Evolutie gaat sneller dan gedacht: grijpt straks de mens in bij dat proces?

De mens blijft proberen om de natuur bij te sturen. Maar het is al erg moeilijk om de eerste levensstappen na te bootsen. Hoe kunnen we dan met een gerust gemoed ingrijpen op de complexe fasen van het leven?

Bijna 4 miljard jaar geleden begon de geschiedenis van het leven op aarde. Het ging van start als een in een zakje gevat pakketje moleculen met genetische eigenschappen (veranderbaarheid, reproduceerbaarheid). Zelfs bacteriën zijn al gesofisticeerd in vergelijking met het prille levensbegin. Gedurende ongeveer vier vijfde van de geschiedenis van het leven op aarde zou je het trouwens niet gezien hebben: het was te klein om te worden waargenomen. Goed om te onthouden bij onze zoektocht naar leven op andere planeten.

Wetenschappers proberen uit te vlooien hoe dat eerste leven kon ontstaan – want bijna niemand die ernstig genoeg is, gelooft in het realistische karakter van een schepping door een goddelijk wezen. In de jaren 1950 voerden Amerikaanse scheikundigen wereldberoemd geworden experimenten uit: ze slaagden erin om met eenvoudige chemische middelen (inbegrepen een nagebootste bliksem) aminozuren te creëren, de bouwstenen van eiwitten. Ze claimden de basis van het leven te hebben gevonden.

Drie componenten

Vandaag weten we dat hun vrij eenvoudige cocktail niet volstond om leven zoals wij het kennen te maken. In essentie heb je daar drie componenten voor nodig: een molecule met genetische capaciteiten, een chemisch systeem dat energie levert, en een zakje dat alle ingrediënten bij elkaar houdt. Omdat levende organismen vandaag vooral draaien op zes chemische elementen (koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, fosfor en zwavel) moet het leven ergens ontstaan zijn waar die in voldoende hoge concentratie en in de juiste omstandigheden aanwezig waren om ze te laten samenkomen.

Een maanachtig object

Charles Darwin (1809-1882), het genie dat ons een sluitend mechanisme voor de evolutie van het leven schonk, speculeerde al over de beste plek op aarde voor het ontstaan van leven. Hij omschreef ze als een vijvertje vol chemische stoffen en zouten, met bronnen van licht, warmte en elektriciteit. Sindsdien zijn wetenschappers ijverig op zoek naar zulke plekken. Ze maakten het snel ingewikkelder dan Darwin. Lange tijd dachten ze dat geisers op de bodem van de oceaan aan de juiste voorwaarden voldeden, maar blijkbaar zijn die te zout en te nat om membranen en grote levensmoleculen in stand te kunnen houden.

Het vakblad New Scientist lijstte zeven mogelijke biotopen voor het eerste leven op. Als meest geschikte kandidaat kwam het uit bij een heel specifieke plek: een heet kratermeer, in het beste geval met ijs op de randen. Een voorbeeld zou de Lonar-krater in India kunnen zijn. Vier miljard jaar geleden waren er nogal wat komeetinslagen op de aarde. De kometen konden basiselementen, zoals waterstofcyanide, aangedragen hebben. De aarde begon toen ook rotsen te vormen. In zo’n systeem zou alles wat nodig was voor het leven min of meer ineens ontstaan kunnen zijn, wat een groot voordeel bood in vergelijking met een proces in verschillende stappen.

Een andere mogelijkheid werd onlangs in Science beschreven: bijna 4,5 miljard jaar geleden zou er een maanachtig object zó dicht langs de aarde gescheerd zijn dat het eeuwenlang groot tumult in onze atmosfeer veroorzaakte, met onder meer de productie van gesmolten ijzer en het losrukken van waterstof en zuurstof uit watermoleculen. Daaruit zouden moleculen gekomen zijn die na afkoeling kwalificeerden als levensmoleculen. Helaas is er nog geen enkel bewijs voor het bestaan van zo’n maancrisis gevonden

Begin van biodiversiteit

Wetenschappers gaan er steeds meer vanuit dat de cruciale stap in de vorming van primitief leven de ontwikkeling van ribosomen was: structuurtjes van de aan DNA verwante molecule RNA. Ze zijn in elke cel aanwezig, en zijn nodig om de informatie uit het DNA te vertalen in een keten van aaneengeregen aminozuren. In alle cellen en organismen doen ribosomen exact hetzelfde, wat ze extra geschikt maakt om te kwalificeren als eerste levensmolecule. Later zou het RNA een deel van zijn taken afgestaan hebben aan eiwitten en zijn informatie hebben laten opslaan in DNA. Dat delegeerproces zou een stuk makkelijker verlopen zijn als de eerste eiwitten samen met het RNA ontstonden. In ieder geval deden de eerste levensvormen er héél lang over om geboren te worden.

Na de eerste levensmoleculen kwamen de eerste primitieve bacteriën en wiertjes – ze konden al een vorm van fotosynthese aan. Pas vanaf een miljard jaar geleden begon het leven echt complex te worden. De concentratie van zuurstof in de atmosfeer nam toe en geslachtelijke voortplanting ontstond, waardoor het leven meer mogelijkheden kreeg om te experimenteren met allerlei vormen. Zo’n 540 miljoen jaar geleden zagen de eerste voorlopers van de huidige dieren het levenslicht. Niet veel later doken de eerste landplanten op. Het was het begin van wat we vandaag met een modewoord ‘biodiversiteit’ noemen.

Een traag proces

Darwin ging ervanuit dat zijn evolutie een traag proces was. Veel wetenschappers aanvaardden dat door in hun ecologische studies geen rekening te houden met eventuele interferenties van evolutionaire aanpassingen, gezien de beperkte tijdschaal waarover hun observaties zich uitspreidden. Het inzicht groeit dat dit fout was: steeds meer studies wijzen uit dat evolutie tegenwoordig in de juiste omstandigheden een snel proces kan zijn. Vandaag overheerst de notie dat ecologen rekening moeten houden met snelle evolutionaire veranderingen van hun studieobjecten als ze de juiste conclusies willen trekken. Dat opent tegelijk mogelijkheden om actief in te grijpen in een systeem.

Zo is er een stilaan klassiek wordende studie van de gevolgen van ingrijpen op twee hagedispopulaties op eilanden in de Bahama’s. De ene hagedis is een predator van de andere. Door de introductie van de predator op een eiland waar tot dan toe alleen de kleinere soort aanwezig was, crashte de populatie van de laatste. Daardoor groeide de spinnenpopulatie, die de voornaamste voedingsbron van de kleine hagedis was, wat dan weer een negatief effect had op de springstaarten die het voornaamste voedsel van de spinnen waren. Een cascade van snelle reacties volgde op het introduceren van een nieuwe speler in het systeem.

De kleine hagedissen begonnen dan weer steeds meer in bomen te klimmen om aan de grote te ontsnappen, wat een effect had op de bomen. Toen kwamen er twee jaren (2011 en 2012) met zware orkanen die de eilanden teisterden. De gevolgen werden onlangs in Nature beschreven. De populaties van beide hagedissoorten crashten, maar de overlevenden van de kleinere soort bleken gemiddeld langere poten te hebben, mogelijk omdat ze zich zo beter konden vastklemmen aan takken en op die manier beschermd waren tegen de stormen.

In Science verscheen een overzicht van experimenten die aantonen dat evolutionaire ‘plasticiteit’ (in de betekenis van ‘snelle aanpassing’) ingebakken kan raken in het gedragspatrimonium van een soort. De dikkopjes van sommige paddensoorten kunnen in omstandigheden met weinig voedsel overgaan tot kannibalisme: ze eten dan soortgenoten op die zich op de kwetsbare overgang naar volwassen pad bevinden en zich niet kunnen verdedigen. Maar uit een studie in Nature Ecology & Evolution blijkt dat kannibalisme her en der geïncorporeerd raakte in het normale voedingspatroon, dus ook als er géén tekort aan ander voedsel is. De diertjes worden dan als kannibaal geboren.

Iets vergelijkbaars gebeurde met draadwormen. Normaal gesproken leggen de vrouwtjes eitjes, maar als er te weinig voedsel is, komen de jongen al in hun moeder uit hun eitje en beginnen ze de moeder van binnenuit op te eten. Ze hebben dan genoeg energiereserve om in een soort slaaptoestand te gaan en te overleven tot er weer voldoende voedsel is (in de vorm van rottend fruit). De opoffering van de moeder resulteert, zoals het een goede biologische ontwikkeling betaamt, in verder succes. Maar op een composthoop net buiten Parijs vonden Franse biologen draadwormen waarbij het opeten van de moeder door de jongen standaard is geworden. Ze konden zelfs de genetische mutatie aan de basis van de gedragsverandering opsporen: één simpele wijziging in het gen met de informatie over een kanaaltje waarlangs informatie tussen zenuw- en spiercellen wordt overgedragen, leidde ertoe dat de moeders hun eitjes niet meer afstoten maar in zich houden – een proces waarbij ze sterven. Dat de verandering bewaard is gebleven, doet veronderstellen dat het een succesvolle strategie voor de voortplanting is.

Geboren zonder slagtanden

Veel dieren slagen erin door middel van snelle evolutionaire aanpassingen te ontsnappen aan menselijke druk. Olifanten worden steeds meer geboren zonder slagtanden, omdat ze dan minder kwetsbaar zijn voor stropers – een passief proces: door het feit dat olifanten zonder grote tanden niet door stropers worden geschoten, worden ze steeds algemener in een populatie. Merels gaan dan weer hoger zingen in een stad om boven het achtergrondgeluid van het verkeer uit te kunnen komen.

Het is niet uitgesloten dat veel soorten erin zullen slagen om snelle aanpassingen aan, bijvoorbeeld, de effecten van de klimaatopwarming te ontwikkelen. Veel koraaldiertjes krijgen het kwaad omdat het zeewater waarin ze leven te snel opwarmt. Ze ‘verbleken’ en sterven. Dat komt vooral omdat de piepkleine wiertjes waarmee ze in symbiose leven en die ze nodig hebben voor hun energievoorziening (ze geven hen meestal ook hun kleur), niet bestand zijn tegen hogere temperaturen. Sinds kort stellen wetenschappers vast dat sommige koraalsoorten een opleving kennen. Blijkbaar hebben ze hun oorspronkelijke wiertjes vervangen door soorten die hogere temperaturen aankunnen. Flexibiliteit loont altijd en overal.

Genetische flexibiliteit is ook de basis achter evolutionaire ontwikkelingen die ingrijpen op het menselijke comfort. Insecten die weerstand ontwikkelen tegen pesticiden, bacteriën die niet langer uitgeschakeld worden door antibiotica, kankercellen die minder vatbaar zijn voor chemotherapie: het zijn voorbeelden van hoe (vrij) snelle aanpassing mogelijkheden biedt om aanvallen van de mens af te slaan. Toen de moderne mens aan landbouw begon te doen en manueel de eerste onkruiden ging wieden, evolueerden sommige onkruiden zo dat ze op de echte gewassen gingen lijken, wat hun kansen op overleving verhoogde.

Strijd tegen kwalijke soorten

In 2001 rekenden wetenschappers uit dat ‘evolutie’ de Amerikaanse samenleving meer dan 100 miljard dollar per jaar kostte aan gemiste opbrengsten en gemiste kansen. Maar wetenschappers zien niet lijdzaam toe op de ontwikkelingen. De jongste trend in de strijd tegen kwalijke soorten is trachten hun evolutionaire aanpassingsvermogen lam te leggen. Zo mengen agronomen op velden gewassen met en zonder ingebouwde weerstand tegen pesticiden, waardoor pestsoorten minder makkelijk wapens kunnen ontwikkelen tegen bestrijdingsmiddelen. Combinatietherapieën zijn een manier om de strijd tegen resistentie van bacteriën tegen antibiotica op te voeren.

Controle op evolutie

Máár, waarschuwde New Scientist onlangs: controle uitoefenen op evolutie klinkt aanlokkelijk, maar er zullen ongetwijfeld onverwachte gevolgen zijn. De natuur heeft altijd onverwachte dingen uitgedokterd, vanaf het prille begin van het leven. En hoe complexer het leven wordt, hoe onverwachter de gevolgen kunnen zijn. Dat inzicht houdt de wetenschappelijke goegemeente niet tegen. ‘Anti-evolutiesuperwapens’ zijn al ingezet om weerstand tegen antibiotica te counteren. Er wordt nagegaan of ze ook in andere domeinen nut kunnen hebben.

Daarvoor wordt vooral uitgekeken naar mogelijkheden die een recente nieuwigheid biedt: de CRISPR-technologie. Die stelt wetenschappers in staat om doelgericht in te grijpen op het genetisch materiaal van mensen en andere dieren. Wetenschappers kunnen ook synthetische genen creëren die niet in staat zijn te muteren. Er bestaat ook iets als ‘gene-drives’: die promoten bepaalde genen zo sterk dat ze een populatie gaan overwoekeren, zodat die bijvoorbeeld zichzelf uitschakelt. De techniek wordt momenteel in Zuid-Amerika getest in een poging om plaatselijk malariamuggen uit te roeien.

Niet iedereen is even enthousiast over die ontwikkelingen. Als het al zo moeilijk is om de eerste levensstappen na te bootsen, hoe kun je dan met enige vorm van zekerheid over wat je doet interfereren met de complexe fasen van het leven? Zo zijn er aanwijzingen, gepubliceerd in Nature, dat de CRISPR-techniek niet altijd doet wat de bedoeling is. Het inbrengen of verplaatsen van stukjes DNA kan ongewilde wijzigingen in genen veroorzaken, hoewel die niet noodzakelijk tot problemen hoeven te leiden – ook in natuurlijke omstandigheden hebben de meeste mutaties geen effect.

Genetici zijn er ook achter gekomen dat er zoiets bestaat als ‘Dark DNA’ (‘donker DNA’): stukken van de genetische code die niet opgepikt worden in snelle screenings. De machines die het DNA automatisch screenen (sequencers) zouden de neiging hebben om zones met veel opeenvolgende exemplaren van dezelfde samenstellende chemische base (DNA is in essentie een keten van vier verschillende basen) over het hoofd te zien. Het zou zelfs om substantiële delen van het genoom kunnen gaan. Maar wat je niet ziet, kun je uiteraard niet vatten. Dat noopt tot voorzichtigheid.

Science publiceerde een prachtig dubbelessay over de nalatenschap van het boek Frankenstein van de Britse Mary Shelley uit 1818, naar aanleiding van de 200e verjaardag van haar verhaal. Het boek moet een waarschuwing zijn voor wetenschappers die prutsen met het leven. ‘De vele mensen die het boek niet gelezen hebben en denken dat Frankenstein de naam van het monster is, zijn in realiteit dichter bij de waarheid dan ze denken’, zo besloot het eerste essay – voor een goed begrip: Victor Frankenstein was de wetenschapper die dode mensen weer tot leven wilde wekken, maar finaal keerde zijn monster zich tegen hem omdat hij het onvoldoende koesterde. Het tweede essay had wel goed nieuws voor de biologen onder ons: het zou niet het sleutelen aan het genetische materiaal zijn dat het grootste risico voor de mensheid betekent, wel het creëren van artificiële intelligentie en zelfstandig lerende machines. Het is een magere troost.