Informatie in de evolutie: hoe materie de geest kreeg
HOVO cursus najaar 2014
Henk F Kauffman Emeritus Professor UMCG
Vandaag: Ontstaan van informatie in biologische systemen
Informatie: Niet-levende materie Big bang, atomen, sterren, planeten. Berekenbaar: Natuurkundige wetten
Ontstaan van leven
Rien van de Weijgaert
en informatie
Informatie: levende materie Bacteriën, planten, dieren, mensen. Toename complexiteit, taal, bewustzijn Toeval: evolutie, niet herhaalbaar
Henk Kauffman
•
Indeling: * hoe ontstaat het eerst leven uit niet levende materie ?
* wanneer spreken we over informatie, informatie uitwisseling, bewustzijn ?
* relatie tussen Energie, levende materie, evolutie, en Informatie ?
* ontwikkeling van informatie tijdens de evolutie naar bewustzijn
•
Informatie in biologische systemen / organismen. Eigenschappen
1 het vermogen signalen uit de omgeving waar te nemen 2 selecteren en verwerken / ordenen 3 geheugen 4 handelen/ reageren/ bewegen aanpassen
* later in de evolutie leergedrag en
Info “met anderen te delen” / overdragen (groepen)
•
Aanpassing van de evolutie theorie van Darwin:
Informatie.
Darwin: Evolutie en soortvorming: variatie, natuurlijke selectie en erfelijkheid.
“The fittest”:
“Survival of the fittest”
1. selectie: adaptatie, specialisaties, sterkste, snelste, slimste
= Darwin
2. verkrijgen van (vrije) energie: (planten-zonlicht , dieren-voedsel) = complexiteit 3. verkrijgen van informatie uit de omgeving (bewegen, zintuigen) = survival
•
Selectie, Energie, en Informatie = Sleutel tot survival:
•
Vraag:
evolutie naar bewustzijn.
Neigt iedere evolutie tot het ontstaan van bewustzijn = maximale informatie?
3.5 miljard jaar
Tijdsindeling: leven en informatie tijdens de evolutie - 3.5 miljard Ontstaan van leven, micro-organismen (Lego). Ontstaan van informatie - 3 miljard - 2.5 miljard
0.9 miljoen jaar
0.5 miljard jaar
- 2 miljard
Zuurstofproductie; cyanobacteriën
Eubacteriën
Eerste eukaryoten (celkern en mitochondriën) Eerste meercellige organismen (Zee: bewegend / niet-bewegend)
Expansie van informatie
Van zee naar Land - 400 miljoen Land: Planten en dieren
Meer bewegen = meer Info
- 225 miljoen Zoogdieren. Groepen en sociaal gedrag. - 70 miljoen Eerste primaten. 7-2 miljoen
Meer zintuigen = meer Info
Australopithecus
Explosie van informatie
Hominiden - 0.9 miljoen H. erectus
Externe energie: vuur !
- 0.2 miljoen H. sapiens 2.0
jagers verzamelaars, technische extensies (hamerstenen, speer)
-
- 40.000 j
40.000 j H. sapiens 2.1
Taal, Beeld - 5000 j Schrift
-
400 j
H. sapiens 2.2
Industriële revoluties
Trein, auto, luchtvaart, telefoon
-
nu
H. sapiens 2.3
Informatie revolutie
Computer, Internet, www, iPod, ?
- toekomst
H. sapiens 3.0
Computer en mens
(Jos de Mul: Kunstmatig van nature, 2014)
Ontstaan van complexiteit en ontstaan van leven. •
Na de Big Bang: 2e wet thermodynamica. Entropie neemt toe.
•
Ontstaan van leven: complexiteit (Cx), levensvormen, evolutie. Toename van ordening Entropie neemt af!
Afname van ordening
(Syntropie, neg-entropie)
Wat is de (drijvende) kracht toenamen van complexiteit ?
Vrije energie !
Bronnen van vrije energie: *
Vulkanische krachten (afkoeling aarde en radioactieve splitsing)
•
Straling van de zon
Toevoer vrije energie:
hogere orde,
toenemende Complexiteit
I.
Ontstaan van Informatie
Ontstaan van het leven.
Syntropie in de natuur:
Vrije energie
ordening stranden vrije energie
ordening
complexiteit
bouwstenen van “leven”
1. Aminozuren
peptiden, biomoleculen, netwerken
2. Nucleïnezuren
nucleotiden , autokatalytisch RNA, DNA
3.
lipide –membranen,
Lipiden
blaasjes / vesicles , celmembraan
Leven wordt gebouwd door het maken van een “grote Lego doos”
Het leven ontstaat diep in zee ?
Hydrothermal vents 90 graden Celsius
Hydrothermal vents. = vulkanische energie (afkomstig van verval van U238)
Basische anorganische moleculen Geen zonne-energie Geen zuurstof
Gunstige condities Aanwezige bouwstenen Water, aminozuren, nucleïnezuren Methaan, alkanen, (vetzuren, esters, lipiden) Metaal ionen: calcium, kalium, natrium, ijzer, koper, etc.
Uit
Meteorieten: carbonchondrieten, ijsmeteorieten
“Every atom in your body came from a star that exploded” We are all stardust ! (Lawrence Krauss, A universe from Nothing)
Komeet 67P Sc Am nov 2014
De Lego doos van het leven: Vesicles
1 miljard jaar bouwstenen maken Proto-organismen met “Interne energie bron”
uitwisseling
Complexiteit
Vrije energie
cycli van
toenemende Complexiteit: eiwitten, nucleotiden en vetzuren
Hydrothermale bronnen leveren Vrije energie
Vrije energie = de drijvende kracht tot complexiteit, biomoleculen en ontstaan van leven
The vulcano of life Complexiteit Vesicles
Proto-organismen: Eigen Interne energie bron
Legodoos van het leven Autopoietische levensvormen
Omgeving
selecteert
Stabiele eencellige levensvormen
Hydrothermale bron Vrije energie
Geselecteerd Autopoietisch leven met eigen energiebron:
eerste bacteriën
Vrije energie Samenwerking:
opbouw van complexe (bio)-organische moleculen eiwitten, nucleinezuren en lipiden
Aminozuren, eiwitten, enzymen, netwerken Nucleïnezuren, nucleotiden, RNA, DNA
Functionele complexiteit eiwitten, lipiden, nucleotiden in vesicles Ribosoom, RNA en eiwitten
vetzuren, membranen, vesicles, celmembraan
Stano 2013
Fosfolipiden: Vesicles:
blaasjes/vesicles en buitenmembranen
Bacteriën in oceanen: Uitwisseling DNA, RNA, eiwitten 50% DNA + RNA in oceanen in blaasjes / vesicels ! Horizontal gene transfer.
Weinig / geen soortvorming !
Eukaryotische cellen: Alle excretie en endocytose processen: Vesicles 2013 Nobelprijs: mechanismen vesicle membrane transport
fosfaat
lipiden
De (epi)genetische bouwdoos
Eiwit opgebouwd proteïne -onderdelen =
Darwin en Lamarck in Legoland
lego blokjes
“Wat” bindt aan “Wat” ? “Gen” DNA = eiwit opgebouwd uit deeltjes
Eiwitten 1
2
Immunoglobulinen: Gen
3
4
IgG, IgA, IgE, IgD 1 2 3 4
Welk gen staat “AAN” welke “UIT” ?
Evolutie: * epigenetica I * epigenetica II * Genetica
“wat bindt aan wat”
veel moleculen
welke genen “aan / uit”
Toevallige mutaties van genen (Darwin)
Enorme variabiliteit (Kauffman; Epigenetica, Lateralisatie en Cognitie, 2010)
Farmaceutische industrie
Interne bron van energie
Vrijheid
hele aarde toegankelijk.
Kenmerken bacteriën •
Een buitenmembraan: actief informatie uit omgeving,
•
Interne energie bron (H2 elektron donor; CO2, NO2, SO4
•
metabolische machine (eiwitten, lipiden, suikers)
•
RNA of DNA code: reparatie en reproductie
•
Opname energie (voeding)
metabolisme
via receptoren
ATP vorming)
homeostase + replicatie
Condities in de omgeving bepalen levensvormen: selectie
De eerste Micro organismen:
Van Receptie naar Perceptie
Energie : uit anaerobe oxidatie- reductie processen (geen zuurstof!)
Twee hoofdstromen: niet-bewegende en bewegende organismen signaaltransductie
* Niet-bewegelijke bacteriën
INFOex
receptie
actie = endocytose voedsel
signaaltransductie
* Bewegelijke bacteriën
INFOex
perceptie
feedback controle
Bewegen door : glijden, propeller, flagellen
beweging
(enaction)
Beweging van bacteriën leidt tot proto-bewustzijn signaal overdracht
INFO
Receptoren
reactie, bewegen feedback controle
Hoe ?
Tijdsafhankelijk meten externe moleculen (glucose) 1. methylering receptor = situatie “NU”
(methyl –CH3, methaan CH4)
2. methylering van eiwitcyclus “kort geleden”.
1. Informatie
2. selectie/verwerking
3. geheugen
4. actie
1 en 2 verschil = geheugen
=
Proto-bewustzijn !
The biocognitive spectrum. Marc van Duijn , 2012
1 snel
2 langzaam Methylering van enzymen Enzym
Methylering
Methyl Enzym
Bewegen, informatie en proto-bewustzijn
Bewegen:
vergroot informatie uit omgeving vergroot mogelijkheden
tot interferentie met de omgeving en verandert de omgeving !
Organisme en omgeving onderscheiden zich en worden wederzijds afhankelijk.
The lion and the gazelle make each other (Julian Barbour 2003)
Licht als energie bron.
Van anaerobe naar aerobe organismen.
into the light
licht
zuurstof
Anaerobe
autotrofe
aerobe
micro-organismen
organismen
organismen
Chromoforen !
Ademhalingsketen
Licht-energie conservering: Cyanobacteria (- 3.5 miljard j) (phycocyanobiline) •
Toename van zuurstof
massaal uitsterven anaerobe micro-organismen
•
Verdediging: giftige zuurstof:
stabilisering van eiwitten (oxydasen, reductasen)
•
Ontstaan:
aerobe (micro-)organismen
- 1,5 miljard jaar
Van prokaryoten naar eukaryoten en meercellige organismen
Eukaryoten : Symbiose / samensmelting van anaerobe prokaryoten met aerobe prokaryoten (zuurstof) Aeroob:
1.
Mitochondriale ademhaling: 15 x meer ATP (= 15 X energie !)
Hogere energie output
meercellige organismen mogelijk.
Toename van massa
toename van beweging in de omgeving = Informatie
explosie van meercellige organismen (o.a. vissen)
2. Meer zintuigen / sensorische systemen (licht, geluid, reuk, tast, magnetisme)
3. Centrale organisatie: neuronale systemen (INFOin): vissen (CNS)
Wie beweegt
wordt beloond !
(Rob Haaxma 13 nov)
II. Expansie van Informatie.
Van zee naar Land
Nu gaat het snel. Evolutie: Zee naar Land:
meer complexe organismen:
de strijd om de informatie
Twee evolutionaire stromen: 1. Niet-bewegende organismen:
energie bron = licht.
2. Bewegende organismen:
energie bron = metabole verbranding (vertering)
Evolutie van het Dierenrijk:
Planten, algen, schimmels
vissen, (zoog)dieren, amfibieën, vogels:
* uitbreiding zintuigen * meer vormen van bewegen
* uitbreiding CZS (verwerking)
Toename vormen van bewustzijn !
Meer informatie
Nu gaat het snel. Evolutie =
de strijd om de informatie
Maar het toeval heerst. Inslagen van meteoren
massale uitsterving ontstaan nieuwe soorten
Wat gebeurd er met geen, weinig of meer “massale uitsterving”
Welk bewustzijn ?
Het toeval heerst
Toename CZS
Bewegende organismen: Vissen, (zoog)dieren, vogels, * Herbivoren, planteneters Energie van planten = zonne-energie
• Carnivoren, vleeseters en Omnivoren, alleseters (hominiden)
Beide groepen:
sociaal gedrag, communicatie
Jagers: veel bewegen , veel informatie
Vooral jagers en apen: sterk sociaal gedrag en toename communicatie
Communicatie =
uitwisseling van informatie
survival
Informatie Zoogdieren: verwerving
verwerking
extensie
Informatie verwerving:
meer zintuigen en bewegen (lopen, vliegen, zwemmen)
Informatie verwerking:
centraal zenuwstelsel
Informatie extensie:
lichamelijke capaciteiten ( snaveltjes, handjes, )
Evolutie
selectie van Informatie
meer informatie en communicatie van informatie vooral in jagende dieren! meer mogelijkheden (creation of possibilities)
(J. Barbour, 2003)
III.
Explosie van Informatie
Hominiden
Hersengrootte bij zoogdieren en Homo sapiens
Hersengewicht / lichaamsgewicht
Neanderthaler
• Homo sapiens = 7.5 X H. antecessor H. heidelbergensis
• Dolfijnen / orka’s = 6 x
H. ergaster
•
Rat > 2 x
Douglas Palmer: 2005. Douglas Fox Scientific Am. July 2011
Neanderthaler Homo sapiens
Hersengrootte Hominiden neemt toe Jagers / verzamelaars
Toename informatie verwerking
H. antecessor H. heidelbergensis
Energierijke voeding Vuur
H. ergaster
H. erectus
Van prooidier naar jager.
Prooidier
H. erectus, Neanderthalers, Denisovans
H. sapiens: genen van Neanderthalers en Denisovans (Tibetanen!)
Gebruik externe energie bron !
Vuur
-900.000 jaar
Douglas Palmer: 2005.
Ardipithecus, Lucy
Kenmerken van de Homo sapiens
Informatie Mond:
voedsel
Communicatie:
Taal , uitwisseling INFO
Handen Communicatie met de wereld
. Jager / technicus : stenen voorwerpen, werpspeer, pijlen, . beeldend kunstenaar
Penfield homunculus:
R. Dawkins The Ancestor’s tale
Taalvorming
- 40.000 jaar
H. Sapiens 2.0
• Talen ontstaan:
Culturele overdracht tussen stammen
* Levensduur
neemt toe
(longevity) !!
Informatie langere leerfase, overdracht van culturele Informatie
* sprong in taal, culturele uitingen (techniek, communicatie) * toenamen kennis van natuur
Grotere overlevingskansen
Rachel Caspari. Sc. Am. Aug 2011
- 40.000 jaar Ik ?
H. Sapiens 2.0
Ik ben de “handige” mens
Beeld-taal De dood
H. antecessor H. heidelbergensis H. ergaster
Lascaux Indonesië
Santa Cruz
Altamira
Neolithicum – 10.000: jagers-verzamelaars
landbouw / veeteelt
Het eerste gebruik van zonne-energie: Landbouw Steden en dorpen, sedentaire leefstijl Concentratie van kennis Nieuwe sociale organisaties Koningen, Elite / priesterkaste Boeren (landbouw , veeteelt) Technologie: Irrigatie landbouw / “hydrolic agricultural societies” Nieuwe vormen communicatie - 35.000 Muziek (fluit) - 4.000
(Spijker)schrift (belasting) en muziekinstrumenten
Uitbreiding: Overdracht van Informatie
# Toename van Informatie.
The Great Empires
Mesopotamië, Egypte, Perzië, Grieken, Romeinen, Ottomanen, China
Handel, Scheepvaart. Uitwisseling van Info tussen culturen
(zijderoute) Zheng He; eunuch captain
# Sprong in Informatie: Boekdrukkunst:
China 1300,
Europa 1450
Proto-industrie: Papier industrie (ca 1200)
Energie: watermolens, windmolens. Paard: landbouw, vervoer
* Culturele explosie, Ital Renaissance 1300, 2e Renaissance.
Informatie:
Boeken, kranten, encyclopedie > 1800
Houtcrisis: 1800 1800 Europa raakt ontbost !
Explosie van Informatie
Industriële revoluties
Homo sapiens 2.2
Energiebron: Kolen
Stoommachine James Watt (1776)
Informatie versnelling:
verplaatsing, trein, auto, vliegtuig, stoomschepen
elektrische mogelijkheden; telegraaf, telefoon
2e Industriële Revolutie.
Informatie explosie !
Energiebronnen: Aardolie, gas, zonne-energie, wind / water
Radio, TV, computers, internet, iPhone, iPADs. Nanotechnologie drones, 3D printers. ! Informatie/persoon kost steeds minder !
Energy
Evolutie van Informatie, energie en bewustzijn
Meer informatie
Verandering van energie gebruik
minder energie !
Info
Limieten:
• De Mens:
is the singularity near?
limieten in acceptatie; economische crisis, computer en werkloosheid
democratisering ? Anti-EU, VS Tea party, Midden-Oosten Islam extremisme?
* Water:
China’s most urgent problem: water. Landbouw, industrie, drinkwater, hygiëne
• Energie: veel nieuwe technieken; gaswinning. Milieu problemen, opwarming, een bedreigde aarde. • Computers en banenverlies (creative destruction). • Nieuwe technologieën: rijkdom en oorlogen • Is de mens goed of te egoïstisch? •Kan empathie met de hele aarde ons redden? Voorraden schaliegas
Samenvatting: * 3.5 miljard jaar Ontstaan van leven wie beweegt – wordt beloond Toename massa
Ontstaan van informatie Bewegen micro-organismen
De grote lego doos Informatie Proto-bewustzijn
Bewegen in de omgeving
* 0.5 miljard jaar
Expansie van informatie
Van zee naar land
maximalisering van informatie: Massa, zintuigen,…
Groepsvorming (jagers)
sociaal gedrag, communicatie.
* 0.9 miljoen jaar
Bewustzijn
Explosie van informatie
Hominiden
externe energie, vuur !
De Homo sapiens
Taal, schrift, boekdrukkunst, internet, ruimte OZ Zelfbewustzijn
Toename aantal mensen
> 9 miljard
energie, water, landbouw, CO2 “bedreigde aarde”
Kan de bedreigde aarde door een empathische mens gered worden ?
Dank voor uw aandacht
Informatie !!
