biologie – Visionair

De fascinerende "zeestrandbal" vomt een schelp van twee decimeter en kweekt volgens sommigen bacteriÃ«n, waar hij van leeft.

Intelligent eencellig leven

4 reacties / Filosofie, Ideeën en techniek / Door Germen Roding / 9 december 2021 9 december 2021

Aliens die bestaan uit een enkele cel. Zouden amoeben intelligent eencellig leven kunnen ontwikkelen? Het antwoord: misschien, al zijn er een aantal gewaagde veronderstellingen nodig…

Eencelligheid is de norm

Gedurende de 3,6 miljard jaar dat het leven bestaat, was dit langer dan twee miljard jaar, het grootste deel dus, eencellig. De meest complexe levensvorm op aarde was de bacterie. Pas een miljard jaar geleden vormden zich de eerste gevonden fossielen van eukaryoten (organismen met een celkern). De eerste meercelligen vormden zich pas rond zeshonderd miljoen jaar geleden, maar ook nu nog bestaat verreweg de meeste biomassa uit bacteriën. Ook mensen dragen kilo’s bacteriën met zich mee. Mensen hebben meer bacteriën dan lichaamscellen.
Wat als zich nooit meercelligen hadden gevormd? Hadden zich in die omstandigheden intelligente wezens kunnen vormen?

Amoeben van bijna twee decimeter

De grootste eencelligen zijn foraminiferen, enorme amoeben die op de zeebodem leven en een soort schelpen vormen. Geologen zijn dol op foraminiferen, want ze zijn alomtegenwoordig en leveren karakteristieke gidsfossielen op voor elk geologisch tijdperk. Het gesteente van de Grote Piramide in Gizeh bestaat voor een groot deel uit de overblijfselen van forams. De grootst bekende foraminifeer, de “zeestrandbal” Syringammina fragrissima, vormt een schelp van twintig centimeter doorsnede. Amoeben met een dergelijke grootte hebben meerdere celkernen.

Leervermogen van amoeben

Amoeben blijken op rudimentaire wijze te kunnen leren. Worden ze bijvoorbeeld keer op keer blootgesteld aan een bepaalde prikkel, dan kunnen ze leren deze te negeren of bepaalde periodieke veranderingen te voorzien (1). Onderzoekers veronderstellen dat het dier gebruik maakt van biologische memristors, een soort ionkanaaltjes waarvan de elektrische weerstand verandert als er eerder stroom doorheen heeft gevloeid. In principe is het mogelijk met memristors een ‘denkend’ neuraal netwerk te vormen, waarmee de amoebe over een primitief lerend systeem zou beschikken. Onze hersenschors groeide en kartelde toen ons brein groeide. Dat zou ook bij een amoebe kunnen gebeuren met het membraan waar de biologische memristors in voorkwamen. Zo zou de eencellige steeds complexer gedrag en herinneringen kunnen ondersteunen.

Aangetoond is dat eencelligen dingen kunnen onthouden, ook na deling. Dit “genetische geheugen” (2) kan extra mogelijkheden bieden.

Onze cellen (en ook amoeben) bevatten een netwerk, het endoplasmatisch reticulum, dat een zeer rijke en complexe structuur heeft. Mogelijk zou in een buitenaards amoebeachtig wezen dit netwerk zich kunnen ontwikkelen als zenuwstelsel, waarbij een groot aantal memristoren de rol van de zenuwcellen enigszins overnemen. In feite denken de aanhangers van de uiterst omstreden theorie Orch-OR dat de microtubuli (kleine buisjes) in het ER een kwantumcomputer vormen.

Reuzenamoeben vormen een symbiose van verschillende eencelligen. In feite geldt dat ook voor onze eigen cellen: de mitochondriën, bijvoorbeeld, leefden ooit als vrije bacteriën. Misschien zouden deze symbionten zich tot deelorganen en morfologische structuren kunnen ontwikkelen. Of een vorm van genetisch geheugen kunnen vormen. Hoe een dergelijke alien er uit zou zien? Geen idee, maar ze zouden best wel onder de kier van een deur door kunnen kronkelen…

Bronnen
1. Arxiv.org (Memristive model of amoeba’s learning)
2. Davidson University (Permanent memory in eukaryotes)

Nederland en BelgiÃ« gebruiken tussen de twee en drie maal zoveel als de aarde aan kan. Bron/copyright: Global Footprint Network, 2020

Vleestaks: moeten we een vleestaks invoeren om het milieu te beschermen?

Laat een reactie achter / Analyses, Ideeën, Maatschappij, Misvattingen, Nederland / Door Germen Roding / 1 december 2020 10 september 2021

Onze planeet wordt zwaar overbelast. Een van de grootste slokops qua ruimtegebruik is de landbouw, en wat dat betreft vooral de veeteelt. Het zou voor het ecosysteem van de aarde beter zijn als de veeteelt zou verdwijnen of in ieder geval ingeperkt tot dat vee, dat voor mensen oneetbare plantenresten eet. Moeten we een vleestaks invoeren?

Hoe ernstig is het probleem?

De roep om een vleestaks wordt steeds groter, en wel hierom. Op dit moment kampt de aarde met een grote ecologische overshoot. Dat wil zeggen, dat we hernieuwbare bronnen sneller opgebruiken dan ze worden vernieuwd. Volgens het Global Footprint Network heeft Nederland al 3 mei haar rechtmatige aandeel in de hulpbronnen van de wereld opgebruikt. België maakt het zelfs nog bonter: 5 april. En dit is nog een gunstig beeld, het gevolg van de Covid-19 uitbraak. Sinds 1970, het jaar waarop de mensheid voor het eerst ‘rood’ kwam te staan is de ecologische voetafdruk alleen maar groter geworden. Dus het probleem is inderdaad ernstig. En veeteelt is een belangrijk onderdeel van deze footprint, en hiermee van het probleem.[1]

Een vleestaks is geen goed idee en wel hierom

Dierlijke proteïne is het best verteerbaar van alle eiwitsoorten volgens de methodiek DIAAS, die door de FAO wordt aanbevolen[2]. Zeker opgroeiende kinderen hebben dierlijk eiwit nodig. Zelfs soja, de meest complete plantaardige eiwitbron, is nog steeds onvolledig. Ook bevat soja toxines die rauwe soja giftig maken en met behulp van traditionele technieken, zoals fermenteren, alleen met grote moeite onschadelijk gemaakt kunnen worden [3]. Uit archeologische vondsten blijken ook de nakomelingen van veehouders langer, sterker en gezonder te zijn dan de nakomelingen van mensen met een vegetarisch dieet die vaak gebreksziekten vertonen [4].

Rijke ouders hebben voldoende geld om vlees voor hun kinderen te kopen en ze gezond op te laten groeien. Nu hebben arme ouders dat geld ook, omdat vlees relatief goedkoop is. Een vleestaks zal rijke ouders die graag vlees willen eten, daarvan niet weerhouden. Het werkelijke doelwit van de vleestaks, wat de voorstanders je nooit zullen vertellen, zijn dus arme mensen, die een aanzienlijk deel van hun besteedbare inkomen aan voedsel besteden.

Met deze vleestaks worden arme ouders gedwongen om hun kinderen toxische soja of nog ergere plantaardige alternatieven voor te zetten. Met als gevolg dat ze op volwassen leeftijd eerder chronische ziekten krijgen.
Kortom: de harteloze vleestaks mag nooit worden ingevoerd, dit komt neer op de erfelijkheid van armoede en de kinderen van armen veroordelen tot een gebrekkig lichaam.

Kweekvlees, een betere oplossing dan een vleestaks

Beter geeft de overheid forse ontwikkelsubsidies aan Nederlandse firma’s die labvlees ontwikkelen, zoals Mosa Meat. Kweekvlees is qua ecologische voetafdruk vele malen minder milieubelastend. Als de kostprijs onder die van vlees van levende dieren kan worden gebracht, en op dit moment zijn de kosten al gedaald van € 250.000 tot € 9 per hamburger, is dit een betere oplossing dan de onrechtvaardige vleestaks. [5]

Bronnen
1. Global Footprint Network, Earth Overshoot Day
2. Laure Herreman et al., Comprehensive overview of the quality of plant- And animal-sourced proteins based on the digestible indispensable amino acid score, Food Science And Nutrition, 2020, DOI: https://doi.org/10.1002/fsn3.1809
3. Arlete M. Becker-Ritt, Antinutritional and/or toxic factors in soybean (Glycine max (L) Merril) seeds: comparison of different cultivars adapted to the southern region of Brazil, Journal of the Science of Food and Agriculture, 2004, DOI: https://doi.org/10.1002/jsfa.1628
4. Helen Thompson, Switching to Farming Made Human Joint Bones Lighter, Smithsonian magazine, 2014
5. Mosa Meat: From €250,000 To €9 Burger Patties, Clean Technica, 2019

Het NASA Kilopower experiment is bedoeld voor astronauten om zelf 1-10 kilowatt stroom op te wekken. De 93% uranium-235 in de brandstofkern maakt het iets minder aantrekkelijk voor thuisgebruik. Bron: Wikimedia Commons/NASA

Hoe wek je zelf je stroom op?

1 reactie / Analyses, Ideeën, Techniek, Visionair leven, Visionaire projecten / Door Germen Roding / 13 april 2018 13 april 2018

De Nederlandse overheid ontdekt gas en stroom steeds meer als lucratieve melkkoe. Off grid gaan, wat is daar voor nodig? Dit stappenplan kan helpen om jezelf los te koppelen van het stroomnet..

Raak vertrouwd met je stroomverbruik en identificeer de grootste stroomslurpers. Zoek hiervoor stroomzuiniger alternatieven.
Elke dag gebruikt de gemiddelde Nederlander of Vlaming zo’n vijf kilowattuur aan stroom. Ontdek hoe hoog jouw stroomverbruik is en hoe dat over de dag verdeeld is. Zonnestroom, bijvoorbeeld, is overvloedig aanwezig overdag en in de zomer, maar niet meer zodra de zon onder is en in de winter. Uit onderzoek blijkt dat drie op zich vrij nutteloze apparaten verantwoordelijk zijn voor het leeuwendeel van het stroomverbruik. Dat zijn waterbedden, elektrische boilers en tropische aquaria. Ook apparaten als vrieskisten, koelkasten en plasmaschermen zijn bericht om hun hoge stroomverbruik. Identificeer met een stroommeter de grootste stroomvreters. Wil je onafhankelijk worden, dan kan je deze het beste uit je leven bannen. Hoe minder stroom je gebruikt, hoe makkelijker het is om zelf in je stroom te voorzien. Slaag je er bijvoorbeeld in om je stroomgebruik terug te brengen tot bijvoorbeeld één kilowattuur per persoon per dag, dan heb je vijf maal zo weinig stroomleveranciers en opslagcapaciteit nodig.

Bekijk, welke mogelijkheden er zijn voor alternatieve energie.
De meest bekende vorm van alternatieve energie is de zon. Zonne-energie kan in twee vormen benut worden: via een zonneboiler op het dak of via zonnepanelen. De zon kan enorm veel vermogen leveren – op jaarbasis levert een zonnepaneel in de Lage Landen per kilowatt geïnstalleerd vermogen (1000 Wp) dat optimaal geplaatst is (45 graden, zuiden) zo’n 950 kilowattuur op. In theorie zou dat betekenen, dat het gemiddelde huishouden met vierduizend Wp volledig zelfvoorzienend zou zijn. Het nadeel van zonne-energie is de variabiliteit, vooral tussen winter en zomer. In de winter leveren zonnepanelen ongeveer een kwart op van de energie die ze in de zomer opleveren. Wil je energie-onafhankelijk worden, dan is het -zeker met de lage prijzen voor zonnepanelen nu – te overwegen om te overdimensioneren voor de winterzon en de zonnepanelen onder een hoek van minimaal 40 graden te plaatsen, zodat de opbrengst in de winter maximaal is.

Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor twintig jaar van stroom voorzien. — Helaas stierf de Hyperion nucleaire batterij een vroege dood. Dit kleine apparaat kan een eiland zo groot als Texel voor tien jaar van stroom voorzien.

Het kan zijn dat lokale omstandigheden bijzondere vormen van energiewinning mogelijk maken. Zo maken veel boeren in de polders gebruik van brongas. Beschik je over een groter stuk land, dan worden biogas, houtgas en houtkachel interessant om in de winter voor aanvullende energie te zorgen.
Zorg in het geval van biogas wel voor goede isolatie of bijverwarming om de temperatuur van de gistingstank boven de 25 graden te houden. Een kilogram GFT-afval levert genoeg biogas om een uur op te koken.

Ook kan je papier inzamelen bij vrienden en bekenden; de verbrandingswaarde van papier per kilogram is ongeveer een derde van die van benzine. Door papieren briketten op te stoken, gemaakt van eigen papier met een brikettenpers, is in ongeveer de helft van de jaarlijkse warmtebehoefte te voorzien. Houtkachels zijn mooi te combineren met een Stirlinggenerator of Seebeck effect generator. Het rendement van Stirlinggeneratoren is niet verbijsterend hoog, te vergelijken met die van een benzinegenerator, maar ze hebben alleen een warmteverschil nodig om elektriciteit te genereren. Dat maakt Stirlinggeneratoren een droom voor creatieve knutselaars. Waar je dit warmteverschil vandaan haalt, maakt namelijk niet uit. Helaas zijn er alleen speelgoedmodellen of industriële modellen te koop. Prijzen voor particulieren liggen rond de tien- tot vijftienduizend euro. Beschrijvingen van kleinschalige zelfbouwmodellen van Stirlingmotoren en Seebeck effect generatoren zijn hier te vinden.

Een minder milieuvriendelijk, maar wel betaalbaar alternatief is het kopen van een generator op fossiele brandstof. Een dieselgenerator van vijfduizend watt kan voor onder de tweeduizend euro aangeschaft worden. Dieselgeneratoren kunnen met plantaardige oliesoorten zoals zonnebloemolie, afgewerkte frituurolie of slaolie gestookt worden. 8 uur stroom kost 13,5 liter diesel. Rond de vijftien euro per dag dus, of rond de dertig cent per kilowattuur. Dit is erg veel; hierbij zijn de kosten van de generator nog niet meegerekend. Wel is dit slechts een beperkt aantal malen nodig bij een forse overdimensionering van zonnepanelen.

Energieopslag
De variabiliteit van duurzame energiebronnen maakt het noodzakelijk om te investeren in een goede elektriciteitsopslag. Bekend is bijvoorbeeld de -dure- PowerWall van autofabrikant Tesla. Deze levert 13,5 kWh opslagcapaciteit voor rond de tienduizend euro. De Velkess vliegwiel kickstarter, waarover we eerder schreven, is helaas mislukt. Als gebruik wordt gemaakt van loodaccu’s, is deze 13,5 kWh opslagcapaciteit te realiseren voor omgerekend drie- tot vierduizend euro, zij het met grote verliezen aan stroom. Waar mogelijk moet je energie-intensieve taken, zoals de wasmachine gebruiken, plannen als er een overvloed aan energie is.

Een aardig alternatief qua verwarming, voor wie beschikt over veel land, is de zonnevijver. Water is door de zeer hoge warmtecapaciteit één van de beste warmteopslagmedia die er bestaan. Wel moet deze vijver dan goed geïsoleerd worden of overdekt worden door een kas. Per slot van rekening moet de vijver meerdere maanden de hoge temperatuur behouden.

De denguemug Aedes aegypti brengt zeker vier dodelijke ziekten over. Kortom: weg met die soort.

Een wereld zonder muggen

4 reacties / Analyses, Filosofie, geneeskunde, Ideeën, Techniek, Visionair leven, Visionaire projecten, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 4 september 2016 4 september 2016

Muggen brengen enkele zeer ernstige ziektes over, zoals malaria, gele koorts en nu zika. Er gaan steeds meer stemmen op om ziekteverwekkende muggen, vooral de zika-overbrengende steekmug Aedes aegypti, van de aardbodem weg te vagen. Wat zijn de gevolgen?

Muggen niet erg nuttig
Wij mensen maken een steeds groter deel van de totale hoeveelheid dierlijke biomassa uit en zijn hiermee steeds interessanter voor parasieten. De denguemug Aedes aegypti voedt zich vrijwel alleen met mensenbloed, hoewel er soms ook andere prooidieren zijn. Dit geldt ook voor de malariamug Anopheles malariae.

Deze muggensoorten hebben slechts een beperkte biologische betekenis. Er zijn slechts enkele ecosystemen waarin muggen een belangrijke rol spelen. Bijvoorbeeld in de ondiepe moerassige poelen in het Noordpoolgebied (waar geen ernstige ziekten door muggen worden overgebracht) en in kleine, gespecialiseerde ecosystemen, zoals het stilstaande water in de bladrozet van bromelia’s. Ook zou het slecht nieuws zijn voor een handjevol gespecialiseerde muggenetende soorten, zoals de muskietenlarven etende vis Gambusia affinis.

Eigenlijk zijn ze alleen van belang voor de parasieten die ze overbrengen en die we kunnen missen als kiespijn. En dat zijn er nogal wat. De protozo die malaria veroorzaakt, Plasmodium falciparum. Het zikavirus. Het gele koortsvirus. Het denguevirus. Het West-Nijl virus en het chinkuyungavirus. Geen mug, maar wel een uitermate akelig insekt is de tseetseevlieg, die de slaapziekte overbrengt. Die kan ook op de lijst. Verder is slechts één op de vijf muggensoorten geïnteresseerd in mensen. Viervijfde van de muggen zouden dus kunnen blijven bestaan, als we maar de ziektenverwekkende muggen uitroeien. De ecologische schade zou hiermee beperkt blijven.

Hoe kunnen we muggen uitroeien?
Al in de jaren vijftig bestonden er middelen als DDT om muggen uit te roeien. DDT bleek ernstige gevolgen te hebben: de stof hoopt zich op in vetweefsel en veroorzaakt geboorteafwijkingen en kanker. Tegenwoordig is het zelfs in pinguïns op Antarctica, ver van de plaatsen waar DDT is gebruikt, te vinden. Toch heeft DDT zeker vele miljoenen levens gered en was het misschien achteraf beter geweest om door te pakken en de Anopheles-mug de doodklap te geven.
Nu beschikken we over elegantere methoden. De steriele-mannetjestechniek is een van de effectiefste. Vele miljoenen bestraalde onvruchtbare mannetjes worden losgelaten in het leefgebied van de muggensoort waarmee we af willen rekenen en paren met de wijfjes. Omdat muggen maar met één mannetje paren, betekent dat dat er nauwelijks wijfjes zwanger worden en de populatie sterk daalt. Op dit moment (september 2016) wordt gewerkt aan een nog effectievere manier om af te rekenen met Aedes aegypti: genetisch gemanipuleerde muggen die alleen mannelijke nakomelingen krijgen. Zo werkt het effect nog vele generaties door. Weliswaar worden de Aedes-wijfjes zwanger, maar alleen van mannetjes die op hun beurt ook alleen maar mannetjes kunnen verwekken. Zo is het probleem binnen enkele generaties opgelost. In het lab is al aangetoond dat de genetisch gemanipuleerde mannetjes even populair zijn onder de vrouwtjes als niet-gemanipuleerde exemplaren. De vraag is overigens of dit zo blijft, omdat er immers een enorme selectiedruk op komt te staan.

Is het ethisch verantwoord om een complete soort uit te moorden?
Al in 1975 is het variolavirus (de verwekker van pokken, een dodelijke virusziekte die miljoenen levens per jaar eiste) van de aardbodem weggevaagd. Ook hiertegen bestonden de nodige ethische bezwaren. Ik denk dat deze bezwaren ongegrond zijn en wel hierom. Een soort bestaat uit genetische informatie. In principe is het complete DNA van het variolavirus in digitale vorm bewaard gebleven. Dit zal ook met de ziekteverwekkende Culex- en Aedes-soorten gebeuren.
Er is geen hoger bewustzijn aanwezig in muggen, althans voor zover we weten. De plaats van deze soorten zal ingenomen worden door onschadelijke en waarschijnlijk zelfs nuttige soorten. In ieder geval zullen we hiermee miljoenen mensenlevens redden en voor miljoenen anderen ernstig drama voorkomen. En laten we liever proberen om andere soorten die ernstig bedreigd worden en geen menselijk leed aanrichten, te redden.

Bronnen
Janet Fang, Ecology: A world without mosquitoes, Nature Magazine (2010)

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

Granaatappel voorloper levensverlengende stof urolithine A

4 reacties / biologie, geneeskunde, Scheikunde, Techniek, Visionair leven, Wetenschap / Door Germen Roding / 12 juli 2016 12 juli 2016

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

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

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

Het membraan (omhulsel) van de thylacoÃ¯den (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis

Kan C4-fotosynthese de wereldvoedselproductie verdubbelen?

14 reacties / Analyses, biologie, Ideeën, Visionaire projecten, Wetenschap / Door Germen Roding / 13 juni 2016 13 juni 2016

De plantenwereld kent twee belangrijke fotosynthesetechnieken: C3, de standaardmethode, en C4, waarbij de CO2 wordt geconcentreerd in de plant. C4 vaagt meer energie, maar de plant raakt veel minder snel in ‘ademnood’, waardoor de gewasopbrengsten in zonnige gebieden bijna twee keer zo hoog liggen. Kunnen we hiermee het wereldvoedselprobleem oplossen?

Hoe werkt fotosynthese?
We hebben allemaal op school geleerd dat bladgroenkorrels licht opvangen, waar de plant voedsel mee maakt. Deze bladgroenkorrels vormen in feite alleen maar het begin van de keten. In de korrels wordt in de “lichtreactie” water gesplitst (waarbij als afvalproduct zuurstof vrijkomt) en waterstofionen (H+). Deze waterstofionen worden direct gebruikt om zes kooldioxidemoleculen (CO₂) om te zetten in glucose (C₆H₁₂O₆), de basisbouwstof voor plantencellen. Terwijl ze uit de bladgroenkorrel naar buiten worden gepompt, leveren deze ionen ook energie om ADP in de energiedrager ATP om te zetten.

C4-planten kunnen door de ringen van cellen CO2 concentreren, waardoor ze in een droog, heet klimaat veel sneller groeien.

Wat is het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese?
Om het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese uit te leggen, moeten we kijken naar de methode die de plant gebruikt om CO2 vast te leggen. Je zou het op grond van alle alarmverhalen niet zeggen, maar in feite verhongeren planten door te weinig CO2. Daarom bestaat de helft van alle eiwitten bij planten uit maar één enzym: rubisco, het enzym dat CO2 vangt en inbouwt in de zogeheten Calvin-cyclus. Dit enzym is miljarden jaren geleden ontstaan, toen er nog geen zuurstof in de atmosfeer zat. Daarom is het niet berekend op de aanwezigheid van zuurstof, waardoor er veel CO2 verloren gaat. In plaats van rubisco te veranderen, wat voor een plant zelfmoord zou betekenen, ontstonden naast de standaard (C3) vorm van fotosynthese, twee extra methoden om te voorkomen dat er teveel zuurstof bij het rubisco in de buurt komt: C4-metabolisme en CAM.
CAM-planten, zoals cactussen, zetten hun huidmondjes ’s nachts open en vangen dan CO2 (die ze opslaan in appelzuur), die ze overdag weer afsplitsen en verder verwerken. Deze strategie kost veel energie, maar spaart water en komt daarom vooral voor bij woestijnplanten, waarvoor water veel belangrijker is dan energiebesparing.
We hebben het hier verder over C4-planten. Deze planten gebruiken een andere techniek: het huisvesten van Rubisco in een CO2-rijke omgeving. Dit krijgen deze planten voor elkaar, door CO2 in twee stappen vast te leggen. In de eerste stap, in een krans om de cellen waar de donkerreactie plaatsvindt, wordt CO2 vastgelegd in een verbinding met 4 koolstofatomen (vandaar de naam C4), die wordt getransporteerd naar de plek waar Rubisco het verwerkt. Daardoor gaat er minder energie verloren. Wel kost dit proces 30 ATP, waar de ‘normale’ C3-fotosynthese maar 18 ATP kost. Bekende C4-gewassen zijn maïs, suikerriet en sorghum (hier minder bekend, maar in Afrika een van de belangrijkste voedingsgewassen). C4-planten evolueerden rond de 30 miljoen jaren geleden, toen de CO2-hongersnood nijpend werd en het klimaat droger werd.

Tarwe, rijst en andere gewassen ombouwen tot C4-plant
Maïs en sorghum zijn minder populair als voedselgewas dan tarwe en rijst. Hoewel in de tropen de opbrengsten van maïs veel groter zijn dan die van rijst, kiezen boeren daarom toch massaal voor rijstteelt. Zouden we er in slagen om C4-eigenschappen in deze populaire voedingsgewasssen in te bouwen, dan zouden we de oogsten per hectare met 50% kunnen vergroten. Terwijl er minder kunstmest en water nodig is, waardoor per liter water de oogst verdrievoudigt. Voor woestijnlanden als Egypte en dichtbevolkte landen als India, Nigeria en Bangladesh zou dit uiteraard een uitkomst zijn. Toch vrees ik dat de smaak iets achteruit zal gaan. Voor C4 moeten er kransen om de plekken waar de Calvin-reactie plaatsvindt worden aangemaakt. De reden dat typische C4-granen als sorghum en maïs een vrij harde smaak hebben, is vermoedelijk die laag.Aan de andere kant: we hebben weinig keus meer. De watertekorten over de gehele wereld worden steeds nijpender en in gebieden als Californië stijgt de rijstoogst al niet meer sinds 1990. Op dit moment is het implanteren van het C4-mechanisme in voedselgewassen onze beste hoop om wereldwijd voedselgebrek te voorkomen.

Het C4-rijstproject
Het internationale rijst-onderzoeksinstituut IRRI in de Filippijnen is daarom begonnen met het ontwikkelen van een C4-variant van rijst. Dit project, met 5 miljoen dollar gefinancierd door de eBill and Melinda Gates Foundation, moet in een jaar of zes tot tien een bruikbare cultivar opleveren. Deze variant zal veel minder water gebruiken en een wat grotere oogst per hectare opleveren. Gezien het enorme belang van de voedselvoorziening is het onbegrijpelijk dat er zo weinig hulpbronnen in dit project worden gestopt. De taak die de onderzoekers te wachten staat is wanhopig moeilijk. Ze moeten de bestaande genen van rijst zo wijzigen, dat zich concentrische ringen van cellen gaan vormen. Als je bedenkt, dat in genen alleen eiwitten staan beschreven, niet direct de anatomie van planten, kan je je voorstellen dat dit een enorm veeleisende taak is. Toch slaagden planten hier in meer dan dertig plantensoorten in, weten we. Toch is het ze nu gelukt het rudimentaire C4-proces in rijst in te bouwen. Uiteraard moet deze rijst nog doorontwikkeld worden in een levensvatbaar C4-ras, maar er is nu voor het eerst zicht op een structurele oplossing.

Bronnen
Supercharged photosynthesis, MIT Review,2015

Duimzuigen is een uiting van het zuiginstinct. Bron: wikihow.com

Instinct: hoe erven instincten over?

34 reacties / Ideeën / Door Germen Roding / 21 mei 2016 21 mei 2016

Een erg goede vraag van lezer xplorr: hoe erft een instinct over? Aanleren doen dieren ze niet; ook zonder dat een volwassen individu aanwezig is, blijven de instincten behouden. Maar hoe komen deze instincten tot stand?

Hoe werkt erfelijkheid?
Alle informatie die van ouder op nakomeling wordt overgedragen, bestaat uit DNA. Instincten moeten dus op de een op andere manier via DNA worden overgedragen. Dit DNA wordt vertaald in eiwitten. Alle relevante informatie in DNA bestaat uit eiwitten, RNA-enzymen (ribozymen) of bestaat uit code die regelt wanneer welk gen wordt in- of uitgeschakeld. Dit laatste (98% van al het menselijke DNA) werd vroeger ‘junk DNA’ genoemd, maar nu, nu we weten dat het wel degelijk functioneel is, non-coding DNA. Er zijn, zo blijkt, dus meerdere mogelijkheden. Instincten worden dus door eiwitten overgedragen en/of via het non-coding DNA.

Wat weten we van instincten en DNA?
Uitzoeken hoe instincten overerven is fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, waaraan maar weinig is te verdienen. Dit is de reden dat er maar weinig onderzoek naar is gedaan. Uit dit weinig onderzoek weten we alleen dat instincten inderdaad geheel genetisch worden overgedragen en dat een klein samenhangend cluster een bepaalde instinctieve gedraging bevat.

Wat we wel weten is dat DNA, zoals gezegd, op drie wijzen informatie kan overdragen. Direct, in de vorm van eiwitten; in de vorm van RNA-enzymen of stuurcodes (non-coding DNA) en in de vorm van gemethyleerde nucleotiden (DNA-bouwstenen). Daarmee wordt bedoeld, dat er aan de nucleotiden een klein atoomgroepje (methyl, -CH3) wordt gehangen, waardoor de DNA-transcriptases (DNA-lezende enzymen) ‘weten’: let op: sla dit stuk over. Dit is dus te vergelijken met het uitcommentariëren in tekst of programmeercode. De methylgroep is dus equivalent aan de // tekens voor het begin van een statement in Javascript en andere C-gebaseerde talen en ‘ (of REM, oude knarren) in Basic.

Dus instincten kunnen of alleen in de vorm van eiwitten worden overgedragen – niet erg waarschijnlijk -, in de vorm van methylering van nucleotides (ook hier: niet erg waarschijnlijk), of in de vorm van DNA-stuurcodes, of messenger RNA’s in het non-coding DNA. Een van die laatste twee, dus stuurcodes of RNA is denk ik verreweg de meest waarschijnlijke methode, in combinatie met eiwitten en methylering. De meeste genetici denken hier anders over en concentreren zich op de genen. Wat dat betreft zitten ze er, vermoed ik, behoorlijk naast. Genen (d.w.z. de eiwitten waarin genen worden vertaald) zijn bouwstenen; instincten zijn een manier waarop deze bouwstenen onderling samenhangen. Instincten kunnen dus niet in genen zitten; alleen in de manier waarop genexpressie wordt gecombineerd.

Hoe programmeer je een instinct in DNA?
Een bij ethologen (diergedragskundigen) bekend instinct is de moederbinding bij jonge vogels. Pas uitgekomen jonge eendjes die een groot voorwerp zien, bijvoorbeeld een rode ballon, gaan dit voorwerp achterna lopen. Zelfs als de eendjes daarna een echte moedereend zien, blijven ze de ballon, zoals in dit filmpje, een man, achterna lopen. Dit instinct bestaat dus uit het programma: wacht (bij eenden) 13-16 uur tot na het verlaten van het ei -> is er een groot bewegend voorwerp? ->Volg dit voorwerp voortaan. Hoe zou je dit programma in eiwitten kunnen vertalen, of in stuurcodes voor eiwitten? Dit instinct is helder omschreven, dus leent zich goed voor een intellectuele verkenning.

Programmeren in DNA-taal
De hersenen van meer ontwikkelde dieren, zoals eenden, kennen een visuele cortex. Hierin worden visuele prikkels, zoals beweging, vormen en dergelijke, herkend. Het instinct moet dus een visuele prikkel verbinden met volggedrag. Genetica werkt als een soort bouwrecept. Dat wil zeggen: het organisme voert de instructies uit zoals die in het DNA van een bevruchte eicel staan. Hierdoor ontstaan bepaalde enzymen en prikkels, die weer leiden tot het uitschakelen van bepaalde genen en juist weer aanschakelen van bepaalde genen. Zit er een fout in deze reeks stappen, dan ontstaat een ontwikkelingsstoornis. Erfelijke ziekten, hoe afschuwelijk ze ook zijn voor de patiënten, vormen daarom een schatkamer van kennis over het ontwikkelingsproces. Hoe deze programmatuur precies werkt weten we nog niet, maar miljoenen genetici ontrafelen steeds meer van dit raadselachtige proces.

Hoe zou het coderen van instincten -kunnen- werken?
Wel durf ik een educated guess te doen hoe het instinctsysteem precies werkt. Uit diverse onderzoeken weten we dat genen aangeschakeld kunnen worden door bepaalde prikkels, zoals temperatuur, daglengte of een bepaalde concentratie van een chemische stof. In het geval van het ‘moederbindingsinstinct’ van jonge eendjes moet dit samenhangen met het uit het ei komen van de eend (overigens ook instinctief gedrag, en ook genetisch vastgelegd).
Vermoedelijk wordt het ‘vind-de-moeder gedrag’ getriggerd door lichtprikkels (dit moet geprobeerd worden); mogelijk het doormaken van een nacht. Er moet een biochemische ‘hook’ zijn met de visuele cortex en wel het deel dat beweging en grootte herkent. Dit zou een gedetailleerd bouwplan veronderstellen, vastgelegd in het non-coding DNA. Dit bepaalt dan niet alleen instincten, nee; de gehele constructie van een plant, dier, of mens. Inclusief visuele cortex, trigger en instincten. We kunnen dan echt letterlijk voor God spelen.

Kortom: heel, heel erg interessant. De bioloog die dit mechanisme opheldert, kan gegarandeerd zijn Nobelprijs ophalen en zal in één adem genoemd worden met Darwin en Crick. Ook kunnen we dan dieren naar believen programmeren met instincten die wij grappig vinden (bijvoorbeeld een kat die probeert te vliegen).

Xplorr, mijn complimenten voor je vraag.

Wat is leven?

21 reacties / biologie, Ideeën, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 22 december 2015 22 december 2015

Op het eerste gezicht is het makkelijk om onderscheid te maken tussen leven en dood. Schijn bedriegt echter. Wat maakt een cel levend? Hoe kan een dood virus een dode cel tot leven wekken? In deze video meer info.
Om alvast een tip van de sluier op te lichten: het verschil tussen levend en dood is kleiner dan we ons realiseren. Een levende cel bestaat uit dode atomen en moleculen, die niet verschillen van die in een dode cel. Wat ons dan levend maakt, en bijvoorbeeld een rots niet?
De grenzen zijn eerder vaag dan scherp en hebben alles te maken met organisatie en complexiteit.

De biohackerkit. Een compleet lab kost je 5000 dollar, maar dan heb je wel in Ã©Ã©n klap de helft van de Indiegogo-campagne gefinancierd.

Word biohackers: design je eigen bacterie, gistcel of konijn

2 reacties / Maatschappij, Techniek, Visionair leven, Visionaire vragen / Door Germen Roding / 10 november 2015 11 november 2015

Groot nieuws. Ex-NASA bioloog Josiah Zayner heeft goedkope kits ontwikkeld, waarmee beginnende biohackers zelf met DNA van bacteriën en gisten, of zelfs organismen zoals zoogdieren, kunnen knutselen.

Al eerder schreven we op Visionair over CRISPR. Met deze revolutionaire techniek kan je rechtstreeks in het DNA nauwkeurig knippen en plakken, zonder dat er dure apparatuur nodig is.

Zayner begon zijn bedrijf, omdat hij als enige bioloog aan dit soort projecten werkt. Als duizenden amateurs hem gaan helpen, kunnen we bijvoorbeeld bacteriën ontwikkelen om het plastic in de oceanen af te breken.

Op Indiegogo vind je alle details. Bij het publiceren van dit artikel is er nog iets meer dan drie weken te gaan, maar in principe kan je waarschijnlijk ook daarna nog bij Josiah’s bedrijf The Odin kits bestellen (uiteraard dan voor veel meer geld, en het is ook de vraag of die voor biohackers geschikt zijn).

Wat wat Monsanto kan, dat kunnen wij uiteraard beter. Lichtgevende plant als leeslamp? Een kat met acht poten in plaats van vier? Het is allemaal mogelijk, al heb je voor ingewikkelder organismen een ondersteunend lab nodig.
Zelf beginnen met biohacken? Er is goed nieuws. Ook in Nederland en België zijn er biohackergroepen actief, die je graag helpen en faciliteiten bieden: Check hier.

De biohackerkit. Een compleet lab kost je 5000 dollar, maar dan heb je wel in één klap de helft van de Indiegogo-campagne gefinancierd. — De biohackerkit voor rond de 100 euro. Een compleet lab kost je 5000 dollar, maar dan heb je wel in één klap de helft van de Indiegogo-campagne gefinancierd.

David tegen Goliath. Bron: Wikimedia Commons.

Hoe groot kan een mens worden?

3 reacties / biologie, Mensheid, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 12 oktober 2015 13 oktober 2015

De grootste man ooit, Robert Wadlow, had een lengte van over de 2,5 meter. Wadlow werd niet oud en biologen denken dat 2,44 meter ongeveer het maximum is wat een mens met de genen zoals wij die bezitten, kan bereiken. Maar wat als een moderne Joseph Mengele helemaal los zou gaan en zou proberen reuzen te kweken?

Hoe langer een dier is, hoe meer werk het hart moet verrichten. En hoe plomper de ledematen worden, want het gewicht neemt met de derde macht toe, de draagsterkte van bot slechts met de tweede macht. Als we een mens zouden verlengen tot een meter of vier of meer, zou deze man of vrouw vermoedelijk erg gewild zijn in de Amerikaanse basketballcompetitie, maar niet erg lang leven. Kortom: dan toch maar wat korter.

En de gevreesde Filistijnse reus Goliath dan, die door de roverhoofdman/massamoordenaar/profeet David werd geveld, zullen bijbelvaste christenen tegenwerpen. Welnu, Goliath blijkt volgens oude bijbelteksten, zoals die in het plaatsje Qumran bij de Dode Zee zijn gevonden, ‘slechts’ ongeveer twee meter lang te zijn geweest. De modernere Masoretische teksten bleken op dit punt uit de duim van middeleeuwse rabbinale geleerden te zijn gezogen. Kortom: als je als flink uit de kluiten gewassen Hollander of Belg van een metertje of twee een bezoekje aan het oude Palestina had gebracht, dan was de kans groot geweest dat je de lokale bevolking de stuipen op het lijf had gejaagd…