Nieuws

22 jan Alweer een apparaat op te laden met Waka-waka
16-20 jan: EO 'Rot op met je religie' 5-delige reality-tv serie met 5 deelnemers. Leerzaam, schokkend, entertainment
12 jan: Over representaties van de werkelijkheid, 8 colleges Studium generale Utrecht.
2 jan: José van Dijck, Wim Saarloos: Wetenschap is niet 'maar een mening', nrc
30 dec: Goed nieuws: China verbiedt algehele handel in ivoor vanaf eind 2017, nrc.
29 dec: De wereld wordt steeds beter. Kijk maar naar de data! nrc
23 dec: Open brief van vooraanstaand klimaatwetenschapper aan Trump over klimaatwetenschap CNBC
22 dec: Aantal gelovigen gelijk aan aantal niet-gelovigen (NOS) Historische mijlplaal in het secularisatieproces.

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

10 januari 2017

Robbert Dijkgraaf in DWDD college: fotosynthese heeft constructiefoutje

...maar door een soort constructiefoutje kunnen
ze het groene licht niet absorberen.. (11:47e min)

Op vrijdag 2 decmber 2016 hield professor Robbert Dijkgraaf een zeer geslaagd college in de DWDD University serie. Beslist de moeite waard om terug te kijken. Het onderwerp was dit keer Licht. Ik vind dit tot nu toe het meest succesvolle college. Waarschijnlijk omdat ik veel herkenbare dingen tegenkwam, verschijnselen die we allemaal in het dagelijkse leven kunnen ervaren. Teveel om op te noemen: cosmologische, natuurkundige, chemische, biologische, psychologische, en kunsthistorische aspecten van licht. Alles geïllustreerd met filmpjes, experimenten en voorwerpen. Het hoogst bereikbare in het genre populair-wetenschappelijk college c.q. entertainment. Hij 'moest' beloven het volgende jaar weer een college te geven. Onderwerp onbekend. Maar ik kan me haast niet voorstellen dat dit college te overtreffen is.

Hij maakte één terloopse opmerking die me niet losgelaten heeft, en die me nog steeds bezig houdt. Volgens professor Dijkgraaf wordt door een soort constructiefoutje groen licht niet gebruikt door planten bij de fotosynthese. Planten zijn heel goed in het benutten van rood, geel en blauw, maar niet van groen licht. Omdat ze groen licht niet absorberen, maar reflecteren. "Als je planten in groen licht zet, groeien ze niet" zegt Dijkgraaf. Fraaie opmerking!

chlorophyll heeft een opvallend dieptepunt in het groen (wiki)

Dat is de reden dat de natuur er groen uitziet, dat we spreken over groenvoorziening, groenbeheer, openbaar groen, groene stroom, groen gas, groenste politicus, etc.  

Een constructiefoutje?

Prof. Dijkgraaf noemt het 'een constructiefoutje' zonder verdere toelichting. Klopt dit? Eén blik op de grafiek hierboven maakt duidelijk dat chlorophyl ongevoelig is voor groen licht, terwijl het logisch zou zijn, dat daar een piek zou zitten. Als we die piek zouden aantreffen, zouden we niet verbaasd zijn. Want daar zit de meeste energie van zonlicht. Chlorophyl lijkt geen logische keuze als je zonne-energie optimaal wilt benutten. Na miljoenen jaren evolutie zou je toch een betere keuze verwachten. Deze evolutionaire puzzel is al bekend sinds dit soort grafieken zijn gemaakt. En dat is vele tientallen jaren.

Hoe 'fout' is dit constructiefoutje?

Ik voel me -het klinkt raar- geroepen fotosynthese te verdedigen. Als er een constructiefoutje in het fotosynthetisch apparaat van planten zit, dan heeft dat niet verhinderd dat planten de basis vormen van het ecosysteem op aarde. Mensen eten koeien en koeien eten gras. Zonder gras geen vlees. Alle dieren zijn direct of indirect afhankelijk van planten. Zonder planten, geen dieren. Je kunt dus zeggen dat planten-met-een-constructiefoutje de aarde leefbaar hebben gemaakt. Planten maken het leven van 7 miljard mensen mogelijk. En die planten produceren ook nog zuurstof. Zonder zuurstof geen grote intelligente dieren. In hete gebieden geven bomen schaduw voor mens en dier. De hoogste Sequoia sempervirens is 115 meter hoog. Dat zijn geen geringe prestaties voor een systeem met een constructiefoutje. Maar toch. Het blijft aan je knagen. Je wil een verklaring.

Eigenlijk kun je pas van een fout spreken als het systeem kapot is of een risico op falen heeft. Zoals dat balkon dat door een constructiefout van de vijfde verdieping naar beneden stortte. Of als een vliegtuig crasht door ontwerp- of constructiefouten. Maar het fotosynthese systeem is niet kapot! Het werkt! Er is ook geen risico op falen. Fotosynthese is een robuust systeem. Je zou fotosynthese hoogstens een inefficiënte omzetting van zonne-energie in biologsiche materiaal kunnen noemen.

Kan het beter?

Het fotosynthese systeem is niet kapot, maar de keuze voor chlorophyl vraagt om een verklaring. Je ziet een dal in de grafiek waar je een piek verwacht. Kan het anders? Zijn er betere moleculen? Dat heeft professor Dijkgraaf helaas niet onthuld! Kun je een chlorophyl variant ontwerpen die ook nog groen absorbeert zonder verlies van andere gunstige eigenschappen? (zoals stabiliteit van het molecuul). Dat lijkt me typisch een vraag voor een fysicus!
Er bestaat wel een ander molecuul dat groen absorbeert: bacterio-rhodopsine. Dat is een lichtgevoelig molecuul dat door een speciaal soort bacterieën wordt gebruikt, maar door de net iets andere eigenschappen kan het chlorophyl niet vervangen. Dus dat is geen gelijkwaardig alternatief vooralsnog.

In de kunstmatige fotosynthese (Artificial photosynthesis) zijn er vele ideeën om fotosynthese te verbeteren. Er zijn kleine successen geboekt, maar die werken goed in het laboratorium met hoge CO2 concentraties, maar niet in de vrije natuur met veel lagere CO2 concentraties. Ook zijn er claims dat een zgn. 'artificial leaf' tien maal zo efficiënt is in fotosynthese als een natuurlijk blad. Dit kunstmatig blad splitst water in waterstof en zuurstof, net als bij fotosynthese, maar produceert géén glucose en glucose is het doel van fotosynthese. Het is interessant, maar niet vergelijkbaar met fotosynthese. (11 jan 17 toegevoegd).


Zwarte bladeren

"Een plant zou het liefst zwart willen zijn" vertelde prof. Dijkgraaf. Ja, want dan absorbeert (gebruikt?) hij al het zichtbare licht. Dan zouden alle planten er zwart uitzien. Bomen en struiken met zwarte bladeren, zwarte spinazie, zwarte sla, zwarte prei, zwarte kool, zwarte spruitjes. Een raar idee. Maar dat komt omdat we nooit anders gewend zijn. Het is het één of het ander: optimale fotosynthese en een zwarte wereld, of een groene wereld met een ontwerpfoutje.
Canna Australia

Overigens bestaan er wel zwarte bladeren (zie foto), maar die zijn zwart door pigmenten die niet deelnemen aan de fotosynthese (prof  Alexander Ruban). Het ziet er mooi uit, maar je hebt er niets aan.


Licht is meestal niet beperkend

De vraag waarom planten niet of nauwelijks groen licht benutten lijkt er vanuit te gaan dat licht een beperkende factor is in het leven van een plant. En dat je alle energie uit licht moet halen om te overleven. Hoe meer licht hoe beter. Maar als je de literatuur bestudeert, dan blijkt dat helemaal niet zo te zijn. Te veel licht beschadigt de kwetsbare fotosynthetische moleculen. Er is een verzadigingspunt waar boven licht niet meer benut kan worden. De plant kan de hoeveelheid fotonen gewoon niet snel genoeg verwerken. Goed vergelijkbaar met te harde wind en storm die windturbines beschadigen, waardoor ze stilgezet moeten worden. Planten die maximaal aan de zon zijn blootgesteld beschikken over systemen om een teveel aan licht om te zetten in warmte. 
Een beperkende factor is CO2 transport naar de plek waar het nodig is in de cel. Dat zou verklaren waarom planten sneller groeien bij meer CO2 in de atmosfeer. Een andere beperkende factor is het enzym Rubisco dat te langzaam CO2 opneemt.

De enige planten die wel een gebrek aan licht hebben zijn schaduwplanten die op de bodem van het oerwoud groeien. Zij hebben dezelfde fotosynthese pigmenten, maar andere aanpassingen om het licht optimaal te benutten. We zouden echter niet verbaasd zijn als deze planten een groen-gevoelig chlorophyl hadden gehad. We zouden dat een mooie aanpassing noemen!


Evolutionaire verklaring

(paragraaf herschreven 17 jan)
 
Een mogelijke verklaring voor de groene puzzel is dat het fotosynthese systeem, met name chlorophyl, een erfenis is uit het verre verleden. Er zijn eencellige, in het water levende planten, die in plaats van chlorophyl een pigment hebben dat groen absorbeert (bacterio-rhodopsin). Op die manier kunnen groen-absorberende en rood-absorberende cellen in hetzelfde milieu leven zonder elkaars licht weg te vangen. Een licht specialisatie zou je kunnen zeggen. De vraag is dan waarom chlorophyl in alle landplanten terecht is gekomen en bacterio-rhodopsin niet. Alleen omdat alle landplanten -toevallig- van de groene voorouder afstammen? Het had ook andersom kunnen zijn?
We kunnen niet zeggen dat evolutie niets geprobeerd heeft. Er zijn 11 chlorophyl varianten, ieder met net iets andere eigenschappen. Maar allemaal zijn ze niet goed in het absorberen van groen licht. Misschien is een chlorophyl variant die ook groen licht absorbeert natuurkundig gewoon niet mogelijk. En dan houdt alles op. Ook de rode pigmenten kennen hun varianten.
We moeten misschien rekening houden met het kosten-baten verhaal. Misschien zijn er betere oplossingen, maar zijn die te duur. Dat wil zeggen dat ze meer energie kosten dan ze opleveren. De vraag is dus niet: kan het beter, maar levert het méér op dan het kost? Ook kunnen voor de hand liggende oplossingen niet bereikbaar zijn voor een stap-voor-stap mutatie en natuurlijke selectie proces. Evolutie kan niet het hele systeem van de grond af aan opnieuw ontwerpen. Het moet uitgaan van bestaande oplossingen.


Fotosynthese is 'een wonder'

Ik voel me geroepen fotosynthese te verdedigen. Fotosynthese is wonderlijke uitvinding: licht gebruiken om uit CO2 en water glucose en zuurstof te maken. Deze uitvinding maakt een planeet leefbaar! Al het dierlijk leven is er van afhankelijk. En dan is het een tikje arrogant om te zeggen dat het een soort constructiefoutje is. Vooral als we het zelf niet beter kunnen. Bovendien heb ik het vermoeden dat Robbert Dijkgraaf zich niet verdiept heeft in de details van fotosynthese.
Fotosynthese is een waanzinnig complex systeem. Er zijn honderden enzymen en genen bij betrokken. Zo complex dat fotosynthese geen rol kon spelen bij het ontstaan van het eerste leven. Bovendien vindt het hele fotosynthese proces plaats in chloroplasten. Dat zijn kleine compartimenten binnen de cel van de plant die in het verre evolutionaire verleden zelfstandige fotosynthetiserende ééncelligen waren.



Gloeilamp en auto

Vergelijk de nu (bijna) uitgestorven gloeilamp: een succesvolle uitvinding van natuurkundigen om licht te maken, maar zéér inefficiënt. De meeste energie wordt omgezet in warmte! Typisch een constructiefoutje! 
Eerlijkheidshalve moet ik toegeven dat de gloeilamp ons jarenlang van licht heeft voorzien. Hij was niet stuk, ook al werd zijn levendsduur kunstmatig verkort. Waarschijnlijk was er geen materiaal voorhanden dat efficiënter licht kon produceren. Misschien was het een beperking van voorhanden materialen. De LED werkt volgens een heel ander principe. Maar dat is meer het vakgebied van Robbert Dijkgraaf. 
Evenzo zou het heel goed kunnen zijn dat de beperkingen van fotosynthese bepaald worden door de fundamentele fysische eigenschappen van moleculen als chlorophyl. Dus iedereen die het heeft over een constructiefoutje van fotosynthese, heeft de plicht om met een molecuul te komen dat groen licht absorbeert én een hogere efficiëntie heeft, én op zijn minst alle gunstige eigenschappen van chlorophyl heeft.

Nog een frappant 'constructiefoutje': fossiele brandstof auto's hebben een energie efficiëntie van 14%–30%. Dat lijkt veel, maar vergelijk het eens met de  hybride: 25%–40% en de elektrische auto: 74%–94%! (bron). In plaats van een 'constructiefoutje' kun je dit beter toeschrijven aan een fundamentele beperking van de verbrandingsmotor. Dus uiteindelijk weer natuurkunde!

Tenslotte

Het lijkt wel dat ik veel kritiek heb en het college van Robbert Dijkgraaf slecht vind. Niets is minder waar. Het zijn wat plagerijtjes van een bioloog t.o.v. een fysicus die zich op het terrein van biologie begeeft. Ondanks die ene losse opmerking over 'constructiefoutje', is zijn college een hoogtepunt in het populair-wetenschappelijk genre. We moeten daar trots op zijn dat we dat in Nederland hebben.


latere updates zijn in de tekst verwerkt (17 jan) 

Vorige blogs over dit onderwerp

  1. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (1) 4 juli 2011
  2. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2) 6 juli 2011
  3. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3) 9 juli 2011
  4. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4) 16 juli 2011

 


Aanbevolen literatuur




31 december 2016

Er zijn eigenlijk drie soorten 'Trees of life' (stambomen van het leven)

Er zijn eigenlijk drie soorten 'Trees of Life'. In mijn vorige blog Darwin, Haeckel, Hitchcock: wie was de eerste met een echte 'Tree of Life'? vergeleek ik Trees of Life (stambomen van het leven) van Edward Hitchcock, Charles Darwin en Ernst Haeckel. De 'stamboom' van Hitchcock is een geologische-paleontologische stamboom (de eerste), terwijl de stambomen van Darwin en Haeckel dat niet waren (de tweede soort).
fig 1: Ernst Haeckel (1874) Pedigree of Man
Engelse editie
Figuur 1 laat Haeckel's beroemde stamboom van de afstamming van de mens zien. Het is misschien wel de meest beroemde Tree of life in de vorm van een natuurgetrouwe eik. De mens staat heel onbescheiden aan de top en is een rechtstreekse afstamming van ééncelligen aan de basis.
Het is ook een stamboom zonder geologische tijdperken. In  de rechtermarge staan geen tijdperken maar diergroepen. Het is geen geologische en geen chronologsche stamboom, omdat vissen, vogels en insecten, laat staan ééncelligen, niet tot bovenaan komen. Alsof ze allemaal uitgestorven zijn. Dit doet me erg denken aan de The great chain of being, een ladder waarop het leven omhoog klimt van primitief naar hoog ontwikkeld. Met de mens uiteraard aan de top. De rest van het leven is halverwege blijven steken. Bij Haeckel worden de treden van de ladder gevormd door primitieve Protozoa, Ongewervelden, Gewervelden, Zoogdieren, Mensapen en de Mens. Verrassend: de beroemde Tree of Life van Ernst Haeckel lijkt verdacht veel op de niet-evolutionaire Middeleeuwse ladder terwijl Haeckel het bedoelde als evolutionaire Tree! Het grote verschil is dat de Great Chain of Being een statisch beeld is (een hierarchie van levensvormen), terwijl Haeckel's hetzelfde beeld gebruikt om een dynamisch proces uit te beelden. Nog een verschil is dat Haeckel de ladder zijtakken heeft gegeven. De stamboom van Haeckel is eigenlijk een overgangsvorm van 'The Great Chain of Being' naar een evolutionaire stamboom.

Terzijde: interessant is dat in fig. 1 vogels een zijtak van reptielen zijn! Dus: vogels stammen af van reptielen. Een modern inzicht. Deze stamboom (fig 1) komt slechts in één modern evolutiestudieboek voor [1].

Maar mijn punt is dat zo'n natuurgetrouwe boom per definitie niet chronologisch correct kan zijn. Want dan zouden alle takken op de bovenste horizontale as moeten uitkomen.
fig 2: Haeckel: paleontologische stamboom
van de vertebraten © Britannica
Later vond ik ook nog een stamboom van Haeckel met een geologische tijdschaal (links aangegeven in figuur 2). In dit geval een stamboom van de gewervelden. Het hele idee dat het op een boom moet lijken is losgelaten. We zien netjes vissen, amphibieën, reptielen, vogels en zoogdieren tot aan de top komen. Zo zie je dat het nog levende soorten zijn. Haeckel heeft dus beide type stambomen gemaakt. Maar figuur 2 is niet consequent in geologische dateringen. Zo zijn Marsupials (buideldieren: kangaroe, etc) niet uitgestorven zoals lijkt in de figuur. Goed, dat zien we door de vingers. Tenslotte heeft Darwin nooit dit soort stambomen gemaakt. Ook niet in latere drukken van zijn Origin of andere werken. Eigenlijk best opvallend. Geen tekentalent?

Er is één uitzondering op mijn stelling dat een natuurgetrouwe boom nooit een geologische correcte boom kan zijn:
figuur 3: Stamboom van hagedis-achtigen
met cirkelvormige geologische tijdschalen
Theodore W. Pietsch: Trees of Life.[2]
pag 234-235
De horizontale lijnen (uit fig. 2) worden gebogen lijnen. Dat gaat zo: als je de uiteinden van alle takken van een echte boom verbindt met een lijn krijg je een halve cirkel. Als je dat doet gedurende een aantal jaren krijg je een aantal concentrische halve cirkels. Op deze manier kun je een echte boomfiguur combineren met correcte geologische tijdperken zoals: Pleistoceen, Eoceen, Jurassic, Permian. Alle soorten aan de buitenkant zijn hedendaagse soorten. De basis, en de binnenste halve cirkel, is het oudst. Vertakkingen en uitsterven zijn correct aan te geven. Dus zowel verwantschappen als chronologische-geologische informatie. In dit geval voor hagedis-achtigen, maar dat kan voor al het leven gedaan worden. Het levert een fraaie en informatieve figuur op. Maar je ziet hem zelden.

Tegenwoordig wordt een 'complete' stamboom van het leven gemaakt op basis van DNA. Op een andere manier is het niet te doen. Dat is de derde vorm van de Tree of Life.
figuur 4: Trees of Life: (a) 'klassieke' (b) moderne.
Carl Zimmer (2001) Evolution: the triumph of an idea,
p. 102, p. 107. [3]
Deze stambomen lijken nog het minst op de klassieke bomen. Ze bevatten de drie hoofdgroepen van het leven op aarde. Figuur 4b is een gereviseerde versie. Daar zie je iets wat nooit in echte bomen te zien is: takken vergroeien met elkaar (blauwe lijnen). Merk op dat dieren (in rood) een onopvallend klein takje vormen aan het uiteinde van een lange tak. Een grote tegenstelling met de anthropocentrische bomen van de late 19e en vroeg 20e eeuw!

Samenvatting:

Er zijn eigenlijk drie soorten Stambomen van het Leven (Trees of Life), en vier als je de hybride meetelt:
  1. de Tree of Life stamboom lijkt op een echte boom (figuur 1)
  2. de geologische-chronologische stamboom (figuur 2)
  3. een combinatie van 1 + 2  (een hybride!) (figuur 3)
  4. de moderne Tree of Life gebaseerd op DNA. Deze lijkt het minst op een boom (figuur 4)

Update: de tekst is iets gewijzigd op 3 jan 2017.

Vorig blog over dit onderwerp:

Darwin, Haeckel, Hitchcock: wie was de eerste met een echte 'Tree of Life'?

 

Noten

  1. Bruce Lieberman, Roger Kaesler (2010) Prehistoric Life. Evolution and the fossiel record. p. 77. Dit is een evolutiestudieboek met de nadruk op fossielen.
  2. Theodore W. Pietsch: Trees of Life. A Visual History of Evolution. Een catalogus van alle Trees of Life die Pietsch heeft weten te vinden in bibliotheken en archieven. Een visuele gids met korte toelichtingen.
  3. Carl Zimmer (2001) Evolution: the triumph of an idea. Dit is een prachtig geillustreerde populaire introductie in evolutie en is tegenwoordig gezien het jaartal van verschijnen goedkoop op de kop te tikken.

25 december 2016

Vogels in de Japanse kunst

Naar aanleiding van een setje fraaie Japanse prenten ('kerstkaarten'):

Kôno Bairei,1893
'Colourful bird' (Bekking-Blitz uitgever).
Rijksmuseum:  Japanse kwikstaart
Deze kaart heeft als titel: 'Colourful bird', maar U had natuurlijk al een witte kwikstaart herkend. Het Rijksmuseum heeft hem in bezit en klassificeert hem als een 'Japanse kwikstaart'. Verschilt niet veel van de 'Nederlandse':
witte kwikstaart (Nederland)


Kôno Bairei,1893
Colourful bird, Rijksmuseum: 'Zangvogel op bloeiende tak'
Rijksmuseum klassificeert deze als 'Zangvogel op bloeiende tak', maar U had hem natuurlijk al herkend als rijstvogel:

Rijstvogel (wikipedia)
Ze worden hier als kooivogel gehouden.

Kôno Bairei,1893
Groene vogel, Rijksmuseum


Deze vogel die het Rijksmuseum benoemt als 'Groene vogel' lijkt een beetje op een Nederlandse spotvogel of tuinfluiter. Ik denk dat een Japanese white-eye nog het meest in de buurt komt vanwege de opvallend witte ring rond het oog:

Japanse white-eye
maar de witte streep van oog naar vleugelrand is op de foto niet goed te zien en: "This bird species is rarely found on the ground" (wikipedia). Als U een betere suggestie heeft hoor ik het graag. In sommige foto's op het internet is een klein beetje wit onder de vleugelrand te zien, maar het loopt nooit door tot het oog.

De kaarten zijn uitgegeven door Amnesty, Rijksmuseum, Bekking-Blitz uitgevers
Hier is een overzicht van Japanse vogels.

Ik vond het leuk U een paar kaarten te laten zien en de (vermoedelijk) juiste namen te geven!
De beste wensen voor 2017!