GAIA: een kijk op de evolutionaire kenmerken
van verschillende feedback-loops
Ricky Cherim, Josine Oude Lohuis, Adriaan Schiphorst en Martijn Spoon
Thema III: Interdisciplinair Onderzoeksproject
Bèta-Gamma, Universiteit van Amsterdam
Abstract
De GAIA-theorie die James Lovelock in de jaren 70 introduceerde stelt dat alle levende
organismen en anorganische materie samen één zelfregulerend, complex systeem vormen.
Dit systeem zou zichzelf zo aanpassen dat alle omstandigheden ideaal worden gehouden
voor het leven op aarde. De theorie heeft over de jaren veel bijval én veel kritiek gekregen.
In dit onderzoek is met behulp van disciplines wiskunde, natuurkunde, scheikunde en
biomedische wetenschappen op wetenschappelijke wijze deze theorie geanalyseerd op zoek
naar een mogelijk aanwezige evolutionaire aard. Dit is gedaan door de vraag te stellen hoe
een bewezen evolutionaire feedbackloop ten opzichte van de door Lovelock voorgestelde
Gaiaanse feedbackloop gedraagt. Als het door Lovelock voorgestelde systeem zo is
geëvolueerd dat het zich op een altruïstische manier gedraagt, zou dit een bewijs zijn voor
de GAIA-theorie. De scheikundige en biologische disciplines zijn gebruikt om de twee
verschillende loops te doorgronden, waarna deze met behulp van systeemtheorie zijn
vergeleken. Ten slotte wordt er door middel van een natuurkundige benadering van
evolutionaire druk gekeken of het systeem altruïstische kenmerken vertoont. Met behulp
van de kennis van verschillende experts op deze gebieden en de resultaten kan de conclusie
getrokken worden dat het systeem niet altruïstisch is van aard.
Inhoudsopgave
Titelblad & abstract
1
Inhoudsopgave
2
Inleiding
3
Interdisciplinaire integratie
4
Theoretisch kader
5
o De eigenschappen van de rode bloedcel loop
5
o De eigenschappen van de DMS loop
7
o De rol van DMS en de precursor DMSP
8
Een vergelijking tussen dynamische modellen
8
De evolutionaire druk van de systemen
9
Discussie
10
Conclusie
11
Literatuur
12
3
Inleiding
James Lovelock, interdisciplinair wetenschapper met specialisaties in natuur- en scheikunde, formuleerde in 1969 een hypothese met betrekking tot het functioneren en organiseren van de aarde: de GAIA-hypothese.“(…)The hypothesis states that the entire range of living matter on Earth, from whales to viruses, and from oaks to algae, could be regarded as constituting a single living entity, capable of manipulating the Earth’s atmosphere to suit its overall needs and endowed with faculties and powers far beyond those of its constituent parts” (Lovelock, 1979). Deze nieuwe visie op het systeem aarde leidde tot discussie en onenigheden binnen vele vakgebieden. Peter Westbroek, geoloog, biochemicus en pleitbezorger van deze hypothese, formuleert het als systeemorganisatie op hoger niveau. Door een oprisping van New Age volgers en de iets te bloemrijke interpretatie door hippies heeft de GAIA-hypothese niet altijd de lof gekregen die deze volgens ons verdient. Peter Westbroek beschreef de GAIA-hypothese vooral als een instigator van een paradigmaverschuiving in de wetenschap en werkte mee aan het introduceren van de Earth System Sciences. Deze wetenschap tracht met behulp van interdisciplinaire integratie aardse systemen te doorgronden. Via een top-down benadering is het mogelijk om grootschalige systemen te bekijken en te kijken of deze mogelijk adaptief zijn. Binnen deze systemen ligt vaak de focus op de aanwezigheid van feedbackloops. Een feedbackloop is een gesloten systeem waarin een of meer actoren invloed op elkaar hebben om het systeem met behulp van terugkoppeling in een bepaalde balans te krijgen.
Er zijn talloze artikelen gepubliceerd over dergelijke feedback loops binnen cellen, organismen en andere systemen. De vraag is echter in hoeverre deze systemen adaptief zijn binnen de GAIA-theorie. Na de formulering van de GAIA hypothese kwam er echter pas meer interesse naar dergelijk onderzoek op planetaire schaal. Om de GAIA-hypothese te ondersteunen heeft Lovelock in 1987 in samenwerking met drie andere wetenschappers onderzoek gedaan naar een feedbackloop in de mariene atmosfeer. Fytoplankton in de zee maakt volgens deze hypothese deel uit van een systeem tussen atmosfeer en zee. Dit is volgens hen een bewijs voor de aanwezigheid van systeemorganisatie zoals de GAIA-hypothese het beschrijft. De fytoplankton zou op altruïstische wijze, zonder groot voordeel voor het individuele organisme of de groep plankton als geheel, het klimaat reguleren. Tegenstanders zien dit systeem echter als een samenspel van toevallige factoren en niet als een adaptief systeem met feedback mechanismen (Ayers et al, 2008). Volgens hen zou de regulatie van het klimaat slecht een neveneffect zijn van de door Lovelock et al. gevonden feedbackloop.
Een interview met Peter Westbroek, een expert op het gebied van het interdisciplicinaire vakgebied “Earth System Science”, is ook van grote toegevoegde waarde geweest bij het beantwoorden van deze vraag. Hij meent dat de theorie veel voor de wetenschap heeft betekent, omdat deze niet in het – in die tijd aanwezige – paradigma paste. Zijn kritiek op de GAIA-theorie is dat er te veel aannames gedaan worden en dat deze hierdoor zweverig en onwetenschappelijk van aard wordt. De kennis opgedaan in dit interview heeft een vernieuwde, meer wetenschappelijke blik op de theorie geschept.
Om meer licht te laten schijnen op deze discussie wordt in dit onderzoek het Gaiaanse systeem met het fytoplankton vergeleken met een bekende adaptieve feedbackloop. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het feedbackmechanisme van een rode bloedcel om zuurstof te transporteren. Dit proces is van cruciaal belang voor het juiste functioneren van het organismen en dit maakt dat het proces geoptimaliseerd is voor het milieu en de omstandigheden waarin het desbetreffende organisme zich in bevindt. Dit systeem is algemeen geaccepteerd als evolutionair en wij zullen zo’n systeem in dit onderzoek definiëren als een klassiek evolutionair systeem. In dit onderzoek gaan wij er in eerste instantie vanuit dat evolutionaire processen niet uitsluitend biologisch zijn (Khatibi, 2010) en in het geval van GAIA is het interessant processen van de theorie te vergelijken met processen die duidelijk biologisch zijn. Een klassiek evolutionair feedbacksysteem zoals dat van de rode bloedcel heeft zich in de loop van de jaren aangepast om optimaal te functioneren in bepaalde omstandigheden. Aangezien GAIA binnen de theorie veel beschreven wordt als een zelfregulerend,
complex systeem, is het interessant om een feedbackloop uit de GAIA hypothese zij aan zij te leggen met een loop uit een organisch zelfregulerend systeem. Overeenkomstigheden tussen dit klassiek evolutionaire voorbeeld en het systeem van Lovelock op een aantal door de systeemtheorie aangereikte vlakken zouden het aannemelijker kunnen maken dat de fytoplankton-loop ook evolutionaire kenmerken heeft. Op deze manier bekijken we of het systeem dat Lovelock presenteert zich uit Gaiaanse, altruïstische doeleinden heeft geëvolueerd of door een samenloop van omstandigheden een klimaatregulerend effect heeft.
Dit brengt ons bij de hoofdvraag:
Hoe gedraagt de door Lovelock voorgestelde Gaiaanse feedbackloop zich ten opzichte van een klassiek evolutionair systeem?
Interdisciplinaire Integratie
De GAIA-hypothese is door zijn veelvoud aan onderwerpen en te bestuderen vlakken interdisciplinair. Lovelock zelf was een groot voorstander van interdisciplinariteit. De beschrijving van de systemen zelf, met weliswaar veel fysische eigenschappen, is voornamelijk scheikundig en biologisch. De wis- en natuurkunde komen vervolgens aan beurt bij het berekenen van welke evolutionaire drukken er werkzaam zijn en de systeemtheoretische vergelijking van de twee loops. In dit verslag zal er gefocust worden op de negatieve feedbackloop. Een negatieve feedbackloop leidt tot stabilisatie in een systeem, door het verschil tussen het begin en eindstadium van een periode te minimaliseren (Khatibi, 2010). Belangrijk bij dit soort loops is dat de stroming van de loop twee kanten op kan gaan. De componenten van de loop moeten “samenwerken om een gezamenlijk doel te bereiken” (Khatibi & Cluckie, 2006), iets wat goed binnen de GAIA hypothese past. Later zal er ingegaan worden op de specificaties van de verschillende systemen.
Theoretisch Kader
De eigenschappen van de rode bloedcel
Alle gewervelde dieren, op koud water ijsvissen na, transporteren zuurstof door middel van rode bloedcellen door het lichaam. Dit proces wordt gereguleerd door twee mechanismen die in elk organisme geoptimaliseerd zijn voor zijn omgeving en zijn behoeftes (Snyder et al., 1999).
Ten eerste heeft de rode bloedcel een transportfunctie tussen de longen en metabool-actieve weefsels. Door de hoge concentratie hemoglobine zijn rode bloedcellen uitermate geschikt voor het binden van zuurstof, daar hemoglobine een allostere reactie aan kan gaan met zuurstof zonder oxidatieve schade op te lopen (Afbeelding 2). ‘Allosteer’ duidt op het feit dat de binding van zuurstof aan hemoglobine afhangt van reeds gebonden zuurstofmoleculen. Reeds gebonden zuurstofmoleculen versterken de bindingskracht met volgende moleculen. Dit heeft tot gevolg dat er in de longen (zuurstofdruk hoog) veel zuurstof wordt gebonden door een versterkend allosterisch effect en dit verdwijnt weer in de spieren (zuurstofdruk laag). Zo wordt de zuurstof op een energiezuinige manier getransporteerd door het lichaam van de longen naar metaboliserende weefsels.
Ten tweede zijn rode bloedcellen in staat de zuurstofconcentratie constant te houden. Bij een lage zurstofdruk (pO2) wordt er NO (stikstofoxide) uitgescheiden door de rode bloedcellen in de bloedbaan en dit diffundeert naar omliggend spierweefsel in de bloedvaatwand. Dit heeft een vasodilaterend (vaatwand verwijdend) effect. Dit heeft tot gevolg dat er meer bloed door het vat heen kan stromen per tijdseenheid en dus ook dat er meer zuurstof opgenomen wordt langs de luchtwegen. Deze verhoogde concentratie zuurstof in het bloed remt op zijn beurt de uitscheiding van NO in de bloedbaan en zo is de cirkel rond (Afbeelding 3).
Afbeelding 2: Functie rode bloedcel in ademhalingswegen Afbeelding 3: Constant zuurstofgehalte
Beide processen zijn van cruciaal belang voor het juiste functioneren en dit maakt dat het systeem in de loop der tijd geoptimaliseerd is door middel van adaptatie (Wood, 1980). In deze context wil adaptatie zeggen dat er een verandering plaatsvindt van fysiologische functies om te compenseren voor een stressvol milieu, in dit geval de lage zuurstofspanning. Kikkers bijvoorbeeld hebben een zeer lage metabole snelheid, omdat ze koudbloedig zijn. Echter, volwassen kikkers leven zowel in het water als op het land. De concentratie zuurstof in het water is vele malen lager dan de concentratie in de lucht. Om toch voldoende zuurstof te krijgen zijn er twee aanpassingen geëvolueerd. Ten eerste is de concentratie rode bloedcellen veel hoger dan in soortgelijke, koudbloedige dieren die op het land zijn blijven leven (denk aan hagedissen). Door een hogere concentratie rode bloedcellen in het bloed kan er meer zuurstof in de longen opgenomen worden en zo wordt er efficiënter met de zuurstofconcentratie in de lucht omgegaan.
Tevens, is in 1967 door Benesch en Benesh bewezen dat de hemoglobine-moleculen in organismen uit zuurstofarme milieus een hogere bindingssterkte voor zuurstof hebben dan die in organismen uit zuurstofrijke milieus. Dit maakt dat deze organismen ook in zuurstofarme milieus voldoende zuurstof uit de omgeving kunnen opnemen om te overleven. Ook zijn er kikkersoorten te vinden met vergrote rode bloedcellen, welke meer hemoglobine kunnen bevatten en zo ook beter in zuurstofarme milieus kunnen overleven.
Dat processen zich op deze manier hebben geëvolueerd en geselecteerd maakt dat de rode bloedcel zich bevindt in een evolutionair feedback systeem. Rode bloedcellen hebben een effect dat cruciaal is voor de instandhouding van het organisme en derhalve voor de instandhouding van de rode bloedcellen met deze eigenschappen. Individuen die niet beschikken over een dergelijk adaptief systeem zullen geen selectie hebben op erfelijke eigenschappen en zo minder kans op overleving hebben en weg geselecteerd worden. De rode bloedcel is onderhevig aan selectie en bestaat om zijn functie (het transporteren en in stand houden van de zuurstofconcentratie), zie Afbeelding 4. Deze feedbackloop is een voorbeeld van een klassiek evolutionair feedbacksysteem en zal daarom als basis dienen voor de vergelijking in dit onderzoek.
7
Eigenschappen van de DMS loop
De cyclus van dimethylsulfide, ook wel bekend als de CLAW-hypothese, beschrijft een feedbackloop waarin dimethylsulfide door een effect op albedo van wolken als een klimaatregulator kan dienen. De fytoplankton zou hierbij succesvol samenwerken met de abiota om de temperatuur van de oceaan stabiel te houden. Hieronder wordt eerst het in 1987 gevonden feedbackmechanisme van Charlson, Lovelock, Andreae en Warren (CLAW) afgebeeld (Afbeelding 5).
Dimethylsulfide (DMS) wordt door fytoplankton in de oceaan geproduceerd uit dimethylsulfonio-propionaat (DMSP). DMSP wordt gebruikt in het metabolisme en zorgt er ook voor dat de cel niet uitdroogt. Maar als phytoplankton gegeten wordt of kapot gaat komt DMS vrij uit de DMSP in de cellen. Opgelost DMS in de oceaan komt vervolgens in de atmosfeer door verdamping, waar het oxideert tot sulfaat in de lucht. In deze vorm is sulfaat geschikt als condensatiekern (CCN), een deeltje waar zich een druppel omheen kan vormen. Door middel van een verhoogd aantal druppels en een grotere vochtinhoud per druppel kunnen er dichtere en grotere wolken ontstaan. De reflectie van de wolk, het albedo, wordt zo vergroot. Dit zorgt voor een negatieve feedback op de temperatuur.
Vanuit de simpele benadering van een evolutionair negatief feedbacksysteem kunnen we deze loop beschrijven als een wisselwerking tussen enerzijds de eigenschap van fytoplankton om het gas DMS te maken en anderzijds de ideale temperatuur voor fytoplankton in de oceaan. Hiervan is eenzelfde schema gemaakt als voor de rode bloedcel (zie Afbeelding 6). De rol van DMS wordt hieronder nader beschreven.
Afbeelding 1. Versimpelde DMS-loop zoals beschreven door Lovelock et al. (1987)
De rol van DMS en de precursor DMSP
Bepaalde soorten fytoplankton in de bovenste lagen van de oceaan, die ongeveer tweederde van het aardoppervlak omvat synthetiseren dimethylsulfoniopropionaat (DMSP), een precursor van dimethylsulfide (DMS). Om te achterhalen wat DMS voor rol heeft in de feedbackloop van Lovelock en of deze rol van DMS een betekenis heeft voor de mogelijke evolutionaire eigenschappen van het systeem Aarde is het interessant om te onderzoeken waarom en hoe het geproduceerd wordt. DMSP is een stof die zich in het fytoplankton bevindt met een aantal functies waarvan de voornaamste het niet uitdrogen van de cel is door de osmolytische functies (Niki et al., 2000). Door fysieke krachten, zoals stromingen, predatoren en virale afbraak kan DMSP uit de cel in het water komen.
Dit DMSP kan door het fytoplankton en andere bacteriën omgezet worden tot DMS. Dit gebeurt niet alleen met de DMSP uit het omringende water maar ook met het organisme-eigen DMSP (Simo et al., 2002).
Er zijn verschillende soorten fytoplankton in de oceaan, die elk onder verschillende omstandigheden en met verschillende snelheden DMS produceren. In het artikel van Lovelock wordt er weinig rekening mee gehouden wat de invloed is van deze verschillen, maar anderen spreken hem hierin tegen. Zij zeggen dat deze omstandigheden wel degelijk zijn theorie minder geloofwaardig maken. (Stefels et al., 2007; Lucas et al., 2005; Malin et al., 1992).
Zoals eerder vermeld bevindt DMSP zich in de cel en kan het vrijkomen en omgezet worden door predatoren, zoals zoöplankton, tot de stof DMS. Het vrij laten komen van DMS op deze manier is een actieve verdediging van het fytoplankton tegen de omgeving. DMS is vluchtiger voor predatoren dan haar precursor DMSP. Zo weert DMS het aanvallende zoöplankton af. Dit verdedigendemechanisme kan als een biologische functie van DMS voor het fytoplankton gezien worden. Het blijkt echter dat zoöplankton het fytoplankton die DMS uit DMSP kan maken vermijdt. Deze interessante, mogelijke evolutionaire functie, kunnen we dus niet als hard bewijs meetellen in onze vergelijking (Van Alstyne et al., 2001) en dus is het nog niet duidelijk wat nu de biologische functie van DMS voor de producent is.
Een vergelijking tussen dynamische modellen
Een obstakel bij het benaderen van de twee systemen is dat het lastig is om twee biologische concepten te vergelijken. De systeemtheorie onderzoekt onderlinge afhankelijkheid tussen en binnen systemen (Lin, 2002). Aan de hand van concepten uit dit vakgebied bleek het noodzakelijk beide systemen te concretiseren. De Rosnay (2011) beschrijft hoe twee dynamische systemen nadat ze zijn ontleed tot hun samenstellende elementen beter geanalyseerd kunnen worden. De overeenkomsten en verschillen worden zo goed zichtbaar gemaakt. Een dynamisch evolutionair model doorloopt volgens het artikel van De Rosnay (2011) een aantal stadia. Hij beschrijft een aantal functies die binnen een evolutionair systeem fundamenteel zijn:
- Agentia: Individuele operators met functies die ervoor zorgen dat zij een actie uitvoeren op hun omgeving.
9 In het geval van de bloedcelloop is het niet de bloedcel op zich die zijn functie reproduceert. Het DNA van het dier waar de rode bloedcelloop zich in bevindt codeert voor het desbetreffende dier de functie van rode bloedcellen om NO af te geven. Het dier waar rode bloedcellen geen NO afgeven heeft een lagere “fitness”. Dit leidt namelijk tot zuurstoftekort in het bloed, ofwel hypoxia (Eckman, 2011). Op deze wijze hebben de rode bloedcellen die geen NO afgeven indirect ook een lagere “fitness”. Zo houdt de rode bloedcel die NO afgeeft zijn eigen bestaan in stand en kunnen we over hem spreken als een reproducerende agent. Hier treedt dus ook een ander fenomeen op dat beschreven wordt door De Rosnay (2011): zelfselectie. Dit houdt in dat er een bepaald competitief element optreedt in het systeem, in dit geval het wel of niet overleven van de drager van de cellen.
De vergelijking van de reproductie van de DMS loop leidt echter tot een duidelijk verschil: De eigenschap van fytoplankton om DMSP te produceren is wel degelijk reproduceerbaar. De vraag is of er ook daadwerkelijk een terugkoppeling plaatsvindt tussen de functie van DMSP-producerend fytoplankton en de klimaatregulatie die zo de functie van de agent reproduceert. Deze terugkoppeling hangt af van het selectieve voordeel van klimaatregulatie voor het fytoplankton. Oftewel, het wel of niet aanwezig zijn van zelfselectie voor dit systeem. Is de eigenschap wel geoptimaliseerd voor de functie?
De evolutionaire druk van de systemen
Met behulp van het werk van Caldeira (1989) is het mogelijk om de evolutionaire druk (de energie die het kost om een evolutionaire stap te maken) uit te rekenen van de fytoplankton loop. Door dit te doen kunnen we bekijken of de fytoplankton er zelf een voordeel uit haalt om het klimaat te reguleren op de manier die Lovelock beschrijft. Als er een voordeel is voor de fytoplankton is dit namelijk een ondersteuning van de validiteit van GAIA. Uit altruïsme wordt er dan energie gestoken in de aarde als geheel. Als het echter nadelig
De berekening gaat als volgt:
Door het verschil in evolutionaire druk te berekenen tussen een groep individuen met een paar altruïstisch ingestelde individuen en een geheel altruïstische groep kunnen er een aantal conclusies over de fytoplankton loop worden gedaan. We kunnen namelijk stellen dat als een volledig altruïstische groep energetisch voordeel heeft over een groep zonder, of met minder altruïsten, de best functionerende groep zal overleven.
Caldeira heeft dit als volgt berekend:
waarin Ai en Si de respectievelijk altruïstische en niet altruïstisch groepen zijn. Hier staat in het kort dat de som van alle altruïstische individuen sneller moet groeien dan de niet altruïstisch groep. Nog makkelijker is het om te zeggen dat de altruïstische groep zich makkelijker voortplant.
Om deze tactiek te testen gebruikt Caldeira de volgende ongelijkheid;
waarin n de bekeken groep is, g de factor die het positieve effect van altruïsten op de omgeving beschrijft en c de factor die de weerstand tegen de altruïstische groep (bv. parasieten) geeft.
Bij het invullen van de ongelijkheid blijkt dat de volledig altruïstisch groep zich 10 miljard keer effectiever zou moeten voortplanten om de niet altruïstische groep te verslaan. Dit is uitermate onrealistisch. Daarnaast bekijkt Caldeira of het dan niet binnen het individu nuttig is om DMS te produceren, met als evolutionair voordeel hier de regulering van het klimaat:
waarin we de term links van het =-teken definiëren als de winst die behaald wordt voor de populatie door het reguleren van het klimaat en de term rechts van het =-teken als het verlies aan energie dat hierin moet worden gestoken. We komen nu terug op de orde van 10 miljard. De winst die behaald wordt zou namelijk zo vaak groter moeten zijn dan het verlies aan energie om het voor een individueel fytoplankton evolutionair gezien, volgens het theorema van Wright (1945), effectief te maken. We kunnen dus concluderen dat de fytoplankton niet de DMS produceren om altruïstisch deel te nemen aan het in stand houden van de temperatuur van de aarde.
Het zou erg interessant zijn als we de rode bloedcel aan eenzelfde soort test konden toetsen maar de door Caldeira gebruikte gegevens zijn niet in eenzelfde vorm beschikbaar voor de rode bloedcel loop.
Discussie
Uit het gesprek met Peter Westbroek kwam naar voren dat een belangrijke eis voor complexiteit (mineralen, gesteenten, organismen, ecosystemen, etc) de cyclische aard van systemen is. Als iets sneller verdwijnt dan het kan reproduceren zal het niet voort kunnen blijven bestaan op de lange termijn. Als het snel genoeg kan reproduceren, kan er vervolgens selectie plaatsvinden. Aan deze wet voldoen alle complex georganiseerde systemen. Dit noemt Peter ook wel de “Earth System Sciences”. In het gesprek komt er ook een systeem naar voren dat voor alle organismen op aarde kloppend is. In dit systeem worden alle complexe kleinere systemen (metabolische reacties, stofwisseling, scheikundige reacties, etc) als één black box gezien, met een input en output. Elk organisme volgt dit versimpelde systeem, en past ook goed binnen het model. In ons onderzoek was het ook het doel om zo een soort model te vinden, echter zijn de resultaten niet voldoende om een dergelijke conclusie te trekken.
Eén van de redenen dat dit niet streven niet behaald is, is het voor de hand liggende argument dat de systemen zeer complex en verschillend van elkaar zijn. Ondanks de ontleding met behulp van systeemtheorie zijn er binnen de onderzochte systemen nog te weinig duidelijke overeenkomsten gevonden om te concluderen dat zij een zelfde aard hebben. Om deze resultaten wel te vinden is het van belang dat de systeemtheorie verder toegepast wordt.
Het zou verder erg interessant zijn om ook de evolutionaire druk van het rode bloedcel systeem uit te kunnen rekenen. Door de berekende waardes naast elkaar te leggen wordt het sneller duidelijk hoe groot de energieverschillen zijn tussen een mogelijk Gaiaans systeem en een klassiek evolutionaire variant.
11
Conclusie
De feedbackloops die wij hebben bestudeerd bestaan uit talloze biologische, scheikundige en fysische interacties die samen tot uiteenlopende resultaten hadden kunnen leiden. In het geval van de rode bloedcel is het zuurstofdragende hemoglobine uitermate effectief geworden. In de bestudeerde Gaiaanse loop is er een klimaat-regulerend effect ontstaan. De rode bloedcel is echter geëvolueerd uit eigenbelang. De noodzaak om in omgevingen met minder zuurstof ook goed te functioneren heeft ervoor gezorgd dat er een optimale rode bloedcel evolueerde. In het geval van de fytoplankton loop is er geen sprake van eenzelfde soort optimalisering. DMS wordt geproduceerd uit DMSP, dat een osmolytische functie heeft voor het fytoplankton.
Verder zorgt de DMS productie echter niet voor een duidelijk evolutionair voordeel voor het fytoplankton. Het reguleren van het klimaat houdt het systeem in balans, maar zorgt ook niet voor een groter evolutionair voordeel . Uit meerdere in dit onderzoek aangehaalde artikelen blijkt dat de watervasthoudende functie van DMSP veel belangrijker is voor het fytoplankton. De drijvende kracht achter het systeem, met andere woorden, het egoïstische gedeelte van de vergelijking, is het nut van DMSP voor de fytoplankton. Keith Downing en Peter Zvirinsky (1999 hebben het misschien wel het mooiste verwoord: “What organisms do to help themselves may affect the planet in enormous ways that are not at all the reasons those survival skills were favored by evolution. For the organisms, the survival strategies virtually always carry a metabolic cost. The Gaian side effects come for free.”
Het reguleren van het klimaat door middel van de Gaiaanse feedbackloop die wij hebben onderzocht heeft daarom onderdelen die we aan de hand van de systeemtheorie naast een evolutionaire loop kunnen worden gelegd. Een voorbeeld werd gegeven dat de eigenschap van fytoplankton om DMS te produceren wel degelijk reproduceerbaar is. Na een groter beeld te hebben gekregen van de voor- en nadelen van deze productie bij het berekenen van de evolutionaire druk concluderen we echter dat de eigenschap om DMS te produceren niet geoptimaliseerd is voor het gehele systeem. De precursor DMSP wordt slechts gebruikt in de vochthuishouding. De fytoplankton loop die Lovelock beschreef, produceerde DMS uit eigenbelang, en niet voor een groter altruïstisch doel. Gaia was een egoïst.
Referenties
Caldeira, K. (1989). Evolutionary pressures on planktonic production of atmospheric sulphur. Nature, 337, 732-734
Cullis, C.F., & Hirschler, M.M. (1980). Atmospheric sulphur: Natural and man-made sources. Atmospheric Environment (1967), 14(11), 1263-1278.
Downing, K., & Zvirinsky, P. (1999). The simulated evolution of biochemical guilds: Reconciling Gaia theory and natural selection. Artificial Life, 5(4), 291-318.
Eckman, Margaret (2010). Professional guide to pathophysiology (3rd ed.). Philadelphia: Wolters Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins. p. 208.
Jensen, F. B. (2009). The dual roles of red blood cells in tissue oxygen delivery: oxygen carriers and regulators of local blood flow. Journal of Experimental Biology, 212(21), 3387-3393.
Jensen, F. B., Agnisola, C., & Novak, I. (2009). ATP release and extracellular nucleotidase activity in erythrocytes and coronary circulation of rainbow trout. Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 152(3), 351-356.
Karnani, Mahesh, & Annila, Arto. (2009). Gaia again. BioSystems, 95(1), 82-87.
Keeling, C. (1958). The concentration and isotopic abundances of atmospheric carbon dioxide in rural areas. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 13(4), 322-334.
Kirchner, J. (2002). The Gaia Hypothesis: Fact, Theory, and Wishful Thinking. Climatic Change, 52(4), 391-408.
Kleidon, A. (2010). Life, hierarchy, and the thermodynamic machinery of planet Earth.Physics Of Life Reviews, 7(4), 424-460.
Lenton, T. (1998). Gaia and natural selection. Nature, 394(6692), 439.
Lenton, T., & Lovelock, J. (2000). Daisyworld is Darwinian: Constraints on adaptation are important for planetary self-regulation. Journal Of Theoretical Biology, 206(1), 109-114.
Lenton, T., & Wilkinson, M. (2003). Developing the Gaia Theory. A Response to the Criticisms of Kirchner and Volk. Climatic Change, 58(1), 1-12.
Lin, Y (2002). General Systems Theory: A Mathematical Approach. IFSR International Series on Systems Science and Engineering. Springer, US
13 Robert J. Charlson, James E. Lovelock, Meinrat O. Andreae, & Stephen G. Warren. (1987). Oceanic phytoplankton, atmospheric sulphur, cloud albedo and climate.Nature, 326(6114), 655.
de Rosnay, J. (2011) Symbionomic Evolution: From Complexity and Systems Theory, to Chaos Theory and Coevolution, World Futures: The Journal of New Paradigm Research, 67:4-5, 304-315
Simo , R, Archer, S.D; Pedros-Alio, C, Gilpin I; Stelfox-Widdiecombe, C.E. 2002 Coupled dynamics of dimethylsulfoniopropionate and dimethylsulfide cycling and the microbial food web in surface waters of the North Atlantic. Limnology and Oceanography Vol. 47, no. 1, pp. 53-61)
Simoneit, B.R.T., Schauer, J.J., Nolte, C.G., Oros, D.R., Elias, V.O., Fraser, M.P., ... Cass, G.R. (1999). Levoglucosan, a tracer for cellulose in biomass burning and atmospheric particles. Atmospheric Environment, 33(2), 173-182.
Snyder, G. K., & Sheafor, B. A. (1999). Red blood cells: centerpiece in the evolution of the vertebrate circulatory system. American zoologist, 39(2), 189-198.
Stern, D. (2005). Global sulfur emissions from 1850 to 2000. Chemosphere, 58(2), 163-175.
Thorne, R. (1980). The importance of energetic particle precipitation on the chemical composition of the middle atmosphere. Pure and Applied Geophysics, 118(1), 128-151.
Van Alstyne, K.L., Wolfe, G.V., Freidenburg, T.L, Neill, A., Hicken, C. 2001. Activated defense systems in marine macroalgae: evidence for an ecological role for DMSP cleavage. Mar. Ecol. Prog. Ser.Vol. 213, pp 53-65
Westbroek, P., Pieters, Hans, Blankevoort, Bas, & Nieuwburg, Cees van. (2012). De ontdekking van de aarde : Het grote verhaal van een kleine planeet /. Amsterdam: Balans.
Wood, S. C. (1980). Adaptation of red blood cell function to hypoxia and temperature in ectothermic vertebrates. American Zoologist, 163-172.
Bijlage
Transcript interview met Peter Westbroek – 21 november 2014
Als je subsidie aanvraagt voor een onderzoek naar GAIA, dan kan je het beter Earth System Sciences noemen, “door het zweverige”. Definities hierbinnen zijn heel moeilijk, alleen in de wiskunde zijn er duidelijke definities mogelijk. Als Peter Westbroek zelf een definitie aan GAIA moet geven noemt hij dit “Zelfregulering van de aarde, een niveau boven de ouderwetse methodologie”. Voorbeeld: “zon is steeds feller gaan schijnen, maar aarde blijft leefbaar, geen droge oceanen. Er is dus een mechanisme wat de aarde leefbaar houdt.” Puur automatisch systeem wat door zichzelf wordt voortgedreven. Bij verandering van omstandigheden worden er toevallig systemen geselecteerd die de omstandigheden zo constant mogelijk houden. “Aarde keert zich binnenstebuiten, en dit zorgt ervoor dat alles de eigenschap krijgt cyclisch te worden. Organismen, mineralen, graniet, zand, klei, sediment.
Alles gaat uiteindelijk kapot, maar alles wordt ook weer opnieuw opgebouwd.” Vraag: komt er een nieuw evenwicht – ondanks onze invloed, of zal dit niet uitmaken. “Er zijn tipping points in de geschiedenis, als het eenmaal te laat is dan gaat het - ijstijden, hele warme perioden. Dat is het gevaar van onze eventuele invloed”. Onze aarde heeft de eigenschap telkens maar complexer te worden, dan opeens verdwijnt het weer, en dan “POEF” is het weer terug. Als het niet snel genoeg terug keert sterft het uit, anders vindt er vervolgens selectie terug. Belangrijkste van GAIA theorie is dat er goede wetenschap is uitgekomen, het stimuleerde om vernieuwend onderzoek te doen (en de theorie te ontkrachten). GAIA hypothese is helaas wel gebruikt om allemaal zweverige theorieën te versterken.
Over de fytoplankton loop zegt Peter Westbroek dat de DMSO een afvalproduct is wat toevallig een effect heeft, het is niet met een bepaald doel ontwikkeld, want daar heeft het organisme geen invloed op. Hij gelooft “niks” van het altruïsme van dit verschijnsel. Door puur toeval ontstaan deze systemen zegt Peter. “Een Kosmische Drive naar verdere complexiteit, maar ik weet er geen oorzaak van. Op de aarde wordt dit ongelofelijk versterkt door het binnenstebuiten van zichzelf.” Het Earth System Sciences van Peter geeft een versimpelde weg voor veel complexe systemen in de natuur. Zo wordt het complexe systeem binnen de cel – reacties, metabolisatieroutes, etc – in een simpel model geplaatst, wat heel goed overeen komt. Dit model geeft de input en output van een organisme. Alle organismes passen in dit model, hetgeen aangeeft dat de evolutie een zeer nauwe grenzen heeft. Hij noemt regels die binnen deze grenzen gelden “de regels van Kooijman” (Bas Kooijman).
