Stuart Kauffman's comeback

At Home in the Universe.
The Search for Laws of
Self-Organization and Complexity.

Toen ik in 1998 het boek At Home in the Universe. The Search for Laws of Self-Organization and Complexity van Stuart Kauffman las, was ik diep onder de indruk (zie mijn review). Hij kwam op mij over als een genie die zowel een volstrekt originele theorie over het ontstaan van het leven had als ook nog zinnige kritiek had op het Darwinisme. Hij had een theoretisch model ontwikkeld dat gebaseerd was op een systeem van zichzelf catalyserende chemische reacties. En die had hij uitgebreid onderzocht met computer simulaties. Hij had daarbij wiskundige wetmatigheden ontdekt in netwerken van elkaar beïnvloedende chemische reacties. Hij ging uit van de –niet onredelijke– veronderstelling dat chemische stoffen door toeval de synthese van elkaar kunnen stimuleren. Hij gebruikte daarbij niet de bekende stoffen zoals stikstof, methaan, water, kooldioxide, etc maar abstracte verbindingen A, B, C, D.  De reden was dat hij een zo universeel mogelijke theorie wilde ontwerpen, die niet afhankelijk was van de toevallige chemicalieën waar het leven op aarde mee werkte. En die misschien wel niet essentieel waren voor het leven. Bottom-up werken. Niet toewerken naar organismen zoals we die nu kennen. Als je Kauffman wilt plaatsen dan zou je hem kunnen vergelijken met een mathematisch bioloog als Martin Nowak ('Evolutionary Dynamics: Exploring the Equations of Life'; en 'Super Cooperators. Evolution, Altruisme and Human Behaviour').

Kauffman ontdekte dat wanneer je een grote diversiteit van willekeurige eenvoudige chemische basisstoffen als uitgangspunt neemt, je dan kunt berekenen dat de kans zeer groot is dat er een netwerk ontstaat waarbij het ontstaan van iedere aanwezige chemische stof bevordert wordt door een andere stof in het netwerk. Met andere woorden: een netwerk dat zichzelf in stand houdt. Een netwerk dat niet uitdooft. Kauffman kon met wiskundige zekerheid aantonen dat er onder specifieke omstandigheden een stabiel netwerk ontstaat. Het waren vooral de 'uit het niets' opduikende reproduceerbare wetmatigheden en de wiskundige zekerheid die diepe indruk op me maakten. Order for free was de slogan die de lading zondermeer dekte. Kauffman had iets te pakken. Dat voelde je gewoon. Hij had een nieuwe wetmatigheid ontdekt. Het was maar een kleine gedachtenstap om die stabiele chemische netwerken te interpreteren als de eerste levensvormen. Er was geen wonder nodig, alléén berekenbare statistische wetmatigheden. Het klinkt te goed om waar te zijn, maar het is nog niet alles.

Kauffman had een wiskundige model voor het ontstaan van het leven ontwikkeld dat niet afhankelijk was van allerlei zeer specifieke chemische stoffen die we nu in levende wezens aantreffen zoals DNA, RNA, of ATP. Dat was een interessant resultaat omdat niemand wist hoe DNA of RNA uit eenvoudige bouwstenen gesynthetiseerd konden worden zonder hulp van enzymen (enzymen komen alleen voor in levende organismes). Je kunt dus niet beginnen met DNA en enzymen. Er moet iets vooraf gegaan zijn aan DNA, maar wat? Bovendien was de hele biologische gemeenschap in 1953 na de ontdekking van DNA door Watson en Crick er van overtuigd dat DNA de secret of life was. En dus: dat DNA gewoon aan de basis van het leven moest staan. Alleen niemand wist hoe. Kauffman was eigenwijs en deed het zonder DNA! Nog 'erger': zonder ook maar één chemische stof te noemen! Bottom-up. In theorie. Op de computer. De enige grote open vraag was of het in de praktijk zou werken. Omdat er in zijn boek vrijwel geen concrete chemische voorbeelden stonden en ik die graag in mijn review wilde opnemen, vroeg ik hem daarom per email. Hij gaf een paar veelbelovende chemische experimentele resultaten van andere onderzoekers. Die nam ik gretig op in mijn review. Toen bleef het 16 jaar stil rondom Kauffman en zijn theorie.

Tot er in december 2011 een groot artikel Approaches to the Origin of Life on Earth van zijn hand verscheen in het eerste nummer van het nieuwe open access wetenschappelijke tijdschrift met de verpletterende eenvoudige naam Life. Ik kan iedereen die zich wel eens heeft afgevraagd hoe het leven ontstaan is, dit artikel aanbevelen. Zeker als je wel eens van Kauffman hebt gehoord. Ik vond het artikel een belevenis. Kauffman geeft daarin in vogelvlucht een leesbaar overzicht van de verschillende manieren waarop Origin of Life onderzoekers het probleem aangepakt hebben plus een analyse  van de goede en minder goede kanten van zijn eigen model. Tot mijn grote genoegen vond ik dat Kauffman een bezwaar noemde die ik in mijn review ook noemde, nl. de kans dat reacties elkaar zouden remmen in plaats van bevorderen. Dat zou roet in het eten gooien. Het netwerk zou uitdoven en er zou geen leven ontstaan. Het artikel is nuttig omdat het de wetenschappelijke ontwikkelingen sinds At Home in The Universe kort samenvat. Het is een soort Nawoord na 16 jaar. Ook valt op dat hij oplossingen van anderen (membranen) integreert in zijn model die eigenlijk geheel los staan van zijn eigen model. Dat is een soort impliciete erkenning dat je niet alle eigenschappen van het leven kunt afleiden uit zijn oorspronkelijk theoretisch model.

Reinventing the Sacred

Investigations

Ik vertelde hierboven dat het stil werd na het verschijnen van At Home. Dat is niet helemaal waar. Hij heeft in de tussentijd twee boeken gepubliceerd (zie hiernaast). Eén van die twee boeken, Reinventing the Sacred: A New View of Science, Reason, and Religion is waarschijnlijk interessant voor gelovigen, zoals al uit de titel is op te maken. Ik zag die twee boeken als voortborduren op zijn eerste en laat ze hier verder buiten beschouwing. Ik zat te wachten op empirische ondersteuning van zijn theorie. Als die er waren hadden ze zeker in de bekende wetenschappelijke tijdschriften verschenen moeten zijn. Zoals blijkt uit zijn overzichts artikel in Life zijn er wel nieuwe experimentele resultaten gepubliceerd en er zijn nog meer te verwachten in een paper die hij (samen met anderen) aangeboden heeft aan PLOS One [1]. Het had al verschenen moeten zijn (2011!). Ik verwacht daar veel van, maar natuurlijk niet dat het probleem van het ontstaan van het leven opgelost wordt. Dat zou naief zijn. Wel dat er belangrijke en interessante resultaten in te vinden zijn die openstaande deelvragen oplossen. Zodat we beter inzicht krijgen in de vraag of de autocatalytic sets van Kauffman levensvatbaar zijn!


Noten

1. Fernando, C.; Vasa, V.; Santos, M.; Kauffman, S.; Szathmary, E. 'Spontaneous formation and evolution of autocatalytic sets within compartements'. PLoS one 2011, submitted.

Postscript 9 Feb 2012:
Het bovengenoemde artikel is verschenen op 5 January 2012 in Biology Direct onder de titel Evolution before genes en is een Open Access artikel.

• Facebook
• Twitter
• StumbleUpon
• Digg
• Delicious
• Reddit
• Technorati