16 May 2018

Review of Karo Michaelian's Thermodynamic Dissipation Theory, PART 2. Darwin and Natural Selection

Karo Michaelian
'Thermodynamic Dissipation Theory
of the Origin and Evolution of Life',
12th printing, March 2017
In my first blog about Karo Michaelian's Thermodynamic Dissipation Theory I discussed his claims about the effects UV light on life and the inefficiency of photosynthesis. In this blog I discuss his views on the Darwinian theory of evolution.

Will to survive

Two striking criticisms are: the "will to survive" and the "tautological definition of fitness".
The "will to survive" occurs at least 17 times in his book. It must be crucial for his argumentation. Here a few examples:
  • "Traditional evolutionary theory based on an implicit metaphysical "will to survive" of the individual and the tautology of "survival of the survivors"  has little explicative value." (p. xxvi)
  • "... do not have a mysterious "will to survive and proliferate" as the Darwinists are obliged to see it." (p.129)
  • "The implicit and unjustified assumption of the "will to survive" in the Darwinian theory can now be replaced with an explicit and physically founded "will to produce entropy" (colloquially speaking)". (p.139).
Michaelian never gives a reference for the "will to survive". Charles Darwin did not use the "will to survive" in any of his books, articles and published manuscripts. This can be easily checked:
  1. Go to Darwin Online website 
  2. Go to Advanced Search
  3. type in the field Full Text: "will to survive" (or: "drive to survive", "survival instinct")
  4. Identifier: empty *)
  5. Results: No hits
*) If desired a search can be narrowed to The Origin of Species [1st ed.] by typing F373 in the field Identifier, etc. No identifier means all his published works. See for identifiers this page.

So, the conclusion is straightforward: Michaelian accusation of a mysterious, metaphysical will to survive is not based on Darwin and therefore does not need to be replaced by anything [6]. Furthermore, the 'will to survive' is not present in any Evolution textbook [4]. See for an overview of 36 evolution textbooks my website. Any textbook of the last 35 years is good enough for this purpose.

Ironically, his theory is explicitly teleological and metaphysical. In 19.3 he rejects the standard view in science that 'Life has no Purpose' (p.291). According to Michaelian life has a purpose. But the "will to produce entropy" is just as metaphysical as the "will to survive". Really surprising for a scientist practicing the most exact of all sciences: physics.

Survival of the survivors tautology

The "survival of the survivors tautology" occurs at least 9 times in his book! It must be an important part of his argument.
Freeman & Herron
Michaelian notes that philosopher Karl Popper pointed out that "survival of the survivors" is a tautology and later Popper changed his views on Darwinism somewhat (see footnote on page 266 of Michaelian's book). Sadly, all of this is outdated and irrelevant because in Evolutionary biology fitness and natural selection are defined and used in a non-tautological way. Again pick up any of the evolution textbooks of the last 35 years. The tautology is refuted in one of the oldest Evolution textbooks I have on the shelves: Minkoff (1983) Evolutionary Biology. Minkoff defines natural selection as the "differential contribution of heritable variations to the next generation" (page 82). This blog post is not the place to explain the theory of natural selection. An excellent discussion of the testability of natural selection can be found for example in Freeman and Herron (2007) Evolutionary Analysis [1].

Sadly, the tautology problem is a well-known creationist objection to evolution. In the classification of Mark Isaak (2007) The Counter-Creationism Handbook it is listed as Claim CA500 (page 32) or see the TalkOrgins website. The father of the Intelligent Design movement Phillip Johnson didn't  miss the opportunity to use the tautology to make a fool of Darwinists (my review).

Remarkably and inconsistently, elsewhere in his book Michaelian knows very well the non-tautological definition of fitness and natural selection (chapter 19 section 8 'Evolution through Natural Selection', page 299) and even mentions antibiotic resistance as an convincing example of natural selection. But that's the only example he thinks exists. He needs one consistent view throughout the book, getting rid of views that contradict each other. If he wants to criticize a theory, the first thing is to know the subject in the same depth as the experts [2]. It seems that Michaelian wants to discredit natural selection as much as possible in order to clear the way for his own thermodynamic selection.

Sadly, his criticism of natural selection and fitness are targeted at wrong and outdated views of evolution. Natural selection is in biology what the Second law of thermodynamics is in physics. Natural selection does not and cannot contradict thermodynamics or any other physical law. That would be a miracle. Natural selection assumes every possible physical, cosmological, chemical and geological condition. It is in this extended environment that natural selection operates and has operated since the origin of life.

There are however conditions where natural selection overrules thermodynamic selection in the sense that a flying bird overrules gravity. In general: when an organism is excellent in thermodynamic dissipation (entropy production) and survives to old age in good health, but has zero offspring, its excellent characteristics will not be inherited. And that's the end. That's where natural selection overrules thermodynamic selection.
If an organism with low dissipation (entropy production) produces more offspring than an organism with high dissipation, and this dissipation property is at least partly genetic, then the frequency of this property in the population will increase. Non-random representation of genetic differences in future generations is called natural selection. Natural selection (and a view other principles in population genetics such as drift) is sufficient to explain the properties of organisms given their environment.

gliding storks gain height for free (source)
see stunning beautiful video (16 secs)

There is a deep problem with thermodynamic selection. If thermodynamic dissipation means using and wasting as much energy as possible, then thermodynamic selection is refuted. In the animal world there is a rule of thumb: if you waste energy you are a loser [3], [5]. A good demonstration of the principle is the seasonal migration of birds. Like sailplanes, hang gliders, para-gliders, European white storks use rising air (thermals or ridge lift, gliding) to gain height (see picture and video). The storks subsequently glide for free downwards and forwards to travel a great distance and locate another column of rising air to gain height again. 
White storks exploiting thermals. © Science 25 May 2018
Of course they could simply use muscle power to travel in a straight line to their destination, but that would be very costly energetically. That would be stupid. Energy is not for free. Birds  do not fly "to benefit entropy production". They would not make the thousands of kilometers of their seasonal migration. The migration of birds has been compared to the Olympic Games because of the high physical demands of a non-stop flight for thousands kilometers. Especially in birds but also in planes, the need to be as lightweight as possible is easy to understand. One could store as much fuel as possible, but that increases weight and that is a disadvantage. The point is to store just enough energy and use it efficiently. That is: don't waste energy. The anatomy, physiology and behavior of birds is organized around this principle. And that refutes the idea that dissipation (entropy production) is maximized.

The problems with KM's view are connected to the question what life is. In contrast to free-floating molecules (pigments) in solution, cells and organisms are almost by definition not directly governed by physical forces. Bacteria, plants and animals do not spontaneously arise from abiotic materials under the influence of physical forces. Proto-life could. The big difference is that life contains inherited structures that harness energy from the environment. Metabolism is under genetic control. These structures make life to a large extent autonomous. Life is not at the mercy of thermodynamics. Molecules are. Bénard cells, Belousov–Zhabotinsky reaction, etc. are spontaneous, dynamic, temporary structures exclusively governed by physical forces. Life enjoys a structural permanence not present in dead non-equilibrium thermodynamic systems. It doesn't make sense to say that organisms are controlled by a 'local thermodynamic flow'. Energy (food) has to be actively searched, captured and digested. So, one cannot extrapolate from the fundamental molecules of life ('UV pigments') which obey the laws of physics and chemistry, to cells and organisms. Organisms circumvent the laws of physics in ingenious ways. Drop a dead bird, and it falls to the ground in agreement with the law of gravity. Drop a living bird and it flies away. That's life.

I think the value of Karo Michaelian's theory is in the application to single molecules especially at the origin of life, and the origin and replication of DNA. But there is more. KM has more ideas than a whole team of experts can evaluate. He has a list of no less than 16 paradigms in need of reform (chapter 19). Among them The RNA world hypothesis, Metabolism or Replication first, The Last Universal Common Ancestor, The Great Oxygenation Event, the Hydrothermal Vent Origin of Life, Pigments provide photo-protection, Photosynthesis is optimized in nature, and Panspermia. Additionally: homochirality (chapter 14). So, it is clear that he is far more than 'just another critic of evolution'. I personally like original writers the most. Right or wrong. It is intellectual entertainment. And yes, while reading, thinking, and writing, the brain produces a lot of entropy.


Notes

  1. Freeman and Herron (2007) Evolutionary Analysis, fourth edition. Chapter 3.2 'Evolution by natural Selection' (p.76-93). They list 4 postulates of natural selection and how each of them is tested. On page 93 under the heading 'Fitness is Not Circular' the tautology problem is discussed explicitly.  Required reading! See homepage of my WDW website and the Introduction page for an overview of Evolution textbooks.
  2. In chapter 19 two sections deal with natural selection: 19.2 and 19.8. These should be severely updated and united in one section. Or deleted altogether. Please note that there is no 'natural selection' in the Glossary of technical terms! So, it is undefined in his book!
  3. "if you waste energy you are a loser" are my words, but something very similar is stated by John Tyler Bonner (2006) Why Size Matters, (p.123-): "There is also a constant selection, no matter what the size, for greater [physiological] efficiency." KM: you should seek a connection with metabolism theory. There has been a lot of research on metabolism rates in the animal world. Interesting theory: Rate of living theory: "Support for this theory has been bolstered by studies linking a lower basal metabolic rate (evident with a lowered heartbeat) to increased life expectancy." So, rate of metabolism is under genetic and evolutionary control, and is not simply dictated by physical laws.
  4. Coincidentally, the first sentence in an article about ribosomes in Science 18 May 2018 reads: "From an evolutionary perspective, life involves two simple goals: survival and reproduction." There is, however, a subtle difference between goal and purpose: goals can be measured whereas purposes cannot be measured. (source) [added 18 May 2018]
  5. In an article in Science, 25 May 2018 ("From local collective behavior to global migratory patterns in white storks") it is stated: "Similar to other large-bodied soaring migrants, white storks try to reduce the amount of energetically costly flapping flight by exploiting their atmospheric surroundings." The birds traveled 1000 km during the first 5 days of their migratory journey! Why would the authors use words as "flight costs"? See also this publication: 'The roller coaster flight strategy of bar-headed geese conserves energy during Himalayan migrations'. Science 347, 250–254 (2015). In biology this is all bloody obvious for many years. [added 26 May 2018 ]
  6. The "will to survive" is present in popular science books. For example Steven Pinker writes: "The struggle to stay alive is the primal urge of animate beings." (chapter 5 of Enlightenment now). In evolutionary biology this 'struggle to stay alive' is not an explanation of Darwinian evolution, but an adaptive behavior which is explained by average reproductive success of individuals. So this behavior is an effect, not the cause. It is not primary, but secondary. Compare: "the will to find a partner and have sex" or "why sex is fun". 'Sex is fun' explains why individuals have sex (proximate cause), but differential reproductive success explains why sex is fun (ultimate cause).  Karo confuses proximate and ultimate causes. elementary error. [added 26 May 2018 ]

01 May 2018

The Origin of Species by Means of Thermodynamic Selection. Karo Michaelian.

Karo Michaelian
'Thermodynamic Dissipation Theory
of the Origin and Evolution of Life',
12th printing, March 2017
What if somebody told you that a deadly substance such as radioactivity or UV light  actually was involved in the origin of life? We all know that a small amount of UV-C light could instantly kill most present day micro-organisms. We all know that the ozone shield is vitally important to life because it absorbs biologically harmful ultraviolet (UV) radiation from the sun. We all know that melanin in our skin absorbs the energy of UV light and shields our cells from the radiation’s harmful effects (source). If we know all this, how on Earth could somebody think that UV light plays a role, let alone a key-role, in the origin of life? You probably think such a person is ignorant or a genius.

There is such a person in Mexico. It is physicist Karo Michaelian. He called his theory Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life. His view of life is a radical new theory about life and evolution based on the theory of dissipative systems. A dissipative system is a thermodynamically open system which is operating far from equilibrium in an environment with which it exchanges energy and matter. Examples of dissipative systems are hurricanes and living organisms. I am intrigued. I want to know more about it. Even if the theory only partially solved the origin of life, it would be a great contribution to science.

UV-resistant RNA and DNA

Michaelian applies the theory of dissipative systems to the origin of life with interesting results. He points out that [1] both RNA and DNA are exceptionally strong absorbers and extremely rapid dissipaters of ultraviolet light UV-C (230–290 nm) [2]. They do this within a picosecond, which is extremely fast (one millionth of one millionth of a second). There are no known other biotic or abiotic molecules that have this property, he claims. UV-C light from the sun could have penetrated the prebiotic atmosphere 4 to 2.5 billion years ago. The reason is that the ozone-layer (ozone shield) did not exist at the time [3], so UV-C light could not be absorbed by the ozone layer. This is before the origin of life. So, Michaelian suggests that DNA and RNA have those exceptional properties because they could resist the UV-C light of those days. In other words: DNA and RNA (especially the 5 bases) were thermodynamically selected. They were stable under those harsh conditions. If DNA and RNA have indeed those properties it makes sense that they were selected. Not only DNA and RNA: "There are also many other vestiges remaining in the fundamental molecules of life pointing to a UV-C environment at, or very near, the beginnings of life which would also have to be considered as mere accidents or coincidences..." (p. 307). This all makes sense and this is one of the potential valuable contributions to the Origin of Life field.

So, the explanation of why DNA has been 'chosen' as the hereditary molecule, is that it has been thermodynamically selected at a time 4 to 2.5 billion years ago. A relic of the past. This seems plausible because all molecules of those days must necessarily have been very resistant to UV light. You cannot call it natural selection, because we are talking here about non-living non-reproducing molecules. I guess other molecules were destroyed, but Michaelian does not tell us much about what happened for example with amino acids, peptides, proteins, lipids, sugars, etc. in those days.

Now we have short sequences of DNA or RNA. But that is not life. DNA should be replicated. Michaelian has ideas about that too ('Ultraviolet and Temperature Assisted Replication'). Still, this does not amount to life. But all other Origin of Life researches face the same problem. Michaelian is not the only scientist claiming a role for UV light.  John D. Sutherland reports that his team created nucleic acid precursors starting with just hydrogen cyanide (HCN), hydrogen sulfide (H2S), and ultraviolet (UV) light [4]. I don't know what the specific role of UV is in their scenario.

I am not an expert on these matters, so I have to rely on the opinion of Origin of Life researchers. I found a few isolated remarks which seem to support Michaelian. For example Koonin et al (2006): "... suggest that photosynthesis originated in the cyanobacterial lineage under the selective pressures of UV light and depletion of electron donors". That is similar to the main claim of Michaelian. There is a short supporting remark in Leslie Orgel (1973) [5]. However, these are a few isolated remarks. Almost universally, when in the Origin of Life and evolution literature UV light or the ozone layer is mentioned, UV light is harmful. For example: "the damaging effects of solar UV, which was orders-of-magnitude stronger in the absence of the ozone shield than it is now" (source). And: "Skin cells that produced a pigment called melanin were advantaged because melanin is a natural sunscreen; it absorbs the energy of UV light and shields cells from the radiation’s harmful effects." ( source ).
Famous origin-of-life researcher Cairns-Smith wrote: "It is being realised too that ultraviolet sunlight is even better at destroying middle-sized organic molecules than at making them" [6]. On the other hand, if UV creates ozone O3 from O2 that seems to be a creative process. Maybe that is a clue [17].

Returning to our remarks at the beginning of this blog. It still remains puzzling that UV light causes mutations, causes skin cancer [7] and is widely used as an sterilization method (anti-bacterial), is implicated in mass extinctions [8], and at the same time  –according to Karo Michaelian– is instrumental in the production of the first molecules of life and at the same time according to mainstream science small amounts UVB radiation help synthesize vitamin D. How does this all fit together? Is it possible that proto-life was not damaged, but life today is damaged by UV? [19].

I would like to see experimental results with UV-C induced DNA and RNA synthesis published in a peer-reviewed scientific journal. Such an experiment would not be too complicated I guess. If successful that would be a major breakthrough in the origin of life field.

Poor Photosynthesis

Now the most remarkable claim of all. Applying his theory to photosynthesis: Karo Michaelian observes that photon dissipation into heat accounts for 99,9% of the free energy in sunlight and only 0,1% is used for photo-synthesis (p.70, p.312) [9]. This is a crucial fact in his thinking:
"This represents an extremely poor efficiency for a photosynthetic system that has had the opportunity to evolve for at least 3,500 million years considering that humans have developed systems capable of converting up to 40% of the free energy in sunlight into usable electrical energy within only 40 years of technological innovation." (p.312)
Michaelian concludes from these data that not photosynthesis, but photon dissipation into heat has the highest priority of plant species. It is not natural selection that rewards plant species with the highest photosynthetic efficiency, but it is the law of dissipative systems that selects plants with the highest dissipation [10], [11]. Needless to say this is completely against the common sense and the Darwinian view of life [12].

His entire argument hinges on the assumption that it is possible to distinguish optimization of biomass production from optimization of the conversion of visible light into infrared light (heat). He claims thermodynamic dissipation is optimized and photosynthesis is not. However, if both processes are necessarily connected, then it is not possible to distinguish between the two, let alone to point to the one that is optimized! I think that they are two aspects of the same process. Two points of view that can not conflict and are both true.
Obviously, Michaelian would counter that the number 0,1% is decisive. It is just too small to be an optimum [18]. But the number alone is cannot be decisive. We need to know whether is physically, chemically and biology possible at all to have a significantly higher efficiency. How can we know this? Comparing photosynthesis with solar panels is certainly no good. The purpose of solar panels is electricity production and nothing else. Plants do not produce electricity. In contrast with solar panels, photosynthesis means synthesis of carbon compounds (sugars) using CO2 + H2O + photons. Solar panels are not in the business of synthesizing carbon compounds. So, that comparison is wrong.

The conclusion that 0,1% is too low, is just as wrong as concluding from the fact that 98% of the human genome is non coding, that the function of the human genome is garbage collection. Or conclude from the high energy consumption of the brain that the purpose of the brain is heat production. Or conclude from the inefficiency of light bulbs and fossil fuel cars that the main purpose is heat production [16].

Despite 0,1% being a low number, it is enough for all life on earth. More than 7 billion people and even a larger number of cats, dogs, cattle and wild animals depend on photosynthesis. 

A better idea would be comparing natural photosynthesis with artificial photosynthesis. The highest reported efficiency for artificial photosynthesis lab prototypes is 22.4%. However, plants are efficient in using CO2 at atmospheric concentrations, something that artificial catalysts still cannot perform (wikipedia). (Plants cannot control CO2 in the atmosphere!). So, until now natural photosynthesis still outperforms artificial photosynthesis. 
Even if humans could significantly improve artificial photosynthesis, it would be comparable to improving milk production in cattle. It would not prove that milk production of wild cattle is inefficient. There are evolutionary and ecological reasons for this.
Improving Photosynthetic Efficiency for Greater Yield
source
In modern evolutionary theory the definition of fitness is reproductive success. (I will return to that and what Karo Michaelian writes about it in the next blog). If photosynthesis would be the only factor determining reproductive success it is expected to be optimized or even maximized. But photosynthesis is not the only factor. For example Nitrogen availability is an important factor for growth (source). And there are other ways to enhance biomass production. Plants can make few bigger leaves, or many smaller leaves. It at all depends on the design specifications: for a shadow environment or the bright sun? Also CO2 is a limiting factor for photosynthesis and is out of control of a plant. Life history theory aims to explain the facts that different organisms have different strategies for growth and reproduction. Weeds (annuals) have fast growth and short lives, trees have slow growth, live long and invest heavily in non-photosynthetic wood en root system. [13] Bamboo is a famous fast growing plant [14] (whatever the photosynthetic efficiency).

Even if photosynthesis were the only factor in evolutionary fitness, it would not necessarily mean that the efficiency would be high. The reason is that there is enough sunlight. Literally more than enough. Whenever there is more than enough of a resource, there is no reason to have high efficiencies. "Crop leaves exposed to full sunlight absorb more light than they can use. If they can’t get rid of this extra energy, it will actually bleach the leaf. Chemical changes within the leaf allow the excess energy to be dissipated as heat, in a process called nonphotochemical quenching (NPQ)" (source). I think this is  an important reason why the efficiency is 'low'. See also: Photo-inhibition, photoprotection.

Thermodynamic Limit. There is an intriguing reason why photosynthesis is not 100% efficient: thermodynamics! There is a Thermodynamic Limit: "At the reaction centers, thermodynamics limit the amount of energy available to do photosynthetic work."! (source), (source). I would like Karo Michaelian's comments! As a physicist he should be able to enlighten us.

Conclusion. The function of photosynthesis is carbon fixation: the most fundamental biological reaction which incorporates carbon atoms into organic molecules starting with carbon dioxide. Without carbon fixation no plants, no animals, no biosphere. We animals cannot live from the sun! We need photosynthesis because of the food it produces for us. We don't care if plants produce entropy when we are hungry. We cannot eat entropy.
However, his thermodynamic view is not wrong. All organisms are open thermodynamic systems that necessarily produce entropy: bacteria, plants and animals. Michaelian unnecessarily claims that Darwinian natural selection contradicts his 'thermodynamic selection', and natural selection should be replaced by 'thermodynamic selection'. More on that in the next blog. In this respect his views are over the top. He pushed it too far. That's a pity.

Michaelian cites another two experiments purportedly proving his theory. The first is 'A maximum hypothesis of transpiration in plants' (ref 392). This won't work in a hot, dry climate because plants would die if the tried to maximize evaporation. Second: 'Inactive Photosystem II Complexes in Leaves' (ref 47). However, the authors of the article conclude: "Although there are two few data to answer the question of whether inactive centers serve a useful role in photosynthesis, for example in photoinhibition, development, or otherwise, ..." (GK: 'two' must be 'too'). So, there is more research required to find out their functions.
In the end reading his book is a pleasure and is not a wast of time. It contains many illustrations, more than 400 notes, a detailed index, glossary and is very cheap for a scientific book. His alternative view of life may be unusual, even weird, it highlights facts which are not yet well explained by Darwinian theory such as why plants devote resources to the synthesis of reaction centers that apparently do not contribute to carbon fixation (p. 312) and the red-edge effect. I was not familiar with these facts.

Genetically modified plants are better able to make
use of the limited sunlight available when
 their leaves go into the shade (source)

Others about Dissipative Systems and Life

To my surprise physicist Jeremy England said "when a group of atoms is driven by an external source of energy (like the sun or chemical fuel) and surrounded by a heat bath (like the ocean or atmosphere), it will often gradually restructure itself in order to dissipate increasingly more energy". This is the same idea as Michaelian.
Also to my surprise Eric Schneider and Dorion Sagan (2005) Into the Cool use often the same idea and wordings as Karo Michaelian. This one is beautiful:
"Go out and observe trees, and you will see living dissipative systems stretching skyward to capture available solar energy. ... This process is the result of the thermodynamic imperative to degrade the quality of the incoming solar energy as completely as possible." "Plants are perhaps the most advanced instrument yet evolved for degrading incoming solar radiation." (p.220).
Michaelian certainly would agree.



Notes

  1. He points out that: See wikipedia article 'Abiogenesis'. The wording, the language, the style of the section 'Thermodynamic dissipation' are the same as in Karo Michaelian's book. So, probably Karo Michaelian wrote that section. It is a summary of the theory that only its author could have written. Or: it is a copy&paste work of somebody else.
  2. UV-C: Today UV light is used to kill bacteria! See: wikipedia article Ultraviolet germicidal irradiation. On the wikipage DNA there is nothing about DNA's exceptional resistance to UV-C. On the contrary: wikipedia tells us that UV-B damages DNA and causes mutations.
  3. Ozone layer appeared when oxygen levels were high enough (Great Oxygenation Event)
  4. Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism Nature Chemistry volume 7, pages 301-307 (2015)
  5. L.E. Orgel (1973) The Origins of Life,  p. 117: "However, it has been shown that if hydrogen sulfide or formaldehyde were present in sufficient quantities in the atmosphere, they could have absorbed a much larger amount of ultraviolet energy and made it available for the synthesis of organic compounds." but also here: "ozone absorbs ultraviolet light strongly ... otherwise men would be subjected to very harmful doses of ultraviolet light."(p.117). There there seems to be universal agreement  (1) there was no ozone layer at the origin of life, (2) UV light was hitting the earth surface, (3) UV is harmful. (added 2 May 2018)
  6. A. G. Cairns-Smith Seven clues to the origin of Life, 1985, p. 42.
  7. "No type of UV radiation has been shown to be safe – cancers have developed after exposure to UVA (alone), UVB (alone), and UVC (alone)." Source: Does UV radiation cause cancer? from the website www.cancer.org of the American Cancer Society. So, this is a serious source. Further, see the website of the Skin Cancer Foundation: UVC isn't a concern for skin cancer.
  8. See chapter 4: An ancient ozone catastrophe? in: David Beerling (2007) The Emerald Planet. (my review).
  9. p.70: KM quotes the lowest Photosynthetic efficiency. But it ranges from 0,1% – 1% to 2% (crops). Nonetheless: it seems to be low. KM emphasizes that everybody ignores this fact (p. 283). This is not true: "a surprising small amount of that energy is turned photosynthetically into biomass." (Eric Schneider, Dorion Sagan (2005) Into the Cool, p.221) however these authors don't draw very dramatic conclusions from this fact.
  10. "Instead, if plants and other photosynthetic organisms have evolved to optimize dissipation rather than photosynthesis ...". (page 234).
  11. Plants could not exist without carbon fixation. If carbon fixation is against universal law of dissipation-maximization then photosynthesis could not have originated in the first place.
  12. The 'purpose' of photosynthesis is the synthesis of carbon-compounds as glucose and ATP. Carbon-based life could not exist without photosynthesis.
  13. Photosynthetic efficiency is not a fixed number. For example the photosynthetic efficiency  of oak forests drops from 1.5% - 1.7% at ages between 20 - 40 years to 0.4% at the age of 200 years (Schneider and Sagan, 2005, p.221).
  14. Growth pattern and photosynthetic activity of different bamboo species growing in the Botanical Garden of Rome.
  15. The tile of this blog 'The Origin of Species by Means of Thermodynamic Selection' is of course a paraphrase of Darwin's 'On the Origin of Species by Means of Natural Selection'.
  16. added May 2 2018: I couldn't believe when I first heard that the fuel efficiency of a fossil fuel car was only 25%! An invention some 100 years on the market! 
  17. remark added May 2 2018
  18. If you believe in intelligent design: the extremely low efficiency of photosynthesis is an insult to the Creator. Creation is perfect. So, it must have happened right after the fall. Before the fall plants had a maximum efficiency only constrained by the laws of physics. (added 3 May 2018)
  19. In an email 17 May 2018 Karo Michaelian wrote: "in the book I do in fact "explain why in contrast to mainstream opinion UV is not harmful". I do that particularly in sections 4.2 (Of Pigments and Protectionism) and 19.13 (Pigments Provide Protection) and in many other places throughout the book."  [added 17 May 2018]

04 April 2018

Klaas Landsman (3) Finetuning versus de tweede hoofdwet van de thermodynamica

relatie Finetuning — Life —
— Second Law of Thermodynamics

Vraagje: is de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica ('Second Law of Thermodynamics') strijdig met Finetuning for Life? Om die vraag te beantwoorden moeten we eerst een andere vraag stellen: is het verschijnsel leven strijdig met de tweede hoofdwet?

Voor zover ik weet zijn finetuning en de 2e hoofdwet niet eerder met elkaar in verband gebracht. Klaas Landsman (zie vorige blogs) heeft het ook niet gedaan [5]. En ik heb het ook niet in de literatuur gevonden.

tweede hoofdwet strijdig met leven of niet?

Finetuning is: de fundamentele fysische constanten hebben zodanige waardes dat chemie en leven mogelijk zijn. Dat is weinig controversieel. Dat is een onmiskenbaar feit. Prima! Maar, het is óók zo dat de 2e hoofdwet noodzakelijkerwijs voortvloeit uit de aard van diezelfde materie die gefinetuned zou zijn voor leven. En die 2e hoofdwet zegt:

"De entropie (wanorde) van het heelal neigt naar een maximum".
of:
"Orderly things tend to become disordered over time"
                       (David Deamer, 2011, First Life, p.99)
Voorbeeldje: doe een theezakje (inkt, zout, suiker) in een kopje water. Eerst zijn de toegevoegde moleculen geconcentreerd in 1 locatie, en vrij snel spreiden ze zich uit over het beschikbare volume met als eindresultaat een homogene vloeistof. Bovendien neemt het vrij snel de omgevingstemperatuur aan. Dat is de tweede hoofdwet. Als dat de tweede hoofdwet is, dan hebben we een probleempje. 

Kijken we naar de definitie van het leven:
"Living systems are able to establish order within a chaotic world and perpetuate that order as long as energy is available for resisting the inexorable tendency toward increased entropy.
Dirk Schulze-Makuch, Louis Irwin (2006) Life in the Universe, p.16) (inexorable = niet te stoppen).
NB: dit is geen selectief citaat of controversiële definitie. Ik heb vele definities van 'leven' vergeleken [4], ze komen allemaal op hetzelfde neer. Veel definities leggen andere accenten (zoals het belang van DNA, eiwitten, membraan), maar geen enkele is in strijd met bovenstaande definitie. De definities zijn afkomstig van onderzoekers in het Origin of Life / Astrobiology gebied, die zich niet bezighouden met finetuning for life.

Conclusie: het leven gaat tegen de 2e hoofdwet in. Oorzaak: het leven is een onwaarschijnlijke, en complexe structuur die niet zou kunnen bestaan als er niet voortdurend energie aan toegevoegd wordt [11]. Het leven is een pannetje met water dat kokend gehouden wordt op een vuurtje (=energie). Het leven is een systeem dat niet in evenwicht is met zijn omgeving ('Non-Equilibrium Thermodynamics'). Als een lichaam koud aanvoelt en niet meer beweegt: bel 112. Het zijn sterke aanwijzingen dat het lichaam in thermodynamisch evenwicht is met zijn  omgeving. En dus dood.
Paul Davies bracht het heel fraai onder woorden: life is against the tide [5]. Het leven is tegen de stroom in roeien. Geen enkele auteur ontkent dit aspect van het leven.

Let op: het leven is niet letterlijk strijdig met de 2e hoofdwet, want anders zou de 2e hoofdwet gefalsifieerd zijn! [3]. Fysici zouden je uitlachen. De tweede hoofdwet is heilig. Het leven is 'strijdig met' de 2e hoofdwet net zoals het in de lucht hangen van een helikopter 'strijdig is' met de wet der zwaartekracht. Als de brandstof op is, volgt neerstorten en de dood. Net als het leven. Het leven 'omzeilt' de 2e hoofdwet door slimme trucs.
Natuurkundigen lossen deze 'strijdigheid' op door te zeggen: het leven is een open thermodynamisch systeem omdat het energie importeert en afvalstoffen exporteert. De 2e hoofdwet is  van toepassing op gesloten systemen. Natuurkundigen hebben het probleem opgelost, de 2e hoofdwet blijft geldig.

Against the tide

Toch blijft er een ongemakkelijk relatie bestaan tussen de tweede hoofdwet en het leven. In bovenstaande definitie van het leven zien we: "resisting the tendency toward increased entropy"; het leven biedt weerstand tegen degradatie. Als je goed kijkt naar verschillende auteurs dan zie je dit idee steeds terugkomen.
We weten allemaal dat we moeten blijven eten om in leven te blijven. We doen ons hele leven niet anders. Dat is natuurlijk, dat is normaal. Maar als je nadenkt over hoe de fysische natuurwetten in elkaar zitten: is dat wel zo natuurlijk? Had het niet anders gekund? Is de tweede hoofdwet noodzakelijk? Zijn er in andere universa geen levende wezens die niet hoeven te eten? [9]. Dat gaat mijn kennis te boven.

Leven dankzij de tweede hoofdwet?

Eerlijkheidshalve moet ik melden dat er ook wetenschappers zijn die menen dat er een harmonie is tussen het leven en de tweede hoofdwet. Dat zou ook onze kijk op finetuning drastisch kunnen veranderen.

Het idee is dat het leven energie degradatie [6] versnelt. Dus in dezelfde richting werkt als de tweede hoofdwet. Dat doen ze door warmte uit te stralen. Fysisch: het leven is een dissipatieve structuur. Door dissipatie van warmte neemt de entropie van het heelal sneller toe dan zonder leven. Er zijn meerdere auteurs die soortgelijk opvattingen verkondigen [1], [13], [14].

Jeffrey Wicken beweert zelfs dat het leven dankzij de tweede hoofdwet bestaat! [7]. Dat gaat ver. Eric Schneider omschrijft het zo: organismes verbruiken energie waardoor de entropie (=nutteloze warmte, wanorde) in het heelal toeneemt [8] en dat is precies wat de tweede hoofdwet voorschrijft. Dus ook hij zegt dat leven bestaat dankzij de tweede hoofdwet. Mijn kanttekening: organismes streven er in het algemeen naar om rond te komen met zo weinig mogelijk energie, dus om energie zo efficient mogelijk te gebruiken [12].

De ambivalentie van het leven

Niemand heeft de dubbelrol van het leven expliciet aan de orde gesteld. Enerzijds creëert het leven orde, want het leven is orde en anderzijds produceert het leven wanorde omdat het orde en energie uit de omgeving omzet in wanorde en die dumpt in de omgeving. Populair gezegd: het lichaam is een zeer complexe structuur die ongestructureerde poep produceert. Dus je kunt concluderen dat het leven zowel meewerkt aan de 2e hoofdwet, als de 2e hoofdwet tegenwerkt [10].


fine tuning?

Dit alles overziend: is het heelal gefinetuned voor het leven? Het leven is: hier heb je een kano en een peddel, en je mag tegen de stroom op peddelen. Als je te langzaam peddelt stort je met kano in een afgrond van 100 meter. Dood. Naar mijn smaak is dat niet een bio-friendly cosmos! Een optimist zegt: als er geen stroom is kun je er ook niet tegen in peddelen. Dit heelal is het best mogelijke heelal.

Maar zelfs als er geen alternatief voor de tweede hoofdwet mogelijk is in een multiversum, blijven we zitten met een compromis. Het heelal is niet ideaal voor het leven. Bewijs: als je niet eet ga je dood. Plus: eten is doden. Wat een drama! Wie heeft dat verzonnen? Zelfs auteurs die de harmonie verdedigen schrijven verderop dat het leven de tweede hoofdwet moet weerstaan (resisting).
Dus, ik kan met de beste wil ter wereld niet zeggen dat het heelal optimaal en compromisloos gefinetuned is voor het leven. En dan heb ik het nog niet eens gehad over het ontstaan van het leven! Als het ontstaan van het leven en fluitje van een cent was, als er overal in het heelal spontaan leven zou ontstaan, dan zou dat beter passen bij een heelal dat gefinetuned was voor het leven. Hoezo: speciale condities voor het ontstaan van leven? Hoezo een planeet in de habitable zone? Zijn andere planeten in het gefinetuned heelal ongeschikt voor leven?

Vorige blogs

 

Noten

  1. Rod Swenson geciteerd in Lynn Margulis, Dorion Sagan (1995) What is Life? p.16. Rod Swenson: "...because it is through ordered, dissipative systems that the rate of entropy production in the universe  is maximized." [1]. Maar ever verder: "Life must maintain itself against the universal tendency of heat to dissipate with time." (p.86) en: [animals] make wast of useful energy ..." (p.151). Rod Swenson ziet leven als doelgericht omdat het helpt om het universum als geheel grotere entropie te krijgen!
  2. In de Westerse wereld kennen we geen honger meer, daardoor is de 2e hoofdwet ook een ver van mijn bed show. Maar vroeger en in Afrika is er nog steeds hongersnood, dus confrontatie met de 2e hoofdwet.
  3. Schrödinger paradox (p.7 Schneider): het leven is ogenschijnlijk in strijd met de tweede hoofdwet.
  4. In mijn review van Tibor Gánti staat een lijst van 27 definities van leven. Hier is er nog een: "Associated with self-replicating far-from-equilibrium systems is an energy requirement. There is a constant thermal degradation, driven by the second law of thermodynamics, toward equilibrium that must be countered by the expenditure of work. Thus, there is the requirement of a proper energy source and the ability to convert that energy into a form that is useful in maintaining the structure and synthesizing similar structures." Harold Morowitz (1999) 'A Theory of Biochemical Organization, Metabolic Pathways, and Evolution', Complexity pp 39-53.
  5. Ook fysicus Paul Davies (2006) The Goldilocks Enigma - Why is the Universe Just Right for Life? (gaat dus over finetuning) behandelt niet de mogelijke problemen die de tweede hoofdwet op kan leveren voor het leven. Echter in The Fifth Miracle (1999) legt hij op fraaie wijze uit dat leven en de tweede hoofdwet niet strijdig zijn. Maar de titel van Chapter 2: 'Against the tide' spreekt voor zich (tegen de stroom in!). Dus als hij met finetuning bezig is vergeet hij dat het leven against the tide is! Toeval?
  6. Robert Hazen (2005) Genesis, The Scientific Quest for Life's Origin, p.13-14.
  7. "Wicken (1987) who dares to claim that it is only because of the second law of thermodynamics that life exists at all." ; "Wicken persuasively argued that the second law is not just compatible with life but instrumental in its origin and evolution." (Eric Schneider, Dorion Sagan, 2005, p.105.)
  8. Eric Schneider, Dorion Sagan (2005) Into the Cool: "In using up energy, in performing work, they perform a natural function: the production of entropy mandated by the second law (p. xv). Schneider gaat zover als: "Life as a manifestation of the second law of thermodynamics". Dat gaat wel wat ver, want leven zelf is orde. En: "They don't just obey that law, they actively enhance its operation. (p.xv); "accelerate the natural production of entropy.". En: "Life not only does not contradict the second law but exists because of it." (p.330 Schneider). Dat gaat te ver naar mijn smaak.
  9. Adam en Eva plukten vruchten in het paradijs. Dat bewijst dat je zelfs in het paradijs moet eten om in leven te blijven. Dus de tweede hoofdwet gold ook in het paradijs. Zou je in de hemel ook moeten eten, of geldt daar de tweede hoofdwet niet? Leven zou daar een perpetual motion machine (Trotman) zijn! Een hindernis om het probleem te zien is dat we eten lekker vinden en er daarom niet over nadenken waarom we moeten eten.
  10. Hetzelfde kun je zeggen van de moderne beschaving: we produceren auto's, vliegtuigen, computers (bitcoin-miners vreten stroom!), etc. Die produceren ontzettend veel entropie. Dus die accelerate, enhance de tweede hoofdwet!
  11. Fijne structuur op moleculair en cellulair niveau: die wordt door een simpele kogel vernietigd met de dood als gevolg. Bewijs geleverd dat die structuur nodig was voor het leven. 
  12. Denk aan vogeltrek. Dat is topsport. Individuen die het efficiëntst met energie omgaan komen het verst. Denk ook aan de actieradius van elektrische auto's. Denk aan LEDs. Denk aan de evolutie van zonnepanelen en windturbines.
  13. De theorie van de fysicus Karo Michaelian (2016) is volledig gebaseerd op het idee dat het leven bestaat dankzij energie (entropy) dissipatie: Thermodynamic Dissipation Theory of the Origin and Evolution of Life. Samengevat: Life started by dissipating UV photons into heat! Het is een extreem reductionistische, ééndimensionale en ambitieuze theorie over het leven: alles wordt gereduceerd tot dissipatie. Ik kom hier nog op terug in een volgende blog, want het is wel een fascinerende theorie en je leert er (als bioloog) veel nieuwe feiten door. Zie: zijn website. [8 april 2018]
  14. Clive Trotman (2004): "The laws [of thermodynamics] do not work against the origin and existence of of life but overwhelmingly in its favor" (p.112). [toegevoegd 9 april 2018]

19 March 2018

Klaas Landsman (2). Het zgn. fine-tuning for life argument

Klaas Landsman (2018)
Naar alle onwaarschijnlijkheid.
Klaas Landsman (2018) geeft in zijn boek Naar alle onwaarschijnlijkheid een zeer goede uiteenzetting van finetuning van de kosmos voor het leven. De Hoyle-resonantie was niet alleen het eerste voorbeeld van de finetuning, maar tevens de enige echte voorspelling van finetuning [1].
Ik vind finetuning een fascinerend onderwerp. Het heeft alles te maken met Big History (verbanden leggen!), evolutie en creationisme. Ik zou er nog vele blogs over kunnen schrijven.

Ik geef hier enige aanvullingen op de uitstekende uiteenzetting van Landsman.

Finetuning for what?
Landsman noemt het finetuning for life argument een understatement, omdat het niet alleen fine-tuning for life zou zijn, maar voor alle materie, en zelfs voor het bestaan van het universum zoals wij dat kennen. Ik noem het een overstatement precies omdat er te véél wordt geclaimd. En omdat ze het totaal niet kunnen waar maken.

Als je goed kijkt naar het finetuning for life argument, dan blijkt dat het helemaal geen finetuning for life is, maar hoogstens fysische finetuning voor de bouwstenen C, H, N, O, P, S van leven. Finetuning specifiek for life kan dus helemaal niet. Dat is een misverstand dat gretig in leven wordt gehouden door religieuze denkers. Bovendien, als er echt finetuning for life zou bestaan dan zou je moeten verwachten dat het leven op een planeet zoals de aarde spontaan zou ontstaan. Maar wat blijkt? Na al die onvoorstelbaar precieze finetuning van de fysische natuurwetten moet de Schepper-God het leven op aarde alsnog handmatig creëren (Genesis). Wat een afgang. Een ingreep in de natuurwetten! Dus, de hele uitdrukking 'de kosmos is gefinetuned for life' klopt niet en gelovigen gaan er niet consequent mee om. Ik noem het dus een overstatement.

David Foster (1993)
The Philosophical Scientists
Evolutie
Religieuze denkers richten hun aanvallen ook in de context van de evolutietheorie op kleine kansen. Onlangs kreeg ik nog een onthullend commentaar op een oude bespreking op mijn WDW website van een creationistisch anti-evolutieboek (de moeite waard om over te bloggen). Het argument draaide om de extreem kleine kans dat een hemeglobine eiwit door zuiver toeval zou ontstaan: 10 tot de macht 650. Zo werkt evolutie niet. Maar zo werken de argumenten tegen evolutie bijna altijd. Toen realiseerde ik mij dat ook het finetuning argument draait om extreem kleine kansen. In feite zijn volgens mij alle creationistische en Intelligent Design (ID) argumenten gericht tegen  extreem kleine kansen, dus tegen toeval. Religieuze denkers zien extreem kleine kansen en roepen: dat kan geen toeval zijn! Dat moet God zijn!

Heelal: een reality check
 
Een volgend probleem met het the cosmos is fine tuned for life is dat die extreem kleine kansen zo oogverblindend zijn, dat de kille feiten van het heelal aan het oog onttrokken worden. Het heelal is bepaald niet een extreem efficiënte en doelmatige machine om leven voort te brengen, laat staan 'intelligent leven'. Ik zet een paar voorbeelden op een rijtje ter illustratie:
  1. Het heelal is een onmetelijk grote, koude, donkere en vrijwel lege ruimte waar het bepaald niet wemelt van het leven. Fine tuned for life?
  2. het zichtbare heelal heeft 100 miljard melkwegstelsels met ieder 100 miljard sterren. Zijn die allemaal nodig? Moeten we dat verwachten onder de finetuning (ft) hypothese?
  3. 95% van het heelal bestaat uit zgn. donkere materie en energie: wat voor nut heeft dat voor het leven? Idem: zwarte gaten (black holes).
  4. De belangrijkste chemische elementen voor het leven zijn: Koolstof (C), Zuurstof (O), Stikstof (N), Fosfor (P), etc. en die werden niet geproduceerd door de Big Bang. Die werden pas veel later in de geschiedenis van het heelal geproduceerd. Is dit begrijpelijk onder de ft hypothese?
  5. Het heelal bestaat voor 75% uit waterstof (H) en 25% Helium-4. Een objectieve waarnemer zou moeten concluderen dat deze kennelijk de belangrijkste elementen zijn. Maar volgt dat uit de ft hypothese?
  6. Als je het Periodiek systeem der elementen bekijkt (zie hier onder) dan zie je dat slechts 19 van de 115  van de elementen essentieel zijn voor menselijk leven (paarse kleur in illustratie). Wat is het nut van de rest? Dat lijkt niet op een doelgerichte, efficiënte finetuning for life.

  7. Essential Elements for Life (paars). groen: mogelijk essentieel.
    grijs: niet essentieel of relevant voor leven.

  8. Levende organismen gebruiken 20 aminozuren terwijl er minimaal 80 aminozuren bestaan ("over 80 amino acids created abiotically in high concentrations and about 900 are produced by natural pathways"; source). Hoe verklaart finetuning for life dit?
  9. Alle golflengtes van UV licht van 220 - 390 nm (UV-C, UV-B, UV-A) veroorzaken mutaties in het DNA. UV-B licht produceert pyrimidine dimers, dat is schadelijk. Dus: DNA en de zon als energiebron voor onze planeet, zijn niet op elkaar afgestemd. Zie: DNA damage.
  10. Kan het zijn dat de planeet Aarde een beetje té gevoelig is voor opwarming door CO2? Is dat compatibel met de ft hypothese?

De chronologie

An updated time line of the universe shows the first stars
being born by about 180 million years after the big bang.
bron
Een vraag: ziet het er naar uit dat de mens het doel van het universum is? De Schepper-god zou met extreme precisie aan enkele tientallen knoppen gedraaid hebben en dan:
  • de eerste 150 miljoen jaar van de geschiedenis van de kosmos heerste er volledige duisternis (Chronology of the universe). [4] Was dat nodig?
  • ons zonnestelsel (zon, aarde, etc) heeft zich pas 4.6 miljard jaar geleden gevormd, dus pas na 9,1 miljard jaar. Waarom duurde dat zo lang als ons zonnestelsel zo belangrijk is?
  • Boring Billion is een periode van een miljard jaar na het ontstaan van het leven op aarde zien we alleen eencelligen. Pas vanaf 600 - 500 miljoen jaar geleden zien we meercelligen. Moeten we dat verwachten onder de ft hypothese? Idem: snowball earth, mass extinctions; late atmospheric oxygen arrival.
  • Als de mens 'de bedoeling was', waarom duurde het zo'n slordige 3,5 miljard jaar na het verschijnen van het eerste leven op aarde dat de mens verscheen? (zie bekende klok figuur hieronder )
  • History of Earth in 24-hour clock
    de mens verschijnt de laatste paar seconden
  • Als het leven in het heelal de bedoeling is, waarom dan de warmtedood van het heelal? (heat death of the universe).

Leven is tegennatuurlijk
Een belangrijk en relevant punt dat Landsman in het geheel niet noemt:
  • het verschijnsel leven is in feite 'tegennatuurlijk'. Leven is een semi-stabiel verschijnsel dat alleen kan blijven voortbestaan door voortdurend materie en energie (=voedsel) uit de omgeving te importeren. Per definitie. Houdt die toevoer op dan vervalt het leven snel tot dode materie. Het lijkt heel vanzelfsprekend dat we moeten eten om in leven te blijven, maar het is tegelijk het ultieme bewijs dat het leven tegennatuurlijk is. Waarom? Door een zeer fundamentele natuurwet: 'The Second Law of Thermodynamics'! Leven is een far-from-equilibrium state [2].  Met als bijkomend nadeel dat organismen (uitgezonderd planten) ander leven moeten doden om zelf in leven te blijven.
OK, het is duidelijk dat leven mogelijk is met de huidige natuurwetten. Maar hoe logisch zijn de huidige natuurwetten als een Schepper leven wil scheppen? Als de kosmos gefinetuned was voor leven, zouden er dan niet meer 'leven-vriendelijke' natuurwetten bestaan hebben? Zoals het nu is, is het bepaald niet elegant ontworpen. Waarom zijn de natuurwetten niet zodanig dat ze inherent stabiele levensvormen mogelijk maken? Dus, zonder dat we continue moeten eten (=doden) om in leven te blijven? De natuurwetten van de kosmos zouden ontworpen moeten worden voor leven en niet voor de dood! [2]

Omgekeerde finetuning
Landsman noemt een paar keer dat organismen zich aanpassen (finetuning) aan de omstandigheden en niet andersom. Dat ben ik met hem eens. Dat is evolutie. Dat is natuurlijke selectie. Zeker een belangrijk punt. Maar de natuurwetten moeten wel zodanig zijn dat ze een complexe (koolstof-)chemie mogelijk maken. Dat is een fysische randvoorwaarde. Daarna past het leven zich aan aan de eigenschappen van de fysica en chemie. Hier is nog veel meer interessants over te zeggen [3].

Metaforen
Ik denk dat ik Landsman goed samenvat met: alle metaforen (kaartspel, etc) door gelovigen naar voren gebracht om finetuning een theïstische interpretatie te geven, hebben een menselijke context: ze bevatten artefacten, en mensen met bedoelingen. Maar dan neem je al op voorhand een Schepper aan. Wat we nodig hebben is een zuiver wetenschappelijke behandeling van finetuning zonder de kwestie te verontreinigen met misleidende, antropocentrische metaforen.

Landsman concludeert dat het Antropische Principe (zwak of sterk) niet leeg, tautologisch of onjuist is, maar ook geen serieuze bijdrage aan een beter begrip van finetuning levert. 

De uiteenzetting van Landsman zal nog jaren de moeite waard zijn om te lezen. Verplichte kost.

Volgende keer over Jezus.

Vorig blog over dit onderwerp

Over het boek Naar alle onwaarschijnlijkheid. Toeval in de wetenschap en filosofie van Klaas Landsman (1)

 

Noten

  1. Landsman noemt nog enkele andere voorbeelden van fine tuning. De voorbeelden van finetuning (hij schrijft finetuning nooit tussen aanhalingstekens!) zijn fysische realiteit, ze zijn echt. Het zijn geen verzinsels van creationisten.
  2. Over dit onderwerp zou ik makkelijk een apart blog kunnen maken. Creationisten vinden dit geen leuke materie. Zie o.a. Addy Pross, Tibor Ganti en Eric J Chaisson (2001) Cosmic Evolution. The Rise of Complexity in Nature. Zeer de moete waard, ook om over te bloggen.
  3. De lichaamstemperatuur van 37 graden is op de meeste plaatsen op aarde hoger dan de omgevingstemperatuur. Waarom 37 graden? Het kost energie om dat temperatuurverschil te handhaven (vooral 's winters!). Had dat niet anders gekund? Het zou minder energie kosten als de lichaamstemperatuur gelijk is aan de omgevingstemperatuur. Bijvoorbeeld als de temperatuur op aarde overal 37 graden zou zijn.
  4. Recente info: "...the earliest stars didn’t turn on until about 180 million years after the big bang..." bron

07 March 2018

Over het boek Naar alle onwaarschijnlijkheid. Toeval in de wetenschap en filosofie van Klaas Landsman (1)

Klaas Landsman (2018)
Naar alle onwaarschijnlijkheid.
Toeval in de wetenschap en filosofie

Theoretisch fysicus prof Klaas Landsman schreef een fascinerend boek over toeval in de natuurkunde, kosmologie, evolutie, filosofie en religie zoals niemand anders in Nederland het had kunnen doen.

fine tuning

Na een inleidend hoofdstuk over het begrip coïncidentie begint Landsman met het idee Fine Tuning van de kosmos voor het leven. Om dit op een wetenschappelijk verantwoorde manier te kunnen doen, behandelt hij eerst de Algemene Relativiteitstheorie, het Standaardmodel van de deeltjesfysica en kosmologie. Dit is voor een bioloog zonder meer een pittig hoofdstuk. De dierentuin van elementaire deeltjes, met o.a. down-quark en up-quark, is voor mij duizelingwekkend zelfs angstwekkend ingewikkeld. Een bioloog hoeft dit allemaal niet te begrijpen om zijn werk te kunnen doen [2]. Wat van belang is dat wij ons leven te danken hebben aan x fundamentele constanten die zo onwaarschijnlijk precies zijn 'afgestemd' dat atomen, moleculen, sterren en planeten zijn ontstaan. Nemen we dit soort conclusies aan, dan weten we voldoende om de rest van het verhaal te kunnen volgen.

Het hoofdstuk over Fine Tuning vond ik zeer de moeite waard. Ik heb in het verleden veel over het onderwerp gelezen, maar de aanpak van Landsman is origineel. Hij maakt een verhelderende maar compacte analyse van Fine Tuning, verwerpt uiteindelijk zowel Fine Tuning als het Multiversum (!) en met name de conclusies die men er doorgaans uit trekt, omdat ze beide op een aantal denkfouten berusten. Dat doet hij niet zomaar. Hij geeft het idee Fine Tuning een kans. Hij vraagt: wat als Fine Tuning toch een zinnig concept zou zijn? Wat kunnen we dan van Fine Tuning leren? Het is voor mij een hoofdstuk dat ik zeker vaker zal lezen. Er wordt het nodige denkwerk vereist. Mijn gevoel is dat hier een gezaghebbende bespreking van Fine Tuning op tafel ligt.

natuurkunde

Klaas Landsman
Toeval is niet altijd een onderdeel van natuurwetten geweeest: Newton's wetten waren deterministisch. Boltzman introduceeerde toeval in natuurwetten. Einstein introduceerde als eerste toeval in de kwantummechanica. Het aardige van de uiteenzetting van Landsman is dat het niet als kant-en-klare theorie wordt gepresenteerd maar als een historische ontwikkeling met veel onzekerheden en (persoonlijke) controverses. Het blijkt dat Landsman werkt aan een oplossing voor de Schrödingers kat paradox. Dat behoort tot zijn vakgebied Foundations of Quantum Theory.


evolutie

In het hoofdstuk 'Toeval in evolutiebiologie' behandelt Klaas Landsman de rol van het toeval in evolutie. De rol van toeval wordt goed belicht, maar gaat enigszins ten koste van de rol van natuurlijke selectie. Bijvoorbeeld: neutralisme (whistleblower Kimura) vind hij erg belangrijk en fascinerend. Over het neutralisme van Kimura schrijft hij: "bracht hem tot de ketterse conclusie dat de klassieke darwinistische selectie via het recht van de sterkste nauwelijks een rol speelt in de evolutie... " [1]. Dat er later correcties (afzwakkingen) van Kimura's model zijn gekomen staat niet in de hoofdtekst, maar zet hij in een eindnoot (33).
Landsman noemt ook Stephen Jay Goulds 'rewinding the tape of life' [10] die uitstekend past binnen het thema toeval in evolutie.

De rol van toeval in evolutie heeft voor Landsman een speciale betekenis. In de epiloog schrijft hij: "Ook evolutie vind ik fascinerend omdàt het proces door toeval wordt aangestuurd" in plaats van dat het een voorgeprogrammeerd, deterministisch, doelgericht proces is. Voor hem betekent het dat evolutie een open-einde-proces is, dat nieuwe dingen kan voort brengen. Dus toeval heeft bij hem in dit verband een positieve betekenis. Dit contrasteert hij met de christelijke visie waarin alles doelgericht moet zijn.

Landsman noemt geen literatuur die de rol van toeval relativeert zoals convergentie [4]. Convergentie is het meerdere malen onafhankelijk ontstaan van dezelfde aanpassingen in diverse families in de Tree of Life. Het oog is een goed voorbeeld. Het beeldvormend oog met lens is niet minder dan 50 tot 100 maal ontstaan in de evolutie. D.w.z. het oog van alle hedendaagse organismen is niet via gemeenschappelijke afstamming van een verre voorouder afkomstig, die toevallig de juiste mutaties had. Toeval sluit dus niet uit dat evolutie meerdere malen dezelfde aanpassing voortbrengt. Je zou kunnen zeggen dat het ontstaan van het cameraoog onvermijdelijk was.
Verder heeft mathematisch bioloog Stuart Kauffman [3] betoogd dat het ontstaan van het leven in het universum geen toevalligheid is maar onvermijdelijkheid.

Nergens maakt Landsman fouten op het gebied van de evolutiebiologie, hij heeft de nodige literatuur geraadpleegd ([8], waaronder één leerboek [6]). Soms kwam ik een enkel boek tegen dat ik niet kende, maar de moeite waard lijkt (Chance in Evolution [7]). Bij sommige passages kan ik kanttekeningen plaatsen [5] [9]. De paragraaf 'De moleculaire structuur van mutaties' suggereert een uitleg van het mechanisme van mutaties op chemisch niveau. Maar dat is er niet. Toen hij het boek schreef kon Landsman nog niet weten dat chemische tautomerie van de bases A,T,C,G ten grondslag ligt aan mutaties in het DNA (zie mijn vorige blog Het is nu bewezen dat DNA noodzakelijkerwijs mutaties genereert. DNA mutability by design). Het zou goed passen in het betoog van een theoretisch fysicus [11].

In een volgende blog zal ik aandacht besteden aan het hoofdstuk 'Toeval en religie'. [12]

Noten

  1. Klopt niet helemaal: Kimura heeft het over DNA sequence niveau, niet morfologisch! Zie mijn review. Kimura was een whistle-blower en revolutionair; gooide een knuppel in het hoenderhok. De orthodoxe neo-Darwinisten waren de gevestigde orde en het doelwit van de aanval. KL laat zich een beetje meeslepen. Het ware beter dat zijn afzwakking niet in een noot maar in de hoofdtekst was terecht gekomen. Het 'recht van de sterkste' is een foute uitdrukking.
  2. Naar aanleiding van de uitspraak "beschrijvingsniveau van de fysica is irrelevant voor de mens". Speculatief: zou leven mogelijk zijn met atomen en moleculen zonder dat die weer uit nog kleinere deeltjes bestaan? Zijn die deeltjes echt nodig? Fotosynthese misschien? Gekscherend: het zal organismen een worst wezen hoeveel elementaire deeltjes er zijn, als ze maar voedsel, partner en een slaapplaats hebben. Misschien zijn ze nodig voor fysische processen in de zon en als je per se alles uit een oerknal wilt laten ontstaan.
  3. De populaire versie is: At home in the Universe. De wetenschappelijke versie is: The Origins of Order. Self-organization and selection evolution.
  4. Zie wikipedia artikel convergent evolution. Paleontoloog Simon Conway Morris heeft nogal aan de weg getimmerd met convergentie: Life's Solution. Inevitable Humans in a Lonely Universe; Fitness of the Cosmos for Life: Biochemistry and Fine-Tuning; The Runes of Evolution, How the Universe Became Self-Aware. Maar zie ook: George R. McGhee (2011) 'Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful'.
  5. Ziekte van Huntington: hierbij speelt mee dat bij een veel voorkomende vorm van Huntington de ziekte verschijnselen pas optreden op oudere leeftijd nadat de drager zich heeft voortgeplant. Daardoor heeft natuurlijke selectie er geen vat op. We worden ouder dan vroeger. 
  6. Ridley (2004) 3d ed. textbook Evolution. Zie voor overzicht van moderne texbooks Evolution hier.
  7. Chance in Evolution. Edited by Grant Ramsey and Charles H. Pence (met bijdrages van specialisten)
  8. Han Brunner (2016) When Chance Strikes: Random Mutational Events as a Cause of Birth Defects and Cancer  
  9. Landman schrijft: "Mutaties moeten ooit een keer ontstaan en zijn van oorsprong dus altijd somatisch, " dat is een vreemd gebruik van het woord somatisch. In ieder geval zijn somatische mutaties evolutionair van minder belang. Het zijn mutaties in de geslachtscellen (germline) die impact hebben op de volgende generaties.
  10. S. J. Gould: 'rewinding the tape of evolution would not guarantee the re-occurrence of the human species' in zijn boek Full House. Volgens wikipedia: "Gould's thesis in Wonderful Life was that contingency plays a major role in the evolutionary history of life." (in Wonderful Life). Zie ook mijn review van Gould.
  11. In het Trouw interview komt hij héél dicht in de buurt: "Zo'n replicatiefoutje af en toe zit als het ware ingebakken in de structuur van het DNA, alleen de locatie is toevallig."
  12. Nog even geduld aub: ik ben voor de tweede (!!) keer geveld door het griepvrius! (11 mrt). Over fine tuning gesproken: het menselijk lichaam is niet gefinetuned om bestand te zijn tegen een extreem simpel virus!

Bronnen/Literatuur