Net zoals de meeste organismen op aarde zijn ook mensen, op eeneiige tweelingen na, genetisch ietwat verschillend van elkaar. De ene mens is wat langer, de ander wat korter, de ene heeft blauwe ogen, de ander groene. De ene persoon kan sneller een bepaald patroon doorzien, een ander heeft meer fysieke kracht tot zijn of haar beschikking. Iedereen is net wat anders en daarmee is diversiteit de standaard van de natuur. De natuur kent geen gemiddeldes of standaardmodellen.
De evolutietheorie gaat ervan uit dat organismen op aarde een patroon van voortbestaan volgen. Aangezien de fysieke omstandigheden op aarde continue kunnen veranderen is het nuttig om op zoveel mogelijk verschillende paarden tegelijkertijd te wedden. Diversiteit is de strategie die de natuur gebruikt om zo goed mogelijk invulling te geven aan het patroon van voortbestaan. De natuur laat het verder aan de individuen en de omstandigheden over, of een deel van de genetische code wordt doorgegeven. Bij mensen in de vorm van kinderen bijvoorbeeld.
Diversiteit is erop gericht dat iedereen zaken net even anders kan doen inplaats van precies hetzelfde als anderen.
De natuur oordeelt hierbij niet en heeft ook geen doel, het is slechts een patroon. Genen die terugkomen in een volgende generatie kunnen de test met de omgeving opnieuw aan en genen die niet terugkomen in een volgende generatie doen niet langer meer mee.
Diversiteit als strategie tot voortbestaan heeft ervoor gezorgd dat het leven telkens meer hoeken van de fysieke wereld heeft kunnen betreden, van de diepzee tot woestijnen en van gloeiend warme vulkaangebieden tot aan de onderkant van ijsschotsen. De natuur kent verder geen waardeoordelen als goed of slecht. Alle levende organismen die er momenteel zijn, zijn allemaal succesvolle paden geweest van het leven tot dit moment aan toe. Van de naakte molrat tot aan de mens. De natuur kent geen beter en ook geen minder. Voor sommigen wellicht een teleurstelling, voor anderen wellicht een opluchting.
“Be yourself, everybody else is already taken.” Oscar Wilde
Soms lijken mensen het belang van diversiteit en het bewezen succes van deze strategie echter te vergeten, zeker ook bij onszelf als soort. De natuur heeft iedereen een uniek bouwplan meegegeven met daarbij een uniek setje eigenschappen. En zo wordt je als organisme vervolgens losgelaten in een bepaalde fysieke omgeving en wordt je bouwplan uitgetest. Uiteraard kan het vanuit de marketing niet echt uit om mensen aan te moedigen tevreden te zijn met zichzelf maar de natuur staat bij deze opvatting wel aan je zijde.
Door deze diversiteit in mensen en hun interacties met de fysieke omgeving, met andere levende wezens en met elkaar worden er zo ook diverse culturen geschapen, diverse denkbeelden etc. Ook hier zijn geen betere of mindere, de natuur test gewoon een flinke diversiteit uit en voortbestaan is het patroon wat de selectie maakt of dat patroon door zal zetten of niet.
Een interessante film die dieper ingaat op het belang van diversiteit als strategie van de natuur is Kinsey. Wellicht is het nuttig om onszelf en anderen er zo nu en dan aan te herinneren dat het diversiteit is wat de wereld rond laat gaan. Moeder natuur heeft blijkbaar een hekel aan eenheidsworst. :-)
Diversiteit is belangrijk in soorten maar ook in strategieën. Er is niet één beste weg, zolang een pad tot voortbestaan leidt is de weg goed genoeg. :-)
Ferroelektriciteit is alleen van belang in elektronische componenten, was de gangbare wijsheid. Niets blijkt minder waar. Zo blijkt ons lichaam op tal van plaatsen ferroelektrische fenomenen te herbergen en zou ferroelektriciteit wel eens de sleutel kunnen zijn om een aantal ernstige aandoeningen te genezen.
Wat is ferroelektriciteit?
Ferromagnetisme ken je waarschijnlijk: het verschijnsel dat een stuk weekijzer of ander ferromagnetisch materiaal in een magnetisch veld ook magnetisch wordt. Minder bekend is dat er ook zogeheten ferroelektrische materialen bestaan, die precies hetzelfde effect vertonen, maar dan voor elektrische lading.
Deze ferroelektrische condensator kan in twee standen geschakeld worden. Ideaal als geheugenelement. Bron: Wikipedia Commons
Ferroelektriciteit is in 1923 ontdekt door J. Valasek. Wordt een zogeheten ferroelektrisch materiaal in een elektrisch veld gebracht, dan gaan de elektrische dipooltjes in het materiaal (in de praktijk vaak combinaties van positieve en negatieve ionen in een zout) zich parallel aan dit veld richten. Wat ontstaat is een tijdelijke elektreet: een elektrische equivalent van een magneet.
Ferroelektrische materialen houden hun elektrische dipoollading, ook nadat het elektrische veld wegvalt: het zogeheten hysteresiseffect. Pas met een tegengesteld elektrisch veld verdwijnt de tijdelijke lading. Dit effect kan, net als met ferromagnetische hysterese in ouderwetse harde schijven en magneettape gebeurt, worden gebruikt om informatie mee op te slaan. Dat gebeurt ook al: in RFID-chips bijvoorbeeld. Het grote voordeel van ferroelektriciteit boven ferromagnetisme is dat elektrische velden vrijwel geen elektrische stroom vereisen om op te wekken. Dat maakt ferroelektrisch geheugen veel zuiniger dan ferromagnetisch geheugen. Daarom zijn ferroelektrische onderdelen erg populair in elektronica met weinig of geen beschikbare energie, zoals sensoren en RFID chips.
Ferroelektriciteit in levend weefsel van zoogdieren ontdekt
Naar nu blijkt, bevat ook ons eigen lichaam heel wat ferroelektrische materialen. Deze ontdekking maakt het mogelijk om “elektromedische” medicijnen te ontwikkelen die bijvoorbeeld voorkomen dat cholesterol aan de wand van bloedvaten blijft kleven en, in de middellange toekomst, bio-compatibel ferroelektrisch geheugen dat programmatuur voor kleine geïmplanteerde apparaten opslaat.
Dat elektriciteit van vitaal belang in ons lichaam is is al enkele eeuwen bekend. Om precies te zijn – sinds de infame proeven met kikkerpoten van elektro-pionier Alessandro Volta. Mitochondrieën wekken bij de afbraak van glucose elektrische spanning op, die in de vorm van NAD/NADH+ wordt afgetapt en zo de hele cel aandrijft. Zenuwcellen geven elektrische impulsen door door bliksemsnel om te polen. Dit blijkt nog maar het topje van de ijsberg. Zo sturen natuurlijke elektrische velden de ontwikkeling van embryo’s en het helen van wonden. Nu hebben Jiangyu Li van de University of Washington in Seattle en zijn team in de noordwestelijke Amerikaanse staat Washington ontdekt dat weefsel in de aorta van varkens ferroelektrisch is: elektrische velden kunnen de oriëntatie van in ieder geval sommige moleculaire componenten bepalen (Physical Review Letters, DOI: 10.1103/physrevlett.108.078103). De eiwitten in kwestie komen algemeen voor bij zoogdieren, ook bij mensen. Collega Sergei Kalinin denkt daarom dat dit verschijnsel wel eens in alle zachte weefels kan voorkomen.
“Ferroelektriciteit absorbeert schokken” Huajian Gao van Brown University in Providence, Rhode Island, heeft verschillend vermoedens over de reden achter dit merkwaardige verschijnsel. Zo is ferroelektriciteit kort geleden ontdekt in de eiwitten van zeeschelpen, waar het werkt als schokbreker. Als ferroelektrische materialen van vorm veranderen, ontstaan hoge spanningen die de dipolen latgen kantelen. Hierdoor wordt energie geabsorbeerd -en omgezet in warmte- die anders de schelp zou verwoesten. (Acta Materialia, DOI: 10.1016/j.actamat.2011.03.001). Gao veronderstelt dat er in de aorta iets vergelijkbaars aan de hand is. Abnormale hartritmestoornissen, als gevolg van de aanval door een roofdier bijvoorbeeld, zouden zo opgevangen kunnen worden door de rest van het lichaam.
Aanhangers van het paranormale geloven dat er een energieveld om het lichaam heen hangt, de zogeheten aura. Toch niet helemaal onzin?
Elektrische matrix?
Het is ook mogelijk (althans: dit is mijn persoonlijke theorie) dat het lichaam een soort elektrische matrix bevat en dat de ferroelektrische materialen in de aorta hier onderdeel van uitmaken. Dit zou typisch grenswetenschappelijke activiteiten als auralezen en aurahealing iets minder absurd maken dan ze lijken. Bekend is al dat elektrische velden ontwikkeling en groei in het lichaam sturen. Het in stand houden van deze velden is daarmee van essentieel belang voor het lichaam. Zij sturen de juiste morfologie en houden de lichaamsprocessen in evenwicht. Wellicht spelen ferroelektrische materialen in ons lichaam een essentiële rol bij het scheppen en in stand houden van deze elektrische velden en is een verstoring in deze (overigens zeer zwakke) velden een oorzaak van bepaalde ziekten.
Bloedvatwanden afstotende lading geven voor cholesterol?
Cholesterol bevat een dipool: een interne positieve en negatieve lading. Omdat gelijksoortige ladingen elkaar afstoten, veronderstelt Li dat het mogelijk is om om de lading op de wanden van de aorta om te keren. Hiermee zou het cholesterol afgestoten worden door de aortawand en aderverkalking voorkomen worden. “Het is zeer speculatief, maar als we een medicijn met een bepaalde lading op de vaatwand kunnen hechten, kan dat leiden tot een andere interactie met cholesterol.”
Waardoor ontstaat het ferroelektrische effect?
De onderzoekers denken dat twee eiwitten, elastine en collageen, verantwoordelijk zijn voor het ferroelektrische effect. Als het eiwit in kwestie collageen is, is de directe bron voor de ferroelektriciteit wellicht het aminozuur glycine (Gly). Glycine is het eenvoudigst denkbare aminozuur met slechts één waterstofatoom, waar een ingewikkelde groep zit bij andere aminozuren. Volgens onderzoek van Andrei Kholkin van de Universiteit van Aveiro, Portugal, blijkt dat glycine ferroelectrisch is als zijn moleculen worden gerangschikt in een bepaalde vorm van een kristallijn rooster. Of glycine deze vorm aanneemt in het lichaam is echter onduidelijk en zelfs als het zo is, aldus Li, is het de vraag of dit de waargenomen ferroelektriciteit verklaart. Ook in andere delen van cellen is al ferroelektriciteit aangetoond, waaronder in microtubuli. Vermoedelijk geldt dit ook voor de moleculen die ionen helpen psseren door celmembranen. Kortom: vermoedelijk is ferroelektriciteit alomtegenwoordig. De natuur was ons al honderden miljoenen jaren voor. Een gedachte om tot nederigheid te stemmen.
Biologisch geheugen
Wat ook de oorzaak voor de waargenomen ferroelektriciteit is, de ontdekking dat glycine een ferroelektrisch materiaal is, opent mogelijkheden voor zeer compacte biogeheugens. Glycine is als lichaamseigen aminozuur namelijk volkomen veilig. In theorie kan een elektrisch veld, toegepast op een moleculair rooster, molecuul voor molecuul omkeren. Bij vaste kristallen zijn dat al gauw een dozijn of meer, wat dit een extreem compact geheugen maakt. De complete inhoud van een moderne harde schijf, een terabyte, zou althans in theorie, op enkele vierkante millimeters glycinegeheugen kunnen worden geprint. Let wel: op een laagje van een molecuul dik. Je zou dan als mens met gemak meer muziek bij je kunnen dragen dan je je leven kan luisteren. Of de inhoud van alle boeken die ooit geschreven zijn. Niet gek. Of een nog veel verbijsterender idee: de complete informatieinhoud van je geheugen. Stel, in de verre toekomst lig je op sterven. Via een bionisch netwerk, dat haarfijn elk neuron aftapt, wordt de complete inhoud van je brein afgelezen en in een glycinegeheugen gegraveerd. Na een paar maanden word je weer wakker in een nieuw lichaam met al je herinneringen intact. Wie weet zou deze functie in ons DNA ingebouwd kunnen worden. Stof tot nadenken…
In levende wezens blijkt kwantumverstrengeling, een exotisch verschijnsel dat in laboratoria zelfs onder de allerbeste omstandigheden slechts fracties van seconden in stand houdt, volop voor te komen en zelfs veel robuuster te zijn dan in het lab. Natuurkundigen denken nu eindelijk een verklaring gevonden te hebben.
Levende wezens, zoals vogels en planten, kloppen bij het in stand houden van kwantumverstrengeling zelfs de beste kwantumlabs met ordes van grootte. Zijn we er nu eindelijk achter waarom?
Kwantumparadox: levend wezen klopt geavanceerd kwantumlab
De laatste jaren wordt steeds meer ontdekt dat kwantumverschijnselen in levende wezens eerder de regel dan de uitzondering zijn. De bekendste voorbeelden zijn fotosynthese (waardoor d.m.v. kwantumcoherentie alle lichtenergie die op een bladgroenkorrel valt, wordt geconcentreerd op één effectieve plaats) en het waarnemen van magnetische velden door vogels met behulp van het kwantum Zeno effect.
Veel natuurkundigen zitten hiermee behoorlijk in hun maag. Hoe kan een heet, vochtig systeem kwantumverstrengeling veel langer in stand houden dan onderzoekers in een lab, waar met vacuüm vlak boven het absolute nulpunt wordt gewerkt? Kortom: volgens klassieke kwantumberekeningen is dit niet mogelijk. Fysici denken daarom dat er iets verkeerd is: of de metingen deugen niet – een geliefd argument: niet-natuurkundigen, zeker als ze zich op natuurkundig terrein begeven, zijn nu eenmaal prutsers – of er is een nog niet ontdekt mechanisme dat decoherentie (verdwijnen van kwantumverstrengeling) voorkomt.
Onbekend kwantummechanisme ontdekt
De jury is er eindelijk uit: Gabor Vattay en Stuart Kaufman van de universiteit van Vermont (VS) en Samuli Niiranen van het Tampere Technisch Instituut in Finland zeggen nu inderdaad dat het een tot dusver nog onontdekt mechanisme is. Ze hebben ontdekt dat onder bepaalde bijzondere omstandigheden, kwantumsystemen veel langer coherent kunen blijven dan klassieke kwntummechanica toestaat. Ze stellen ook dat biologische systemen dit effect op zo’n manier manipuleert dat dit de recente ontdekkingen van kwantumbiologen verklaart.
Kwantumchaos
De chaostheorie – een infinitesimaal kleine verstoring zal in een instabiel systeem uitgroeien tot een radicaal andere systeemstaat – heeft de afgelopen veertig jaar aan onder meer meteorologen duidelijk gemaakt dat hun droom, ooit maanden van tevoren het weer te kunnen voorspellen, onmogelijk is te bereken. Er bestaat ook een kwantumvariant van de chaostheorie, waarin een kleine wijziging in een kwantumstaat een enorm effect op de evolutie van het systeem heeft.
Faseovergang behoudt kwantumverstrengeling
Naar blijkt, bestaat er een soort faseovergang tussen ‘klassiek’ kwantumgedrag vertonende kwantumsystemen en chaotische kwantumsystemen – net als in klassiek fysische systemen. De nieuwe verklaring maakt gebruik van deze kwantumovergangstoestand. Er is bijvoorbeeld een punt met een (hoge) temperatuur en druk waarbij ijs, vloeibaar water en waterdamp tegelijkertijd kunnen bestaan (het driefasenpunt). Bij deze kritische overgang is er geen verschil meer tussen deze drie fases. Kauffman stelt dat er een vergelijkbare kritische overgangsstaat bestaat tussen normale en chaotische kwantumsystemen. Op dit punt is er geen verschil meer tussen ‘normaal’ en ‘chaotisch’ kwantumgedrag. Onder deze omstandigheden overleeft kwantumcoherentie plotseling veel langer dan normaal.
Plausibele verklaring voor kwantumbiologie
Dit moet de verklaring zijn voor de bizarre kwantumbiologie, aldus Kauffman en zijn medeauteurs. Om de proef op de som te nemen berekenden ze met redelijk succes hoe sterk het de coherentie van het kwantum-lichtoogstsysteem in bladgroenkorrels verbeterde. Hun conclusie: “Het is erg plausibel dat biologische systemen dit mechanisme gebruiken.”
Kwantumtechniek op kamertemperatuur nu binnen bereik
Ook bouwers van potentieel superzuinige kwantumcomputers en (zeer gevoelige) kwantumdetectoren kijken reikhalzend uit naar het moment waarop ze er in slagen kwantumverstrengeling op kamertemperatuur en voor veel langere tijd te manipuleren. Deze ontdekking zou dus wel eens grote gevolgen kunnen hebben voor de doorbraak van kwantumtechniek. Als deze kwantum-faseovergang inderdaad bij kamertemperatuur gerealiseerd kan worden, zou je bijvoorbeeld draagbare MRI-scanners en dergelijke kunnen bouwen.
Kortom: veel mogelijkheden om nieuwe, nauwkeurige en zuinige meetapparatuur en informatieverwerkers te ontwikkelen.
Een niet-destructieve methode om de zeer complexe eiwitten, de bouwstenen van het leven, te analyseren kan wel eens voor een omwenteling in de biologie zorgen.
Eiwitten: vorm nog steeds terra incognita Wij allen bestaan vrijwel geheel uit eiwitten, opgelost in water. De overige stoffen, zoals suikers, vetten en minerale afzettingen die in ons, dieren en planten voorkomen, zijn door enzymen, eiwitten die biochemische reacties helpen verrichten, in elkaar gezet. In DNA staat de exacte code van eiwitten beschreven en het is door deze code dat DNA invloed heeft op de cel.
Zo werkt elektronholografie. Eindelijk een blik op de terra incognita van de eiwitwereld?
Hoe een eiwit zich gedraagt, wordt bepaald door de vorm. Als een actieve groep van een enzym zich op een andere plaats bevindt, gedraagt het enzym zich heel anders. Kortom: het is van uiterst groot belang dat we precies begrijpen welke vorm eiwitten hebben.
Precies dit bepalen is een extreem moeilijk karwei. Eiwitten zijn namelijk kralenkettingen, bestaand uit een lange keten aminozuren. Wat de volgorde van aminozuren is, kunnen we letterlijk lezen in het DNA en is dus niet zo moeilijk. Het probleem is dat we zeer lastig kunnen voorspellen hoe de eiwitketens zich opvouwen. Aminozuren hebben namelijk steeds wisselende zijgroepen, zo zijn er zure en basische, polaire en apolaire aminozuren. Aminozuren kunnen zo bijvoorbeeld een waterstofbrug vormen met een ander aminozuur op een heel andere plek in het eiwit, wat er voor zorgt dat het eiwit zich op een bepaalde manier op gaat vouwen.
Geen wonder dat onderzoekers hun toevlucht zoeken tot zeer zware supercomputers om de vorm te berekenen. Ook zijn er collaboratieve inspanningen van gamers die op speelse wijze de effectiefste eiwitten bepalen.
Veel gebruikte technieken zijn ook röntgenkristallografie, waarbij de eiwitten kristalliseren en vervolgens met röntgenstraling worden doorgemeten. Probleem: daar heb je miljoenen eiwitmoleculen voor nodig en het is geen sinecure deze uit een cel te zuiveren zonder ze ernstig te beschadigen. Ook vormen de meeste eiwitten geen kristallen. Ook hebben eiwitten de voor onderzoekers frusterende eigenschap van vorm te kunnen wisselen, wat röntgenkristallografie dan vrijwel onbruikbaar maakt. Het gevolg: van welgeteld twee procent van de menselijke eiwitten is de vorm bekend.
Subtiel fotograferen van een eiwit
Menig onderzoeker zou er daarom een lief ding voor over hebben een eiwit te kunnen fotograferen, zoals we ook met grotere objecten zoals virussen of cellen kunnen. Helaas is een ijzeren kwantummechanische wetmatigheid dat een kleinere golflengte (dus grotere nauwkeurigheid) alleen met meer energie bereikt kan worden. Met als gevolg dat er weinig van het eiwit overblijft.
Jean Nicholas Longchamp en zijn collega’s van de Universiteit van Zürich in Zwitserland hebben een uitweg gevonden. Hun oplossing: eiwitten in beeld brengen met lage-energie elektronen die de eiwitten heel laten. Zelfs bij deze lage energie hebben elektronen nog een golflengte van rond een nanometer, ongeveer zeven waterstofatomen breed. Voldoende voor holografie, 3D-fotografie dus. Ze hebben een elektronhologram gecreëerd van ferritine – een voetbalvormig eiwit dat in zijn inwendige ijzeratomen transporteert in zo ongeveer alle levende wezens.
Hun techniek: het mengen van ferritine en koolstof nanovezels in water. Ze laten het water verdampen zodat de koolstof nanobuisjes met daaraan klevend de ferritinebollen. De verdamping vindt plaats in een soort zeef op nanoschaal, waarbij sommige nanobuisjes met hun ferritinelading over de gaten in de zeef hangen. Longchamp stuurde vervolgens een elektronenbundel door het gaatje in de zeef en bepaalde het interferentiepatroon – de standaard techniek om hologrammen te maken.
Het resultaat: het eerste atoomscherpe elektron-hologram van ferritine ooit, gemaakt op een niet-destructieve manier. Ze hebben zelfs hun afbeeldingen vergeleken met hoge-energie elektronfotografie en laten zien hoe vernietigend het bombardement met hoge energie-elektronen uitpakte.
Het belang van deze ontdekking is enorm. Zo kunnen we de structuur van een belangrijk deel van de 98% overige eiwitten bepalen, en snel. Hierdoor kunnen we veel effectievere en krachtiger medicijnen ontwikkelen en de diepste geheimen van het leven zelf achterhalen. Door deze techniek kan het medische en biologische onderzoek wel eens in een enorme stroomversnelling komen, want zoals gezegd, de functie van eiwitten en andere grote moleculen is de missing link.
De groep wil nu de resolutie nog opkrikken, zodat ook individuele atomen in beeld komen. Het lijkt erop alsof de droom van behoorlijk wat biochemische onderzoekers nu uit gaat komen – met hopelijk veel krachtige neiuwe medicijnen tot gevolg. Op deze manier zou je een complete menselijke cel kunnen simuleren in een supercomputer en kunnen een aantal bijzonder akelige ziekten eindelijk de wereld uit geholpen worden.
Netwerken van levende cellen kunnnen even efficiënt rekenen als via internet gelinkte computernetwerken, bewezen computerwetenschappers.
Distributed computing
Het hart van computers bestaat uit drie rekeneenheden: het geheugen, de centrale processor en de cache, waarin de rekendata worden opgeslagen. Het feitelijke rekenen gebeurt in de centrale processor. In feite is dat niet zo handig. In de processor wordt heel veel warmte geproduceerd (koeling wordt een steeds groter probleem). Geen wodner dat ‘distributed computing’ steeds populairder wordt. Niet één, maar vele rekeneenheden voeren de berekeningen uit, waarbij berekeningen in stukjes worden geknipt. Rekencentra maken graag gebruik van de rekencapaciteit van de miljoenen computers op internet, bijvoorbeeld via het bekende Seti@Home en Einstein@home programma.
De natuur ging ons hier voor: ons brein bestaat bijvoorbeeld uit honderd miljard neuronen die zowel het geheugen vormen als de processoren.
In de natuur komen veel netwerken van levende cellen voor. Ze blijken aanmerkelijk slimmer te zijn dan informatici tot nu toe dachten. Bron: PNNL Nat. Lab.
Message passing model
De conventionele manier om deze systemen op te zetten is via onafhankelijke Turing machines (zoals pc’s), verbonden met een netwerk (bijvoorbeeld internet) waarover ze lange berichten uitwisselen. Dit ‘message passing model’ wordt door de al eerder genoemde rekenprojecten zoals SETI@home and Einstein@home toegepast.
Gedistribueerd rekenen voor domme netwerken
Dat werkt heel aardig voor een geavanceerd netwerk als internet, maar veel in de natuur of in de technosfeer voorkomende netwerken zijn veel te beperkt voor dit soort lange boodschappen. Ook zijn hun knooppunten, bijvoorbeeld neuronen, te ‘dom’. Een biologisch cel, om een voorbeeld te noemen, kan maar beperkte hoeveelheden informatie verzenden en ontvangen en eenvoudige vormen van informatieverwerking toepassen.
Een netwerk van cellen kan alleen erg gemakkelijke gedistribueerde berekeningen uitvoeren. Aan de andere kant: ook ons brein en dat van andere hoogontwikkelde levensvormen bestaat uit ‘domme’ cellen en het rekenvermogen van ons brein stelt dat van supercomputers voor veel taken nog steeds in de schaduw. Zeker als je let op de compactheid van ons brein. Kortom: ook een ‘dom’ netwerk kan heel wat. De vraag is uiteraard welke vormen van berekeningen op dit netwerk dan wel mogelijk zijn.
‘Domme’ netwerken blijken opvallend slim
Yuval Emek, Jasmin Smula en Roger Wattenhofer van het Zwitserse Federale Instituut voor Techniek in Zürich lijkt het antwoord te hebben gevonden. In hun woorden: “We geloven dat er behoefte is aan een netwerkmodel, waarvan de knooppunten minder kunnen rekenen en communiceren dan Turingmachines“. In hun artikel modelleerde ze het rekengedrag van een netwerk van deze sub-Turing machines, die ze “eindige staat machines” noemen. Ze laten zien dat een netwerk van eindige-staat machines bepaald niet gehandicapt is en in staat is veel van de standaard problemen in gedistribueerd rekenen op te lossen. Sterkr nog: deze netwerken blijken het werk minstens zo efficiënt te kunnen doen – in een tijd die poly-logaritmisch afhankelijk is van (dus sterk terugloopt met) het aantal rekenknooppunten (i.e. cellen).
Nieuwe biologische computers
Dit kan verreikende consequenties hebben. Als we leren hoe we netwerken cellen kunnen laten rekenen en samenwerken, kunnen deze cellulaire netwerken ook algemene problemen in biologische systemen zoals vooruit plannen, een pad zoeken en dergelijke uitvoeren.
Het nieuwe model kan ook op een meer prozaïsche manier worden gebruikt: de effectiviteit van sensoren voorspellen, bijvoorbeeld, die sterk worden beperkt door het beschikbare vermogen. De drie auteurs stellen in essentie de vraag: rekenen en communiceren kleine knooppunten op dezelfde manier als een computer? En beantwoorden deze bevestigend. Welke verborgen informatieverwerkende netwerken zouden zich in de natuur verborgen houden?
Zouden eencelligen slimmer zijn dan we tot nu toe dachten? En zouden er meer intelligente netwerken voorkomen op plaatsen waar we nog niet hebben gezocht?
De meeste evolutionair biologen geloven dat het leven zich lijkt te ontwikkelen tot ingewikkelder levensvormen, omdat er domweg meer mogelijkheden zijn voor een plantensoort of diersoort om ingewikkelder te worden dan om eenvoudiger te worden. Maar is dat de enige reden? Steeds meer gegevens pleiten voor het tegendeel.
Traditionele kijk: we zijn het product van toeval
Volgens de vooraanstaande paleontoloog wijlen Stephen J. Gould is evolutie een geheel door toeval gestuurd proces. Als een ander dier dan de voorouder van de dino’s de vernietigende ramp aan het einde van het Perm had overleefd, hadden zich nooit dino’s en dus ook nooit vogels ontwikkeld. De wereld zou er heel anders uit zien en mensen zouden waarschijnlijk niet voorkomen. De processen die ten grondslag liggen aan evolutie, het recombineren van genen, mutaties en veranderingen in de leefomgeving (waarvan extinction level event natuurrampen een extreem voorbeeld zijn), worden geheel door toeval gestuurd. We maken onszelf wijs dat we het toppunt van evolutie zijn, maar dat is onzin, aldus Gould. Onze voorouders hebben domweg meer geluk gehad dan uitgestorven soorten. Er zijn meer manieren om iets toe te voegen dan om iets weg te halen, daarom lijkt het alsof het leven steeds ingewikkelder wordt. De meeste evolutionair-biologen delen deze kijk. Maar klopt dat wel?
Kauwachtigen als de raaf zijn ongeveer even slim als apen.
Evolutionaire vooruitgang duidelijk waarneembaar
Als we als buitenstaander naar de ontwikkeling van leven kijken zien we een duidelijke ontwikkeling, een toename in complexiteit en verbetering in biologische functies. Ooit was alle leven eencellig. Nu bevatten de grootste organismen tientallen biljoenen cellen. Ook zijn er nu veel meer celtypen in een organisme, van één in een bacterie tot 120 in een zoogdier. De gemiddelde hersengrootte in hogere dieren is nu hoger dan ooit in de geschiedenis van de aarde. Een van de slimste dieren aan het einde van het tijdperk van de dino’s, de roofdino Troödon, had hersens zo groot als een duivenei. Er zijn nu meerdere soorten uit heel verschillende ordes, variërend van octopussen tot papegaaien, die een indrukwekkende intelligentie hebben ontwikkeld. Met als voorlopige hoogtepunt onze eigen soort, de voor zover we weten eerste soort die in staat is om een technisch geavanceerde samenleving op te bouwen.
Een klein groepje dissidente evolutiedeskundigen denkt daarom dat evolutionaire vooruitgang wel degelijk bestaat en formuleren het proces in theoretische termen. Ze hopen aan te kunnen tonen dat Gould er naast zat en dat bepaalde vormen van vooruitgang niet op toeval of illusie berusten, maar een logische en noodzakelijke ontwikkeling vormen. Slagen ze in hun opzet, dan betekent dit een ingrijpende wijziging in de bekende evolutietheorie.
Hiervoor geven ze vier argumenten.
Wat is vooruitgang?
Het eerste argument is: we moeten op een andere manier naar vooruitgang kijken. Niet alle vooruitgang is een toename in complexiteit. Vaak zelfs integendeel – veel parasieten zijn succesvol omdat ze lichaamsfuncties verliezen. Astrofysicus Eric Chaisson van Harvard denkt dat we uit moeten gaan van energiestroomdichtheid als maat voor progressie. Een ster als de zon produceert per gram bijvoorbeeld 0,2 microjoule per seconde, een kamerplant 300 tot 600 microjoule, meer dan duizend maal zoveel. Alleen omdat sterren zo groot zijn, schijnen ze zo helder. Het menselijk lichaam produceert 2000 microjoule per gram per seconde, jagers-verzamelaars 4000 microjoule per gram per seconde en onze moderne maatschappij 200 000 microjoule per gram per seconde (Complexity, vol 16, p 27). Op een logaritmische schaal zie je een duidelijk stijgende lijn.
Thermodynamica: complexiteit onvermijdelijk
Het tweede argument heeft betrekking op thermodynamica. De algemene teneur van de Tweede Hoofdwet van de thermodynamica is erg pessimistisch: elk gesloten systeem (zoals ons heelal) streeft naar maximale wanorde, dus wordt op den duur onleefbaar. Geen wonder dat veel mensen zich afvragen waarom er überhaupt leven is ontstaan. Immers, leven creëert orde waar eerst wanorde is. Het antwoord is: er zijn plaatsen in het heelal, zoals ons zonnestelsel, waar er een energiegradiënt is: de oppervlakte van de zon is veel heter dan het aardoppervlak (dat weer veel heter is dan de temperatuur van de ruimte). Dit vormt een bron van vrije energie die omgezet kan worden in complexiteit en orde.
Vleugels en intelligentie onvermijdelijk
Argument drie is convergente evolutie. Zowel octopussen, gewervelde dieren als vier andere diergroepen beschikken over vrijwel dezelfde cameraogen maar behoren tot totaal verschillende diergroepen. Zowel de nu uitgestorven pterodactylen, vleermuizen als vogels ontwikkelden vleugels. Klassieke voorbeelden van convergente evolutie: verschillende organismen in een vergelijkbare omgeving zullen zich toch op vergelijkbare wijze ontwikkelen. Klaarblijkelijk zijn veel evolutionaire uitkomsten niet toevallig maar onvermijdelijk en geldt dat ook voor dingen als gedachten, maatschappijen en technologieën. Al eerder genoemd is de ontwikkeling van opmerkelijk hoge intelligentie in sterk verschillende diersoorten. Kraaiachtigen en primaten behoren tot totaal verschillende diergroepen en kunnen gereedschappen gebruiken, bedrog plegen en ingewikkelde sociale groepen vormen. Kortom: waren wij mensen ze niet voorgeweest, dan hadden heel goed geëvolueerde kraaien of papegaaien in plaats van mensen dit onderwerp kunnen bespreken.
Sommige denkers hebben gespeculeerd over een intelligente dino-soort.
‘Catastrofes niet allesbepalend’
Argument vier is het weerleggen van catastrofisme, een geliefd argument van de school van Gould. Vernietigende natuurrampen als een asteroïdeinslag of een gammaflits die de aarde treft, laten maar enkele individuen in leven. Uiteraard zet dit de evolutie behoorlijk en onvoorspelbaar op zijn kop. Was de asteroïde die de dino’s wegvaagde niet neergekomen, dan waren er geen niches vrijgekomen voor zoogdieren en hadden zich geen slimme, gereedschap gebruikende aapachtigen kunnen ontwikkelen. Simon Conway Morris, paleontoloog van de Universiteit van Cambridge, weerlegt dit met een beroep op convergente evolutie. En inderdaad: de zoogdieren aan het einde van het Trias waren ongeveer even slim als Troödon. Intelligente dino’s zijn dus verre van onmogelijk – kraaien en papegaaien bewijzen dit.
Morris gaat verder. Stel, de rampasteroïde van Chicxulub had ons gemist. Dan, 30 miljoen jaar later, was alsnog het tijdperk van ijstijden begonnen en had het koude klimaat de dino’s teruggedrongen tot de tropen. Dit had alsnog ruimte opengelaten voor zoogdieren en vogels. Het gevolg: deze hadden zich alsnog kunnen ontwikkelen tot gereedschapsontwikkelde soorten en met de dino’s zou het net zo afgelopen zijn als met de mammoet, aldus hem. Overigens waren dino’s wel degelijk warmbloedig en zijn grote dieren in een koud klimaat juist in het voordeel.
Toch de kroon op de schepping?
Als deze vier argumenten overeind blijven, zou dit betekenen dat de evolutietheorie een stuk uitgebreider wordt. Vooruitgang wordt zo onvermijdelijk. Hoewel de einduitkomst niet te voorspellen is, zal deze toch in grote lijnen lijken op de wereld van nu. Een dergelijke nieuwe evolutietheorie zou ook korte metten maken met creationisme en intelligent design. Immers, er is nu een logische en natuurlijke verklaring voor de ontwikkeling van complexiteit zonder dat een beroep hoeft ter worden gedaan op een hogere of buitenaardse macht. Ook maakt dit onze rol anders. We zijn dan wel degelijk het onvermijdelijke hoogtepunt van een evolutionaire ontwikkeling.
Kanker is geen ziekte, maar een nieuw organisme, aldus celbioloog Duesberg van de universiteit van Berkeley. Met deze nieuwe, opmerkelijke theorie schopt hij stevig tegen de schenen van het medische establishment.
Kanker als parasiet
Kankergezwellen hebben een aantal duivelse trekjes. Zo passen ze zich aan en beschikken vaak over allerlei trucs om in leven te blijven en het afweersysteem om de tuin te leiden.
Een kankercel (rechts) heeft zonder uitzondering een afwijkend aantal chromosomen van een normale cel (links). Volgens Duesberg een teken dat zich een nieuwe soort heeft gevormd
Kankerpatiënten zien kankers als parasieten die hun lichaam overnemen. Volgens bioloog Duesberg is dit meer dan een metafoor. Hij ziet tumoren als parasitaire organismen. Elk kankergezwel is een nieuwe soort die, zoals de meeste parasieten, afhankelijk is van de gastheer voor voedsel, maar verder onafhankelijk opereert van de gastheer – vaak tot diens nadeel. Kankers zijn qua complexiteit vergelijkbaar met bacteriën, aldus Duesberg, maar zijn nog steeds autonoom. Kankergezwellen hebben geen andere cellen nodig om te overleven: kankercellen volgen geen orders op en kunnen overal groeien. Duesberg ziet dit als kenmerken van een nieuwe soort.
Dit nieuwe inzicht in de aard van kanker kan nieuwe behandelmethodes opleveren, aldus Duesberg. Cellen afkomstig van kankergezwellen, bijvoorbeeld de bekende onsterfelijke HeLa-cellijn, afkomstig van patiënte Henriette Lacks, hebben ook doorgaans meer chromosomen dan normale cellen. Omdat de verstoorde chromosomen onder een microscoop zichtbaar zijn kan dat ook tot nieuwe diagnosemethodes leiden.
Besmettelijke kankers
Inderdaad zijn er een drietal vormen van kanker bekend die van dier op dier overgebracht kunnen worden (niet te verwarren met kankersooerten die door virussen worden veroorzaakt).
De Tasmaanse duivel wordt met uitsterven bedreigd door de devil facial tumor disease, een parasitaire kanker die Tasmaanse duivels aanvalt en doodt. Deze kanker wordt via een enkele (of meerdere) kankercellen overgedragen van de ene Tasmaanse duivel naar een andere. Een vergelijkbare parasitaire kanker, canine overdraagbare venerische tumor, wordt tussen honden overgedragen via een enkele kankercel, waarvan het DNA dateert van de tijd waarin de eerste honden werden gedomesticeerd. Ook bij een hamstersoort komt een overdraagbare kankersoort voor. In deze gevallen is kanker een succesvolle zeflstandig levende parasiet geworden. Een nieuwe soort dus.
‘Kanker door een afwijkend aantal chromosomen’ Opmerkelijk is dat letterlijk alle kankergezwellen een abnormaal aantal chromosomen in hun cellen hebben (aneuploïdie). Deze aneuploïdie is volgens de aanhangers van de populairste kankertheorie, de mutatietheorie, een gevolg van een mutatie. Duesberg ziet dat anders: volgens hem begint de kankervorming door aneuploïdie.
Duesberg ontdekte dat kankergezwellen onderling zeer sterk verschillen. Zelfs gezwellen van dezelfde kankersoort, afkomstig van verschillende patiënten, hebben een heel andere chromosoomverdeling. Duesberg’s theorie is daarom dat kanker een succesvolle speciatie (soortvorming) is. Een schrale troost voor kankerpatiënten, maar ze zijn dus het thuis van een nieuwe soort.
Hoe kan iets dat we pas waar kunnen nemen op enkele graden boven het absolute nulpunt, een rol spelen in levende organismen? Onzin, oordeelden natuurkundigen. Tot voor kort was kwantumbiologie dus het domein van grenswetenschappers en new-age mystici. Alleen al suggereren dat kwantumprocessen een rol spelen in levende organismen, kon je maar het beste een paar maanden voor je pensionering doen als je baantje als wetenschapper je lief was. Nu wordt in hoog tempo duidelijk, dat kwantummechanica heel veel tot nu toe raadselachtige verschijnselen in cellen en organismen verklaart.
Natuur overtreft laboratoriumtechnici
Vogels kunnen het aardmagnetisch veld waarnemen door een kwantumeffect.
Moeder Natuur blijkt echter meerdere trucs te beheersen die natuurkundigen nog steeds niet in de vingers hebben. Coherente kwantumprocessen komen waarschijnlijk algemeen voor in de natuur. Bekende of vermoede voorbeelden reiken vanaf he vermogen van vogels om te navigeren op het aardmagnetisch veld tot de werking van fotosynthese – het proces waarmee planten zonlicht, water en kooldioxide in organische materialen omzetten en waarvan alle meercellige levende wezens, (akkoord, een handjevol diepzeewormen uitgezonderd) van afhankelijk zijn.
De evolutie is, Dawkins zei het al, een blinde horlogemaker die elke generatie aan het ontwerp prutst. De meest geslaagde ontwerpen overleven. Alles wat evolutionair voordeel oplevert, wordt verwerkt in het ontwerp van planten en dieren. En als kwantumeffecten een voordeel opleveren, dan zal de natuur daar zeker gebruik van maken. Zelfs natuurkundigen, die zich gewoonlijk ver verheven voelen boven scheikundigen, laat staan biologen, letten nu op. Als ze wat trucjes kunnen leren van levende organismen, worden dingen als kwantumcomputers, betere zonnecellen en betere manieren om energie op te slaan – of betere sensors en gevoeliger detectoren – realiteit. Enkele voorbeelden.
Zonder kwantumverstrengeling geen fotosynthese, dus geen leven, behalve rond hete bronnen in de diepzee.
De fotosynthesetruc
Licht wordt geabsorbeerd door chlorofyl, een groen pigment dat zich in kleine blaasjes verspreid over een plantencel bevindt. Als een foton, een lichtdeeltje, het blaasje met chlorofyl raakt gebeurt er iets vreemds. De energie wordt precies daar in het reactiecentrum geconcentreerd waar de energie kan worden afgetapt door de cel. Die maakt daar dan suikers van – de uitgangsstof voor alle andere stoffen die planten maken, zoals zetmeel, DNA, eiwitten en vetten. Naar we nu weten, zijn de chlorofylmoleculen zo slim georganiseerd dat de trillingen elkaar versterken en op een gegeven moment zo sterk worden dat het reactiecentrum de energie kan aftappen. Opmerkelijk genoeg zoeken de trillingen het energie-efficiëntste pad naar het reactiecentrum. Alleen kwantummechanica kan dit verklaren.
Inderdaad is er zowel theoretisch als experimenteel bewijs dat fotosynthese inderdaad op deze manier werkt. Inderdaad blijken er trillingen te bestaan die elkaar in het chlorofyl exact versterken en het efficiëntste pad vinden. Zelfs bij kamertemperatuur werkt dit. De warmteruis in de plant, de absolute vijand voor kwantumonderzoek in het lab, stimuleert dit proces zelfs.
Steeds meer kwantummechanische effecten duiken op
Er zijn nog meer voorbeelden. Zo kwantumtunnelen protonen bij bepaalde enzymreacties (lekken door een energiebarrière). Ook is er de controversiële kwantumtheorie van de reuk. Volgens deze theorie nemen we niet de chemische eigenschappen van moleculen waar in onze neus, maar hun trillingstoestand. Ook vogels maken bij hun vlucht gebruik van een kwantumeffect, waardoor ze het zwakke aardmagnetisch veld waar kunnen nemen.
De implicaties hiervan zijn zeer groot. Kwantummechanica blijkt een veel grotere rol in ons leven te spelen dan we tot nu toe hebben gedacht. Ook is het blijkbaar mogelijk om gebruik te maken van kwantumeffecten bij kamertemperatuur. Dit opent een totaal nieuw technisch veld, waardoor we veel betere en krachtiger middelen kunnen ontwikkelen om ons leven te veraangenamen. Denk aan zonnecellen met zeer hoog rendement, extreem gevoelige sensors waarmee we zeer scherp kunnen waarnemen, kwantumcomputers en zeer energiezuinige elektronica. Niet gek voor een grenswetenschappelijk terrein dat ooit werd verguisd door de mainstream wetenschap.
Vergeet puntmutaties en survival of the fittest. Twee onderzoekers hebben nu aangetoond dat springende genen, stukken DNA die van de ene plek naar de andere springen, de drijvende kracht achter de evolutie zijn in sommige soorten.
Springende genen essentieel voor evolutie mens
Springende genen verklaren waarschijnlijk de enorme diversiteit bij vleermuizen: van nectardrinkers (hier afgebeeld) tot insekteneters, fruiteters en vampiervleermuizen. Oranje nectarvleermuis, auteur Hans Hillewaert (Wikimedia Commons), cc-by-sa-4.0
Springende genen, in het Engels jumping genes, zijn stukken DNA die naar een nieuwe plek in het genoom van een cel kunnen springen. Door deze beweging ontstaan mutaties en veranderen de erfelijke eigenschappen van de nakomelingen. In hun laatste publicatie geven de Australische onderzoekers Greene en Oliver ongeveer honderd voorbeelden van springende genen, die genen ingrijpend wijzigden of zelfs toevoegden, met als gevolg dat welbekende primateneigenschappen zoals het zien van kleur ontstonden.
“Onderscheid kunnen maken tussen rood en groen, snellere werking van het brein, een betere voedselvoorziening voor de foetus, een actievere placenta en betere weerstand tegen infectieziekten zijn maar enkele van de evolutionaire vorderingen die door springende genen zijn veroorzaakt,” aldus een hoogleraar biomedische wetenschappen, prof. Greene. “Het is zelfs heel moeilijk om je voor te stellen hoe primaten (waaronder de mens) zich hadden kunnen ontwikkelen zoals nu, zonder jumping genes.”
Meerdere biologische raadsels opgelost
Oliver en Greene hebben de theorie verfijnd tot vier deeltheorieën die helpen verklaren waarom evolutie soms extreem snel verloopt, soms geleidelijk en soms nauwelijks. Hun springende genentheorie helpt daarom een aantal raadsels in de biologie te ontsluieren, bijvoorbeeld de reden dat sommige soorten plotseling eensklaps opduiken in de fossielenverzameling, waarom sommige groepen organismen zeer rijk zijn in soorten en andere juist soortenarm. Als voorbeeld van een groep die makkelijk nieuwe soorten vormt, geeft Oliver vleermuizen. Vleermuizen kennen een grote populatie actieve springende genen. Inderdaad zijn er verbazingwekkend veel soorten vleermuizen: één op elke vier zoogdiersoorten is een vleermuis.
Zonder springende genen ontstaat levend fossiel
Barbara McClintock, de ontdekster van de springende genen. Het kostte haar tientallen jaren om acceptatie van haar revolutionaire ontdekking te krijgen. Hiervoor kreeg ze in 1983 terecht de Nobelprijs biologie.
Levende fossielen, zoals de coelacanth en de tuatura-hagedis kennen nauwelijks tot helemaal geen springende genen. Ook verklaart het volgens het tweetal waarom soorten het zogeheten junk-DNA niet uit hun genoom verwijderen.
Greene en Oliver hopen dat hun collega’s de springende-genen theorie verder gaan uittesten bij andere soorten. Ze hebben pionierswerk door anderen op dit gebied – denk aan Nobelprijswinnares Barbara McClintock – samengevat en in een nieuw paradigma samengevat.
Zou de Cambrische explosie samenvallen met het ontstaan van springende genen? Zou er een bepaald mechanisme bestaan dat jumping genes activeert? En zouden de sprongen lukraak zijn, of zou er een systeem achter zitten zodat er een vorm van geleide evolutie ontstaat? Vragen waar biologen waarschijnlijk nog wel even mee zoet zullen zijn…
Stel je voor: je gooit een bacterie in een bak met chemisch afval en voor je het weet, is deze geëvolueerd tot een soort die zelfs de giftigste stoffen af kan breken. Of het ontwikkelen van plantensoorten die tegen extreme droogte kunnen. Of op Mars kunnen groeien. Kortom: zou het niet handig zijn om evolutie veel sneller te laten verlopen? Laten onderzoekers nu net iets dergelijks hebben uitgevonden. Althans, iets dat aardig in de buurt komt…
De evolutiemachine
Met de "evolutiemachine" kreeg een groepje onderzoekers in enkele dagen voor elkaar wat anders jaren onderzoek vergt.
De machine ziet er uit als een vreemd samenraapsel van flesjes en robotarmen, die af en aan bewegen om vloeistoffen van het ene reservoir in het andere te pipetteren. Het hele apparaat worden bestuurd door een standaard pc. Dr. Frankenstein zou waarschijnlijk erg trots zijn op een dergelijk apparaat.
Toch bedriegt de schijn. Dit apparaat is namelijk in staat in dagen te bereiken wat genetische ingenieurs jaren kost. Dit apparaat is maar een prototype, maar als de voorstanders van het apparaat moeten worden geloofd, zullen toekomstige versies de biologie zoals we die kennen op hun kop zetten. Of zelfs de mens.
Veel medicijnen, grondstoffen voor kleding en ook steeds meer voedingsmiddelen zijn afkomstig van genetisch gemanipuleerde organismen. In deze organismen zijn doorgaans maar een of twee genen veranderd. Zelfs dát kost genetische ingenieurs jaren om dat voor elkaar te krijgen. Voor het echte werk – organismen radicaal wijzigen, zodat er totaal nieuwe organismen ontstaan – moeten tientallen genen tegelijk gewijzigd worden. Het vervelende is dat genen doorgaans niet 1:1 coderen voor gewenste eigenschappen. Genen als Hox-1, waarbij meerdere kopieën betekent: meerdere stellen poten, zijn een uitzondering. Genen reageren ook op elkaar – als een eiwit van vorm en functie verandert, heeft dat uiteraard ook gevolgen voor andere eiwitten waar het mee samenwerkt.
Een voorbeeld. Een gistcel zo ombouwen dat deze het anti-malariamedicijn arteminisine produceert, betekende vijfentwintig miljoen dollar investeringen en honderdvijftig manjaren werk om een dozijn genen op elkaar af te stemmen[1]. Kortom: dit ligt ver buiten bereik van menselijke onderzoekers. Tijd dus voor een andere oplossingsrichting.
Blokkendoos met genen
Veel biologen denken dat het antwoord is: bibliotheken van kant-en-klare genetische componenten die zich op een betrouwbare wijze moeten gedragen (dus niet door andere genen beïnvloed worden op een onvoorspelbare manier), als ze samen worden gevoegd in biologische circuits. Deze techniek wordt al met veel succes toegepast bij het ontwikkelen van software. Het web publishing pakket WordPress waar Visionair.nl op draait,, bijvoorbeeld, is opgebouwd uit plugins, modules PHP-code die gecombineerd kunnen worden en waarvan het gedrag bekend is.
Evolutionaire benadering
George Church, een geneticus verbonden aan Harvard Medical School in Boston kiest echter een evolutionaire strategie. Hij stelt een ruwe versie van het gen samen en laat zijn apparaat door evolutie, door trial and errror dus, een zo goed mogelijk werkende variant van de genen vinden. Het apparaat creëert veel varianten van het gen (en gencombinaties) en test uit welke het beste werken. Het apparaat kan dat veel sneller dan een mens.
De evolutionaire benadering wordt al vaker gebruikt, maar Church’s apparaat is extreem snel. Het is in staat met duizenden genen tegelijk te experimenteren en kan miljarden nieuwe bacterievarianten per dag produceren. Duizenden genen is veel – de mens heeft er bijvoorbeeld 23.000 – en komt dus al aardig in de buurt van wat nodig is om een compleet mens genetisch te re-engineeren. Een collega beschrijft het proces als “sterk doelgerichte evolutie”. De genen worden in de bacterieën ingebracht door een elektrische schok. Virusproteïnen zorgen er vervolgens voor dat de bacteriën de genen niet als “vreemd” zien.
De onderzoekers kregen met de door student Harris Wang gebouwde evolutionaire machine in enkele dagen voor elkaar[4] wat de biotechnologische industrie enkele jaren kostte: het vervijfvoudigen van de productie van lycopeen. [3]. Wang herhaalde dit met indigo, wat al bewijst dat dit geen toevalstreffer was.
Church en zijn team willen hun machine 0p de markt brengen voor ongeveer negentigduizend dollar (ongeveer zeventigduizend euro) , zodat het apparaat ook voor de kleinere bedrijven en onderzoeksinstellingen betaalbaar is.
