De natuur als leermeester!

Met veel plezier heb ik het boek Natuurlijk! Logisch. Hoe de natuur ons steeds weer voor verrassingen stelt van Alle Bruggink en Diederik van der Hoeven gelezen. Sterker nog, met grote interesse heb ik het bestudeerd. Bijna zonder uitzondering hebben alle onderwerpen mijn grote belangstelling en ze hebben me al vele jaren bezig gehouden. Een persoonlijk getinte boekbespreking.

NatuurWat leuk!

Zaterdagmorgen 9 november 2019. Er ploft iets neer binnen op de voordeurmat. De NRC-weekendeditie kan het niet zijn, die ligt al op mijn knie. In het katern Opinie & Debat lees ik het optimistische stuk van de net opgerichte Bende van de Vooruitgang. Die bende bestaat uit vijf filosofen, publicisten en/of wetenschapsjournalisten. Ze zijn er vast van overtuigd dat met wetenschap en technologie alle huidige onoplosbaar lijkende wereldproblemen uiteindelijk opgelost worden. Ik geloof ook in wetenschap en technologie, maar ben iets minder optimistisch. Draconische maatregelen zijn volgens mij meer dan dringend noodzakelijk. Niet alleen lapmiddelen zoals een maximumsnelheidsverlaging waar niemand zich aan houdt.

Wat leuk! Met de post een pas uitgekomen boek. De schrijvers zijn de mij welbekende Alle Bruggink en Diederik van der Hoeven. Mijn eerste gedachte, beiden passen naadloos bij bovengenoemde bende, houdt maar kort stand. De bende wil de natuur ‘dwingen’, de auteurs willen ervan leren en daar gaat het boek over. Ze houden al jaren de interessante website Bio Based Press in de lucht en schreven samen ook het boek More with less over precisietechnologie. Hun nieuwe boek heet Natuurlijk! Logisch. Hoe de natuur ons steeds weer voor verrassingen stelt. De achterflap vermeldt dat de eerste auteur R&D-directeur was bij DSM, hoogleraar industriële organische chemie aan de Radboud Universiteit en nauw betrokken bij de ontwikkeling van de biobased economy; de tweede auteur is filosoof en wetenschapsjournalist. M.i. een uitgelezen combi voor het schrijven van breed toegankelijke boeken. In hun nieuwe boek nemen de auteurs de stelling in dat we met de natuur moeten meebewegen, dat we de natuur als voorbeeld moeten nemen en proberen te doorgronden, en… er bovenal veel van moeten leren. Kortom we moeten ons anders tot de natuur gaan verhouden. In zeven ‘lessen’ vatten zij deze ‘nieuwe relatie tot de natuur’ samen. Het boek is mooi vormgegeven en heeft een passend plaatje op de voorkant, maar hoe zit het met de inhoud?

gat in de ozonlaag
Gat in de ozonlaag boven Antarctica in 1998.

Niets verdwijnt

Les 1 poneert dat de ultieme les van de natuur is dat alles hangt met alles samenhangt. Dit geeft echter weinig handvatten en de auteurs formuleren daarom zeven kleinere en meer behapbare lessen met als Les 1: Niets verdwijnt: alles wat wij doen duikt ergens anders weer op. Ze voeren spraakmakende mensen op om hun punten te illustreren en geven die experts ruim podium. Dat staat me zeer aan. De eerste is systeemdenker Ton Schoot Uiterkamp, jaargenoot van de auteurs; alle drie studeerden ze beginjaren ‘60 chemie in Groningen. Deze vijfenzeventigjarige holistische denker en emeritus-hoogleraar fietst nog elke werkdag naar de Groningse universiteit om college te geven en zijn vakliteratuur bij te houden. Systeemdenkers nemen de hele keten in beschouwing. Ze denken vanuit het geheel en vinden het normaal om eerst te speuren naar indirecte en onbedoelde gevolgen voor ze een nieuwe vinding of nieuwe stof op aarde zetten. Ze zoeken naar precisie in de keten, zoals we die in de natuur zien, en willen de logica ervan volgen. Geen eenvoudige taak en nog weinig gepraktiseerd. Dat dit nare gevolgen kan hebben blijkt uit het beruchte voorbeeld van de CFK’s, chloorfluorkoolwaterstoffen, die een eeuw geleden als ‘onschuldige’ koelvloeistoffen voor koelkasten geïntroduceerd zijn. Een halve eeuw later blijkt dat ze alom verspreid zijn en de ozonlaag afbreken die de voor ons funeste ultraviolette straling tegenhoudt. Maar nauwelijks op tijd worden de CFK’s in 1987 uitgebannen.

Als tweede op hun toneel verschijnt de kleurrijke Paul Hamm die al in de jaren ’90 een integrale oplossing ontwikkelde voor varkensmest, een probleem waar we hier nu nog steeds mee kampen. Met de hele keten houdt Hamm rekening, maar het heeft niet mogen baten. Uit behoudende onwetendheid is zijn project in ons land gesaboteerd. Hij verkocht zijn proces aan Israëli’s, die er een bloeiend bedrijf van hebben gemaakt. Als student eindjaren ’60 was hij al kleurrijk. Dat weet ik omdat hij een Delftse jaargenoot van mijzelf was. Tijdens een practicum besmeurde hij zijn jas helemaal met een gele stof. Zelfs op zijn gezicht ontbraken de vegen niet.

Meerdere saillante voorbeelden, zoals lood in benzine en plasticsoep, worden met verve besproken en maken van dit hoofdstuk een informatief en vlot-leesbaar geheel.

klit
Georges de Mestral ontwikkelde de klittenband aan de hand van de natuurlijke klit. Foto: Pixaby

De natuur is ongelooflijk slim

Les 2 benadrukt dat we vooral goed naar de ongelooflijk slimme natuur moeten kijken en… natuurlijke oplossingen moeten kopiëren! Was alles nieuw voor mij? Nee, en ja. Begrippen als biomimetica en bionica waren voor mij wel bekend, maar de wereld erachter niet. Aan de hand van briljante voorbeelden uit de natuur openen de auteurs deze wereld voor mij. Bij biomimetica ligt de nadruk op nadoen, bij bionica op de technisch toepassing en in dit boek gaat het vooral om het laatste.

Het hoofdstuk begint anekdotisch met de uitvinding en ontwikkeling van klittenband, wie kent het niet. Het idee ervoor ontstaat in 1941. Na een wandeling in de Alpen komt de Zwitserse ingenieur Georges de Mestral thuis met een broek en een hond vol klitten. Hij rust niet voor hij dit natuurlijk klitmechanisme begrijpt en kan kopiëren. Mestral omzeilt conservatieve desinteresse en maakt er met grote volharding een breed-toegepast en commercieel succes van.

Russische en Britse onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om natuurlijke en menselijke werkwijzen te vergelijken. Daaruit blijkt dat ruw geformuleerd mensen vooral ‘geweld’ gebruiken en de natuur ‘slimheid’. Dat kan en moet dus anders. Op de technische universiteiten krijgen de natuurlijke werkwijzen nog weinig aandacht. Hoog tijd dus om daar verandering in te brengen. Klimaatbeheersing is een typisch voorbeeld van geweld versus slimheid. Het toonbeeld van vernuft wat dit betreft is de termietenburcht en is mooi uitgewerkt in het boek. Architect Mick Pearce heeft deze burchten grondig bestudeerd en als basis genomen voor het ontwerp van het Eastgate Centre in Harare (Zimbabwe), dat maar liefst 90% minder energie gebruikt dan andere gebouwen.

Ook onderwerpen als hechten, plakken, lichtgewichtconstructies, sonar en haaienvinzwempakken komen in deze les aan bod. Ik heb ervan gesmuld.

Natuur
Gregor Mendel reduceerde de erfelijkheidswetten tot hun eenvoudigste vorm bij vlinderbloemigen.

Precisie door complexiteit

Les 3 gaat, in mijn woorden, over ons Kiss-principe versus de ongelooflijke precisie waarmee de complexe natuur werkt: De mens reduceert, de natuur preciseert! Dat vergaande vereenvoudigen hebben we bijvoorbeeld nodig om de natuurlijke mechanismen te ontrafelen en te begrijpen. In deze les wordt als illustratie hiervan het onderzoek van Mendel aangehaald. Mendel reduceerde zijn vraagstelling tot één eigenschap van erwtenplantjes, te weten de kleur van de bloemen. Hij had daarbij het geluk dat die bepaald wordt door één gen waardoor hij de basiswetten van de erfelijkheid kon ontdekken. Lang dacht men dat hij daarbij wat met de resultaten gesjoemeld zou hebben, maar zeer recent is deze gedachte ontkracht.

‘Het lijkt wel,’ schrijven de auteurs, ‘of we eerst de allereenvoudigste situaties moesten leren kennen, voordat we dieper inzicht in de complexe werking van de levende natuur konden krijgen.’ Ze constateren dat er de laatste tijd een trend is richting holisme. ‘Er bestaan vele tussenstappen tussen ‘deel’ en ‘geheel’, en we zijn steeds beter geworden in het bekijken en begrijpen van al deze tussenstappen. Bijvoorbeeld doordat we hebben geleerd te kijken naar de functie, en te zien hoe deze de structuur bepaalt.’ Ze werken een en ander uit aan de hand van een boom.

Ik ken de auteurs als nuchtere en rationele mensen, maar ze maken van de boom haast een mythisch wezen. De uitspraak van Youp in zijn column Lourdes (NRC 23 november 2019) misstaat er niet bij: ‘En grote beuken die stotterend met prinses Irene stonden te bomen. Ze legden haar uit dat het bos van alle mensen is.’ Toch is hun nieuwe kijk op de natuur gebaseerd op voortschrijdende wetenschap. Bomen en planten zijn veel meer dan de som van chemische reacties. De boom is een onderdeel van een bos dat allerlei kenmerken vertoont van een levend wezen met samenhangende onderdelen die op veel manieren met elkaar communiceren. ‘In de logica van de natuur is precisie het resultaat van veel samenwerkende factoren, van complexiteit.’ Daar kunnen, en moeten, we veel van leren. Een aarzelend begin zou men kunnen zien in composieten. Maar zelfs de opkomende, fabuleuze nanocomposieten bestempelen de auteurs als een grove benadering van de complexiteit en precisie waarmee de natuur structuur aanpast aan functie. Met fascinatie heb ik deze les gelezen.

katalyse
Katalyse verlaagt de energie, nodig om van de ene naar de andere moleculaire toestand te komen. Beeld: Wikimedia.

Precisie door katalyse

Les 4 gaat over de precisie van de natuur die veel processen tot op het atoom nauwkeurig kan regelen waarbij enzymen, de katalysatoren van leven in al zijn facetten, de hoofdrol spelen. Wij kunnen en moeten daar veel van leren. Ik heb het hoofdstuk vrijwel in één adem gelezen, terwijl er in feite nauwelijks iets nieuws voor me in stond. Een feest van herkenning, een lange reeks van déjà vu’s, alsof ik mijn ‘onderzoekleven’ in de herhaling versneld zie voorbijtrekken. Katalyse in ’t algemeen en het Haber-Bosch proces in het bijzonder (ammoniak uit stikstof en waterstof) brengen me terug naar de eindjaren ’60 toen ik chemische technologie in Delft studeerde.

In de jaren ‘70 onderzocht ik eerst in de VS en daarna in Wageningen enzymen op hun geschiktheid voor syntheses. Beginjaren ’80 berekende ik met een groep studenten de haalbaarheid van enzymen voor synthese van D-(-)-4-hydroxyfenylglycine, zijketen van semisynthetische antibiotica zoals amoxicilline. Ik schrijf erover in mijn Essay 1 en Essay 3.1. We deden deze studie op verzoek van de eerste auteur, jawel, Alle Bruggink, toentertijd wetenschappelijk directeur bij Océ-Andeno, het bedrijf dat later overgenomen werd door DSM. De belangstelling van DSM voor tussenproducten van farmaca ontstond in de jaren ’70 en is in niet onbelangrijke mate te danken aan één werknemer, te weten de eigenzinnige, briljante en gelauwerde onderzoeker Willy Boesten. Hij was de eerste die het nut van het gebruik van enzymen in de organische chemie zag en zette mijn promotor, in die tijd adviseur bij DSM, op het spoor dat naar mijn doctorsbul leidde.

Gaande de jaren ’80 ging ik naast enzymen steeds meer aan de slag met hele, levende cellen om die geschikt te maken voor productiedoeleinden, met name ook van farmaca. Een en ander in lijn met de paragraaf De biologische cel, een kant-en-klare chemische fabriek op microformaat. De les eindigt met gerichte evolutie en de veelbelovende synthetische biologie. Frances Arnold, Nobelprijswinnaar scheikunde 2018, is in dit veld een van de vooraanstaande onderzoekers. Ooit haalde ik haar naar Nederland voor het geven van een presentatie. Na het lezen van deze les ben je weer helemaal bij wat betreft de trends in de biokatalyse.

medicijnen
Veel medicijnen worden tegenwoordig gemaakt met behulp van genetisch gemodificeerde micro-organismen. Foto: Pixaby.

Genetische modificatie, een natuurlijk verschijnsel

Les 5, de grootste, gaat over genetische modificatie. De auteurs zijn ervan overtuigd dat de voordelen ruim tegen de nadelen opwegen en dat niets onnatuurlijks aan deze technologie kleeft. Ik ben het daar hartgrondig mee eens. Het is mijn stokpaardje dat ik het meest bereed. Meer dan 25 jaar trok ik met grote regelmaat met ‘mijn doos van Pandora’ het land in om over moderne biotechnologie – de technologie die gebruikt maakt van genetische modificatie – te vertellen. Volgens de auteurs ontbreekt het de tegenstanders, met name Greenpeace en Friends of the Earth, aan principiële redenen. M.i. zijn het bovendien vooral ook meesters in het aanjagen van irrationele angsten. Het zijn met name de genetisch gemodificeerde planten die onder vuur liggen. Deze sector had in 2016 wereldwijd een omzet van $ 29 miljard. Tegen de bedrijven die met genetisch gemodificeerde micro-organismen medicijnen maken, worden daarentegen nauwelijks bezwaren gemaakt, terwijl hun omzet veel groter is. Alleen al de sector die op deze wijze semisynthetische antibiotica produceert, heeft een jaaromzet van $ 140 miljard. De auteurs merken fijntjes op: ‘Ooit iemand tegengekomen die een pilletje niet wilde slikken omdat dat is gemaakt met genetisch gemodificeerde organismen (GGO’s)?’

Volgens de schrijvers is genetische modificatie zo natuurlijk als de natuur zelf. Zelfs transgenese, modificatie met soortvreemd DNA, is een natuurlijk verschijnsel. Als voorbeeld noemen de auteurs cassave dat vroeger oneetbaar was, maar door ‘in het veld’ opname van een stukje natuurlijk-DNA van Agrobacterium is het nu eetbaar. Let wel, het Ti-plasmide van deze bacterie wordt grootschalig gebruikt voor genetische modificatie van planten. Een recente publicatie laat zien dat op onverwacht grote schaal transgenese ook plaatsvindt in de natuur zelf door infectie met het T(ransfer)-DNA van het Ti-plasmide, puur natuurlijk! Tenminste negenendertig van dergelijke natuurlijk transgene planten zijn geïdentificeerd.

De schrijvers halen zijde en spinrag, beide eiwitten, aan als moeilijk na te maken natuurstoffen met bijzonder aantrekkelijke eigenschappen. Zijde is zacht, sterk en taai. Een ultralichte kunstzijde die sterk op natuurzijde lijkt wordt gemaakt met genetisch gemodificeerde micro-organismen en is al met succes gebruikt in mode, schoenen en auto-onderdelen. Spinrag lijkt op zijde en is nog veel taaier. Ook de genetische code voor spinrag is in micro-organismen gezet die daardoor een stof produceren die sterk op spinrag lijkt. Hiervan is al een goudgele parka als prototype gemaakt. Ook zijn de spinraggenen in de zijderups gezet. Waarom? Zijderupsen worden allang op industriële schaal gekweekt, spinnen niet, die eten elkaar op. Spinragvezels gemaakt door genetisch gemodificeerde zijderupsen hoeven niet gezuiverd en gesponnen te worden, terwijl dit wel noodzakelijk is bij de microbiële productie.

In deze les passeren nog veel meer genetisch gemodificeerde organismen de revue, waarvan met name de planten veel onterechte publieke weerstand ondervinden. Gouden rijst is het meestomstreden en meest beschreven, al twintig jaar lang. Maar op 10 december 2019 is het dan toch zover. Gouden rijst krijgt groen licht in de Filipijnen, de primeur. Niet alleen aan planten, maar ook sleutelen aan menselijke embryo’s levert veel kritiek op en dit … vooralsnog terecht!

Als ik een puntje van kritiek mag hebben op de inhoud van deze les, dan is het op de summiere introductie van de termen epigenetica, epigenese, RNA en histonen (p. 77). Hun rol en wat ze precies inhouden en doen, blijven m.i. onduidelijk. Wat meer uitleg van de epigenetica zou bovendien de laatste alinea (p. 91) over de invloed van DNA  op menselijke eigenschappen veel concreter kunnen maken. Niettemin is het een leerzame, prettig leesbare les, ook voor mij.

deeltje of golf
Zijn de bouwstenen van de natuur deeltjes of golven? De natuur maakt slim gebruik van deze onzekerheid. Beeld: Wikipedia.

Grenzen aan de menselijke technologie

Les 6 is bescheiden van grootte en vooral een lesje in ‘menselijke bescheidenheid’. Dat kan al uit de titel afgeleid worden: ‘Wij zullen de levende natuur nooit helemaal naar onze hand kunnen zetten.’ Meerdere malen benadrukken de schrijvers in deze les dat we vrijwel nog niets van de natuur weten. ‘Ons onderzoek van de natuur staat nog maar aan het begin. Het is tijd voor wat bescheidenheid …’ En ‘Eigenlijk weten we nog maar heel weinig van het leven in levende organismen.’ Of ‘Met ons gebrek aan kennis komt veel van wat wij erover zeggen neer op speculatie.’ Deze laatste uitspraak kenmerkt m.i. dit hoofdstuk. Het roept vragen op en lokt meningsverschillen uit. En dat is goed, want het zet aan tot nadenken en literatuurstudie.

Al in de eerste paragraaf word ik getroffen door een boude uitspraak: ‘OK, zonder DNA geen leven, maar de belangrijkste producten van dat DNA, eiwitten en enzymen, zijn in hun samenspel eindeloos meer ingewikkeld. En ze spelen ook nog eens niet hetzelfde spel.’ Een te vage bewering die ik waag te betwijfelen. Denk bijvoorbeeld aan de interactie van histonen met DNA in de celkern, of aan de epigenetica, de jongste biologische discipline die omkeerbare DNA-veranderingen, zonder dat de sequentie verandert, bestudeert. Dit zijn onder meer erfelijke veranderingen die het fenotype bepalen en genen meer of minder actief maken. ‘Eindeloos’ ingewikkeld allemaal!

De ultieme les van de natuur is dat alles met alles samenhangt. Bovendien is alles ‘in beweging’. Dat geldt op het niveau van hele cellen, hele organismen, hele ecosystemen, hele gemeenschappen, kortom de aarde als holistisch systeem waarin evenwicht niet bestaat. Eén groot, ingewikkeld, onvoorspelbaar ‘spel’ tot op het kleinste niveau, daar waar subatomaire deeltjes zoals elektronen en protonen zowel materie als golf eigenschappen hebben en als golf niet meer precies zijn te lokaliseren. ‘Als golf kunnen ze zich verplaatsen met bijna de snelheid van het licht. […] Dat verklaart bijvoorbeeld waardoor een actie aan één kant van een groot eiwitmolecuul een reactie kan veroorzaken aan de andere kant – met een snelheid die onhaalbaar zou zijn als elektronen en protonen alleen maar deeltjes waren.’ De auteurs opperen verder dat de ongrijpbare kwantummechanische eigenschappen van de levende materie mogelijk de onvoorspelbaarheid van de natuur veroorzaken. Voor mij zijn deze elementaire-deeltjes aspecten nieuw en misschien wel de meest interessante facetten van deze les over het ‘onvoorspelbare spel’ van de levende natuur. Een spel dat m.i. pas definitief eindigt als over enkele miljarden jaren aardsleven uitsterft doordat de aarde te heet wordt als gevolg van expansie en sterkere straling van de zon. In al zijn bescheidenheid een heel interessante les.

ecologie
We moeten denken en werken vanuit een begrip van het geheel. Foto: Wikipedia.

Holisme als wetenschappelijke leidraad

Les 7 heet De ultieme les: denken en werken vanuit het geheel. De schrijvers benadrukken opnieuw dat ons natuurwetenschappelijk denken nog te vaak reductionistisch is en dat de onderzoekers nog te veel vanuit de delen de natuur willen begrijpen en opbouwen. ‘Maar in de logica van de natuur is het geheel meer dan de som van de delen. […] Daarom zouden we het liefste willen redeneren en ingrijpen vanuit een volledig inzicht in de complexiteit van het leven. […] Niet door de uitgangsstof eerst te reduceren tot enkele eenvoudige bouwstenen, om deze weer op te bouwen naar een nieuwe complexiteit.’ Moedermelk wordt als voorbeeld besproken van een complex product dat al vaak nagemaakt is door veel van de delen samen te voegen zonder ooit exact het origineel te kunnen verwezenlijken. ‘Misschien de vrouwelijke melkklier nabouwen,’ stellen de auteurs als holistisch alternatief voor.

‘Holistisch onderzoek, hoe het er ook uit mag zien, heeft de toekomst.’ De schrijvers signaleren een opkomend holisme in de populariteit van de term ‘biologisch’ die een verlangen weergeeft naar een ongedeelde natuur. ‘Een verlangen om in harmonie te leven met de natuur en ‘holistisch’ met haar om te gaan. Maar wij willen termen als ‘biologisch’ vullen met nieuwe inhoud. Door innovatie, en niet in de eerste plaats door een terugkeer naar methoden van vroeger.’ Volgens hen ‘geeft de biotechnologie ons juist de mogelijkheid om stoffen bijna net zo te maken als in de levende natuur.’ Als een voorbeeld geven ze zuiver vanilline gemaakt met gemodificeerde gisten.

Ook duurzaamheid komt ter sprake. Dit reclamewoord wekt de verwachting dat wij een activiteit kunnen volhouden zonder dat deze zichzelf vernietigd door schadelijke onbedoelde gevolgen, maar dat is slechts de helft van wat de auteurs voor ogen hebben. ‘Wij streven eigenlijk naar een leven in harmonie met de natuur, met behoud van de zegeningen van de welvaart.  Zoals leven zonder honger, in vrijheid en met een zekere mate van comfort. […] We kunnen daarom beter vanaf het begin proberen het geheel in het oog te krijgen, en handelen naar zijn logica.’ Een dergelijke holistische benadering kan huns inziens ook helpen bij het oplossen van de huidige grote wereldproblemen, met name plasticafval en de klimaatproblematiek.

Onder het kopje De kracht van data-analyse stellen de schrijvers zich de vraag: ‘Zouden we toch vanuit onze reductionistische benadering het holisme kunnen bereiken, of in elk geval benaderen, als we de hoeveelheid data maar groot genoeg maken?’ Vooralsnog blijft het vraagteken staan.

Wat leren de lessen ons? We moeten niet meer tegen de natuur ingaan, haar niet meer bestrijden. Nee, we moeten met haar meebewegen. ‘Als in een sierlijke wals.’

Tot slot

Deze boekbespreking heeft een sterk persoonlijke inslag. Dat komt omdat bijna zonder uitzondering alle onderwerpen mijn grote belangstelling hebben en me al vele jaren bezighouden. En aan het werk! Nieuw waren de bijzondere kijk op de natuur en de introductie van kwantummechanische aspecten die de natuur onvoorspelbaar maken. Kortom, met veel plezier heb ik het boek gelezen. Sterker nog, met grote interesse heb ik het bestudeerd.

Interessant? Lees dan ook:
Wij zullen de natuur nooit helemaal naar onze hand kunnen zetten
Is het leven maakbaar? Gouden rijst
Tetra-ethyllood, het schandaal dat nooit is uitgebarsten

(Visited 1 times, 1 visits today)

Plaats een reactie