Wetenschap - 26 oktober 1995

Fysicus en bioloog Goodwin poneert alternatief voor neodarwinisme

Fysicus en bioloog Goodwin poneert alternatief voor neodarwinisme

De evolutie heeft geen ander doel dan zelfexpressie van de organismen. Een element van chaos in individuen is een teken van gezondheid. Het leven zelf is een onvoorspelbaar creatief proces. Dit stelt de Britse hoogleraar Brian Goodwin, die deze maand de Landbouwuniversiteit bezocht. Met fysisch-wiskundige theorieen over dynamische systemen wil hij de diversiteit aan vormen in de levende natuur verklaren.


Een creatief proces is per definitie onvoorspelbaar en dus oncontroleerbaar

Als ik tegen u zeg Het doel in uw leven is overleven, dan zult u dit ontkennen. U zult zeggen Mijn doel is zelfexpressie. Alle organismen zijn daarin hetzelfde. Ze uiten hun natuur door een omgeving te zoeken en die te veranderen. Overleven is hiervoor alleen een voorwaarde."

Ontwikkelingsbioloog en fysicus prof. dr B. Goodwin, werkzaam aan de Britse open universiteit in Milton Keynes, spreekt rustig en goed gearticuleerd. Tussen zijn zinnen vallen lange stiltes, waarin hij bijna hoorbaar zoekt naar de meest begrijpelijke uitleg. De vraag van de evolutie is hoe het komt dat er in de natuur een zo grote diversiteit aan vormen is. Waarom zijn er vleugels, vinnen, poten en armen? Het darwinisme antwoordt hierop dat variaties in de genen variaties in de vormen van organismen produceren. Vervolgens vechten deze organismen om beperkte bronnen en the fittest survive. Het paard met de best aangepaste poot overleeft; zo zijn de paardebenen gevormd die we nu kennen. Maar met die verklaring weten we nog niet hye die vormen worden gegenereerd."

In de geschiedenis is er ook een andere manier geweest om naar evolutie te kijken. Die zegt: Natuurlijk moeten organismen in staat zijn te overleven. Dat nemen we als gegeven aan, anders zouden we ze niet zien. Maar we moeten begrijpen wat het is dat die diversiteit aan vormen mogelijk maakt. Wij stellen ons voor dat er in de natuur niet een continuum aan vormen is, zoals het darwinisme zich voorstelt, maar dat slechts een beperkte set vormen mogelijk is. Die vormen zijn afhankelijk van de eigenschappen van de organismen."

Fontein

Goodwin staat in de voorhoede van een kleine stroming in de biologie die de zogeheten complexiteitswetenschappen toepast op de levende natuur. Deze wetenschappen bestuderen complexe, dynamische systemen. Een voorbeeld van zo'n systeem is een fontein. Als je in een fontein je hand houdt, maak je een gat in de fonteinvorm. Maar zo gauw je je hand terugtrekt, herstelt de oorspronkelijke vorm zich. Dit in tegenstelling tot klei, die op macroscopisch niveau statisch is. Druk je op klei, dan blijft de nieuwe vorm bestaan tot je er opnieuw op drukt. Andere voorbeelden van dynamische systemen zijn de vorming van wolken, van zandpatronen op een bewegende tafel, en water dat uit de kraan druppelt.

Verschillende parameters bepalen hoe dynamische systemen zich ontwikkelen. Voor de fonteinvorm zijn het bijvoorbeeld intrinsieke eigenschappen van de vloeistof als de dichtheid en de viscositeit (stroperigheid), en externe krachten als de pompkracht en de windkracht. Waar water in een fonteinvorm een lange straal oplevert, blijft olie een plomp stompje.

Dynamische systemen kunnen niet elke vorm aannemen. Uitgaande van de intrinsieke eigenschappen zijn er maar een beperkt aantal situaties, ofwel attractoren, waarin een vorm stabiel is. Buiten deze attractoren is het systeem onstabiel, chaotisch en onvoorspelbaar. Fysici bestuderen dynamische systemen met behulp van computermodellen. Ze zoeken naar parameters, verbinden deze met wiskundige formules en kijken vervolgens of het gesimuleerde model overeenkomt met de vormen in de werkelijkheid.

Goodwin keek in de jaren zeventig met diezelfde blik naar ritmische systemen, waaronder het hart. Het hart als dynamisch systeem is heel interessant. Wij denken dat het hart heel regelmatig klopt. Maar bij precieze meting blijkt dat er een onvoorspelbare variatie in het ritme zit. En dat chaotische element is een teken van gezondheid."

Een gezond organisme is een mix van orde en chaos. Het chaotische element maakt het organisme gevoelig voor de omgeving. Daarmee kan het inspelen op onvoorspelbare situaties. Een extreem regelmatig systeem, waarin alles perfect is georganiseerd, zal elke onverwachte invloed buiten het systeem houden. En daarmee kan het zich niet aanpassen aan de veranderende omgeving. Maar alleen chaos zou ook niet goed zijn. In een louter chaotisch systeem kan een kleine verandering in de beginsituatie een enorm effect hebben. Je krijgt dan de fladderende vlinder in Nederland, die een storm in Brazilie veroorzaakt. Juist met een mix van orde en chaos is een systeem heel robuust."

Celskelet

Begin jaren tachtig trachtte Goodwin de complexiteitstheorie toe te passen op vormen in de natuur. Hij ging ervan uit dat als er organisatie-principes zijn voor het genereren van fonteinvormen, zandpatronen en wolken, deze ook moeten bestaan voor het genereren van hand-, vin- en bladvormen.

Hij begon met de eencellige alge Acetabularia acetabulum. Deze 5,7 miljoen jaar oude alge, die ruim een duim lang kan worden, kenmerkt zich door een krans van uitsteeksels, die later plaatsmaakt voor een kapje. In een computermodel wist Goodwin tot zijn verrassing de vorming van de uitsteeksels te simuleren. Opmerkelijk was dat de Britse hoogleraar hiervoor slechts zes parameters nodig had. Wij hebben er 26 onderzocht, maar de meeste bleken van geen invloed op de uitkomst van het model. Wat bijvoorbeeld niet belangrijk bleek, was de viscositeit van het cytoplasma (celsap, red)."

Wel belangrijk bleken eigenschappen van de celwand, de elasticiteit van het celskelet en de calciumconcentratie, die deze elasticiteit beinvloedt.

Goodwin ziet zijn theorie als een holistische theorie van het organisme. Maar zijn holisme mag niet verward worden met mystiek. Als hij het heeft over krachten, heeft hij het over fysische krachten, vergelijkbaar met de pompkracht op het fonteinwater. Op het eiwitskelet werkt enerzijds de druk vanuit de vacuole, een holte in de cel gevuld met sap, en anderzijds de tegendruk die de celwand geeft. De groei is een resultaat van deze krachten, verklaart Goodwin. Belangrijk verschil met een fonteinvorm is dat levende systemen zelforganiserend zijn. Er is geen pompkracht of andere externe kracht nodig om de vorm te genereren.

Zelforganisatie gebeurt in verschillende typen velden, die wij excitable media noemen. Dit zijn velden die spontaan patronen produceren, omdat de krachten in het systeem niet in balans zijn. De cel zoekt naar een balans in de krachten die op het celskelet werken, bijvoorbeeld door in de celwand een knopje of uitsteeksel te vormen of door te delen."

Die onbalans in krachten komt door het biologisch fenomeen van de positieve feedback, legt Goodwin uit. Als de calciumconcentratie ergens in de cel hoger wordt, wordt het celskelet zachter en strekt het zich op een andere plek. Daardoor verhoogt de calciumconcentratie zich verder en wordt het skelet nog zachter. In het zoeken naar een balans vormt de cel uiteindelijk een knop. De groei stopt als de krachten in balans zijn."

Het is heel moeilijk fondsen te krijgen om deze theorie verder te verifieren. Toch kan meer inzicht van grote betekenis zijn voor de geneeskunde. De huid bijvoorbeeld is zo georganiseerd dat zij zichzelf in een bepaalde staat houdt. Bij een wond reageert de huid door genen aan te schakelen die eiwitten aanmaken. Deze eiwitten leiden tot instabiliteit van het dynamisch systeem huid. De huidcellen groeien tot de krachten weer in balans zijn; dat is wanneer de huid terug is in haar oorspronkelijke vorm."

Exploratie

Doorgroeien tot de krachten in balans zijn, heet in de complexiteitswetenschappen het vallen in een attractor. De bestaande soorten zijn volgens Goodwin in een attractor gevallen, een bepaalde vorm. Daarbuiten is het systeem onstabiel en chaotisch. Een soort kan gevallen zijn in een organisatie-principe dat vinnen vormt of poten, maar daartussen zit niks.

Wij zien het organisme, wanneer het eenmaal is gevallen in een attractor, als actief en creatief. Want met die gegeven vormen zoeken organismen een geschikte omgeving. En ze passen deze omgeving aan. Dat is een creatief proces. Er is sprake van een voortdurende exploratie in de natuur. Zowel door de genen, die nieuwe attractoren of nieuwe organisatie-principes uitproberen, als door de organismen die hun omgeving aanpassen. Ik noem het de dans van het leven, de exploratie van mogelijkheden zonder doel, behalve zelfexpressie. Daarmee wijs ik het neodarwinisme niet af. Voor de vraag waarom er zoveel verschillende kleuren en vormen aan vinnen zijn, biedt het wel degelijk een verklaring. Maar niet voor de vraag waarym er poten en vinnen zijn."

Veredeling

Tegenover genetische modificatie in de landbouw sta ik vrij wantrouwend. Op theoretische gronden meen ik dat je tenminste zo voorzichtig moet zijn als met nieuwe medicijnen, die tien jaar getest worden. Bij de klassieke veredeling kruis je genen die een rol vervullen in dezelfde attractor, want het gaat om nauw verwante soorten. Maar als je een gen uit een bacterie in een plant zet, kruis je genen uit verschillende attractoren; de plant kan in onbalans raken. In dat geval zal ze vaak niet overleven. Het kan echter ook gebeuren dat het gen na een aantal generaties een stabiele plaats in het genoom heeft gevonden en dat de plant in een nieuwe attractor valt, die onvoorziene gevolgen heeft."

De wetenschap is de afgelopen driehonderd jaar voornamelijk bezig geweest met controle. Maar een creatief proces is per definitie onvoorspelbaar en dus oncontroleerbaar. Wat onze studies kunnen doen, is het soort inzicht geven van Oh, was dat het organiserend principe. Het is vergelijkbaar met het terugkijken op iemands leven. De persoon maakte allerlei keuzes waarvan op het moment zelf de reden onduidelijk was. Achteraf zie je er een logica in. En met dat inzicht begrijp je die persoon beter. Goethe pleitte al voor deze manier van naar de wereld kijken. Je handelt grotendeels intuitief. En tegelijkertijd observeer je heel exact. Niet om te controleren, maar om de organismen beter te begrijpen. Zodat je er beter mee kunt samenwerken."

Re:ageer