quote:
Op woensdag 8 december 2004 20:51 schreef Bensel het volgende:goh.. moet ik nou weer dat hele verhaal boven halen over hoe complexiteit ontstaan in een organisme? goed dan, nog 1 keer omdat jij het bent:
We gaan even helemaal terug naar het begin van het leven. In den beginnen was de aarde woest en ledig. Nou ja, ledig.. Er was een grote hoeveelheid methaan, en co2, en een klein beetje O2. (wat een heel belangrijk gegeven is, aangezien o2 een erg sterke invloed heeft op een heleboel moleculen (redoxreacties enz). Eer zijn expirimenten die aantonen dat uit deze ingredienten eenvoudige organische moleculen kunnen ontstaan, zoals aminozuren, basen, en suikers. Door gewone, alledaagse chemische reacties. Deze moleculen worden niet of nauwelijks afgebroken 9wegens gebrek aan zuurstof), en blijven dus jren en jaren liggen, en blijven zich ophopen.. ondertussen vormen zich lipdes, en in water lipide dubbellagen (lysosomen). Deze lipide dubbellagen kunnen katalysatoren bevatten (zoals zink). Ook hebben sommigen van nature een zwak electrisch potentiaal over het membraam, ideaal voor electronen transport. en binnenin deze lysosomen is een stabiel milieu. Gecombineerd met die eenvoudige moleculen (die overigens ook spontaan RNA kunnen gaan vormen, je hebt immers de basen en de backbone van suikers) zou je zoiets een protocel kunnen noemen.. RNA is zelfreplicerend, en kan zichzelf dus kopieren (door lusvorming..) Zo ontstaat stukj bij beetje de eerste levensvorm, een doodnormale protist. na een tijdje ontstaat tussen deze protisten concurentie, en variaties in het RNA zorgt dus voor een kickstart in de diversiteit. En uiteindelijk zijn wij uit deze diertjes gevormd, doordat er steeds meer toegevoegd werd (zo is een meercellige beter bestand tegen externe factoren (dus grotere kans voortplanting enz enz..) cellen zijn samengegaan (zoals een mitochondrie in een normale cel z'n eigen DNA heeft, en eigen lipide dubbellaag.) vanuit iets simpels, is dus iets ingewikkelds ontstaan.
het heeft weliswaar jaren en jaren geduurt, maar dat is geen reden om het af te wijzen. immers, de grand canyon is ook over verloop van miljoenen jaren uitgesleten, en ziet er ook vrij complex uit.. Dt alles is uit m'n eigen kennis, en ik weet zeker dat er mensen zijn die veel slimmer dan mij zijn, die het nog vele malen waterdichter kunnen presenteren..
Ik moet het je nageven, ik heb nog nooit eerder zo'n knullige, optimistische en simplistische voorstelling van zaken voorgeschoteld gekregen. Concluderend uit bovenstaand stuk was het ontstaan van leven slechts een kwestie van tijd en haast onvermijdelijk.
Besef je wel wat je zegt? Je hebt het hier over leven, ja LEVEN, wat ontstaat uit dode chemicaliën.
Mijn excuus voor het plak en knip werk maar als ik jouw verhaal moet weerleggen in evenveel regels als het verhaal zelf zal het niet veel geloofwaardiger worden. Ik hoop dat je de moeite kan opbrengen het even te lezen. Ik ga er niet van uit dat je me gelijk geeft maar je zal in ieder geval inzien dat het niet zo eenvoudig is als jij het voorstelt.
WEL OF GEEN ZUURSTOF
Wetenschappers hebben het ontstaan van leven verdeeld in een aantal stappen. Eerste vereiste voor het ontstaan van leven is een geschikte omgeving. Deze zogenaamde prebiotische atmosfeer zou hebben bestaan uit de volgende moleculen CH4 (methaan). H2 (waterstof). NH3 (ammoniak) en H2O (water). Deze stoffen zouden de atmosfeer reducerend hebben gemaakt. Dit was nodig, omdat onze huidige atmosfeer met de moleculen CO2 (kooldioxide), H2O, N2 (stikstof) en O2 (zuurstof) oxiderend zou zijn, dat wil zeggen organische stoffen die tot de vorming van leven zouden moeten leiden, worden weer afgebroken. Het is uit de eerste gesteenten van de aarde niet helemaal duidelijk of er wel of geen vrije zuurstof aanwezig is geweest in de atmosfeer. Het lijkt erop dat op het moment dat het eerste leven verschijnt er wel degelijk zuurstof was. En dat is eigenlijk maar goed ook, want leven zonder zuurstof is niet mogelijk. Dit maakt dus het dilemma duidelijk waarin we zitten. In een laboratorium maken we het ons met wat glaswerk gemakkelijk, we creëren de juiste omstandigheden op de juiste plaats en op het juiste tijdstip.
EENVOUDIGE MOLECULEN: DE MONOMEREN
De volgende stap in het procédé van het ontstaan van leven is de vorming van eenvoudige moleculen, monomeren. In de verschillende laboratoriumexperimenten, waarin we mogelijke natuurlijke omstandigheden nabootsen, kunnen we een scala aan eenvoudige moleculen vormen. Daarbij is ook een groot aantal aminozuren aanwezig die de bouwstenen zijn voor de eiwitten Het is overigens nog maar de vraag of de omstandigheden in de laboratoria wel vergelijkbaar zijn met die in de natuur. De volgende voorwaarden waren namelijk in deze experimenten noodzakelijk
- Aan het begin van de proef moesten er specifieke stoffen met zeer hoge contracties aanwezig zijn.
- Voor de vorming van de eenvoudige moleculen was er energie nodig. Dat zou geleverd kunnen worden door elektrische ontlading (onweer). of ultraviolette of andere straling.
- Sommige aminozuren ontstonden alleen bij 1900 graden Celsius, andere juist alleen onder nul 0 graden Celsius.
- Het eindproduct moest direct uit weggevangen worden, anders het werd weer vernietigd door de bliksem of straling waardoor het gevormd was.
Ondanks deze gunstige voorwaarden waren de resultaten slechts zeer kleine concentraties monomeren.
KOMPLEXE MACROMOLECULEN: DE POLYMEREN
Uit de eenvoudige monomeren moesten complexe macromoleculen gevormd worden: de polymeren. Een voorbeeld hiervan is de koppeling van aminozuren tot een eiwit, waarbij voor de verbinding van twee aminozuren steeds een watermolecuul wordt afgesplitst. Omdat dit een evenwichtsreactie is, zal bij de aanwezigheid van veel water, zoals in de veronderstelde oeroceaan, de reactie in de richting van losse aminozuren gaan. We moeten de ontstane eiwitten dus direct wegvangen, anders vallen ze weer uit elkaar. In een laboratorium is dat niet zon probleem, maar in de natuur ligt dat anders. Men heeft gedacht dat het in klei kan of op de rand van een vulkaan. Maar de hitte van een vulkaan breekt ieder eiwit weer af!
WELK SPIEGELBEELD?
Gesteld dat er eiwitten op deze manier ontstaan, zijn die dan ook geschikt voor leven? Hier lopen we tegen een probleem aan, want de bouwstenen voor de eiwitten, de aminozuren, zijn maar voor de helft geschikt voor leven. Een aminozuur heeft namelijk een ruimtelijke vorm waardoor het mogelijk is dat er 2 spiegelbeelden zijn van 1 bepaald aminozuur. Voor een chemische reactie maakt het niet uit welke van de 2 spiegelbeelden van dit aminozuur aanwezig zijn de zogenaamde linksdraaiende L-vorm of de rechtsdraaiende D vorm. Ze zijn chemisch namelijk niet te onderscheiden. Alleen in kristalvorm kun je ze onder de microscoop herkennen aan de manier waarop ze het licht draaien: naar links of naar rechts. Dat is dus ook de reden waarom we ze zo benoemen.
Het opzienbarende feit doet zich nu voor dat in levende organismen wel onderscheid wordt gemaakt. Alleen de linksdraaiende aminozuren worden gebruikt, een enkele rechtsdraaiende ertussen maakt een eiwit onbruikbaar. Bij een gewone chemische proef zullen altijd beide spiegelbeelden in de dezelfde hoeveelheden voorkomen. Stop je een biologische verbinding als een enzym in zon mengsel, dan zal het wel in staat blijken te zijn om de juiste L vorm eruit te halen.
Je kunt je zelfs voorstellen dat er tegelijkertijd levensvormen zijn met eiwitten die of helemaal uit de L-vorm of D-vorrn zijn opgebouwd. Een man zou in een sciencefiction verhaal gespiegeld kunnen worden, zijn lichaam functioneert goed, alleen zal hij merken dat zijn hart aan de rechterkant van zijn borstkas zit. Hij bestaat dan volledig uit 0 koolstofketens. Als hij voedsel eet met L koolstofketens, kan hij het voedsel niet verteren, waardoor hij gedoemd zou zijn te sterven. Als hij een vrouw zou hebben die opgebouwd is uit L eiwitten, dan zouden ze geen nakomelingen kunnen krijgen.
Het is nu ondenkbaar dat tijdens een spontaan ontstaan van leven er of L of D ketens ontstaan. De kans daarop is veel te klein, omdat er geen chemisch onderscheid is, alleen leven kan dat. En zolang er nog geen leven is, ontstaat er ook geen L of D eiwitten.
VASTGELOPEN
Ondertussen zitten we wel met een aardig probleem. We zijn in dit stadium van onze test al vastgelopen! Eigenlijk moeten we de opdracht teruggeven, maar het is wel zo interessant om te vernemen wat de verdere plannen en problemen in een evolutieproces zouden zijn.
EEN FUNKTIONEEL EIWIT
Stel nu eens dat er wel zon geheimzinnig onbekend mechanisme zou zijn om op chemische wijze de juiste spiegelbeeldvorm van elk aminozuur te kiezen. We kunnen dan nog de voor leven benodigde eiwitten niet zonder meer kunnen produceren! We zouden namelijk ook moeten letten op de volgorde waarin bepaalde aminozuren worden gerangschikt, want die is essentieel voor het functioneren van een eiwit. Zonder gebruik te maken van leven kunnen we alleen door toeval ketens van aminozuren laten ontstaan. Theoretisch gezien kan door toeval een specifieke volgorde vanzelf ontstaan, maar hoe groot is de kans dat dit gebeurd? Laten we het ontstaan van een bepaald eiwit door toeval eens berekenen.
Het gewicht van een willekeurig aminozuur zoals glycine is 1,25x10-22g. Een eiwit bestaat bijvoorbeeld uit 200 aminozuren, liet gewicht van dat ene eiwitmolecuul is dan 2,5xl0-20g, stel dat er 10 aminozuren gebruikt worden in een keten van 200 aminozuren. Dan zijn er 10200 mogelijkheden om een eiwit met een specifieke volgorde te vormen. Als van elke mogelijke volgorde één eiwitmolecuul gevormd zou worden, zou dat 2,5x10177 kg eiwit opleveren (dat is een onvoorstelbaar aantal malen het gewicht van de hele aarde, welke 6x1024 kg weegt).
De eenvoudigste vorm van leven, een ééncellige, bevat minimaal zon 100 verschillende soorten speciale eiwitmoleculen die er voor zorgen dat de cel goed functioneert. Als we een stabiele cel willen maken zullen dus voor die 100 eiwitmoleculen moeten zorgen. In een chemisch mengsel (eventueel de prebiotische oersoep uit het evolutiemodel) zouden door toeval al die honderd eiwitten dicht bij elkaar moeten zijn ontstaan om leven enige kans te geven. Als het ontstaan van elk van die 100 eiwitmoleculen zou plaatsvinden met een kans van 1 op de 1020 (wat erg optimistisch is), dan zou de totale kans voor het ontstaan van alle 100 moleculen ~ per (1020)100 = 102000 zijn, een onvoorstelbaar kleine kans.
FUNKTIONELE EIWITTEN
Je zou nu kunnen opperen dat er veel meer functionele eiwitten zijn dan die nu in leven voorkomen. Er zouden tal van andere biologisch denkbare levensvormen kunnen bestaan. Daarmee neemt de kans op een functioneel eiwit en een spontaan ontstaan van leven toe. De meeste gegevens lijken er echter op te wijzen dat de huidige eiwitten hun biologische werking verliezen bij een kleine verandering in de samenstelling van aminozuren. Dat komt omdat een eiwit pas functioneel is als het voldoet aan de volgende voorwaarden:
- Het moet in een specifieke vorm (3D) gevouwen zijn, die afhankelijk is van de aminozuursamenstelling. Die ruimtelijke structuur moet stabiel, dat wil zeggen voor langere tijd kunnen bestaan.
- Aan de buitenkant van het gevouwen molecuul moet een specifieke actieve plaats aanwezig zijn met een specifieke volgorde van aminozuren. Deze heeft ook weer een bepaalde ruimtelijke structuur die afhankelijk, is van de aminozuren. De actieve plaats bepaald of een eiwit biologisch actief is of niet.
Uit de huidige kennis van eiwitten blijkt dat slecht door een enkele verandering van de samenstelling van aminozuren de ruimtelijke structuur van het totale eiwit of van de actieve plaats verloren gaat. Functionele eiwitten zijn daarom waarschijnlijk zeer zeldzaam.
HET RECEPT VOOR EEN HELE CEL.
Als we het nog niet opgegeven hebben, zijn hier nog wat zaken die ook op lijstje staan van het recept voor leven. We hebben voor de eenvoudigste cel behalve de 100 functionele eiwitten duizenden soorten nucleïnezuurmoleculen die moeten gaan zorgen voor de informatiedrager van leven: het DNA. De stap van allerlei soorten macromoleculen, die in chemische reacties wel of niet samenwerken, naar een levende cel is oneindig groot.
DE INFORMATIEDRAGER EN DE INFORMATIE
De uitkomsten van deze test dwingt ons na te denken over de vraag waarom het leven zo verschilt van dode chemie. Waarom kunnen we nog geen cel nabouwen, daar waar een cel slechts enkele uren nodig heeft voor een celdeling? Allemaal, vragen die beantwoord worden door te letten op de informatie die ligt op de informatiedrager. Daarmee worden processen gestuurd en zijn ze niet afhankelijk van toeval.
De informatie, de gegevens voor vorm en functie van alle onderdelen van een levend organisme, is in code in de kern van elke cel vastgelegd, net 20a1s gegevens in het geheugen van een computer in code, computertaal, worden opgeslagen. De code bestaat uit 4 verschillende moleculen (nucleotiden), die in groepjes van drie moleculen een soort letters vormen. Het totale alfabet dat hiermee gemaakt kan worden bestaat uit 43 = 64 letters.
In de kern elke cel vind je een aantal lange DNA-moleculen, die in paren twee aan twee in spiraal gewonden zijn en zo de chromosomen vormen. Het aantal en de vorm van de chromosoomparen verschilt per levensvorm. Stukjes van een chromosoom worden genen genoemd (net als de bestanden in het geheugen van een computer) en al deze genen samen bevatten de informatie om een organisme te laten groeien, zich in stand te houden en zich voort te planten.
Voor leven zijn niet de DNA-moleculen op zich essentieel, maar wel de informatie die erin is vastgelegd. Als we alle losse moleculen, waaruit een levende cel bestaat, bij elkaar in een reageerbuis doen, hebben we nog geen levende cel, zelfs geen dode.
Aan de hand van de gegevens, die zijn opgeslagen in de kern, en ook gegevens, die steeds binnenkomen, worden de activiteiten van de cel gecoördineerd: er wordt besloten van welke stoffen de productie gestart, opgevoerd, verminderd of gestaakt moet worden. De opdrachten van de kern aan de rest van de cel worden doorgegeven met behulp van kopieën van stukjes DNA, die boodschap KNA worden genoemd. Een RNA-molecuul kan ook wel de bouwtekening voor een eiwitmolecuul worden genoemd. Het EWA gaat namelijk van de kern naar het endoplasmatisch reticulum (het fabriekscomplex), waar de ribosomen (Speciale machines) het RNA als matrijs voor het maken van eiwitmoleculen gebruiken. De ribosomen zijn wonderen van biochemische techniek. Ze bestaan uit ongeveer 50 grote moleculen, meest eiwitten, tezamen met zon 1 miljoen atomen. Deze ribosomen kunnen ieder eiwit maken waarvoor het bouwplan door het OMA via het RNA aangeleverd wordt. De aminozuren, waaruit de eiwitten opgebouwd worden, worden door speciaal transport RNA opgehaald uit het celplasma.
De verschillende soorten eiwitten die geproduceerd worden hebben belangrijke functies in de cel. Hun voornaamste taak is het regelen van de aanmaak van allerlei stoffen, die nodig zijn voor de opbouw en het in stand houden van leven.
Het essentiële kenmerk van leven is nu dat de informatie op het DNA geschreven is in een taal die gesnapt wordt door de rest van de cel. Als het DNA opdrachten zou versturen die niet begrepen kon worden door de rest van de cel, zou de cel niet kunnen bestaan. Omgekeerd krijgt het DNA ook feedback van cel welke stoffen er aangemaakt moeten worden. Ook hier is het van belang dat het DNA begrijpt wat er aan de hand is in de cel.
DNA- en RNA-moleculen krijgen dus pas een functie als ze wezenlijke informatie bevatten en wanneer ze in een omgeving zitten (een levende cel!) die de informatie ook snapt.
Wat zijn afspraken waard in onze maatschappij? Een rood stoplicht betekend voor ons stoppen. Hadden we dat niet afgesproken dan zou het verkeer een grote chaos worden. Afspraken worden niet door 1 persoon gemaakt. Die maken we met elkaar. En daar ligt nu het probleem voor de evolutie van leven.
Een door toeval ontstaan stuk DNA heeft een code, die geen biologische activiteit opwekt. Wil een stuk DNA de informatie voor de aanmaak van een ribosoom of een celwand bevatten, dan zal dat allemaal door toeval moeten gebeuren. Er kan nog steeds niet gebruik gemaakt worden van de informatie waar leven normaal wel over beschikt.
EEN PROTOCEL ZONDER ERFELIJKE INFORMATIE
In het verleden is er door verscheidene onderzoekers gewerkt aan modellen die uitgaan van een soort protocel, zonder dat daarvoor het erfelijke mechanisme aanwezig was. Eiwit- of vetbolletjes bleken in een waterige oplossing voor een tijdje stabiel. In die bolletjes konden zich door kansmatige processen de juiste organische stoffen verzamelen. Het probleem van deze modellen is echter dat op moment dat de bolletjes weer in oplossing gaan alle stoffen verloren raken. Er is geen celdeling mogelijk zoals bij leven, waar alle informatie overgedragen wordt op de dochtercel gen.
Het probleem is dus de informatiedrager. Dat is in het leven het DNA. dat in de kern van een cel zit. Daarop staat al de informatie die nodig is voor het goed functioneren van de cel en de reproductie van die cel.
Zou je eenmaal een stuk DNA hebben, dan wordt het allemaal veel gemakkelijker, omdat dan de door toeval verkregen goede verbeteringen in het DNA bewaard en doorgegeven worden aan dochtercellen Je kunt het vergelijken met je geheugen. Omdat je weet dat vuur pijn doet aan je vingers, raak je het niet aan. Zou je geen geheugen hebben, dan brandt telkens weer je vingers, omdat je oudere ervaringen vergeten hebt Terugkerend naar het ontstaan van leven moeten we dus vaststellen dat de kans op het spontaan van leven zo klein is, omdat er geen informatiedrager is. waardoor foute, niet werkbare combinaties onthouden kunnen worden. Dat leidt er toe dat telkens weer alle mogelijkheden afgelopen moeten worden. Laten we dat nog eens illustreren aan de hand van de laatste ontwikkelingen op het gebied van het evolutiemodel.
ONEERLIJK SPEL
Je kunt je natuurlijk niet aan de regels van het spel houden en wel gebruik maken van brokstukken van leven. De bekende biochemicus prof. Manfred Eigen is zo iemand. Hij gaat zonder meer uit van een spontaan ontstaan van leven uit materie. Men zegt dat hij voor zijn werk de Nobelprijs zal krijgen. Laten we eens kijken wat hij te zeggen heeft.
Eigens evolutiemodel verwacht dat er in de oersoep in eerste instantie een energiecrisis is geweest: de eerste levensvormen moesten namelijk energie uit moleculen in hun omgeving kunnen halen. Dergelijke moleculen moeten op de een of andere manier zijn ontstaan.
Op een gegeven moment ontstonden kleine ketens van RNA (in leven wordt door RNA-moleculen de informatie op DNA gelezen en zo gebruikt als matrix voor de vorming van eiwitten). Deze ketens werden op de een of andere manier geselecteerd op zowel de juiste spiegelbeeldvorm (stereochemie) als de aanwezigheid van de juiste (kovalente) bindingen om lussen te vormen, waardoor ze minder snel weer afgebroken zouden worden. Degenen die bovendien de juiste nucleotiden bezaten konden zichzelf repliceren (kopiëren). Daarmee waren ze tegelijkertijd de informatiebron voor replicatie en ook de te repliceren matrix. Deze beide zaken, informatie en functie, konden niet apart evolueren, maar moesten wel tegelijk ontstaan.
Tot zover het verhaal van Eigen. Hij gaat er dus vanuit dat de energiecrisis van de eerste moleculen overwonnen is, en dat het ontstaan van RNA met daaraan verbonden het verzamelen van de benodigde informatie geen probleem was. Deze aanname is volledig ongegrond, als we juist door deze proeven overtuigd moeten raken van de eerste stappen van evolutie. Met name de vorming van erfelijk materiaal, dat door ervaring goede informatie kan verzamelen en doorgegeven aan het nageslacht is het essentiële probleem voor een evolutionist. Voor de vorming van een informatiedrager is informatie nodig. Is er eenmaal zon informatiedrager dan heeft een evolutionist het een stuk makkelijker.
De eigenlijke experimenten van Eigen gaan uit van de aanwezigheid van RMA of door leven gemaakt eiwit. Uit zijn proeven blijkt dat leven een aantal interessante eigenschappen bezit. Normaal maakt het ribosoom met behulp van de informatie van RNA de benodigde eiwitten voor een cel. Nu bleek echter dat 1 van de geproduceerde eiwitten, een enzym dat het proces van het kopiëren van DNA naar RNA versnelt, ook zonder de aanwezigheid van DNA of RNA het RNA te maken. Verder repliceerde het RNA in de aanwezigheid van de moleculen waaruit het opgebouwd is, de nucleotiden, ook zichzelf.
Dat ging weliswaar heel langzaam, maar bij toevoeging van lood en zink verliep allemaal veel sneller.
In een omgeving met veel RNA-moleculen trad selectie op van die moleculen die zich het meest efficiënt konden repliceren (wat betreft snelheid en nauwkeurigheid). Een bepaald, zichzelf replicerend RNA-molecuul wordt een quasi-species genoemd. Als een aantal quasi-species samenwerkt, bijvoorbeeld doordat ze elkaars replicatie bevorderen met enzymen waarvoor ze in code de informatie bevatten, is een hypercycle gevormd.
Het oneerlijke spel van Eigen is dus dat hij experimenteert met al bestaande stukken leven. Kanstechnisch zullen deze moleculen nooit vanzelf ontstaan. Als ze er eenmaal zijn is er de theoretische mogelijkheid dat er door trial and error informatie vergaard wordt.
In de praktijk zal het echter niet meevallen. Laten we nog eens teruggaan naar de analogie van de cel: een maatschappij. Wat is een computer waard zonder de fabrieken en machines? Wat valt er te doen zonder energiecentrales? Waar laten we ons vuil zonder ophaaldienst? Hoe kwetsbaar is een land zonder grenzen? Het huidige leven laat zien dat er niets voor niets is: alles heeft een functie, en bij een gebrekkig functioneren van 1 bepaald onderdeel komt het totale organisme in gevaar.
DE UITDAGING
Iedere menselijke prestatie, van het ontwerpen en produceren van een nieuwe auto, vliegtuig, computer tot het volbrengen van een geslaagde ruimtereis vervult de mensen die er aan meegewerkt hebben met trots. Ze hebben het maar gepresteerd, en iedereen die door vaktijdschriften of TV deelgenoot wordt van deze wonderen van techniek is vol bewondering voor deze demonstratie van menselijk vernuft.
Als het om het ontstaan van leven gaat hebben we echter heel wat minder ontzag. We denken dat dit zomaar vanzelf gaat, voor leven leggen we kennelijk andere maatstaven aan, terwijl steeds duidelijker wordt dat leven ondubbelzinnige gelijkenis vertoont met onze moderne technologie, zoals uit onze reis door een cel al eerder bleek. Juist de groeiende kennis van het leven en de voortgaande technische ontwikkeling brengen steeds weer overeenkomsten aan het licht. Twee voorbeelden:
In ons oog wordt het licht opgevangen door het netvlies. Nog voor het wordt omgezet in een binaire code voor de hersenen vindt er al een dataprocessing van visuele informatie plaats. In de hersenen wordt dit proces voltooid door speciale cellen, die tal van vormen herkennen. Onlangs bleek bij apen dat een individuele activiteit van neuronen in een bepaald deel van de hersenen opgewekt kon worden door 100 specifieke gekleurde fractals, liet zien, de bewerking van signalen en de bewustwording ervan, is een onbegrepen wonder. De prestaties van leven krijgen ook hier weer extra reliëf door de problemen die wij mensen hebben met dataprocessing van visuele gegevens. Bij het ruimteonderzoek moeten geleerden een zelfde soort problemen oplossen bij het interpreteren van waarnemingen uit het heelal. Denk ook eens aan de Iranese en Koreaanse passagiersvliegtuigen die per ongeluk naar beneden werden gehaald door een foute interpretatie van radargegevens.
Toen de Russen de maan verkenden hebben ze gebruik gemaakt van het voertuig de LUNAKOD. Het bijzondere van dit wagentje was dat het geen wielen maar poten had, waardoor leek op een grote mier. Het voordeel van deze constructie was dat men zich gemakkelijk op oneffen terrein kon voortbewegen. Een gewone mierenpoot bleek plotseling een enorme technische uitdaging te zijn. En niet minder het ingewikkelde computerbesturing systeem voor een goed geïntegreerde voortbeweging met alle poten.
Om de prestaties van leven nog wat duidelijker te maken voor hen die niet overtuigd zijn, stel ik voor om een wedstrijd te houden en de technische prestaties van de mens en die van het leven met elkaar te vergelijken. De wedstrijd zal over een aantal onderwerpen gaan.
DE SNELSTE
Er zijn in een cel 10 biljoen atomen. Als we als mens een cel zouden nabouwen, en we gaan uit van 1 atoom per minuut, dan kost dat een mens 50 miljoen jaar. Als we de natuur nadoen kunnen we gebruik maken van kleine moleculen, dat zijn een aantal atomen samen, dan kost het ons 5 miljoen jaar. We kunnen de zaak nog versnellen door veel voorkomende moleculen te kopiëren. Daarmee kunnen we 3/4 van de massa van de cel snel maken, maar de resterende kwart bestaat uit moleculen die maar één of twee maal voorkomen. We zouden nog altijd 1 miljoen jaar nodig hebben.
Als we ons beperken tot 1 bepaalde stof dan kan de cel in minder dan 1 seconde de meest ingewikkelde moleculen maken, terwijl een organisch-chemicus uren tot weken nodig kan hebben. Het geheim van de cel zijn de enzymen, biologische katalysatoren, en die sublieme chemische fabriek, het ribosoom.
DE VEELZIJDIGSTE
Dat ingenieuze ribosoom kan een verscheidenheid aan producten maken. Ondoordringbare materialen voor een huid of bast contractie-elementen voor spieren, materialen voor de stevigheid van houtcellen, doorzichtige producten voor de lens van een oog. Het resulteert in een enorme variatie aan eindproducten, van hersenen van de mens tot een reusachtige boom als de Sequoia. Een belangrijke keuze daarbij is de keuze geweest van eiwitten in het productieproces.
DE MINSTE RUIMTE
De ruimte die de cel nodig heeft voor deze unieke prestaties mag ook opvallend genoemd worden. In een cel zijn 100.000 unieke functionele eiwitten, die op zich ook weer uit zon 1000 atomen bestaan. Dat alles bevindt zich in 4000 c. De beste menselijke prestaties verbleken daarbij. Neem het ingenieuze Viking laboratorium, dat leven op Mars moest opsporen. In 1016c bevonden zich 40.000 functionele componenten. Dat is vergeleken met een cel 1013 zoveel ruimte voor minder componenten.
ZELFVOORZIENING ENERGIE
Het opwekken van energie is een brandend probleem voor de menselijke beschaving en zal in de toekomst groter worden. Veel grondstoffen die we nu nog gebruiken, zoals kolen olie en gas, zijn producten van leven. Onze eigen uitvindingen als kernenergie en zon-, water-, en windenergie zullen om uiteenlopende redenen onze toekomstige energiebehoefte niet dekken. Kernfusie lijkt veelbelovend, maar we kunnen dit proces nog steeds niet in de hand houden. Leven is, in tegenstelling tot de mens, wel in staat om goed gebruik te maken van de zonne-energie. Als enige is zij in staat om zonne-energie om te zetten in suikers, die als brandstof voor al het leven op aarde dienen de ingenieuze chloroplasten in algen, planten en bomen zijn verantwoordelijk voor de energiebehoefte van al het leven op aarde, inclusief het menselijke leven. De chloroplasten zijn ook direct verantwoordelijk voor de fossiele brandstoffen, die we als menselijke beschaving in recordtijd opstoken.
VOLAUTOMATISCH
Automatisering en robots zijn een sleutelbegrip in een moderne menselijke bedrijfsvoering, toch steken de menselijke prestaties op dit gebied maar povertjes af bij wat een cel presteert. We kunnen relatief eenvoudige dingen nog slechts gedeeltelijk automatiseren, terwijl de cel alle componenten, tot de meest ingewikkelde, zelf maakt.
EEN THEELEPELTJE INFORMATIE
Mensen slaan informatie al eeuwen op in boeken. De geschreven informatie begon bij de kleitabletten. Pas in de eeuw van de computer hebben we meer efficiënte methoden ontwikkeld: microfilms, tapes, floppy disks, hard disk en als laatste de optische laser disk. We ontwikkelden kunstmatige binaire talen voor de opslag op de nieuwe informatiedragers. In 1958 ontdekten Francis en Crick de biologische informatiedragers, het DNA. Door codons met drie basen legt het leven haar informatie vast. Inmiddels is duidelijk dat onze prestaties werkelijk niets voorstellen vergeleken met die van leven. Hen verwacht de biochemische opslag van informatie dé technologie van de toekomst zal worden en die van plastics en metaal zal vervangen. Reken maar eens mee om de informatie van een mens te kunnen opslaan is minder dan één duizend miljoenste gram DNA nodig. Voor al de soorten van leven die ooit op de aarde hebben geleefd, is minder dan een theelepeltje DNA nodig, en dan is er nog genoeg ruimte over voor alle boeken die ooit geschreven zijn. Dit slaat natuurlijk alles. Niet voor niets is de biochemische methode van informatie opslag al dé techniek van de toekomst genoemd.
Misschien is het nog niet helemaal duidelijk hoeveel bytes aan informatie dat theelepeltje DNA wel niet bevat. Men schat aan de hand van de hoeveelheid DNA dat voor hogere organismen l miljoen genen nodig zijn. Ieder gen bestaat uit gemiddeld 1000 nucleotiden. Ook al zou maar een tiende daarvan echt bepalend zijn voor specifieke eigenschappen, dan praten nog over totaal 100 miljoen bytes aan informatie. Maar dat slechts het minimum. Want het leven kent op diverse niveaus nog een extra bron van informatie. Ten eerste recombineren genen zich door zich te splitsen en dan weer samen te gaan met andere genen, verder blijkt dat de DNA code, een lineaire code zoals onze taal, nog een tweede betekenis kan hebben. Normaal wordt het DNA per drie base paren afgelezen, de zgn. codons. Hoewel de codons vast liggen en niet veranderen blijkt dat ze wel anders afgelezen kunnen worden, b.v. bij het tweede basenpaar. In onze taal zou dat er als volgt uitzien:
Normale regel: Ik loop naar huis.
Alternatieve manier: I kloo pnaa rhui s.
De letters blijven dus in de zelfde volgorde, alleen de woorden verschuiven allemaal 1 letter naar achteren. De alternatieve manier betekent natuurlijk niets, en het zou je heel wat moeite kosten om een zin te bedenken die door meerdere startpunten meer zinvolle informatie zou bevatten. Het is ongelofelijk dat iets dergelijks kennelijk gerealiseerd is in het DNA. Verder blijkt dat allerlei controlefuncties voor het aflezen van DNA, zoals stoppen, en starten, of overspringen naar andere genen, ook ingebed zijn in het DNA van het gen zelf. Bij menselijke informatica zou dat ervoor af achter gebeuren. Ook de eiwitten, die op basis van de DNA informatie door het ribosoom gemaakt worden vertonen op dit punt hoogstandjes. Wat te denken van een eiwit, dat nadat het gebruikt is als b.v. enzym, uiteenbreekt in twee stukken, die ieder ook weer op een speciale manier gebruikt kunnen worden. Deze vorm van gebruik kennen zelfs niet eens in onze menselijke techniek. Dat alles heeft tot gevolg de hoeveelheid genen voor b.v. hogere levensvormen veel meer dan een miljoen bedraagt. En dat moet ook wel gezien b.v. de mogelijke consequenties van hersenonderzoek. Het aantal zenuwcellen in onze hersenen is 10 miljard. Die hersencellen hebben ieder 10.000 tot 100.000 verbindingen met andere cellen. Er zijn aanwijzingen dat voor speciale verbindingen speciale biochemische markeringen nodig zijn. Die moeten dan genetisch vastgelegd worden. Als iedere verbinding een markering en dus een gen nodig heeft, zou het aantal genen voor alleen deze informatie al 1015 belopen.
INTELLIGENTIE OF STOMME REKENWERK
Als je af zou gaan op populair wetenschappelijke literatuur, dan krijg je het idee dat we de computer, die zich kan meten met de menselijke hersenen al uitgevonden hebben. De optimistische planningen van tal prestigieuze projecten moet echter drastisch bijgesteld worden. Centraal staat de ontdekking dat onze huidige generatie computers met een centrale processor en een gescheiden geheugen in de verste verte niet lijkt op de structuur van de hersenen. Een nieuwe 5e generatie computers zijn de parallelle computers. Ze zijn opgebouwd uit talrijke processoren die elk hun eigen geheugen hebben. De processoren zijn door een netwerk van verbindingen met elkaar verbonden. Door het voorafgaande zal duidelijk geworden zijn dat dit precies de opzet is van de hersenen. Het blijkt dat het ontwikkelen van deze machine en de programmas die erop moeten draaien uiterst gecompliceerd is. Een firma als IBM heeft de deze ontwikkelingen zelfs lange tijd genegeerd en is pas onlangs teruggekomen op dit besluit. In 1981 besloot Japan tot een 10 jaren project, waarbij doormiddel van de 5e generatie computers met parallelle processoren Japan het voortouw zou nemen in kunstmatige intelligentie. Na 7 jaar is nu al duidelijk dat project niet aan de verwachtingen zal voldoen: ondanks de vooruitgang worden de gestelde doelen bij lange na niet gerealiseerd. Ook de TH in Delft meende een wetenschap met de schaakmeester Hans Bohm te moeten aangaan. Over 1 jaar loopt de weddenschap af en dat zal de schaakcomputer niet de vereiste 2600 ELO rating hebben. Wat de computer wel zal kunnen: het stomme rekenwerk. Maar het aantal mogelijke zetten in een schaakspel is zo groot, dat je daar alleen in het eindspel iets aan hebt. De enige manier om het rekenwerk terug te brengen is om een intelligent algoritme in het programma te stoppen... een product van menselijke intelligentie.
DE PERFEKTE MACHINE
Aan het begin van deze eeuw was er een beroemde wiskundige, John Von Neumann, die de ideale machine wou ontwerpen. Mij kwam tot de conclusie dat het een machine zou moeten zijn die zichzelf kon reproduceren: de zelf reproducerende automaat van Von Neumann. Hij realiseerde zich echter dat er bij de reproductie zoveel fouten gemaakt zouden worden dat de machine ook in staat zou moeten zijn om fouten op te sporen en te herstellen. Hij kwam tot de conclusie dat er geen menselijke machine was die aan die eisen kon voldoen, maar dat leven wel voldeed aan deze specificaties, zoals we gezien hebben kon leven zich reproduceren. waardoor het zich onderscheid van dode materie. Maar ook de controle en het herstel zijn perfect geregeld bij het leven.
Bij groei en voortplanting wordt alle informatie, die in code vastligt op de chromosomen, gekopieerd. Dat gebeurt zo nauwkeurig, dat, als we het vergelijken met het overschrijven van een boek, er niet meer dan 1 foute letter per 10 miljard letters in de kopie te vinden zal zijn. Om dit te bereiken heeft het kopieerapparaat van de cel een redacteur", die de selectie van de letters controleert, een tweede redacteur, die de laatst toegevoegde letter steeds controleert, en een reparateur die de kopie naloopt en eventuele foute letters vervangt door goede.
ONTWERP OF TOEVAL
We hebben de wedstrijd verloren. Het leven is ons nog steeds de baas, al onze machines ten spijt. Laten we daarom eens stilstaan bij de betekenis van de vergelijking die we kunnen maken tussen onze machines en die van de natuur. Volgens Palcy, een engelse theoloog uit het begin van de vorige eeuw, vinden we het vanzelfsprekend dat een horloge gemaakt is door een horlogemaker en niet door wind en regen. Hij vond dat leven een gelijkenis vertoonde met machines, en daarom een product was van ontwerp en intelligentie. David Hume, een filosoof die leefde aan het einde van de 18e eeuw, deed dit argument af met de redenering dat leven maar oppervlakkig leek op een machine maar in werkelijkheid nog steeds natuurlijk was. Pas in deze eeuw is uit het biochemische onderzoek gebleken dat leven op moleculair niveau wel degelijk de gelijkenis vertoont van een machine. Daarmee werd de vraag naar ontwerp en een ontwerper weer actueel, ook al durft de bekende evolutionist Richard Dawkings te spreken van een blinde horlogemaker, als praat over het evolutieproces. Wij hebben echter niet zoveel vertrouwen in een blinde horlogemaker. Door de wetenschap 15 het begrip ontwerp altijd gezien als een theologische aanname die niet thuishoort in de wetenschap. Maar er is een essentieel verschil tussen een aanname en een conclusie. De gedachte van een ontwerp van leven is een conclusie, gebaseerd op de analogie van leven en machines. Die conclusie kan religieuze implicaties hebben: een ontwerp heeft nu eenmaal een ontwerper. In de wetenschap is het idee van een God niet erg populair. God is niet waar te nemen, niet te testen, en valt daarom buiten de wetenschap. We hebben het al eerder over de schuldvraag gehad, de beperkingen van de wetenschap of de huidige openbaring van God aan ons. Maar er zijn wetenschappers die in het licht van al het overweldigende bewijsmateriaal voor ontwerp van leven toch gaan zoeken naar een voor hen acceptabele definitie van God. Sir Fred Hoyle, een bekent astronoom heeft het zo geformuleerd: God is een wiskundige waarschijnlijkheid. De ongelofelijk kleine kans van evolutie brengt hem tot deze wetenschappelijke uitspraak, een mijlpaal in de historie van de natuurwetenschap. Hoyle is overigens geen overtuigde scheppingsaanhanger. Hij denkt dat leven uit de ruimte is gekomen, omdat volgens hem evolutie hier op aarde nooit kan hebben plaatsgevonden. De vraag is natuurlijk waar anders in het heelal dit kan plaatsvinden. We hebben in het vorige programma al gezien dat de aarde voor het leven een eenzaam paradijs is in het heelal. De wetenschappers die zoeken naar buitenaards leven hebben overigens nog een aardige aanname gemaakt. Sagan, een bekende en populaire publicist en overtuigd evolutionist, heeft de aanwijzingen voor ETI, buitenaards intelligentie, als volgt gedefinieerd: Als hij radioboodschappen met een bepaalde lineaire code kan detecteren, dan is dat een aanwijzing voor intelligentie. Haar dat is nu precies de boodschap van het DNA. Als Sagan zijn telescoop zou verruilen voor een elektronenmicroscoop, dan zou hij kunnen ontdekken dat DNA precies de sequentiële informatie bevat, die wijst op de intelligentie waarna hij zoekt.