Dan toch geen totale willekeur: wordt de evolutie van het leven voorspelbaarder?

Biologen knagen aan het dogma dat evolutie louter steunt op willekeurige veranderingen die al dan niet gunstig kunnen zijn. Het is veel complexer dan dat.

Halverwege de 19e eeuw veranderde Charles Darwin het aanschijn van de wereld, en de positie van de mens daarin, met zijn ontdekking van het concept van evolutie van het leven door middel van natuurlijke en seksuele selectie. Soorten zijn niet constant, maar passen zich aan, zowel aan veranderende omgevingsomstandigheden als aan wat het andere geslacht aantrekkelijk vindt.

In de loop van de 20e eeuw werd een genetische invulling van het concept gegeven – in Darwins tijd waren genen nog niet bekend, laat staan dat men wist hoe ze eruitzagen en functioneerden. Het idee groeide dat er in genen constant willekeurige veranderingen (mutaties) opduiken, die meestal geen effect op hun drager hebben, maar soms nuttig of schadelijk kunnen zijn. In functie van de wijzigingen kan een soort evolueren.

Lange tijd nam men aan dat het proces sterk op willekeurige toevalstreffers steunde. Draai de evolutionaire klok terug in de tijd, laat ze opnieuw lopen en je krijgt een heel ander resultaat. Er was ook altijd de weg van de geleidelijkheid, want nieuwigheden moesten generatieslang de kans krijgen zich als nuttig te manifesteren. Het duurde lang voor de evolutie iets nieuws in een gemeenschap kon introduceren.

Maar de laatste vijftig jaar wordt er geknaagd aan dat starre dogma. Evolutie blijkt toch niet op totale willekeur te steunen. Planten en dieren kunnen door het aanpassen van hun gedrag het proces beïnvloeden. Individuele factoren spelen een grotere rol dan gedacht: wat een individu doet, kan een impact hebben op de uitkomst van de selectiemechanismen.

Bovendien is er recent door de ontdekking van de epigenetica een shortcut in het evolutionaire proces gevonden: je hebt niet altijd de lange weg van mutaties en selectie nodig, je kunt via eenvoudige chemische aanpassingen op het DNA (de drager van het genetisch materiaal) de werking van genen beïnvloeden. Dat zou een halve eeuw geleden als ketterij zijn beschouwd.

Voorspelbare evolutie

Wetenschappers beginnen stilaan experimentele bevestigingen van de nieuwe inzichten te krijgen – dat is nodig, want anders blijven het gewoon denkpistes. Een hamvraag daarbij is of evolutie voorspelbaarder wordt als het belang van toevalstreffers verkleint. Het antwoord is: ja, maar in bescheiden mate – wetenschap is dikwijls een kwestie van het leggen van de juiste nuances.

In Science verschenen de resultaten van grootschalige experimenten met bacteriën. De hoofdconclusie was dat evolutie daadwerkelijk voorspelbaar kan zijn, maar uitsluitend op korte termijn. Op langere termijn wordt het opnieuw een ‘blind proces’, waar je geen zicht op kunt krijgen wegens te complex.

Intrigerend was dat de proportie schadelijke mutaties altijd min of meer constant bleef. Ze kwamen altijd veel frequenter voor dan gunstige mutaties, waarvan het voorkomen wel kon variëren in de loop van de tijd, in functie van hoe nuttig ze waren. Er kon ook worden vastgesteld dat sommige gunstige mutaties na verloop van tijd toch schadelijk werden (en omgekeerd: schadelijke, maar niet dodelijke mutaties konden later soms nuttige effecten creëren).

In Proceedings of the National Academy of Sciences beschreven wetenschappers simulaties die illustreren dat genenfamilies aan elkaar gekoppeld kunnen raken. De ene genenfamilie kan het opduiken van een andere onmogelijk maken of net faciliteren, in functie van wat beide doen. Het lijkt erop dat, net als in onze wereld, sommige families graag samenwerken en andere constant met elkaar in de clinch gaan. Ook dat inzicht knaagt aan de willekeur van het overervingsproces.

Opzienbarend was de ontdekking van het feit dat nieuwe genen niet, zoals algemeen werd gedacht, uitsluitend ontstaan door overschrijvingsfouten tijdens de voortplanting, of na een toevallige verdubbeling van bestaande genen – de standaardprocessen waarmee evolutie mogelijk wordt gemaakt.

Een overzichtsartikel in Nature wees op het belang van genen die nieuw ontstaan in delen van het genoom zonder echte genen. Nieuwe genen kunnen dus als het ware uit het niets opduiken. Het is gebeurd met het antivriesgen dat kabeljauwen hebben om niet te bevriezen in een ijszee. Dat dook zo’n 15 miljoen jaar geleden ‘ineens’ op en vergemakkelijkte de overleving in koud water.

Ook bij ons zijn al zulke genen gevonden, onder meer tijdens het kankeronderzoek. Nogal wat kankerverwekkers zouden compleet nieuwe genen zijn. Vandaag gaan wetenschappers ervan uit dat zo’n 10 procent van alle genen ‘uit het niets’ ontstaan is. Genen kunnen trouwens ook ineens verdwijnen, alsof ze er nooit geweest zijn.

Persoonlijke aanpassingen

Zelfs langdurige vogelobservaties kunnen genetische inzichten opleveren. Biologen beschreven in Proceedings of the National Academy of Sciences hun bevindingen na uitgebreid onderzoek van de zeldzaamste zeevogelsoort in Europa: de vale pijlstormvogel. Hij broedt uitsluitend op de Balearen, maar kan buiten de broedtijd ver weg dwalen over de Atlantische Oceaan. Daarbij komt hij steeds noordelijker terecht, ongetwijfeld een gevolg van de klimaatopwarming, maar mogelijk ook een noodzaak door het tanen van zijn voedselaanbod dichter bij huis als gevolg van overbevissing.

Het werk wees uit dat individuele dieren jaar na jaar hun gedrag kunnen aanpassen. De uitbreiding van hun leefgebied steunt dus niet op toevallige genetische mutaties die uitgeselecteerd raken omdat ze nuttig zijn, maar op volgehouden individuele flexibiliteit. Het klinkt misschien banaal en voor de hand liggend, maar het is een nuttig evolutionair inzicht, omdat het impliceert dat de aanpassingsvaardigheid van individuele dieren zo groot kan zijn dat het een effect op het succes van een populatie heeft.

Helaas werkt het niet in alle omstandigheden. De druk kan té groot worden om te kunnen worden gecounterd. Het massale uitsterven van dieren en planten als gevolg van de menselijke expansie getuigt daarvan.

In Science verscheen een overzicht van enkele gedragsstudies die illustreren dat ‘persoonlijke aanpassingen’ van individuele dieren kunnen uitmonden in genetische evolutie. Het werkt in twee richtingen: ze kunnen evolutie versnellen of vertragen. Er zijn dieren bekend, zoals de degenkrabben en kakkerlakken, die al honderden miljoenen jaren lang zo goed als onveranderd door het leven gaan. Maar andere zijn vatbaar voor snelle en significante fysieke wijzigingen.

Een treffend voorbeeld is een familie van hagedissen op de Caraïbische eilanden. Na kolonisatie van een nieuw eiland kunnen de diertjes zich verrassend snel aan de lokale omstandigheden aanpassen – anders zouden ze het waarschijnlijk niet redden. Maar ze kunnen ook nieuwe biotopen inpalmen. Zo is een tropische soort die het graag heel warm heeft, erin geslaagd zich aan te passen aan een leven op bergtoppen van meer dan 3000 meter hoog, waar het bitter koud kan zijn.

In het klassieke evolutiemodel zou zo’n soort zich generaties lang geleidelijk aanpassen om steeds hoger op een berg te kunnen klimmen. Maar daar ging de geobserveerde kolonisatie te snel voor. Grondig onderzoek wees uit dat de hagedissen zelf hun gedrag aanpasten en hogerop veel meer in de zon gingen liggen dan in de hete, lager gelegen gebieden. De transitie ging gepaard met snelle kleine anatomische aanpassingen, zoals kortere achterpootjes om warmteverlies te beperken. Organismen zijn niet zomaar passieve genenvehikels die overgeleverd zijn aan de elementen, maar kunnen hun eigen evolutie bijsturen, luidde een conclusie van het werk.

In extreme gevallen kunnen individuele aanpassingen zelfs leiden tot de vorming van nieuwe soorten. In Noord-Amerikaanse berggebieden leven dozijnen verwante salamanders, die echter genoeg van elkaar verschillen om als aparte soorten door het leven te gaan. Tot een tiental jaren geleden meenden biologen dat het om toevallige genetische processen ging, die bijna per ongeluk variatie introduceerden en een populatie opsplitsten in soorten.

Maar onderzoek wees uit dat de salamanders zelf de ontwikkelingen in de hand werkten door er individueel verschillende overlevingstechnieken op na te houden. In een specifieke bergzone bleken 26 aan elkaar verwante salamandersoorten zulke grote verschillen in voorkeur voor een bepaalde combinatie van temperatuur en vochtigheid gecultiveerd te hebben dat ze van elkaar geïsoleerd raakten en als aparte soorten eindigden. Zonder individuele voorkeuren zouden ze mogelijk één soort gebleven zijn.

Het zijn bescheiden indicaties van een andere kijk op de evolutionaire wereld, maar ze zijn relevant, omdat ze illustreren dat de evolutionaire mechanismen veel sneller kunnen werken dan we geneigd waren te denken. In het algemeen is dat goed nieuws. Het beperkt de knelling van het biologische keurslijf.