biologie

Computergegenereerd beeld van de koude woestijn van proxima Centauri b. Bron: SpaceEngine

Bevinden buitenaardsen zich in een winterslaap?

In een recente publicatie van futuroloog Anders Sandberg en exobioloog Milan Ćirković opperen de twee denkers een nieuwe verklaring voor de Fermi Paradox. Aliens houden zich schuil, omdat ze daarmee energie sparen voor de toekomst. Is dit inderdaad een waarschijnlijke verklaring?

De toekomst als energie-walhalla
Het heelal zet uit, en dit (althans volgens de huidige stand van inzicht), steeds sneller. Op het eerste  gezicht lijkt dit uitermate slecht nieuws voor een beschaving op kosmisch niveau. Energiebronnen, zoals sterren en gaswolken, raken steeds verder van elkaar verspreid. Daardoor zijn op een gegeven moment alleen de lokale galactische supercluster, voor de beschaving te benutten. De rest verwijdert zich sneller dan de lichtsnelheid van hen af.

Toch heeft dit toekomstige heelal een erg aantrekkelijke kant. Het is erg koud. Op dit moment is de achtergrondstraling 2,7 kelvin. In de echt verre toekomst (we praten dan over duizenden miljarden jaren na nu) is deze achtergrondtemperatuur enkele nanokelvins. Dat is erg fijn, want dan kan je veel meer entropie dumpen dan nu. En wel hierom.


Fotonen bevatten per foton dezelfde hoeveelheid informatie, maar een verschillende hoeveelheid energie. Dat betekent dat je met 2 elektronvolt één lichtfoton kan maken, maar duizenden radiofotonen. Heb je een computer die zijn entropie met deze radiofotonen kan dumpen, dan kan deze per kilowattuur energie duizenden malen meer berekeningen uitvoeren dan een computer die zijn entropie met lichtfotonen dumpt. Hoe lager de kosmische achtergrondtemperatuur, hoe minder energie fotonen hoeven te hebben om entropie mee te dumpen. Met andere woorden: computers worden in de verre toekomst veel zuiniger dan nu.

Deze aliens hebben hun lichaam verlaten, maar bestaan slechts in een virtuele wereld, als informatie. Zo kunnen ze in de verre toekomst veel zuiniger leven dan wij nu. De redenen dat we weinig van aliens merken, aldus deze theoretici, heeft alles met thermodynamica te maken. Tot de omstandigheden elders in het heelal beter, lees: veel kouder worden, zouden ze zich schuilhouden rond de enorme, zeer koude, zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, waarin de supercomputers waarin ze leven hun entropie kunnen dumpen. Thermodynamisch gezien is er geen speld tussen te krijgen. Maar hebben ze gelijk?

Probleem: exopolitiek en de Singulariteit
De winterslaap is ook op aarde een geliefde overlevingsstrategie onder dieren om de ongunstige winteromstandigheden in koude gebieden te overleven. Echter; een geavanceerde beschaving is geen dier. De voornaamste existentiële bedreiging voor een buitenaardse beschaving is niet de kosmische winter, maar een andere buitenaardse beschaving op een superieur technisch peil. Vraag de nakomelingen van de Inca’s en de Azteken maar. Om een superieur technisch peil te bereiken, moet de exobeschaving veel energie verbruiken voor wetenschappelijk onderzoek. In ieder geval in de eigen galactische supercluster moet de beschaving er zeker van zijn dat er geen concurrerende beschavingen zich ontwikkelen, die hun beschaving de kant van de Azteken en Inca’s op laat gaan.

Het venster waarbinnen concurrerende beschavingen kunnen worden waargenomen tot het moment dat ze een Singulariteit doormaken – het punt waarop machines slimmer worden dan biologische wezens en de collectieve intelligentie explodeert – is naar kosmische maatstaven klein: ongeveer 150 jaar. In principe zal een geavanceerde beschaving daarom in elk planetenstelsel waarbinnen zich mogelijk hogere levensvormen kunnen ontwikkelen,  luisterposten inrichten, zodat een gevaarlijke bedreiging in een vroeg stadium uitgeschakeld kan worden, dan wel geïntegreerd in een intergalactische federatie voor zich deze gevaarlijke en onvoorspelbare technologische singulariteit ontwikkelt.

Bronnen
1. Anders Sandberg en Milan Ćirković, That is not dead which can eternal lie: the aestivation hypothesis for resolving Fermi’s paradox, ArXiv preprint server, 2017

De proefopstelling. klik voor een vergroting.

‘Planten kunnen stromend water horen’

In proeven waarbij planten werden blootgesteld  aan de geluiden van stromend water, bleken ze hun wortels in de richting van het geluid te  laten groeien. Dit effect trad alleen op bij watergebrek.

Planten werden lang gezien als eenvoudige, vrij primitieve organismen, die nauwelijks op de omgeving reageren. Dit blijkt onjuist te zijn. Planten communiceren onderling, voelen en bewegen.  Aan dit lijstje kan nu ook een primitieve vorm van gehoor worden toegevoegd, zo blijkt uit een erg interessant onderzoek van een Australische groep. In het vrij low-tech experiment werden erwten-zaailingen blootgesteld aan diverse geluiden in een proefopstelling. Hiervoor gebruikten de onderzoekers potten, de uitliepen in twee bodems. Deze bodems werden voorzien van geluiden met behulp van een MP3-speler. Zoals bij alle planten, groeien de wortels van erwten in de richting van water. Als er een zogeheten watergradiënt is, een verschil in concentratie water afhankelijk van de lokatie, groeien wortels in de richting van de hoogste concentratie water. Dit effect is al heel lang bekend.

De proefopstelling. klik voor een vergroting.
De proefopstelling. klik voor een vergroting.

In dit experiment testten de onderzoekers de gevolgen van het produceren van het geluid van stromend water. In de eerste sessie kreeg de plant de keuze tussen een lege buis en een buis met stromend water Inderdaad bleken plantenwortels in een grote meerderheid van de gevallen richting de buis met stromend water te groeien.
In een vervolgexperiment bestudeerden de onderzoekers de reactie van de planten op opgenomen geluiden, waaronder stromend water, witte ruis en een standaardtoon. Hier keerden de plantenwortels zich af van de luidsprekers, maar het minst sterk van de luidspreker die het geluid van stromend water nabootste. Kon de plant kiezen tussen het opgenomen stromend-watergeluid en de twee overige opgenomen geluiden, dan koos de plant voor het stromend-watergeluid. Op grond van deze proefuitkomsten veronderstellen de onderzoekers dat de magnetische velden van de luidsprekers planten ontregelen en hierom gemeden worden.

De onderzoekers veronderstellen dat dit mechanisme geëvolueerd is in historische tijden. Immers, voor het ontstaan van de eerste steden waren er geen waterleidingen. Dit lijkt een wat vergezochte theorie. Ook in de natuur komen er in de grond geregeld waterstromen voor, bijvoorbeeld een sijpelend stroompje. Een plant die deze kan waarnemen, heeft evolutionair een grote voorsprong.

Ecologie blijkt, hoe dan ook, veel ingewikkelder dan tot nu toe gedacht werd. We moeten ook rekening houden met de gevolgen van geluidsvervuiling en elektrosmog.

Bron:
Monica Gagliano et al. Tuned in: plant roots use sound to locate water, Oecologia (2017). DOI: 10.1007/s00442-017-3862-z
Gaatjes vullen en kronen zijn lapwerk. Wat we willen is een vervangende levende tand. - Wikimedia Commons

Tanden kunnen nu gekweekt worden

Tanden blijven een zorg. Tandheelkunde is verre van volmaakt. De combinatie van levend weefsel en dood materiaal is altijd ongemakkelijk geweest. Zelfs de beste materialen voor vulling veranderen niet mee met de tanden. Nu is er een oplossing die gebruik maakt van stamcellen.

Tandreparatie gebrekkig
Alle materialen om gaten in tanden mee te vullen kennen nadelen. Goud is duur en te zacht. Amalgaam kan het zeer giftige kwik uitscheiden, en geeft een onaangename schok als je op een stukje metaal bijt. De nieuwere materialen porselein en composiet kennen deze nadelen niet, maar groeien niet mee met de tand. Het gevolg: na een paar jaar gaan vullingen los zitten, het gat moet verder worden uitgeboord en de tandafbraak zet verder door. Ook niet onbelangrijk: dit betekent voortdurende bezoeken aan de tandarts. Vooral bij de armere bevolkingsgroepen in Nederland die zich geen tandarts kunnen veroorloven, is tandbederf een steeds groter probleem.
Deze kunnen zich al helemaal geen kronen veroorloven. Kronen voldoen (iets)beter dan vullingen en andere tandprotheses, maar zijn duur en kennen weer andere nadelen. Kortom: wat we nodig hebben is iets dat even goed is als een echte, natuurlijke tand. Een levende tand dus.

Gaatjes vullen en kronen zijn lapwerk. Wat we willen is een vervangende levende tand. - Wikimedia Commons
Gaatjes vullen en kronen zijn lapwerk. Wat we willen is een vervangende levende tand. – Wikimedia Commons

Natuurlijke genezing van tanden
Onze tanden kunnen zichzelf in beperkte mate repareren. Als de pulpa, het levende binnenste van een tand, wordt blootgesteld, vormen zich beenstamcellen (mesenchymatische stamcellen) die zich ontwikkelen tot de meer gespecialiseerde odontoblasten. Deze vormen tandbeen, dentine. Hier bovenop vormt zich tandglazuur.
helaas werkt dit systeem alleen maar op kleine schaal. Ontstaan er echt zware beschadigingen aan tanden, dan kunnen deze zichzelf niet mer herstellen. Er ontstaat een permanent gat, met als uiteindelijk gevolg verlies van de tand of erger, zoals een kaakontsteking. De tandheelkunde van nu is in staat om dit probleem voor een groot deel op te lossen.Althans: uit te stellen,want tandbederf is uiteindelijk onomkeerbaar.

Gekweekte tanden
In een experiment op muizen zijn onderzoekers er nu in geslaagd om dit proces op te wekken in een sponsje van collageen,een biologisch afbreekbaar materiaal. Hierin brachten ze glycogen synthase kinase (GSK-3) antagonisten aan.De GSK-3 antagonisten die ze kozen zijn vrij eenvoudige, kleine moleculen. Door deze prikkel migreerden er mesenchymatische stamcellen van de muis naar de spons. Deze  ontwikkelden zich tot odontoblasten, die dentine begonnen te vormen terwijl de draagstructuur oploste. Het resultaat was een nieuwe, natuurlijke tand.

Vervolgonderzoek
Muizentanden zijn vanzelfsprekend maar klein, rond een millimeter. Het is dus niet zonder meer zeker dat deze techniek  is toe te passen  op de veel grotere tanden van mensen. Vandaar dat de onderzoekers nu een vervolgonderzoek uitvoeren op veel grotere ratten, dieren die qua grootte iets meer de mens benaderen.

Bron
Paul T.Sharpe et al., Promotion of natural tooth repair by small molecule GSK3 antagonists, Scientific Reports(2017)

Foto van vermoedelijke stromatolieten op Mars. bron: NASA

Nieuwe aanwijzingen voor leven op Mars gevonden

De NASA-rover Curiosity nam foto’s van een uitgedroogd meer op Mars dat,blijkt uit analyses, gefossiliseerde resten van mogelijke stromatolieten bevat. De kans wordt hiermee steeds groter dat er ooit leven op Mars heeft bestaan, en mogelijk nog steeds bestaat.

Foto van vermoedelijke stromatolieten op Mars. bron: NASA
Foto van vermoedelijke stromatolieten op Mars. bron: NASA

De foto’s werden genomen toen Marsrover Curiosity door de uitgedroogde meerbedding Yellowknife Bay reed. Deze stroomde miljarden jaren geleden periodiek over. [1]

Miljarden jaren geleden waren de hoogste levensvormen op aarde bacteriën en archaeae (bacterieachtige eencelligen).

Hiervan zijn op aarde sporen teruggevonden in de vorm van gefossiliseerde stromatolieten. Dit zijn gelaagde bacteriekolonies, die grillige uitstulpingen vormen en nu nog op aarde voorkomen, op plekken waar ze niet door andere organismen worden aangevreten,zoals e Australische Shark Bay. Sporen van dergelijke structuren zijn aangetroffen in rotsen van miljarden jaren oud. Opmerkelijk is dat precies dezelfde structuren nu ook op Mars zijn aangetroffen[2]. Dit doet vermoeden dat er miljarden jaren geleden op Mars, net als op de aarde, stromatolieten voorkwamen – met andere woorden leven.

Doorslaggevend bewijs dat dit werkelijk de restanten zijn van bacteriële matten op Mars is er nog steeds niet, maar het is wel de meest voor de hand liggende verklaring. Dit bewijs sluit goed aan bij eerdere, ook op Visionair beschreven ontdekkingen: het fotograferen van stromatoliet-achtige structuren vanuit een omloopbaan rond Mars en de experimenten van de Marslander Viking rond 1976 met de Marsbodem.

Bronnen
1. Nora Noffke, Ancient Sedimentary Structures in the 3.7 Ga Gillespie Lake Member, Mars, That Resemble Macroscopic
Morphology, Spatial Associations, and Temporal Succession in Terrestrial Microbialites, Astrobiology,2015
2. Potential Signs of Ancient Life in Mars Rover Photos, Astrobiology News, 2015

Kweekvlees, of cultured beef, wordt in hoog tempo goedkoper. De ontwikkelaars verwachten rond 2025 de eerste productie voor op de markt. -culturedbeef.org

Kweekvlees binnen enkele jaren goedkoper dan slachtvlees

Waar enkele jaren geleden kweekvlees meer dan 100 000 dollar per hamburger kostte om te maken, is de kostprijs per hamburger nu gedaald tot rond de 11,36 dollar, meldt Mosa Meat, een spin-offbedrijf van Maastricht University [2]. Als deze trend doorzet, zal de prijs van kweekvlees onder die van natuurlijk vlees komen te liggen. Wat zijn de gevolgen?

Hoe wordt kweekvlees geproduceerd?
Een cel beschikt niet over magische zintuigen waarmee deze kan vaststellen of deze deel uit maakt van een dier of niet. Een cel groeit en deelt als deze de juiste prikkels en voedingsstoffen krijgt. Dit is wat er in feite gebeurt in de laboratoria waar kweekvlees wordt geproduceerd. Stamcellen van bijvoorbeeld runderen beginnen met delen en worden blootgesteld aan elektrische en andere prikkels, waardoor ze spierweefsel beginnen te vormen.

Kan de prijs nog verder dalen?
Uitgaande van first principles zal de uiteindelijke kostprijs dalen tot de kosten van de inputs. Dit zijn energie, voedingsoplossingen en het onderhouden van de voorziening van kweekcellen, met hierbij een beperkte opslag voor huisvesting, personeel, patentvergoedingen en research and development. Uit een studie van Hanna Tuomisto et al. in 2011 [1] bleek dat kweekvlees 7-45% minder energie, 99% minder land en 82-96% minder water vereist dan intensieve veehouderij. Hierbij gingen de onderzoekers uit van gekweekte cyanobacteriën als bron voor de nutriënten. Aangezien land schaars is en zeker met een sterk toegenomen wereldbevolking duur, zou dit in principe de kosten voor kweekvlees ver onder de helft voor die van conventioneel vlees brengen. Dit zou voor 250 g vlees, de hoeveelheid die in een hamburger zit, de kostprijs enkele tientallen cent maken. Weer twee ordes van grootte minder dus. Dit komt ook als geroepen.

Kweekvlees, of cultured beef, wordt in hoog tempo goedkoper. De ontwikkelaars verwachten rond 2025 de eerste productie voor op de markt. -culturedbeef.org
Kweekvlees, of cultured beef, wordt in hoog tempo goedkoper. De ontwikkelaars verwachten rond 2025 de eerste productie voor op de markt. -culturedbeef.org

Wat zullen de gevolgen zijn als kweekvlees massaal wordt geproduceerd?
Op dit moment dreigt een ecologische ramp, omdat vroeger voornamelijk vegetarische volkeren, zoals de Chinezen en Indiërs, massaal overgaan op een vleesrijker dieet. We hebben het land niet om het veevoer te produceren voor het vee dat dit vlees moet gaan leveren. Deze ramp, kort gezegd, zal afgewend worden door middel van kweekvlees. Grote stukken land waar nu veeteelt plaatsvindt, kunnen voor andere doeleinden, zoals natuur, worden benut.  Kleine dichtbevolkte landen zoals Nederland, België en Bangladesh kunnen voedselonafhankelijk worden.

De hoeveelheid dierenleed zal drastisch afnemen. Natuurlijk moeten er nog cellen geoogst worden uit vee, maar uit elke geoogste cel kan maar liefst 1 biljoen cellen gekweekt worden. Om een indruk te geven: uit elke gram geoogst spierweefsel, ruwweg een theelepel, kan zo een miljoen ton vlees (genoeg voor een halve hamburger voor elk mens) geoogst worden. In principe zou je met een handvol donorrunderen dus de gehele wereld van overvloedig vlees kunnen voorzien.

Aanvullend voordeel is dat het vlees voorzien kan worden van meervoudig onverzadigde vetzuren en dergelijke.

Er zijn enkele religieuze sektes die graag zien dat hun vlees koosjer of halal geslacht wordt. Dit gebeurt echter met een reden: zo wordt alle bloed uit het lichaam gepompt en bloed wordt als onrein gezien door joden en moslims. Als er geen bloed is, is het ook niet meer nodig om ritueel te slachten. [3]

Zijn er ook nadelen?
Ja. Op dit moment bestaan er honderden runderrassen, zo ook van ander vee dat vlees levert. Deze diversiteit zal alleen behouden blijven als we reservaten voor traditionele landbouw inrichten. Dit kan een recreatieve functie krijgen.
Om schimmels en bacteriën te weren, moeten de cellen beschermd worden met natriumbenzoaat of andere conserveermiddelen. Natriumbenzoaat kan reageren met vitamine C en zo overgaan in het kankerverwekkende benzeen.
Vee is in staat zichzelf voort te planten. Als we overgaan op hightech weefselkweek, dan betekent dit dat we ons lot verbinden aan een techniek die op dit moment alleen kan functioneren in een geavanceerd, globaal economisch systeem.. Valt deze techniek uit, dan zullen we de hongerdood sterven.

Per saldo denk ik dat de voordelen ruimschoots opwegen tegen de nadelen. De afhankelijkheid van high tech is wel een enorm punt van zorg en zal geadresseerd moeten worden, voordat deze techniek massaal uitgerold wordt. En de voorspellingen bleken te pessimistisch. Het Israëlische bedrijf Future Meat is er in 2021 in geslaagd in massa geproduceerd kweekvlees te introduceren voor minder dan 4 euro per stuk kipfilet.

Bronnen
1. Environmental impact of cultured meat production, Environ. Sci. Technol., 2011, 45 (14), pp 6117–6123 DOI: 10.1021/es200130u
2. Cultured Meat, nexussite Universiteit Maastricht
3. Cultured Meat, Wikipedia

Ontdekker John Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.

Granaatappel voorloper levensverlengende stof urolithine A

De stof urolithine A, die door micro-organismen in de darm uit granaatappel wordt gemaakt, vertoont levensverlengende effecten bij twee diersoorten, waaronder muizen. Dit maakt de kans groot, dat een dergelijk effect ook bij mensen optreedt, aldus de onderzoekers.

Levensverlengend effect van urolithine A

Ontdekker Johan Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.
Ontdekker Johan Auwerx met een granaatappel. Micro-organismen produceren het levensverlengende urolithine A.

Urolithine A wordt door micro-organismen gevormd uit stoffen zoals elligatannines en in het bijzonder punicalagines, die in granaatappels voorkomen. De effecten van urolithine A bleken opmerkelijk. De stof verlengde de levensduur van het wormpje Caenorhabditis elegans, wegens zijn korte levensduur massaal in laboratoria gekweekt, met maar liefst 45%. In absolute termen een dag of vier, want C. elegans is al na tien dagen bejaard. Ook in muizen bleek het effect sterk. Laboratoriummuizen worden doorgaans niet ouder dan twee jaar. De groep die met de stof werden behandeld, deden het qua uithoudingsvermogen 42% beter dan de controlegroep.

Hoe werkt de stof?

Auwerx en de zijnen gingen niet over één nacht ijs. Toen ze het levensverlengende effect op C. elegans hadden vastgesteld, probeerden ze het exacte mechanisme te achterhalen door alternatieven uit te sluiten. Zo bleek het niets te maken te hebben met bacteriën in en rond de worm: zelfs bacterievrije samples toonden het effect. In vervolgonderzoek testten ze diverse genetisch gemanipuleerde varianten van de worm. Bij alle varianten trad het levensverlengende effect op, behalve bij de variant met gebrekkige mitochondrieën (kleine celonderdelen die ooit zelfstandig levende bacteriën waren. Deze ‘energiecentrales’ produceren de energiedrager ATP uit ADP en fosfaat met behulp van de energie uit de reactie van zuurstof en glucose). Verder onderzoek bevestigde dit beeld: het levensverlengende effect trad uitsluitend op door het effect op de mitochondrieën.

Ze waren duidelijk iets groots op het spoor en enthousiast gingen ze verder. Uit vervolgonderzoek bleek dat urolithine A gebrekkige mitochondriën opruimt (mitofagie), waarna zich jonge mitochondrieën vormen. Dit mechanisme bleek zich ook in zoogdiercellen voor te doen.
In een vervolgexperiment op muizen bleken de jonge, gezonde mitochondrieën het uithoudingsvermogen van de oudere muizen sterk, met bijna de helft, toe te laten toenemen.
Uit de proeven bleek ook dat het niet nodig is om dit supplement gedurende het gehele leven te slikken. Met urolithine A behandelde muizen begonnen vrijwel direct met de mitofagie en aanmaak van verde mitochondrieën.

Hoe kan ik deze resultaten zelf toepassen?

Het goede nieuws is dat urolithine A door onze darmflora wordt aangemaakt als we granaatappels eten. Dit verklaart dan de ervaringen van veel mensen dat granaatappels ze nieuwe energie geven. Helaas geldt dit niet voor alle mensen. De reden is dat hun darmflora niet de essentiële bacteriesoort bevat, of dat de stof niet door hun darmwand wordt geresorbeerd.

De structuurformule van een molecuul Urolithin A
De structuurformule van een molecuul Urolithin A

Enkele leden van de onderzoeksgroep zijn daarom een startup begonnen die urolithine A gaat produceren.
Kortom: vaker, het liefst elke dag, granaatappels eten zal zeker helpen totdat hopelijk snel  de eerste urolithine A supplementen op de markt verschijnen. Als je darmflora de juiste bacteriën bevat.

Bron
Urolithin A induces mitophagy and prolongs lifespan in C. elegans and increases muscle function in rodents, Nature Medicine, DOI: 10.1038/nm.4132

De robo-rog, een cyborg van cellen uit een rattenhart en een goudskelet.

Cyborg rog van hartcellen gebouwd

200.000 hartcellen van een rat, een goudplaatje en een voedingsoplossing met glucose en zuurstof bleek alles wat nodig was om een cyborg-rog te maken.

Cyborg rog

Roggen, een van de alleroudste groepen vissen, bewegen zich erg energiezuinig door water. Hun vinnen bewegen ze in golven, waardoor ze zich vooruit duwen. Dit maakt voor roggen zwemmen energiezuiniger dan andere vissen. Als je een zwemmende robot bouwt die zuinig omspringt met  zijn enrgiebron, wil je dus een rog-achtig model.

De cyber rog, een cyborg van cellen uit een rattenhart en een goudskelet.
De cyber rog, een cyborg van cellen uit een rattenhart en een goudskelet.

Sung-Jin Park van Harvard University en collega’s in de VS en Zuid Korea bekleedden een frame van goudfolie en siliconenrubber met 200.000 hartcellen en flexibel ondersteunend materiaal. De hartcellen plaatsten ze in een zigzagpatroon. Enkele hartcellen zijn genetisch gemanipuleerd, waardoor ze gevoelig worden voor licht van bepaalde golflengten. De golflengten in kwestie verschilden voor de linkerhelft en rechterhelft. Hartweefsel verschilt van normaal spierweefsel, omdat hartspiercellen samentrekkingen doorgeven aan andere spiercellen. Oftewel: de pulserende bewegingen van een hart manifesteren zich als samentrekkingen van de ‘vinnen’. Deze plaatsten ze in een voedingsoplossing.

Besturen met licht

Opmerkelijk aan de robot is dat deze met licht op afstand bestuurd kan worden. De ‘vleugels’ bewegen onafhankelijk van elkaar. Door de pulssnelheid van de twee kleuren licht te manipuleren, gaan deze vleugels sneller of juist langzamer bewegen. Op die manier beweegt de rog met de klok mee of juist tegen de klok in. De besturing bleek effectief en nauwkeurig genoeg om de cyborg-rog door een parcours vol obstakels te besturen.

Pas na zes dagen begon de zwemsnelheid onder tachtig procent van de oorspronkelijke snelheid te dalen.
In Science staat een uitgebreid artikel. Paywall, maar sci-hub. Nuf said. Betekent dit het begin van een nieuwe klasse biologische robots?

Bron
Sung-Jin Park et al., Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray, Science Magazine, 2016

Wolffia-soorten, het kleinste geslacht eendenkroos, wordt al eeuwen als groente gegeten in Zuid Oost Azië.

Gaat eendenkroos de wereld redden?

Eendenkroos estaat uit hoogwaardig eiwit, groeit het beste (en ongekend snel) op vervuild water en verdubbelt zich elke twee tot drie dagen in aantal. Is eendenkroos de oplossing voor veel problemen waar we mee te kampen hebben?

Miljoenen jaren geleden ontstond de voorouder van de Lemnoideae uit een drijvende waterplant, die warschijnlijk het meeste weg had van de eendenkroossoort Spirodela: een klein, drijvend bloeiend plantje met sappige bladeren en wortels. In de loop der eeuwen verloor de plant steeds meer onderdelen, totdat de verst geëvolueerde Lemna-soort, Wolffia arrhizza, alleen nog maar uit een groen bolletje bestaat. Dit leverde enorm veel voordelen op voor het plantje. Eendenkroos reist snel mee aan de poten van watervogels van de ene voedselrijke plek naar de andere.

Eendenkroos kan zich verbijsterend snel verdubbelen in aantal en hoeveelheid. Zie onderstaande animatie van 6 seconden. De reden is dat vrijwel de gehele plant betrokken is bij fotosynthese en groei geen overhead. Ook kunnen sommige eendenkroossoorten suikers en aminozuren uit het water opnemen.

De oogst van eendenkroos in de subtropen en tropen ligt tussen de 10 en 30 ton per hectare per jaar (dat is 1-3 kg drooggewicht eendenkroos per vierkante meter). Hiervan bestaat bijna de helft, 43%, uit eiwit, 5% uit vetten, 5% uit voedingsvezel en de rest (iets minder dan de helft) uit koolhydraten. Onder laboratoriumomstandigheden in Israël is een maximale productie van 79 ton per hectare per jaar bereikt. Dat wil zeggen dat in principe op minder dan honderd vierkante meter, de oppervlakte van een klein huis met tuin, voldoende voedsel geteeld kan worden om een mens in leven te houden.

Wolffia-soorten, het kleinste geslacht eendenkroos, wordt al eeuwen als groente gegeten in Zuid Oost Azië.
Wolffia-soorten, het kleinste geslacht eendenkroos, wordt al eeuwen als groente gegeten in Zuid Oost Azië.

Een aanvullend voordeel is dat eendenkroos afvalwater erg efficiënt zuivert. Nadeel daarvan is dat het verontreinigt raakt. In dat geval moet het kroos verwerkt worden als biomassa. Kortom: zeker als vervanging voor veevoer uit de tropen, waar er enorme ecologische problemen ontstaan door de massale sojateelt, is eendenkroos een zeer interessant alternatief.

In Nederland zijn al enkele ondernemers begonnen met de teelt van kroos voor dit doel. Ook wordt Wolffia, het kleinste geslacht, steeds populairder als culinaire specialiteit. in Thailand is het gewas al eeuwenlang niet meer weg te denken uit de keuken.


Bron:

fao.org

AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons

Analoge computer maakt comeback

Analoge computers zijn uit. Alle computers die we uit het dagelijkse leven kennen zijn digitale computers. Kwantumcomputers komen steeds meer in het nieuws. Nu is de analoge computer met een eigen programmeertaal veel gebruiksvriendelijker geworden. Komt er een comeback?

Wat zijn analoge computers?
Computers zijn apparaten die rekenen, ruimer gezegd: informatie verwerken. Dat kan op verschillende manieren. De computers die wij uit het dagelijkse leven kennen maken gebruik van twee spanningsniveaus, die worden geïnterpreteerd als 0 en 1. Deze digitale computers zijn veel sneller wat betreft het verwerken van exacte getallen dan andere types computers. Ook zijn ze gemakkelijk te programmeren. Geen wonder dus, dat we nu al twee generaties massaal gebruik maken van digitale computers, en niet van analoge computers zoals rekenlinialen.

Analoge computers vormen een analogie (overeenkomstige structuur) van een systeem waaraan ze berekeningen verrichten. Eigenlijk kan je hier dus beter spreken van een meting dan van een berekening. In de jaren vijftig gebruikte het CBS een indrukwekkend buizensysteem om de pseudowetenschap der economie mee te beoefenen. Deze analoge computer werkte door middel van het principe van de communicerende vaten. Hieronder een filmpje met een overgebleven exemplaar van zo’n ding, de MONIAC.

Sommige vraagstukken zijn in feite makkelijker met een analoge, dan met een digitale computer aan te pakken. Een differentiaalvergelijking, bijvoorbeeld, is lastig om numeriek uit te drukken. Het kost een digitale computer vele rekenstappen met algoritmes als Runge-Kutta om de uitkomst van een differentiaalvergelijking vast te stellen. Met een analoge computer kan dat in principe vrijwel direct, ongeacht hoe ingewikkeld het stelsel van differentiaalvergelijkingen is. Hiervoor wordt het vaakste gebruik gemaakt van een elektronische analoge computer. De verandering van een elektrische stroom (m.a.w. de differentiaal) wekt een magnetisch veld op. Hoe meer verandering, hoe sterker de magnetische piek. Meet dat magnetische veld met de gewenste nauwkeurigheid en zie, daar is in een fractie van een seconde je antwoord, terwijl de digitale computer nog zucht en kreunt.

AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons
AKAT-1, een analoge computer. Ooit state of the art. Zullen analoge computers weer een comeback maken? Bron: Wikimedia Commons

Programmeren tot nu bottleneck
Dit klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het dan ook. De voornaamste bottleneck voor de analoge computer is de enorme moeite die het kost om dit juweel te programmeren. In de jaren vijftig was er domweg geen andere keus, maar nu kunnen differentiaalvergelijkingen eenvoudig in programma’s als Maple of Mathematica, of voor de minder pecuniair gezegenden, het open-source alternatief Sagemath, ingevoerd worden. Digitale computer zijn zo snel, dat zelfs de omslachtige digitale manier toch snel resultaat oplevert. Al kosten echt uitgebreide stelsels, zoals die je nodig hebt om complexe biologische systemen na te bootsen, nog steeds erg veel rekentijd. Niet voor niets kijken veel wetenschappers nog steeds verlekkerd naar de mogelijkheden van analoge computers.

Wat zijn afgeleides en differentiaalvergelijkingen? Wat kan je er mee?
Differentiaalvergelijkingen beschrijven de relatie tussen een functie, f(x) en de afgeleide van een functie, f'(x). In normale mensentaal: tussen de functie en de veranderingssnelheid van een functie. Als je weet hoe een functie zich gedraagt, kan je het gedrag voorspellen.

Logistische (sigmoïde) curve. Bron: Wikipedia
Logistische (sigmoïde) curve. Bron: Wikipedia

Zo zijn er veel groeiprocessen, bijvoorbeeld die van een markt, die zich gedragen als een zogeheten sigmoïde, een s-vormige functie. De afgeleide van deze s-vorm is de bekende klokfunctie of normale verdeling, een heuvel rond het nulpunt. Als je als startende ondernemer in een markt actief wilt zijn, is het slim om een markt te kiezen die steeds sneller groeit. Met andere woorden: waarvan de afgeleide groeit. Neemt deze groeisnelheid af, dan wordt de concurrentie moordend en zijn je kansen maar klein. Ik zag bij een multilevel-marketingbedrijf in Nederland een grafiekje van de meer ontwikkelde Duitse markt en herkende de sigmoïde. Dus geloofde ik de juichverhalen over de Nederlandse markt, die het beginstukje van de sigmoïde vormde, niet meer. Deze zou, kon ik afleiden, onvermijdelijk ook stagneren.

Met een enkele differentiaalvergelijking kan je bijvoorbeeld heel mooi natuurkundige velden beschrijven. Groepen differentiaalvergelijkingen geven de wisselwerking weer in een ingewikkelder systeem, zoals een lichaamscel of een chemische reactor. Als je het gedrag van deze differentiaalvergelijkingen kan voorspellen, ken je het systeem en het gedrag van het systeem. En, kennis is macht.

Programmeertaal voor analoge computers
Enkele van die mensen die de beperkingen van digitale computers zat zijn, zijn prof. Martin Rinard van de Amerikaanse topuniversiteit MIT en  voormalige collega Rahul Sapeshkar, die met een aantal doctoraalstudenten een analoge chip hebben ontwikkeld. Hiermee kunnen analoge berekeningen worden uitgevoerd. De chip kan wel door middel van een digitale computer worden geprogrammeerd en uitgelezen. Zij hebben hiervoor een programmeertaal voor deze chip (en soortgelijke chips) ontwikkeld.
In Arco, de programmeertaal van de groep onderzoekers, kunnen differentiaalvergelijkingen gemakkelijk worden toegevoerd. Het kost per differentiaalvergelijking ongeveer een minuut om deze in te programmeren. Zelfs een complex stelsel van zeventig differentiaalvergelijkingen kan in ongeveer een uur worden ingevoerd en gecompileerd. Zoals bij alle analoge computers zijn de resultaten in principe vrijwel onmiddellijk bekend.
Met een eenvoudige chip kan zo een supercomputer worden vervangen. Althans: voor dit soort simulaties.

Bron
Sara Achour, Rahul Sarpeshkar, and Martin Rinard, Proceedings of the 37th ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation (PLDI 2016), Santa Barbara, CA, June 2016

Voor sommige 'zombie-'-genen is er leven na de dood.

‘Zombie-genen’ komen tot leven na de dood

In zebravissen en muizen, net als bij mensen gewervelde dieren, blijken honderden genen plotseling tot leven te komen nadat het dier  is gestorven. Deze activiteit houdt tot 48 uur na de dood aan. Wat is hier aan de hand?

Messenger RNA (mRNA) is een soort kopie van een gen in het DNA, die als tussenstadium dient om eiwitten te maken, m.a.w. het gen uit te voeren. Ribosomen, volgens sommigen de oervorm van het leven, vertalen dit mRNAin eiwitten, de bouwblokken van het leven. Hoe meer mRNA, hoe actiever het gen, kan je dus ruwweg stellen.

In het onderzoek werd gekeken, hoe hoog de niveaus van mRNA van genen in cellen zijn op verschillende tijdstippen na de dood.
De dood betekent verlies van de controle van het centrale zenuwstelsel over het lichaam. In de lichaamscellen betekent dit, dat verschillende genen langzaam minder actief worden.
Enkele honderden genen bij zowel zebravissen als muizen bleven juist extra actief te worden.De hoeveelheid mRNA van deze genen steeg en bleef daarna stabiel, terwijl de rest van de genen tot stilstand kwam.

De genen die plotseling tot leven kwamen, waren genen die de ontwikkeling van de foetus sturen (en daarna uitgeschakeld worden) en  genen die vaak actief zijn bij patiënten met kanker.[1]

Voor sommige 'zombie-'-genen is er leven na de dood.
Voor sommige ‘zombie-‘-genen is er leven na de dood. – Pixabay

Nuttige kennis voor orgaantransplantatie en forensische wetenschap
Opmerkelijk genoeg blijken dus juist kankerverwekkende genen actief te worden. Dit verklaart, denken onderzoekers, mogelijk waarom bij patiënten na orgaantransplantaties veel vaker kanker voorkomt. Dat heeft dan niet alleen te maken met het door medicijnen onderdrukte immuunsysteem. Ook kunnen deze biomarkers worden gebruikt door forensische laboratoria om het precieze tijdstip van de dood vast te stellen[2].

Waarom komen deze genen uitgerekend na de dood tot leven?
Een interessante vraag is, waarom uitgerekend genen die embryonale ontwikkeling sturen en actief zijn bij kankers, na de dood tot leven komen.

Een voor de hand liggende verklaring is dat op de een of andere manier een levend  organisme deze genen onderdrukt. Een andere, dat het op de een op andere manier voordeel evolutionair oplevert, om actief te worden. Een derde, dat er in een stervend lichaam processen plaatsvinden, die op de een of andere manier deze genen triggeren. Maar waarom juist deze twee groepen genen?

Hiervoor is het concept van het zelfzuchtige gen waarschijnlijk nuttig. Genen maakt het in principe niet uit hoe ze zich vermenigvuldigen, als ze maar worden vermenigvuldigd. Een gen dat onderdeel uitmaakt van u, of ik, doet dat omdat vorige versies van dit gen in onze voorouders hier succesvol in waren. Voor genen in mensen loont het om samen te werken. Een dood mens kan zich van nature niet voortplanten. Kortom: samenwerken heeft geen zin meer. Een gen, of groep genen, die dan de cel kan kapen om bijvoorbeeld virusdeeltjes te vormen heeft dan een groot voordeel.

Als de centrale controle wegvalt, is dat wellicht het signaal voor oeroude genen, die nog uit de tijd van onze voorouderpoliepen stammen, om weer tot leven te komen. In de tijd van eenvoudige meercellige dieren was het zuurstofgehalte veel lager dan nu. De ontwikkeling die ook in een stervend lichaam optreedt. Wellicht dat deze genen daardoor getriggerd worden.

Nog een mogelijkheid: wellicht dat er in het DNA verborgen virussen  actief worden, als een soort laatste reddingsvlot voor de genen. In ieder geval één springlevend virus zit verpakt in ons DNA. [3] Genetische zombies die tot leven komen. Wellicht een vergezochte theorie, maar dit uitzoeken is erg interessant.

Bronnen
1. Thanatotranscriptome: genes actively expressed after organismal death, 2016
2. Accurate Predictions of Postmortem Interval Using Linear Regression Analyses of Gene Meter Expression Data, BioRXiv, 2016
3. JH Wildschutte et al., Discovery of unfixed endogenous retrovirus insertions in diverse human populations, PNAS Online (2016)