets geprogrammeerds aan hem is, dan heeft ie dat zelf door jarenlange studie gedaan: zijn muscular memory.

Denk even aan de implicaties hé.
Zoals een random process een randomizer veronderstelt, en daarmee een bouwer van die randomizer, zo veronderstelt een informatiesysteem een bouwer; én, ik weet daar iets van, gegeven het gecompliceerde karakter daarvan – zie Borger – een team van bouwers.
En denk niet dat het wel meevalt, omdat er nu eenmaal foutjes worden gemaakt bij het doorgeven van het DNA. Ofwel, zeg niet tegen mij: de soep wordt niet zo heet gegeten leonardo.
Zoals iedereen weet: bugloze informatiesystemen bestaan niet – en dat is er niet beter op geworden met het modulair opzetten van programma’s en systemen. Zelfs de meest eenvoudige programma’s hebben wel een lek.
Dus neem het maar verschrikkelijk, ontzettend erg serieus.

Maar vooral dit.
Informatiesystemen zijn hartstikke deterministisch. Afhankelijk van het signaal dat er in gaat wordt er iets geproduceerd dat heel erg vastligt.  En dat Marleen met andere output komt dan ik bij een overeenkomstige waarneming, is alleen maar omdat zij een ander informatie-verwerkend systeem heeft dan ik …
… of is … poeh … die existentiële vraag kan ik nu even niet aan.
En laat U niet misleiden door het begrip fuzzy logic. Dat bestaat niet echt. Als een programma verschillende gedragingen laat zien op een zelfde inputsignaal, heeft de programmeur dat opgeschreven – met een zeer onfuzzy randomizertje.

Ofwel, en daar hebben we de crux: weg met de vrije wil!

Ik geef toe, ik ben daar zelf debet aan – dat ze denken dat ik geen vrije wil heb, bedoel ik. Ik ben daarin altijd te lankmoedig geweest. Ik heb altijd gezegd: ik weet het niet, van die vrije wil. En ik bedacht een doekje voor het bloeden.
Nu is het afgelopen.
Basta:
Tot aan mijn pensionering was er altijd wel iemand die zei: kom – en ik kwam.
Of iemand die zei: ga – en ik ging.
Nu doe ik niet meer mee.
Nou ja, ik deed altijd al niet mee, maar dat was niet zo goed zichtbaar. Ik was een zeer meegaand, altijd constructief en positief ventje.
Maar denk niet dat ik niet dwars kan zijn. Het DNA van mijn vader staat daar garant voor. Die stapte, toen de boer tijdens de landarbeid iets onaanvaardbaars aan hem vroeg onder de conditie: anders kan ik je hier niet langer laten werken beste man, op zijn fiets en zei: dan bekijk je het maar. En dat in de crisisjaren! En zijn DNA is redelijk compleet overgekomen.

Richard Feynman liet ons deze wijsheid na, aan het einde van zijn leven, op een blackboard: What I cannot create, I do not understand.
En ik voeg daar aan toe:

Ik ben geen informatiesysteem!
Nou ja, ik informeer jullie bij tijd en wijle graag over dwalingen des geestes die zo nu en dan de ronde doen, en ook wel hardnekkig hun rondje blijven draaien – die oprispingen uit heart and mind van die kruiwagen vol kikkers die society heet, high of low om het even.

Update 2015-05-26 16:14

RD: interview Cees Dekker

RD: opinie Peter Borger

RD: opinie René Fransen

TUDelft: grant voor kunstmatige cellen

Diepzeefossielen in de Alpen

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

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

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

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

diepzeefossiel

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

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

 

Uit:

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

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

Kunnen we niet wat soorten missen?

Dat is de vraag die Bas Haring zich stelt in zijn laatste boek plastic Panda’s. Soorten sterven uit en dat vinden we een ramp. Naar aanleiding van de publicatie van zijn boek kwam er een krantenbericht in Trouw waarin Bas Haring geïnterviewd werd. Er is veel commotie ontstaan onder de lezers getuige de felle en vele reacties onder het artikel. Bas Haring is bijzonder hoogleraar ‘publiek begrip van de wetenschap.’ Hij is geen bioloog.

Bas Haring

Voor Hoe?Zo! Radio werd hij geïnterviewd. Hij gaat in het boek op zoek naar de waarde van de natuur. Dit deed hij uit nieuwsgierigheid maar hij heeft er duidelijk een vooringenomen mening over. De manier waarop we over soorten denken zou volgens hem te overdreven zijn. Een soort kan immers niet lijden maar een dier wel. En het idee over de biodiversiteit als een radarwerk waarin elk radartje onmisbaar is gaat volgens hem mank. Hij krijgt helaas de tijd niet om uit te leggen waarom dat niet zou kloppen.

Hij haast zich om te zeggen dat soorten er wel toe doen, maar vervolgt dan dat we met minder ook wel afkunnen. Hij wil dat er gekeken wordt naar de gehele natuur. (Ik weet niet wat in dit geval de gehele natuur is en ook niet hoe je die moet bestuderen.) De soorten zijn niet altijd even handig en nodig. Kortom ze hebben niet altijd evenveel waarde.

Vervolgens zegt hij dat wij hechten aan de waarde van soorten, maar dat ze door onszelf ingedeeld zijn. (Tja, hoe wil je er anders met elkaar over kunnen praten)

Dan komt Rob Buiter aan de telefoon, een wetenschapsjournalist en zegt dat Bas het begrip biodiversiteit niet kent en versimpelt. Hoeveel en welke soorten kunnen we dan missen? Biodiversiteit is immers gebaat bij een brede genetische basis. Hoe kun je waarde toekennen aan een diersoort?

Bas Haring zegt dan dat je afstand kunt nemen van het soortbegrip door te discussiëren over de functionele biodiversiteit*. In dat geval zou de redenering inderdaad wat genuanceerder liggen, maar ondertussen is de ongenuanceerde boodschap van Haring allang verspreid. Rob Buiter zegt vervolgens dat wij de plicht hebben om voor de dieren en planten te zorgen. Daar is Bas Haring het niet mee eens. De journaliste van de radio zegt dat niet iedereen dezelfde waarde als Bas Haring aan soorten zal toekennen. Dit idee van waarde is natuurlijk subjectief. En dat snapt hij ook wel.

Bas Haring zou hier op zoek gaan naar de waarde van de natuur maar hij lijkt het allemaal al te weten. De ophef betekent natuurlijk veel reclame voor zijn boek. Maar hij is zo vooringenomen dat ik het boek al niet meer hoef te lezen.

*Bij functionele biodiversiteit kijk je naar de rol die de verschillende soorten spelen in een ecosysteem. Het is inmiddels wel duidelijk dat wij misschien nog maar 50% van alle diersoorten kennen. Het is daarom onmogelijk te pretenderen enig oordeel te geven over de rol van iedere soort.

Het interview is hier te beluisteren vanf minuut 22.

Update 18/11 2011: Interview in De Standaard.