Wat is het doel van de Nieuwe Biologie?

Twee recent verschenen boeken verkondigen de Nieuwe Biologie: How Life Works, a User’s Guide to the New Biology van de bekende wetenschapsjournalist Philip Ball en The New Biology: a Battle between Mechanism and Organicism van bio-ethicus Michael Reiss en de vooraanstaande wetenschapsfilosoof Michael Ruse. Beide boeken stellen dat er iets knelt tussen recente wetenschappelijke ontwikkelingen en ons wereldbeeld, maar komen volgens Christiaan Henkel vanuit hetzelfde uitgangspunt tot verschillende conclusies over de plaats van de mens in de natuur.

Deze eeuw zou het tijdperk van de biologie worden. De twintigste eeuw was voor de natuurkunde: nieuwe fundamentele inzichten leidden tot fundamentele doorbraken in het begrijpen en beheersen van de natuur op het niveau van de allerkleinste deeltjes. Bij het in kaart brengen van het menselijk DNA, net na de eeuwwisseling, werd ons beloofd dat we nu ook de levende natuur volledig naar onze hand zouden kunnen gaan zetten. Met dit genoom – de blauwdruk van de mens, het genetisch programma – zouden ziekte en andere problemen door het subtiel herprogrammeren van het leven overwonnen kunnen worden.

Door meten tot weten – maar begrijpen we het leven ook beter nu we DNA op grote schaal kunnen analyseren? Kenmerkend aan het leven is zijn complexe organisatie en doelgerichtheid. Kunnen we die afleiden uit het DNA? Met die doelen heeft de wetenschap bovendien een ongemakkelijke verhouding. Je komt al snel in bovennatuurlijke fantasieën terecht, want wie bepaalt zo’n doel? Aan de andere kant: ontdoen we het leven niet van betekenis door de doelgerichtheid te negeren? De Nieuwe Biologen denken dat deze knoop te ontwarren is, en dat de antwoorden misschien juist in die complexe organisatie te vinden zijn. Maar daarvoor moeten we wel het genetisch determinisme loslaten. Want het genoom, informatie op moleculair niveau, is niet het hele verhaal van het leven.

Organisatieniveaus

Toch, DNA is wel degelijk erg belangrijk en informatief. Zoals voorspeld is genoominformatie tegenwoordig onontbeerlijk bij vrijwel al het biologisch en biomedisch onderzoek. Recent zijn we allemaal nog in aanraking gekomen met de mogelijkheden van de moderne genomica. Sequencers, de machines die DNA aflezen, maakten het mogelijk de evolutie van het SARS-CoV-2-virus bijna in real time te volgen, en leverden alle benodigde informatie voor zowel razendsnel vaccinontwerp, als voor allerlei coronamaatregelen. Zulke sequencers zijn de afgelopen jaren spectaculair veel beter en goedkoper geworden: ik heb er thuis een paar rondslingeren, zo groot als een smartphone en krachtiger dan apparatuur met het formaat van een ijskast die tien jaar geleden een half miljoen kostte.

Nu is zo’n virusgenoom wel kinderspel vergeleken bij een menselijk genoom. Het idee is dat wij, complexe organismen, veel meer informatie nodig hebben om ons lichaam te beschrijven, of te programmeren. Een deel van onze informatie is ook nog eens erg lastig af te lezen: pas in 2022 kwam er een echt complete versie van het menselijk genoom gereed. Misschien dat het werkelijke geheim van het leven in deze, voorheen onbekende, donkere materie van het genoom verstopt zit?

Want het geheim van het leven, dat hebben we nog niet ontdekt in al onze DNA-studies. En we gaan het daar, schrijft Philip Ball in How Life Works, ook nooit vinden. Hoewel DNA essentieel is, is het slechts één moleculair ingrediënt van al het leven zoals we dat kennen. Een gen, dat bestaat uit DNA, is een soort recept voor een ander soort molecuul, een eiwit. Waar het DNA de informatieopslag verzorgt, worden eiwitten vaak verbeeld als moleculaire machientjes, die de meeste uitvoerende en structurele taken op zich nemen. De verschillende moleculen van het leven werken op allerlei manieren samen in de cel. Met varianten op de genomica (zoals epigenetica en transcriptomics) kan veel van dit regelwerk worden uitgeplozen. Cellen werken op hun beurt weer samen in weefsels, organen en uiteindelijk in een organisme; organismen zijn onderdeel van populaties, ecosystemen, soorten. Als een gen per ongeluk is veranderd, kan dat de functionaliteit van een eiwit beïnvloeden, en daarmee het reilen en zeilen van de cel, een weefsel, enzovoorts. Dat is de basis voor de hele evolutie, maar ook een oorzaak van ziekte.

Bij het leven is dus een hele hiërarchie aan organisatieniveaus betrokken. Waarom richten we ons dan toch zo op DNA? Er is een praktische reden, want vergeleken bij andere complexe moleculen is DNA relatief makkelijk te bestuderen. Dat is zowel een chemische eigenschap als het gevolg van technologische ontwikkelingen. Maar belangrijker is dat DNA, sinds de beschrijving van zijn structuur in 1953, een fundamentele rol in de organisatie van het leven is toegedicht. Francis Crick, een van de ontdekkers van die structuur, bombardeerde dit inzicht tot het centrale Dogma van de moleculaire biologie: het DNA is het programma, met informatie die in eenrichtingsverkeer doorsijpelt naar de hogere organisatieniveaus.

Midden vorige eeuw was dat een schitterend idee. Het koppelde een intuïtie uit de natuurkunde die kleiner gelijkstelt aan belangrijker (denk aan deeltjesversnellers die steeds diepere geheimen van het universum zullen ontsluieren) aan het ontwerp van de destijds net uitgedachte computer. Bijkomend voordeel was dat dit een volledig fysieke onderbouwing gaf aan de evolutietheorie, zodat de wetenschap zich eindelijk kon ontdoen van vage, onmeetbare concepten als een ziel, levenskracht of intelligente ontwerper. Evolutiebiologen omarmden het nieuwe dogma dan ook met groot enthousiasme.

Machinebeeldspraak

Philip Ball is van huis uit geen bioloog, maar natuurkundige. Verwacht bij hem echter geen sympathie voor dit simplistische, twintigste-eeuwse wereldbeeld. Na een carrière als redacteur bij het wetenschappelijke tijdschrift Nature schrijft hij al tientallen jaren over hoe complexe structuren en patronen ontstaan in de levende en dode natuur. Van kristallen en draaikolken tot de strepen van de zebra en spreeuwen in een zwerm, allemaal zijn ze begrijpen als ‘emergent’: ze komen voort uit de interacties van kleinere deeltjes, maar ze bestaan zelf niet op dat lagere niveau. Als je deze redenering doortrekt zijn leven en bewustzijn de ultieme emergente verschijnselen. Dat doet ook Ball, met zijn recente Book of Minds (2022) en nu dus in How Life Works.

In zijn recentste boek geeft hij een prettig leesbaar en goed geïnformeerd overzicht van alle organisatieniveaus van moleculen tot aan het organisme. Zijn centrale stelling daarbij is dat het strakke mechanistische keurslijf van de biologie een flinke opfrisbeurt nodig heeft. De Nieuwe Biologie moet af van de metafoor dat een organisme een soort machine is, gestuurd door een DNA-programma. Het probleem is dat het bijna onmogelijk is om te bespreken hoe het leven werkt zonder gebruik te maken van zulke machinebeeldspraak. In dit stuk bezondig ik mij er ook aan, maar wel met de waarschuwing van de cybernetici (ook midden vorige eeuw) in het achterhoofd: de prijs van een metafoor is eeuwige waakzaamheid.

In de afgelopen eeuwen zijn de werking en het gedrag van organismen verklaard aan de hand van achtereenvolgens pompen, raderwerken, stoommachines en computers. Recente varianten projecteren de architectuur van internet op de interacties tussen moleculen of gebruiken de taalmodellen uit de kunstmatige intelligentie om betekenis, creativiteit en vrije wil weg te verklaren. Zulke interpretaties zijn zeer behulpzaam, zolang we ze maar niet te ver doortrekken. Zo is een groot verschil tussen elke machine en een organisme dat die eerste een ontwerper en een van buiten opgelegd doel kent. Doel en ontwerp werken door tot in alle tandwielen en transistoren, die elk een duidelijke, en vaak eenvoudige, rol in het geheel hebben. 

How Life Works legt veel nadruk op nog een fundamenteel verschil: op moleculair niveau is de wereld beweeglijker, ruis speelt een grote rol. Het leven kan daarom niet beschikken over betrouwbare, eenvoudige onderdelen – en het benut de paradoxale mogelijkheden die dat biedt ten volle. Anders dan in de standaardvoorstelling zijn eiwitten niet de moleculaire equivalenten van tandwielen, ze hebben vaak geen duidelijk afgebakende rol in de cel of het organisme. Soms verenigen ze honderden rollen in één molecuul. Geen ingenieur of programmeur zou ze willen gebruiken. Hoewel? Volgens Ball is dit geen bug maar juist een feature: dit is de manier waarop een complexe organisatie kan bestaan uit rusteloze onderdelen.

De machinemetafoor kraakt dus onder het gewicht dat zij moet dragen en dat komt, ironisch genoeg, het sterkste naar voren uit het grote project dat haar juist moest schragen: het in kaart brengen van al het menselijk DNA. De uitkomst lijkt in niets op de gehoopte blauwdruk, noch op een draaiboek, partituur of computerprogramma – het is iets heel eigens. Ook het inventariseren van allerlei andere onderdelen biedt weinig houvast. Hoe beter we kijken, hoe groter de verschillen worden.

Complexe doelgerichtheid

Ball rouwt niet om het ineenstorten van de machine. Er zat, zo betoogt hij, altijd al een denkfout in het project. Het hele idee van het genoom als de Ikea-handleiding voor het organisme is een echo van een bekend negentiende-eeuws teleologisch godsbewijs: zoals het bestaan van een horloge een sterke aanwijzing is voor het bestaan van een horlogemaker, zo is de uiterst complexe machine mens een bewijs voor het bestaan van een kosmische ontwerper. Vertaald naar het genoom: die complexe machine moet wel aangestuurd worden door een ontwerp, een DNA-code. De genoombiologie als toevluchtsoord voor Intelligent Design! Op het moment dat we met het dogma de ontwerper definitief dachten uit te bannen, lieten we deze via de achterdeur weer binnen.

Deze cirkelredenering lijkt inherent aan de biologie. Een ander bekend voorbeeld is de orthodoxe evolutiebiologie zoals gepopulariseerd door Richard Dawkins. Er is een strijd om het bestaan tussen verschillende zelfzuchtige DNA-programma’s, die ons gebruiken om zichzelf te repliceren. Dit verklaart de evolutie (de verandering in de frequentie van het voorkomen van verschillende DNA-programma’s), maar precies niets over hoe een organisme werkt. Met het wegredenen van de doelen naar voorgaande en toekomstige generaties blijven we in het heden zitten met een levenloze golem. Wie doet er iets in dit plaatje, wat werkt er?

En daarmee raken we aan de kern van hoe het leven wel werkt. Anders dan elke machine heeft een organisme geen externe oorzaak, geen aan-uitknop, maar gaat de causaliteit in rondjes, op en neer in de organisatiehiërarchie. Denk aan de zwerm, die zelf ontstaat uit het gedrag van individuele spreeuwen. Toch kunnen we de weg die een individuele vogel neemt niet begrijpen zonder de context van de zwerm. Het hogere niveau beperkt de keuzevrijheid op een lager niveau, en kan daarmee zelfs worden gezien als een soort oorzaak. Causaliteit is dus zelf een emergent verschijnsel!

Voor het DNA blijft, naast zijn functie in de erfelijkheid en evolutie, een rol over als inperking van vrijheidsgraden, in plaats van als een voorschrift van een te kiezen pad. Het tekent brede contouren waarbinnen andere organisatieniveaus zich kunnen bewegen. Tijdens de ontwikkeling van een embryo ontstaan uit één bevruchte eicel miljarden gespecialiseerde cellen. Hoe kiest een nieuw gevormde cel wat te worden? Het DNA sluit een oneindig aantal mogelijke celtypen uit, maar biedt (passief) nog steeds flink wat mogelijkheden. Eenmaal op weg dwingt de nieuwe moleculaire, cellulaire en organismale context tot nieuwe keuzes, waarvoor het genoom weer een beperkt aantal mogelijkheden biedt.

De echte held van How Life Works is agency: het vermogen tot keuzes maken, tot doelgericht handelen, dat het leven kenmerkt. Met hun causale autonomie en keuzevrijheid toveren levende wezens doelen en betekenis tevoorschijn uit het niets. Alleen al door te bestaan, en door te pogen daarmee door te gaan, oordelen organismen voortdurend over zichzelf en hun omgeving. Is dit een bedreiging? Kan ik dit gebruiken? Wat moet ik doen?

Genen hebben zelf geen agency, zij ontlenen het aan de gehele causale context. Het is een moeilijk te vatten begrip, en gevaarlijk terrein bovendien – want voor je het weet verbreek je de magische cirkel van de causaliteit, en glipt de geest het mechanisme weer in. Het is daarom dapper dat Ball dit thema opnieuw prominent op de agenda zet, ook al kan hij nu nog niet helemaal uitleggen hoe dit aspect van het leven werkt. Het zijn vooralsnog flarden van een theorie, maar het is aannemelijk dat ook agency een emergente eigenschap is. Hier had hij de hulp kunnen inroepen van theoretisch biologen als Stuart Kauffman (van onder meer A World Beyond Physics, 2019) en Terrence Deacon (Incomplete Nature, 2011), die wat mij betreft iets overtuigender schetsen hoe we betekenis en doel volledig naturalistisch zouden kunnen verklaren. Beiden noemt hij gek genoeg niet.

Is dit perspectief op het leven eigenlijk wel genoeg om de Nieuwe Biologie uit te roepen? De levenswetenschappen hebben toch altijd al geworsteld met het machinedenken, doelgerichtheid en de relatie tot de umwelt? Van Aristoteles, de eerste bioloog, leerden we al dat het geheel meer is dan de som der delen. Hij probeerde de speciale causale structuur van dieren te vangen in vier verschillende oorzaken, waaronder een doeloorzaak, de causa finalis. Immanuel Kant zag dat alle onderdelen van een organisme zowel middel als doel zijn. En ook in de afgelopen eeuw hebben veel wetenschappers en filosofen nuances aangebracht in het DNA-computer-denken.

Het organisme centraal

In The New Biology plaatsen Michael Reiss en Michael Ruse dezelfde ontwikkelingen die Ball ook bespreekt in dit spanningsveld. Zij zien een slinger die al eeuwen heen en weer gaat tussen mechanistisch (onderdelen) en organisch (het geheel) denken. Grofweg zijn de posities te plaatsen binnen de Verlichting (mechanisme) tegenover de Romantiek (organisme), maar andere labels passen ook. Bij hen is Plato de grondlegger van het organisch denken, met zijn idee dat het hele universum samenhangt als een levend organisme, en is Aristoteles de meer mechanistische denker. Hier schuurt al iets: anders dan Aristoteles was Plato geen bioloog, en zijn Ideeënleer met haar onveranderlijke essenties heeft sinds Darwin een slechte reputatie onder biologen. De ideeënstrijd die Reiss en Ruse ontwaren wordt dan ook nooit beslecht – ook bij hen zijn het maar metaforen, die we altijd met een korreltje zout moeten nemen. How Life Works komt iets dichter bij een synthese, met de organische en mechanistische processen die elkaar beïnvloeden, maar het grote plaatje is vergelijkbaar: verschillende perspectieven maar geen tegenstrijdigheid.

Reiss en Ruse maken er verder geen geheim van dat hun sympathie ligt bij het organisch denken, en dat past bij deze tijd waarin we DNA voorzichtig iets minder belang proberen toe te dichten. Met het weer centraal stellen van het hele organisme, het loslaten van de blauwdruk, en het wetenschappelijk en filosofisch serieus nemen van doel en betekenis verschuiven ook waardeoordelen. Dat is het voornaamste onderwerp van The New Biology, en ook How Life Works besteed daar uitgebreid aandacht aan. Reiss en Ruse belichten achtereenvolgens ziekte en gezondheid, ras, gender, klimaat, religie en biologieonderwijs vanuit beide invalshoeken. 

Bij veel van deze onderwerpen is het dubbele perspectief verhelderend. Denk bijvoorbeeld aan gender: een dwingend genetisch programma levert mensen in categorieën af, maar de Nieuw Biologische rol van het DNA schept juist ruimte voor een uitwaaierend spectrum. Bij onze relatie met de aarde contrasteren Reiss en Ruse het idee van de hele wereld als één organisme (James Lovelocks Gaia) met technologische benaderingen als genetische modificatie in de landbouw en geo-engineering bij klimaatproblemen. Ziekte kan ‘veroorzaakt’ worden door een enkel gen, maar zonder context (omgevingsfactoren, cellulaire en hogere organisatie, andere genen) heeft zo’n gen geen betekenis en doet het niets. Sommige andere ziekten zijn gecorreleerd met honderden genen, soms zonder duidelijke samenhang. Bovendien speelt ziekte zelf helemaal niet op het niveau van een gen – het is het organisme dat pijn en ongemak ervaart. Het lichaam volgt geen strakke instructies, maar probeert te blijven werken binnen de mogelijkheden die het heeft. Deze manier van denken zou moeten leiden tot een beter begrip voor (en andere naamgeving van) afwijkingen en ontwikkelingsstoornissen.

Biologieonderwijs

Vaak is The New Biology genuanceerd, maar af en toe kruipt er een bijna sarcastische toon naar de voorgrond. Soms hebben Reiss en Ruse hun wetenschap maar matig op orde; de grote ontwikkelingen in het denken over menselijke evolutie, gebaseerd op de analyse van oud DNA, lijken bijvoorbeeld geheel aan hen voorbij te zijn gegaan. Daarnaast zijn ze in een aantal gevallen opzichtig selectief met hun argumenten. Zo presenteren ze een ouderwets idee, de scala naturae, de hiërarchie van levende wezens met de mens goed op weg richting de top (God), regelmatig als een centraal begrip binnen het organisch denken. Behalve als het niet uitkomt, bijvoorbeeld bij de bespreking van racisme, waar dit een basis kan vormen voor een indeling in ‘hogere’ en ‘lagere’ mensen. Nuance prima, maar het organisch denken moet er wel beter uit naar voren komen.

Echt ongemakkelijk wordt dit in het hoofdstuk over de – altijd enigszins gespannen – relatie tussen biologie en religie. Reiss (die ook Anglicaans priester is) en Ruse zijn gecharmeerd van de terugkeer van doel en betekenis en de openingen die dit biedt voor de christelijke God. Dit langste hoofdstuk doet vermoeden dat dit hun eigenlijke oogmerk is met de hele Nieuwe Biologie (de hoofdletters zijn van Reiss en Ruse). Gelukkig hebben ze geen geduld voor creationisme of intelligent design – ik denk dat vrijwel niemand erop zit te wachten dat hopeloze debat nog eens over te doen (misschien zelfs die ‘Platonische idee van een boos mechanistisch denker’, evolutiebioloog Dawkins, niet). Vreemd is wel hun aandacht voor het wankele idee dat alle doelen (en agency) teruggeredeneerd kunnen worden tot een onbewogen Beweger, die zijn eigen oorzaak mag zijn. Was een belangrijk inzicht van de Nieuwe Biologie nou net niet dat het leven zelf ook geen externe oorzaak nodig heeft? Ten slotte lijken Reiss en Ruse te kiezen voor de samensmelting van evolutiebiologie en religie (en de scala naturae) waarbij de mens naar God toe evolueert, een idee van Pierre Teilhard de Chardin dat rond 1970 zijn grootste populariteit beleefde. Teilhards omegapunt is het einddoel van de evolutie – maar voor de Nieuwe Biologie is het een anticlimax.

The New Biology eindigt met een analyse van het biologieonderwijs – een relevante discussie nu er in Nederland wordt gedacht over het schrappen van honderden lesuren biologie op middelbare scholen, om plaats te maken voor lessen over burgerschap en digitale vaardigheden. Als de boeken van de Nieuwe Biologen iets duidelijk maken is het wel dat de vragen rondom eenentwintigste-eeuws burgerschap samenhangen met de metaforen die we kiezen om het leven te begrijpen. Hetzelfde geldt voor digitale vaardigheden: hoe het echte leven werkt kan bepalen hoe we aankijken tegen kunstmatige intelligentie. Streven de machines ons in de nabije toekomst daadwerkelijk voorbij (de singulariteit, de post-humanistische variatie op het omegapunt)? Streven de machines eigenlijk wel uit zichzelf of moeten we op zoek naar de poppenspelers? Reiss en Ruse pleiten voor biologieonderwijs dat een pluriformiteit aan interpretaties benadrukt, in plaats van gestroomlijnde kennis volgens het mechanistisch-technologisch narratief. Dit zou leerlingen weerbaarder maken in de confrontatie met vereenvoudigingen in de media, vaccinscepsis en nepnieuws. Een prima aanbeveling, mits het humanistische perspectief van Philip Ball ook deel uitmaakt van het nieuwe curriculum.