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 [1] tenslotte ook energie. 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.


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.
 
Black Foliage Plants


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

 
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.


Update 26 januari 2017

uit: Barrow, Tipler: The Anthropic Cosmological Principle, p. 556
De bovenste lijn is de relatieve energie van zonlicht met een maximum tussen de 440 en 600). De linkse absorptiepieken van de chlorophylls (blauw, tussen 400 en 500) vallen redelijk goed in het maximum van de energie van de zon. De rode absorptiepieken vallen buiten de hoogste energie van de zon (600 - 800) maar pakken nog altijd méér energie dan in het groene gebied (500 - 600). In theorie zou chlorophyll groen licht beter kunnen gebruiken dan het nu doet. Maar de blauwe absorptiepieken doen het gewoon goed.


Noten

  1. Met dank aan Marleen die me wees op deze fout. Een constructiefoutje! [maandag 23 januari ]


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




42 opmerkingen:

harryp zei

bedankt gert
voor het overzicht
en nog de beste wensen!

gert korthof zei

Hoi harry, leuk je terug 'te zien'! En een heel goed wetenschappelijk en anderszin goed 2017 (ik houd niet van oneven getallen zei iemand op tv). Alles goed in NIJmegen?

Inktvlam zei

"Het hoogst berijkbare in het genre ..."
Niet "berijkbare" maar "bereikbare".

gert korthof zei

Inktvlam, ik gooi altijd 1 of 2 taalfouten in mijn blogs, dan krijg je comments van mensen, en zo. Vergelijk: zet een vreselijke kop boven een op zich goed krantenartikel, en je hebt geheid veel reuring, iedereen heeft het erover, en iedereen zegt ja maar de kop is stom, maar je moet het artikel wel lezen hoor! En zo krijgt de krant vele lezers!

RV zei

Beste Gert

Een prachtig verhaal. Als niet-bioloog met interesse in de (evolutionaire) biologie heb ik genoten. Het spreekt dat ik als leek niets inhoudelijk heb op te merken, laat staan aan te merken. In elk geval weet je dat je je verhaal niet hebt geschreven voor de genitalia van de vrouwtjesvorm van de Felis catus.

Ronald V.

gert korthof zei

RV, echt leuk om te horen dat ik het niet voor niets doe. Natuurlijk vind ik het leuk om over te bloggen, maar het is altijd extra leuk om aanmoedigingen te krijgen. Dank!

Marleen zei

Een prachtig blog Gert. Maar er zit volgens mij een foutje in. Chlorophyl absorbeert zowel in rood als in blauw. Dus praktisch in al het zichtbare licht, behalve groen. De energie (golflengte) van groen ligt tussen die twee waarden in. Blauw licht (korte golflengte) heeft veel energie. Misschien heb ik iets niet begrepen, maar dit betekent dus dat er geen constructiefoutje is. Integendeel. Groen geeft 'koelte' (absorbeert het 'warme' rood) en dat kan wel eens een uitkomst zijn gedurende de opwarming van de Aarde.

Heb niet al de linkjes van Bas Haring gelezen, dus misschien praat ik voor mijn beurt.

gert korthof zei

Hoi Marleen, alsnog of alweer een prettig en duurzaam 2017!
Ja, je wijst wel een probleempje aan. Ik meende mij te herinneren dat groen licht de meeste energie heeft. Maar ik kan het niet meer terugvinden. En het is waarschijnlijk niet logisch. maar ik kan het nergens meer vinden.
Je schrijft " Blauw licht (korte golflengte) heeft veel energie."
in dat geval heeft groen niet de meest energie!

Je schrijft "Groen geeft 'koelte' (absorbeert het 'warme' rood) en dat kan wel eens een uitkomst zijn gedurende de opwarming van de Aarde."

dat eerste klopt wel, maar ik overzie niet compleet wat alle effecten zijn van klimaatopwarming. Want: behalve stijgende temperaturen, blijft hoeveelheid licht in principe gelijk, wel meer CO2: dat is bevorderlijk voor fotosynthese, maar lastige dingen als meer verdamping, meer wolken, uitdroging, etc. ik overzie het niet. op het moment.

Er is wel één ding dat ik totaal over het hoofd gezien heb:

Meer nodig dan alleen rood en blauw licht
"Hoewel golflengtes uit het rode en blauwe spectrum het effectiefst zijn voor de fotosynthese hebben planten ook behoefte aan andere golflengtes. Er zijn veel meer pigmenten aanwezig in planten die verborgen blijven onder de dominantie van bladgroen (chlorofyl). ... Deze pigmenten vervullen verschillende rollen binnen het functioneren van planten. Zij vertellen de plant bijvoorbeeld of zij lang of kort moet blijven, grote of kleine bladeren, bloeien of doorgroeien etc."

http://www.ledkweeklampen.nl/pages/technologie.php

Dus groen wordt wel degelijk gebruikt maar niet door chlorophyl maar door andere pigmenten! Vanuit dat perspectief bezien heeft chlorophyl geen constructiefoutje, maar is misschien een aanpassing. Maar ik houd nog een slag om de arm. Misschien hadden de functies die andere pigmenten nu vervullen ook overgenomen kunnen worden door nog andere pigmenten....

Dus bedankt: je hebt me weer aan het denken gezet!

Marleen zei

Ik denk dat het een waarheid is dat de kleuren die wij zien weerkaatst worden door het object. De rest wordt geabsorbeerd. Dus een rode roos absorbeert groen en een groen blad absorbeert rood, hoe het in deze gevallen zit met blauw weet ik even niet.

In het boekje van James Lovelock “Gaia” beschrijft hij een planeet bedekt met witte en zwarte madeliefjes. Het zijn speciale madeliefjes, want als het heet wordt groeien de witte beter terwijl de zwarte beter gedijen in de kou. Wanneer de zwarte de overhand krijgen wordt de planeet warmer door al het licht dat geabsorbeerd wordt. Deze warmte komt ten goede aan de witte madeliefjes die het zonlicht weerkaatsen en de planeet doen afkoelen. Dit was zijn voorbeeld van hoe de biotoop op Aarde functioneert en hij geloofde heilig in een evenwicht dat zich hoe dan ook steeds weer herstelt. Met de huidige klimaatverandering heb je kans dat door de verhoging van CO2 de planten beter groeien die op hun beurt warmte absorberen. Maar dit is slechts een ideetje. Ik denk niet dat we dergelijke complexe systemen kunnen overzien, dus ik kan er helemaal niets serieus over zeggen. Lovelock was een optimist in de tijd dat de mens milieubewust werd. Hij probeerde aan te tonen dat onze planeet een evenwicht kent waar de mens weinig aan kan tornen.

Marleen zei

Ik wilde toevoegen dat zwarte planten misschien teveel licht en warmte zouden absorberen en in dat opzicht de planten zelf of de planeet zouden kunnen opwarmen. Dat zou de reden zijn dat ze groen zijn misschien.

Overigens, opnieuw een gelukkig 2017!

gert korthof zei

Marleen, om met het makkelijkste te beginnen: "Dus een rode roos absorbeert groen en een groen blad absorbeert rood"
ik zou zeggen, ik geloof dat Dijkgraaf dat ook zei, een rode roos absorbeert alle golflengtes van zichtbare spectrum behalve rood. en een groen blad absorbeert alles behalve groen. Dat geldt net zo goed voor dode objecten of dieren etc.

Dat voorbeeld van Lovelock is een charmant gedachten experiment en er is ook aan gerekend. Om het klimaat van de aarde te beinvloeden moeten die madeliefjes onrealistisch grote oppervlakken van de aarde bedekken. (het hele landoppervlak?)

zwarte planten: waarschijnlijk bestaan zwarte planten alleen als door de mens gekweekte sierrassen, (omdat ze zo mooi zijn!). ze komen niet in de vrije natuur voor.

het groene raadsel? tsja, ik houd het er op dat chlorophyl gewoon geen enkele chemische variant heeft die groen kan benutten...

Marleen zei

Gert,

Inmiddels heb ik naar DWDD door Robbert Dijkgraaf gekeken die vandaag trouwens jarig is en over 2 maanden net zo oud is als ik. Nu ik dat weet kijk ik wat minder naar hem op 😉
Zijn opmerking over ‘constructiefoutje’ in het chlorophyl is inderdaad vreemd.
Het was een heel interessante lezing. Wat mij erg aansprak was zijn opmerking over de ogen van de trilobieten die de eerste moeten zijn geweest die in kleur zagen. Dat was dus al zo in het Cambrium, dat heeft me verbaasd.

Ik ben blij dat ik het gezien heb.

Ik denk inderdaad dat de planeet met madeliefjes niet meer dan een voorbeeld was en het verbaast me dat daar aan gerekend zou zijn. Het voorbeeld stelt een planeet voor met uitsluitend witte en zwarte madeliefjes.

Gert zei

Marleen, leuk dat je de uitzending hebt gezien. Ik vond het college zo interressant dat ik het wilde delen met anderen. Dat is dus gelukt.
Maar toch dit: dat evolutie constructiefoutjes kan produceren is op zich niet zo gek. Evolutie produceert geen perfecte ontwerpen. Iets wat je alleen van een Schepper verwacht. Bizarre ontwerpen behoren ook bij evolutie. Bijvoorbeeld: Quirks of Human Anatomy
An Evo-Devo Look at the Human Body geeft vele vele voorbeelden. Robbert heeft dit constructiefoutje ook niet zelf uitgevonden, je komt het tegen in oudere literatuur. John D. Barrow, Frank J. Tipler (1986) The Anthropic Cosmological Principle, maken er melding van.

Although they were not the first animals with eyes, trilobites developed one of the first sophisticated visual systems in the animal kingdom.
(Morgen verder)

RV zei

Op deze site
https://www.researchgate.net/post/Why_are_plants_green
gaat men ook op het vraagstuk dat Gert aan de orde stelde, in.

Misschien gaan sommige chemische reacties beter als er fotonen met een bepaalde golflengte gebruikt worden?

RV

gert korthof zei

RV, bedankt voor de link. De auteur zegt daar " Absorbing 85% of the solar spectrum is a good deal!" Dus alles bij elkaar wordt er 85% van het licht spectrum gebruikt. Dat is dus niet slecht.
Verder spelen er diep in het binnenste van de fotosynthese quantum processen af, typisch iets voor Robbert Dijkgraaf. Niet voor mij.
Verder zegt de auteur "but I haven't seen articles about better Chls (chlorophyls): dus niemand heeft betere chlorophyls voorgesteld, precies wat ik schreef: kom eerst maar eens met iets beters als je vindt dat het een ontwerpfout is!

gert korthof zei

Marleen, over de cambrian explosion, trilobieten en hun ogen verscheen het ienteressante populair-wetenschappelijke:
In the Blink of an Eye van Andrew Parker (2003).
(mijn review)
Een fraai boek, met duidelijke argumentaties.
Daarin beschrijft hij zijn Light Switch theory:
de ontwikkeling van ogen heeft een arms race teweeg gebracht in de zee van die tijd: beter zien, tegen betere verdediging, etc. maw de cambrian explosion.

Over het madeliefjes model of Daisy world model is van begin af aan een computermodel met de bedoeling aan te tonen dat Gaia een niet-doelgericht systeem was maar toch het klimaat op aarde kon stabiliseren.
(mijn review).

Er is later een update over Daisyworld verschenen:
T. M. Lenton and J. E. Lovelock (2001) Daisyworld Revisited: Quantifying biological effects on planetary self-regulation,
waarin zelfregulatie van het systeem aarde (Gaia) wordt verdedigd.
Lenton was een medewerker/leerling van Lovelock.

het blijft interessant allemaal, je raakt nooit uitgestudeerd!

gert korthof zei


Marleen, nog dit: de auteurs John D. Barrow, Frank J. Tipler hebben het ook opvallend genoemd dat chlorophyl 'blind' is voor groen licht, maar ze accepteren uiteindelijk wel een soort verklaring van een biochemicus. Mijn punt is: beide heren zijn fysici! Ik moet nog een bioloog vinden die het een constructiefoutje noemt, en niet alleen maar een opvallend feit, iets dat afwijkt van de verwachting, dat nader onderzoek vereist.

Barrow & Tipler schrijven:
"Now we would expect that if other choices were available, natural selection would have picked out the molecule which absorbed light in that frequency band at which sunlight is most intense, but chlorophyll in its various forms has peak absorbances at frequencies where sunlight is not very intense, als illsutrated in Figure 8.18. We do not as yet know the reason why chlorophyll with its Mg ion was chosen, in spite of the fact that it looks wrong for the job."

Probleempje 1: if other choices were available: dat weten we niet!
Probleempje 2: "frequencies where sunlight is not very intense": ze kijken naar het dal in het absorptiespectrum maar vergeten dat volgens hun eigen grafiek absorbeert chlorophyl blauw licht en dat valt vrijwel samen met de hoogste intensiteit van licht! Dat is vreemd. Waarom noemen ze bv blauw "not very intense"? klopt toch niet?

Marleen zei

Gert, hartelijk dank voor alle extra informatie. Nu even dit: Je laatste zinnen/probleempjes begrijp ik ook niet. Blauw lijkt mij ook ‘intens’ dus golflengte met hoge energie. Misschien bedoelen ze iets specifieks met ‘intens’?
Eerlijk gezegd ken ik de chlorofyl molecule niet, maar het is wel erg waarschijnlijk dat deze afstamt van de pigmenten van de cianobacteriën (probleem 1). Dus dan zouden we moeten nakijken hoe deze molecule eruit ziet en in wat voor een milieu deze bacteriën leefden. In elk geval water, misschien vandaar de gevoeligheid voor blauw licht? (probleem 2) We gaan het uitzoeken, later meer...

Marleen zei

Gert,

Al lezende over dit onderwerp is het eigenlijk vreemd dat we zoveel vragen hebben want er is al lang veel over nagedacht. Het lijkt erop dat het inderdaad een kwestie is van evolutie: de eerste fotosynthetische bacteriën bevatten waarschijnlijk retinal dat groen licht absorbeert. De bacteriën leefden door elkaar en waarschijnlijk is het daarom dat de latere fotosynthetische bacteriën chlorofyl bevatten dat de rest van het spectrum absorbeert. Dit is een hypothese die in het volgende (populaire) artikel wordt uiteengezet:

Early Earth was purple

Dan is het dus geen constructiefoutje!

Ook in dit artikel blijft men volhouden dat groen de meeste energie oplevert. Het is mogelijk dat het zonlicht het meest intens is in deze golflengte, maar ik ben niet zeker dat dat bedoeld wordt.

Het is overigens ook zo dat veel groene planten ook phicobiline bezitten dat van rood t/m groen absorbeert en carotenoïde dat van violet t/m groen absorbeert. Dus uiteindelijk absorberen ze het hele spectrum. Geen idee waar deze laatste pigmenten vandaan komen binnen het evolutieproces, maar het lijkt erop dat de planten het hele spectrum kunnen bereiken, waarbij het groen misschien het minst dat daarom de kleur is die planten weerkaatsen.

Anoniem zei

ger

interessant onderwerp, belangrijk onderwerp

hoop daarom dat jullie nog een tijdje doorgaan ondanks de verhuizing van marleen! Anders kun je ons misschien intussen voorzien van leesstof/huiswerk

niet dat ik daar verlegen om zit. In tegendeel: ik kan het niet meer bij houden. De stapel 'ongelezen' groeit met de dag. Maar dit is wel een 'subject of the heart' zoals de onze Britse vrienden zeggen al weet ik er nauwelijks de ballen van!

harry p zei

sorry: gert

en ik ben natuurlijk niet anoniem!

gert korthof zei

Early Earth was purple
kende ik nog niet,
ga ik lezen
morgen reactie

RV zei

Aan Gert

De heer Dijkgraaf lijkt mij vooral een fysicus. Mijns inziens is het verhaal over fotonen en chemische reacties het verhaal van de (organische) fotochemie, een vak tussen fysica en biologie.

Ik weet niet hoe ik een werkende link kan maken. Sorry.
https://nl.wikipedia.org/wiki/Fotochemie

Het licht moet wel van een bepaalde frequentie (of golflengte) zijn om de reactie te starten.

Nou ja, dit bericht is slechts mijn voetnootje bij mijn eerder bericht.

Vr. gr.
RV





gert korthof zei

Heb de grafiek van Barrow & Tipler in mijn post gezet als update. Kijk!

gert korthof zei

Marleen: het artikel Early Earth Was Purple, Study Suggests is interessant.
1) dat er een competitie geweest zou zijn tussen retinal en chlorofyl
2) dat astrobiologen op zoek naar leven op andere planeten niet naar groen maar naar paars moeten zoeken!
3) dat retinal eenvoudiger te synthetiseren zou zijn dan chrlorophyll in de zuurstofarme omgeving van de primitieve aarde is interessant (en nieuw voor mij)

Constructiefout!?

"Chlorophyll may not sample the peak of the solar spectrum, but it makes better use of the light that it *does* absorb".
Maar dan is het een verbetering! en geen constructiefoutje! dan is het netto resultaat voor de fotosynthetische productie beter dan retinal alleen.

Mogelijk zou retinal + chlorophyll een betere oplossing zijn voor planten waar zonlicht echt een beperkende factor is: zoals in de onderbegroeing van regenwouden, waar er zeer weinig zonlicht tot de bodem doordringt. of in poolgebieden. Maar is dat een realistisch voorstel?
retinal zou met horizontal gene transfer overgebracht moeten worden?

RV: natuurlijk is fotochemie belangrijk. Fotosynthese = fotochemie.
"Het licht moet wel van een bepaalde frequentie (of golflengte) zijn om de reactie te starten"
maar retinal kan groen licht benutten!
Maar waarschijnlijk doet retinal dat op een minder efficiente manier en misschien op een geheel andere biochemische manier, zodat het niet te combineren is met chlorophyll. Maar ik ben geen fotochemicus...

Marleen zei

Bedankt Gert, de piek in zonne-energie is nu verklaard. Dus we houden het op géén constructiefoutje?

gert korthof zei

Marleen: wat zou je gezegd als bleek dat chlorophyll een vloeiende absorptie curve had beginnend in blauw en oplopend naar een maximum in groen en lanzaaam dalend naar rood? Zou je dan zeggen: wat een slechte aanpassing!

of als alle planten bestonden uit retinal + chlorophyll met dezelfde mooie curve?

We moeten de mogelijkheid houden om 'constructiefoutjes' aan te wijzen, anders is alles perfect in de natuur.

Denk bijvoorbeeld aan de moeite die vrouwen hebben om een kind te baren, hoe pijnlijk het is, hoe lang het kan duren (The duration of labour varies widely, but the active phase averages some 8 hours), hoeveel complicatie's en sterfgevallen van de moeder er zijn rondom de geboorte (Maternal deaths: worldwide every day 800 women die from pregnancy or childbirth related causes). En denk aan waarom er zo vaak keizersnedes gedaan worden? De afmetingen van de baby en de breedte van het geboortekanaal lijken bepaald niet goed op elkaar afgestemd te zijn. Dat had toch beter gekund! Mag je dat een anatomische constructiefout noemen?

Zie: Nesse en Williams: Why We Get Sick, The New Darwinian Science of Medicine.

RV zei

Aan Gert

Ik ben geen fotochemicus. Maar laat ik even voor de vuist weg wat speculeren. Elke specifieke moleculaire reactie vereist zo haar eigen specifieke fotonen. Chlorofyl vereist die en die fotonen en retinal vereist weer andere fotonen. Bovendien, teveel opgevangen energie lijkt mij ook niet goed. Misschien bazel ik nu. En nee, ik baseer me niet op wetenschappelijke literatuur. Ik speculeer zoals ik reeds zei. En speculaties zijn er om te verwerpen. :)

gert korthof zei

RV, je verhaal lijkt me te kloppen. En teveel opgevangen energie lijkt mij ook niet goed, klopt ook. Te veel kan het fotosynthetisch apparaat beschadigen. Men zegt wel eens: een plant kan niet in de schaduw gaan staan, want planten zijn degenen die de schaduw maken! :-) wij kunnen onder een boom gaan staan in de brandende zon, maar de boom zelf??? precies!

Marleen zei

Gert,

Ik ben het toch niet helemaal met je eens, maar ben bang dat het iets te filosofisch wordt ook al heb ik daar geen kaas van gegeten.
Ik denk nl. Dat je in evolutie nooit kunt spreken van constructiefoutje. Dat kun je alleen doen als je het bekijkt met de blik van een constructeur. Die ziet inderdaad wat jij opnoemt over het te smalle bekken van de vrouw, en daar zijn nog vele ander voorbeelden. Ik kan ook zeggen dat de menstruatie van de vrouw toch wel erg lastig is, dat er veel vrouwen zijn die daar elke maand flink ziek van zijn en dat dat dus ook wel anders gekund had. Er zijn vrouwen die dan roepen dat Onze Lieve Heertje dat toch niet goed gemaakt heeft.

Evolutie bouwt voort op de eerste structuren die er ontstonden en gaat daar mee verder. De structuur, hetzij van een eiwit, hetzij van een organisme of orgaan, was op het moment dat die ‘uitgevonden’ werd altijd de beste oplossing, op dat moment en in die omstandigheden. De nakomelingen moeten het vervolgens zien te redden met wat er is. Dat kan inderdaad tot problemen leiden.
Waarom noem je het geen constructiefoutje dat wij niet in Ultraviolet kunnen zien bijvoorbeeld of dat wij slechts tien vingers hebben? Zo ook met het chlorofyl. Dat absorbeert geen groen als gevolg van evolutionaire constraints (beperkingen?).

Gert zei

Daar moet ik even een nachtje over slapen...

gert korthof zei

Marleen,
Ik zat het meest in mijn maag met jouw opmerking " constructiefoutje. Dat kun je alleen doen als je het bekijkt met de blik van een constructeur. "
En evolutie is geen (menselijke) constructuur, dus ik zou een fatale blunder gemaakt hebben, ik zou denken als een creationist!!!

Maar na een nachtje slapen is het me duidelijk: organismen leven in een wereld die door dezelfde fysische en chemische wetten worden geregeerd als de wereld waarin ingenieurs leven. Zowel een ingenieur die vliegtuigen ontwerpt als evolutie die een vogel met vleugels ontwerpt zijn gebonden aan dezelfde wetten van zwaartekracht, gewicht van het object, luchtweerstand, stroomlijn, zuurstofgehalte, temperatuur, tegenwind, zijwind, sneeuw, regen, luchtwervelingen, vleugelafmetingen en vleugelvorm.
Een ingenieur kan dus uitstekend de vleugelvorm beoordelen.
Dit hebben vele fysici gedaan, en er zijn vele studies verschenen.
Een ingenieur heeft criteria om een ontwerp te beoordelen.

Je schreef:
1) Ik denk nl. Dat je in evolutie nooit kunt spreken van constructiefoutje
2) was op het moment dat die ‘uitgevonden’ werd altijd de beste oplossing, op dat moment en in die omstandigheden.

Tsja, hoe weet je of het de beste oplossing is? heb je verschillende oplossingen vergeleken?
of produceert evolutie per definitie altijd de beste oplossing? dat is dogmatisch, en geen empirische wetenschap!
Als je het al van te voren weet dan hoef je geen onderzoek meer te doen!
Dus: daar klopt iets niet.

Bovendien ben je strijdig met jezelf: " en dat dus ook wel anders gekund had. " over het nutteloze overvloedige schadelijke bloeden tijdens de menstruatie van de vrouw. 'Anders gekund': dan is het dus niet de beste oplossing.
'was bloederige menstruatie op het moment dat die ‘uitgevonden’ werd de beste oplossing, op dat moment en in die omstandigheden?
'Was' suggereert dat het toen de beste oplossing was maar nu niet meer? onder de huidige omstandigheden?
Dus: je suggereert hier dat een aanpassing verouderd kan zijn? maar dan is het nu niet meer de beste oplossing onder de huidige omstandigheden? Hoe zit dat?
Ook hier lijkt je constructiefouten toe te geven: "De nakomelingen moeten het vervolgens zien te redden met wat er is. Dat kan inderdaad tot problemen leiden."
Problemen ten gevolgde van een vroegere adaptatie die nu niet meer adaptief zijn.

Je zegt dat eigenlijk: alle zgn constructiefouten waren vroeger nuttig!?

RV zei

Aan Gert en Marleen

Ik zou zo zeggen: mensen maken constructiefouten en de natuur doet maar wat. Het begrip "constructiefout" is een menselijk begrip en mag niet zomaar op de natuur worden geprojecteerd. Maar bij wijze van metafoor mag je anderzijds best het begrip "constructiefout" gebruiken als je het over de natuur hebt. Mits je wel laat doorschemeren dat het een metafoor is.

Als ik me metaforisch mag uitdrukken, een organisme is geen huis uit één stuk maar een nogal rommelige verzameling van onderling verbonden bijgebouwtjes waarvan sommige enigszins solide ogen maar andere nogal wrakkig zijn. Maar zolang zo'n bijgebouwtje overeind staat, staat het overeind. De natuur streeft niet naar het optimale maar straft slechts het meest wrakkige af.

gert korthof zei

RV, metaforisch kun je zeggen dat de natuur met wat aanrommelt. MAAR: je vergeet één belangrijk ding: daar zitten overvloedig veel geniale uitvindingen bij. Heb je de 10-delige serie Het ei van Midas gezien? Dat zit boordevol geniale vondsten die we in de natuur kunnen vinden. Sterk aanbevolen, als je het nog niet gezien hebt. Het is vermakelijk en leerzaam, gaat er niet te diep op in om het te moeilijk te maken voor de leek. Dus goed te volgen. daarna praat je niet meer zo over gerommel en wrakkig ontwerp!

gert korthof zei

Marleen, je hebt gelijk als je met 'constructiefoutje' associeert de constructie van een object dat van de grond af aan nieuw ontworpen is, zoals meestal, maar niet altijd, gebeurt door ingenieurs. Want inderdaad zo werkt evolutie nooit.
Constructie is een metafoor. Beter woord: aanpassings-achterstand? niet optimaal compromis?

Maar waar ik mee zit, na nog een nachtje slapen, is dat volgens de standaard Darwinistische opvatting: als we een prachtige adaptatie zien (onze hersenen, onze spraak, opponeerbare duim, etc) dan komt het door natuurlijke selectie die een perfecte aanpassing heeft geproduceerd passend bij de huidige omstandigheden, maar bij een gebrekkige, prutserige oplossing dan heet het: vroeger was het perfect! Kijk dat is een inconsequente ad hoc redenering. Waarom heeft natuurlijke selectie daar geen perfecte oplossing voor bedacht?

Ik las toevallig in Bionieuws van zaterdag:

"Om goed te kunnen lopen heb je baat bij een smaller bekken, maar voor een gemakkelijkere bevalling heb je juist profijt van een breed bekken. Door de vervorming van het bekken konden homininen beter lopen, maar tegelijkertijd versmalde het geboortekanaal van de vrouwelijke homininen. "

Ik heb nog wat zitten bladeren in "Quirks of Human Anatomy: An Evo-Devo Look at the Human Body": een zeer nuttig boek dat zit boordevol merkwaardige on-elegante anatomische aanpassingen, waaronder de oorzaak waarom we ons kunnen verslikken of zelfs stikken door een stuk voedsel in de luchtpijp. kan dodelijk zijn. Een erfenis uit het verre verleden: de luchtpijp naar de longen is een uitstulping van de slokdarm! Een typisch voorbeeld waar een ingenieur het beter zou doen: de luchtpijp van de neus met een eigen luchtpijp naar de longen die langs en niet door die slokdarm loopt zodat er geen voedsel in de luchtpijp terecht kan komen.

Marleen zei

Helmaal eens RV en Gert.

Dat niet alles perfect is in de natuur is duidelijk, maar om dat een 'constructiefoutje' te noemen, ook al gebruik je de term als metafoor, lijkt mij niet zo geschikt.

Roeland Heeck zei

"Constructiefoutje' blijven gebruiken houdt iedereen scherp.

a) Over het ontbreken van een geplande constructie
b) Over het aanwezig zijn van DNA als constructieplan
c) Over de onvolkomenheden van toevalsmutaties
d) Over het beperkt optimaliseren van het selectieproces
e) Over fouten bij schepselverbeterende DNA-ingrepen door menslijke redesigners
f) Sorry voor "schepsel", want dat impliceert (eerste) ontwerp

Enzovoort.

Woordbetekenissen en betekenisassociaties vallen niet weg bij het in de ban doen van "Constructiefoutje".

Juist die hortende momenten -wat meent de schrijver nou?- bij het lezen, daar hou ik van.

Roeland

gert korthof zei

Marleen, als jij het geen constructiefoutje wil noemen, HOE noem je het dan wel?

Marleen zei

Gert,

in jouw vraag staat het woordje 'het'. Bedoel je daarmee alle gevallen waarin het eiwit, moleculen, organen, organismen, kortweg de kenmerken, gebreken vertonen? Ten opzicht van wat vertonen ze gebreken? Wat is je referentiekader? Of is dat 'gewoon' naar de 'smaak' van de bioloog die naar het kenmerk kijkt en het bestudeert om iets een constructiefoutje te noemen?

Volgens mij bestaan constructiefoutjes niet. De kenmerken van organismen, of het nu om moleculen, cellen of organen gaat, vloeien voort uit hoe de kenmerken van de voorouders evolueerden en dat beperkt eventueel de mogelijkheden van adaptaties. De bekende 'constraints' dus.

In het geval van de paarse en groene fotosynthetiserende bacteriën, namen de eerste het licht weg van de daaropvolgende generaties groene bacteriën. Het rode en blauwe licht werd geabsorbeerd door de paarse bacteriën waardoor er voor de rest het overblijvende licht beperkt was.

gert korthof zei

Beste Marleen, hartelijk voor je reactie ondanks drukke tijden! Al klaar met de verhuizing? Hoop dat je ondertussen gesettled bent in een mooi klein knus huisje met veranda op het platteland met uitzicht op een wijngaard, en aangrenzend meertje en bossen met veel vogels.

Je vraagt terecht: "Ten opzicht van wat vertonen ze gebreken? Wat is je referentiekader? Of is dat 'gewoon' naar de 'smaak' van de bioloog"

ik vergelijk de constructiefout van het menselijk oog met omgekeerde retina, waardoor een blinde vlek (blind spot) ontstaat, met het oog van de octopus die geen blinde vlek heeft.
https://en.wikipedia.org/wiki/Cephalopod_eye
https://en.wikipedia.org/wiki/Argument_from_poor_design

Het is dus niet zo zeer mijn persoonlijke 'smaak' (foei!) maar de natuur, evolutie, natuurlijke selectie heeft ZELF laten zien hoe het wel kan. m.a.aw.: het referentiekader is de natuur zelf. Als de octopus het kan waarom de mens niet?

yan boch zei

Vraag van een digibeet: hoe kan ik op de hoogte worden gesteld van nieuwe publicaties op dit blog - en niet alleen deze 'feed'? Is er een mailinglist? Dank

gert korthof zei

yan boch, bedankt voor de tip,
1) ik ga van nu af aan links naar nieuwe posts op Google+ zetten.
2) en ik heb in de Rechter marge 'Blog volgen per email' toegevoegd