Evolutietheorie

Een nieuwe evolutietheorie laat zien dat hij niet op toeval berust - en lost meteen het raadsel ‘seks’ op

Zogeheten chelonidis hoodensis schildpadden op een van de Galapagos-eilanden waar Charles Darwin tot een inzicht kwam dat tot de evolutietheorie zou leiden. Beeld AFP
Zogeheten chelonidis hoodensis schildpadden op een van de Galapagos-eilanden waar Charles Darwin tot een inzicht kwam dat tot de evolutietheorie zou leiden.Beeld AFP

Toeval zit in het hart van de evolutietheorie; ze is willekeurig. Ten onrechte, zegt bioloog Adi Livnat. Hij laat met zijn nieuwe evolutietheorie zien waarom, en lost meteen een klassiek raadsel op: seks.

Willem Schoonen

Het is een schoolvoorbeeld van evolutie: sikkelcelanemie. Een weeffout in hemoglobine – het molecuul dat rode bloedlichaampjes hun kleur geeft en dat zorgt voor transport van zuurstof in het lichaam – veroorzaakt deze vorm van bloedarmoede, met vaak ernstige lichamelijke gevolgen.

Sikkelcelanemie is erfelijk. Maar omdat de aandoening zo vernietigend ingrijpt op het lichaam, is het gen dat zorgt voor die weeffout normaal gesproken snel uit de populatie verdwenen. De weeffout sterft uit.

Dat is in onze contreien ook het geval, maar niet in Afrika beneden de Sahara bijvoorbeeld. Daar komt sikkelcelanemie veel voor. Dat komt doordat de weeffout bescherming kan bieden tegen een andere ernstige ziekte: malaria. Als je het gen voor sikkelcelanemie niet van allebei je ouders krijgt, maar slechts één kopie, krijg je die ziekte niet, maar ben je wel beschermd tegen malaria.

In malariagebieden is het gen voor sikkelcelanemie een evolutionair voordeel, zoals dat heet; het vergroot iemands overlevingskans. Daardoor kan deze genetische eigenschap zich in de populatie verspreiden, terwijl die in gebieden waar malaria niet voorkomt juist uit de populatie verdwijnt.

Een malariamug op de huid van een onderzoeker in Nairobi.  (EPA) Beeld EPA
Een malariamug op de huid van een onderzoeker in Nairobi. (EPA)Beeld EPA

Het voorbeeld wordt veel gebruikt, omdat het zo mooi illustreert hoe de evolutietheorie in elkaar steekt. Je hebt genetische variatie die voor- of nadelen kan opleveren, afhankelijk van de leefomstandigheden. En je hebt natuurlijke selectie die kaf van koren scheidt; de omstandigheden die uitmaken wat voordeel is en wat nadeel.

Kerngedachte van de evolutietheorie is dat die genetische variatie in zichzelf geen richting heeft; ze is willekeurig. Het evolutionaire pad, de richting, wordt bepaald door natuurlijke selectie.

Minder willekeurig dan gedacht

Het is een mooi afgerond verhaal, met de charme van eenvoud. Maar er zijn aanwijzingen dat dit het hele verhaal niet is. Een ploeg wetenschappers uit Israël en Ghana zegt bewijzen te hebben dat de genetische variatie, waarmee de evolutietheorie begint, minder willekeurig is dan gedacht. En die bewijzen vonden ze uitgerekend bij dragers van de genetische weeffout die sikkelcelanemie veroorzaakt.

De onderzoekers hebben gezocht naar gevallen waarin die weeffout niet was overgeërfd door de ouders, maar door de nakomeling zelf was gevormd. Een spontane mutatie. Met zo’n spontane mutatie is natuurlijke selectie nog niet aan de slag gegaan, dus de kans dat die ontstaat zou overal even groot moeten zijn. In theorie is de genetische variatie tenslotte een willekeurig proces.

Maar de onderzoekers zagen die spontane mutatie vaker bij Afrikanen dan bij Europeanen. “Bovendien zagen we die spontane mutatie vaker in het gen dat die bescherming tegen malaria geeft”, zegt onderzoeksleider Adi Livnat, hoogleraar aan de universiteit van Haifa, Israël.

“Deze mutatie kan ook voorkomen in een ander gen voor hemoglobine, maar dat is een soort controlegen dat geen bescherming kán bieden tegen malaria. Daar zagen we de mutatie minder vaak. Met andere woorden: deze spontane genetische mutatie komt vaker voor in het gen en in de populatie waar hij een evolutionair voordeel heeft.”

Vloeken in de kerk

Dat is vloeken in de kerk van de evolutietheorie. Want voor je het weet ben je terug bij een evolutietheorie die populair was voor Charles Darwin in 1859 zijn theorie van natuurlijke selectie publiceerde. De oude theorie die daarmee van tafel ging, stond op naam van de Franse bioloog Jean-Baptiste de Lamarck, en wordt lamarckisme genoemd.

Lamarck betoogde dat organismen gunstige eigenschappen, die ze ontwikkelen in antwoord op hun leefomstandigheden, doorgeven aan hun nageslacht. De giraf die zich moet uitrekken om bij de bladeren te komen, zou nakomelingen krijgen met een langere nek.

Livnat: “Lamarckisme veronderstelt directe genetische aanpassingen op omgevingsfactoren. Het gaat ervan uit dat organismen weten hoe ze hun genen moeten veranderen om beter aangepast te raken aan hun leefomgeving, en dat ze een manier hebben om die aanpassingen door te geven aan hun nageslacht. In deze theorie speelt natuurlijke selectie geen rol.”

Het waren Charles Darwin en zijn collega Alfred Wallace die natuurlijke selectie tot kern maakten van de evolutietheorie: niet het organisme, maar natuurlijke selectie bepaalt welke eigenschappen worden vermeerderd en verspreid.

Darwin begint op de boerderij

Dat eigenschappen konden worden overgeërfd van ouder op nageslacht was natuurlijk bekend. Darwin begint zijn grote boek over de evolutietheorie (On the Origin of Species) niet voor niets op de boerderij, waar gekruist wordt dat het een lieve lust is om het beste in planten en dieren naar boven te halen. Maar hoe dat precies in zijn werk ging, kon Darwin niet weten. De wetten van erfelijkheid en genen moesten nog worden ontdekt.

Darwins evolutietheorie aangevuld met de genetica, of erfelijkheidsleer, wordt neo-darwinisme genoemd. En daarin is geen plaats meer voor Lamarck.

Livnat: “In de jaren veertig van de vorige eeuw werd aangetoond dat mutaties zoals het lamarckisme die veronderstelt, niet mogelijk zijn. Daaruit hebben biologen de conclusie getrokken dat genetische mutaties helemaal toevallig moeten zijn. In de fundamenten van de theorie was dat de enig andere mogelijkheid die ze zagen. Het idee dat mutaties noch lamarckiaans noch geheel willekeurig zijn is nooit uitgewerkt en nooit empirisch getest, tot wij naar hemoglobine en sikkelcelanemie gingen kijken.”

Een derde weg

Dit empirische bewijs opent een derde weg en wordt door Livnat gezien als bevestiging van een evolutietheorie waaraan hij al jaren werkt. In die theorie is genetische variatie niet het resultaat van toevallige mutaties en kopieerfouten, maar van interacties in het genetisch apparaat van een organisme.

Interacties waarin informatie komend van verschillende plekken op het DNA, in een nieuwe mutatie worden ‘geschreven’. Mutaties worden gestuurd, en in die sturing spelen eerdere genetische veranderingen die het organisme heeft ondergaan een rol.

Waar het neo-darwinisme fenotype (het beest) en genotype (zijn genetisch apparaat) gescheiden houdt, ziet Livnat een samenspel: “De verspreiding van eigenschappen in een populatie wordt nog steeds bepaald door natuurlijke selectie. Maar de variatie in eigenschappen komt voort uit informatie die in het genoom is geaccumuleerd.”

Mutaties hebben een richting

In de theorie van Livnat is het fenotype, het beest, niet alleen bezig met overleven en voortplanten, maar ook met het vastleggen van genetische mutaties. “Daaruit volgt de voorspelling dat mutaties een richting hebben die wordt bepaald door de druk van omgevingsfactoren. Wat we nu hebben aangetoond in de mutaties van het gen voor hemoglobine is in strijd met het neo-darwinisme, maar kan met deze theorie worden verklaard.”

Daarmee houdt de theorie van Livnat het midden tussen de directe overerving van Lamarck en het complete toeval van het neo-darwinisme. Tot zijn genoegen brengt dit de Israëlische hoogleraar terug bij de vader van de evolutietheorie.

In On the Origin of Species schrijft Darwin: ‘Ik heb tot dusverre soms gesproken alsof variaties – die zo algemeen en veelvormig zijn bij organische wezens onder domesticatie, en in mindere mate ook bij die in de vrije natuur – toe te schrijven zijn aan toeval. Dat is natuurlijk een volstrekt incorrecte uitdrukking, maar ze is dienstig om onze onwetendheid over de oorzaak van iedere afzonderlijke variatie duidelijk te erkennen.’

Livnat: “Darwin was ervan overtuigd dat natuurlijke selectie niet de enige weg was voor de verandering van levende organismen. Het neo-darwinisme, dat in de twintigste eeuw zijn beslag kreeg, strookt niet met gedachten die hij had over de bron van erfelijke variatie.”

Het raadsel seks opgelost

Alleen toevallige mutaties kunnen de evolutie van het leven niet verklaren, zegt de Israëlische bioloog Adi Livnat. Daarvoor zijn complexe mutaties nodig die voortkomen uit de interactie tussen fenotype (het beest) en genotype (zijn genetisch apparaat). Daaruit volgt dat die mutaties een richting hebben die aanpassing aan de leefomgeving en overlevingskansen vergroot (zie hierboven). En, zegt Livnat, daaruit volgt ook dat seks essentieel is voor evolutie.

Dat is een breuk met het gangbare denken over seks. De evolutietheorie heeft het wat moeilijk met seksuele voortplanting. Want daarin worden de genetische eigenschappen van individuen gemixt en komt van ieder maar een deel in het nageslacht terecht. Als evolutionair succes neerkomt op het doorgeven van eigenschappen aan zoveel mogelijk nageslacht, dan kun je beter jezelf kopiëren, dan gaat er niets van jou verloren. Veel bacteriën, planten en dieren doen dat ook.

In de gangbare theorie is seks min of meer bij toeval ontstaan, en heeft het een extra bron van variatie opgeleverd voor de evolutie van complexe levensvormen. Dat evolutionaire voordeel zou groter zijn dan het verlies dat het individu lijdt omdat een deel van zijn genen overboord gaan. Het leven op aarde zou aseksueel begonnen zijn, en seks heeft het op een hoger plan gebracht.

Livnat draait het verhaal om: in zijn theorie wordt evolutie gedreven door seksuele voortplanting, en moet het leven zijn begonnen met seks, ofwel de uitwisseling van eigenschappen tussen individuen. Dat is een logische gevolgtrekking, zegt hij. Want als je het leven laat beginnen met organismen die zich aseksueel voortplanten en alleen door toevallige mutaties veranderen, en je moet uitkomen bij de complexe interactieve evolutie die we nu zien, dan komt er in het verhaal ergens een onverklaarbare breuk.

Het idee dat het leven toevallig en aseksueel begonnen is komt voort uit terugredeneren, zegt Livnat. Beginnend bij alle levensvormen die we nu zien, gaan we terug naar hun voorouders, en hún voorouders, en hún voorouders, tot we uitkomen bij een simpele levensvorm, misschien maar een enkel molecuul, die toevallig in staat bleek zichzelf te kopiëren, ‘nageslacht’ te maken.

Maar zo hoeft het niet te zijn geweest. Het is heel goed denkbaar, zegt Livnat, dat er een ‘proto-ecologie’ van chemische reacties is geweest waarin vermeerdering en uitwisseling van eigenschappen op gang kwam. Het leven hoeft niet te zijn begonnen met een ‘Adam-molecuul’. Het idee van een eerste levensvorm die zichzelf kopieerde is op zich al een logische onmogelijkheid, omdat er bij die ‘zelfreplicatie’ altijd bouwstenen nodig zijn en de omgeving een rol speelt.

Dit mag dan een elegante oplossing zijn voor het raadsel seks, maar intussen zijn er tal van soorten die zich zonder seks prima redden. Die, zegt Livnat, zijn niet het begin van het verhaal maar het eind. Soorten die zich aseksueel voortplanten vertonen weinig ontwikkeling, omdat ze de motor missen voor complexe genetische verandering die hun overlevingskansen verbeteren. Daarom zijn ze in de natuur zo’n kleine minderheid en zijn ze op de lange duur gedoemd uit te sterven.

Lees ook:

De verste voorouder van complex leven komt in zicht

De mens kan kennis gaan maken met zijn verste voorouder, van twee miljard jaar geleden. In Japan, in het lab van microbiologen.

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden