Sinds evolutiebiologen hun blik verlegden naar bacteriën gaat het in onderzoek naar evolutie niet meer alleen om oude fossielen. Mutatie en selectie vinden nog elke dag plaats, en blijken ook in het laboratorium goed te bestuderen.
Stel je voor dat we, in een dikke ijspegel die ver in de aardkorst steekt, elke week een nieuwe Ötzi-de-IJsman zouden aantreffen; dat elke paar honderd jaar een van onze voorouders in de ijsspleet was gegleden en onmiddellijk diepgevroren; dat we zo een half miljoen jaar terug konden gaan, ver voorbij de moderne mens (Homo sapiens sapiens), en dat al die honderden Ötzi’s na ontdooien weer springlevend zouden zijn.
De vondst van zo’n ijspegel zou natuurlijk het wetenschappelijke nieuws van de eeuw zijn, en van onschatbare waarde voor ons begrip van de evolutie.
In zekere zin zijn de vrieskisten van Richard Lenski, bioloog aan de Michigan State University in het Amerikaanse Lansing, even opwindend. Ze bevatten alleen geen mensen, maar kolonies darmbacteriën. Zestien jaar nadat Lenski besloot de evolutie van één darmbacterie op de voet te volgen en duizenden tussenstappen in vloeibare stikstof op te slaan, omspant zijn bevroren archief al meer dan dertigduizend generaties.
Het experiment vormde de kiem voor een vakgebied dat nu ‘experimentele evolutie’ heet. Want evolutiebiologen beperken zich niet meer tot wat vrijblijvende speculaties over een grijs verleden, maar analyseren en manipuleren evolutionaire processen die zich afspelen terwijl de experimentator erbij staat.
Allerlei vragen kunnen worden beantwoord. Zijn de verre nazaten beter of slechter dan hun voorouders? En wat als we de evolutie konden overdoen? Zouden de uitkomsten dan de zelfde zijn?
De evolutietheorie leed altijd onder een wat stoffig imago. Het was vooral het domein van paleontologen — gezellige, maar wel wat zonderlinge wetenschappers die eindeloos rommelen in laden vol gefossiliseerde, miljoenen jaren oude botjes. Soms lukt het om de leeftijden enigszins nauwkeurig vast te stellen, de botjes op volgorde te leggen en, met wat nattevingerwerk, via evolutionaire stippellijntjes te verbinden.
Andere methoden om evolutie te bestuderen, oogden nauwelijks opwindender. Op basis van uiterlijke gelijkenissen of, de laatste jaren steeds vaker, overeenkomsten in lange genetische codes, worden theoretische stambomen gereconstrueerd. Theoretisch, want of de evolutie echt volgens de lijnen van die stamboom is verlopen, is speculatief. De toevoeging van nieuwe varianten kan de stamboom bovendien plotseling weer doen veranderen.
Qua experimenten kwamen genetici nog het dichtst in de buurt.
Elke bioloog herinnert zich uit zijn college populatiegenetica een legendarisch voorbeeld van evolutie-in-actie. Toen de Britten op grote schaal bruinkool gingen verstoken, aldus dat verhaal, kleurden roetwalmen in sommige streken de bomen zwart. Voor grijsbruine motvlinders die zich, voorheen perfect gecamoufleerd, ophielden op boombasten, had dat grote gevolgen. Plotseling staken ze scherp af, duidelijk zichtbaar voor natuurlijke vijanden. Maar, zo ontdekten opmerkzame biologen, de vlinders gingen met hun tijd mee: na verloop van tijd waren vrijwel alle vlinders zwart.
Voor wie goed kijkt, zijn zulke voorbeelden nog steeds te vinden. De Amerikaanse bioloog David Reznick, van de University of California in Riverside, bekijkt bijvoorbeeld kleine guppen in beekjes op het Caribische eiland Trinidad. Guppen die leven op plekken waar ook veel natuurlijke vijanden voorkomen, leggen meer eitjes en al op jongere leeftijd, ontdekte Reznick. Hij nam bovendien de proef op de som: toen hij vijanden introduceerde in rustige stukjes, of andersom guppen uit gevaarlijke beekjes overbracht naar veiliger oorden, pasten de kleine visjes zich binnen tien jaar aan de nieuwe situatie aan.
De meeste populatiegenetici bleven echter in hun laboratorium, om proeven te doen onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden. Zij lieten fruitvliegen voortplanten en bekeken hoe sommige genen in de populatie in frequentie toe- of afnamen. Maar met een generatietijd van circa twaalf dagen kwamen de vliegen-experimenten niet verder dan enkele tientallen generaties, zodat van echte evolutie eigenlijk nauwelijks viel te praten.
Twee recente ontwikkelingen, vertelden beoefenaars van experimentele evolutie afgelopen maand op een symposium in Wageningen, brachten de revolutie in hun vak.
Om te beginnen groeiden de mogelijkheden om DNA te analyseren dramatisch, van het aflezen van een stukje van één gen tot, inmiddels, álle duizenden genen van een serie organismen. Voor het eerst kunnen zelfs de kleinste mutaties in dat DNA dus precies worden opgespoord.
De tweede ommekeer was de beslissing van Lenski en vele van zijn collega’s om de fruitvlieg vaarwel te zeggen en over te stappen op ééncellige organismen, zoals bacteriën, gistcellen en schimmels. Ze vermenigvuldigen zich nog veel sneller (en goedkoper), zijn heel gemakkelijk te manipuleren en, last but not least, je kunt ze levend invriezen en weer ontdooien om proefjes te doen. Het is alsof stoffige fossielen in de la van een paleontoloog weer tot leven komen en naast hun geëvolueerde nazaten komen te staan.
Richard Lenski was in 1988 een van de eersten die in hun laboratoria eencelligen als proefmateriaal omarmde. Nog altijd geldt hij als een soort grondlegger van de experimentele evolutie. Veel onderzoekers die nu over de hele wereld in het vakgebied werken, hebben ooit een poosje op zijn laboratorium in Michigan gebivakkeerd.
Voor zijn bevroren evolutie-archief koos Lenski in 1988 de darmbacterie Escherichia coli (afgekort: E. coli) uit. Deze onschuldige bacterie komt ook in menselijke darmen voor en is voor onderzoekers erg handig in de omgang.
Aan het begin van de proef stonden twaalf nakomelingen van één bacterie. In twaalf aparte flesjes plantten deze zusjes (m/v) zich vanaf dat moment gemiddeld bijna zeven keer per dag ongeslachtelijk voort. Elke dag wordt een klein deel van de kolonie overgebracht in een flesje dat naast water alleen glucose bevat — net genoeg om voor enige schaarste te zorgen. Alleen de E. coli-bacteriën die het best zijn aangepast aan het leven op een lage concentratie glucose overleven.
Elke tien weken vroor Lenski een representatieve steekproef van alle twaalf kolonies in met hulp van vloeibare stikstof. Naast archief was de vrieskist ook een belangrijke backup. Af en toe, bekende Lenski in Wageningen, gaat er iets mis bij het dagelijkse overhevelen van bacteriën naar nieuwe flesjes. Andere bacteriën dringen binnen en schoppen zaken in de war. Op zulke momenten ging de onderzoeker terug naar de vriezer en pakte hij de draad weer op vanaf de laatst ingevroren flesjes. Op die manier verdween hooguit een paar weken, in plaats van jaren werk door de gootsteen.
Inmiddels is het zestien jaar later en hebben Lenski’s twaalf E. coli-stammen zich meer dan dertigduizend keer voortgeplant. Omgerekend naar menselijke maatstaven is dat ongeveer zeshonderdduizend jaar. Tijd genoeg dus om alvast een aantal knagende vragen over de evolutietheorie te toetsen: als nazaten op één punt beter zijn dan hun voorouders, zijn ze dan op andere punten juist slechter? Hoe groot is de rol van het toeval? Wat als we, zoals de invloedrijke Amerikaanse paleontoloog Stephen Jay Gould ooit opperde, de videoband van de evolutie opnieuw zouden afspelen? Zou het eindresultaat dan hetzelfde zijn?
Op het eerste gezicht, vertelde Lenski in Wageningen, is de evolutie in alle twaalf flesjes tot nu toe ongeveer gelijk verlopen. De grootste veranderingen voltrokken zich in de eerste tweeduizend generaties, vaak schoksgewijs, corresponderend met belangrijke mutaties. Daarna leken de evolutionaire veranderingen naar een nieuw evenwicht te kruipen – wellicht het beste wat er, gegeven hun genetische bagage en de constante omstandigheden, in het vat zit.
In alle twaalf flesjes groeien de hedendaagse bacteriën bijna twee keer zo snel als hun verre voorouder, en allemaal zijn ze ongeveer twee keer zo groot. Het lijkt, om met Gould te spreken, alsof de videoband van het leven zich inderdaad een tweede keer op dezelfde manier zou hebben afgespeeld.
Maar schijn bedriegt. Wanneer het DNA van de twaalf stammen met moderne technieken nauwkeurig wordt bekeken, duiken onder de oppervlakte wel degelijk verschillen op. Zo trad bij drie van de twaalf stammen een mutatie op die een DNA-reparatiemechanisme onklaar maakte, waardoor ze nu honderd keer zo veel nieuwe mutaties krijgen als de andere negen. Bij elk van de drie stammen was de cruciale verandering in een andere evolutionaire fase ontstaan. Alles bij elkaar spoorden de onderzoekers tot nu toe zeventig verschillende mutaties op, maar bijna geeneen was in meer dan één stam terug te vinden. Van dichtbij bekeken nam de evolutie kennelijk tóch elk van de twaalf keren een andere route, zij het met globaal wel hetzelfde resultaat.
Zelf noemt Lenski de overeenkomsten tussen de twaalf stammen het meest opvallend. In zijn ogen benadrukken ze de ‘herhaalbaarheid’ van het evolutionaire proces. Toch zouden in de natuur de onderliggende verschillen wel degelijk belangrijker kunnen zijn. Want anders dan in dit experiment zien bacteriën in de echte wereld hun leefomstandigheden steeds veranderen. En juist op zulke momenten kunnen ogenschijnlijk subtiele verschillen grote gevolgen hebben.
Terwijl de bacteriën steeds beter gedijden op glucose-water, zo bleek, nam tegelijk hun vermogen om over te schakelen op andere voedingsbronnen af. Meer dan hun voorouders waren ze `specialisten’ geworden, afhankelijk van één bepaalde voedingsbron. Wanneer ze in plaats van glucose opeens maltose te eten kregen, een andere soort suiker, wisten sommige stammen zich veel beter aan te passen dan andere. Dat verschil bleef ook na honderd generaties nog bestaan.
Elke mutatie had voor- en nadelen, die niet altijd meteen tot uiting kwamen. Mutaties van tienduizend generaties terug bepaalden mee het vermogen om vandaag veranderingen te overleven.
Toeval, met andere woorden, speelde wel degelijk een grote rol in het evolutionaire proces, maar had meer effect gehad wanneer de omstandigheden regelmatig waren veranderd.
Experimentele evolutie maakt niet alleen gebruik van levende organismen. `Virtuele’ organismen, met elkaar concurrerend in computer-simulatieprogramma’s, worden door wiskundigen op grote schaal toegepast. En ook chemici ontdekken dat ze, door in hun kolven evolutie op gang te brengen, verbazingwekkende resultaten kunnen boeken.
Tot de plekken waar `gerichte evolutie’ steeds populairder wordt behoort de industrie, altijd op zoek naar enzymen of andere biologisch actieve stoffen die hun taak sneller, langer en nauwkeuriger kunnen uitvoeren dan het in de natuur aangetroffen origineel. Evolutie, zo blijkt, kan stoffen verbeteren op manieren die in het hoofd van zelfs de slimste ingenieur niet waren opgekomen.
Een invloedrijk onderzoeker op dit terrein was bioloog Willem Stemmer, ooit in Amsterdam afgestudeerd maar tegenwoordig wetenschappelijk directeur van het rond zijn werk gebouwde Amerikaanse bedrijf Maxygen nabij San Francisco.
Aanvankelijk imiteerden biochemici een wat primitieve vorm van evolutie. Met radioactieve straling wekten ze in bacteriën vele mutaties op. Vervolgens keken ze of misschien enzymen waren ontstaan die, toevallig, beter waren dan het origineel.
In 1994 bedacht Stemmer dat de échte evolutie nog een ander trucje kent: seksuele voortplanting, oftewel het in elke generatie uitproberen van nieuwe combinaties van oude genen.
Zelf noemde Stemmer zijn (inmiddels geoctrooieerde) methode ‘moleculair fokken’: zoals hondenfokkers verbeterde rassen genereren door telkens nieuwe willekeurige combinaties te maken en alleen met de beste nakomelingen verder te gaan, zo liet de bioloog een klein aantal enzym-varianten op miljoenen verschillende manieren met elkaar `paren’. In de reageerbuis hakte hij de bijbehorende genen in mootjes en liet ze in miljoenen toevallige combinaties weer in elkaar zetten. Alle combinaties werden vervolgens streng geselecteerd, waarna de besten het circus opnieuw ondergaan.
Met een paar fok-ronden kon Stemmer enzymen maken die, door louter toeval, hun ene specifieke taak veel beter konden uitvoeren dan de enzymen waarmee hij het experiment begon.
Het resultaat van evolutionaire biochemie, zegt microbioloog John van der Oost, van Wageningen Agricultural University, hangt vooral af van de selectie: hoe meer je erin slaagt de allerbeste enzymvarianten op te sporen, des te indrukwekkender kunnen je verbeteringen zijn.
Die uitkomst lijkt op de conclusies uit de experimenten met levende bacteriën: het eindpunt van het evolutionaire proces hangt vooral af van de omstandigheden waaronder je de bacteriën laat opgroeien, en niet van de precieze aard en plek van de toevallige mutaties. Maar ook: hoe strenger de selectie, des te minder individuen het overleven, en des te groter de rol van het toeval bij de vraag welke andere kenmerken naar de toekomst worden meegenomen.
In veel opzichten staat experimentele evolutie nog in de kinderschoenen. Nog steeds kost het vele tienduizenden euro’s om alle genen van één bacterie te lezen, bijvoorbeeld, waardoor de bevroren archieven van wetenschappers als Lenski vooralsnog grotendeels ongelezen blijven. De komende jaren zullen de mogelijkheden echter snel blijven groeien, waardoor live evolutie met een steeds sterkere loep kan worden geobserveerd.
Hoe nuttig die kennis ook zal zijn om de nauwkeurigheid van Darwins evolutietheorie te testen, en haar zonodig nog wat bij te stellen, de kans is klein dat zulke experimenten ook `creationisten’ over de streep zullen trekken. Zij zullen, en dat met enig recht, wijzen op het feit dat Lenski ook na dertigduizend generaties nog steeds E. coli-darmbacteriën in zijn flesjes had, geen gistcellen of algen, laat staan de kiem van een paardebloem. Anders dan verreweg de meeste biologen zullen zij niet bereid zijn aan te nemen dat de uitkomst van nog veel meer kleine evolutionaire veranderingen op de lange duur echt tot nieuwe genen, cellen, organen en soorten leidt.
Uiteindelijk rust Darwins evolutietheorie niet alleen op mutatie, recombinatie en omgevingsselectie, maar óók stevig op de luxe van veel, heel erg veel tijd. Zelfs in bacteriën, en zelfs voor zéér geduldige biologen, zal het niet meevallen om dat proces in zijn volle glorie in actie te zien.