Voorspellen van evolutie kan begrip van het proces vergroten

Is evolutie een proces dat we op basis van algemene principes kunnen voorspellen? Meike Wortel en Ken Kraaijeveld bestuderen microscopische wormpjes om meer grip te krijgen op de (on)voorspelbaarheid van evolutie.

15 juli 2019

Valt evolutie te voorspellen? En welke informatie heb je daarvoor nodig? Dat onderzoeken Meike Wortel en Ken Kraaijeveld als postdoctoraal onderzoeker bij de Universiteit van Amsterdam en fellow bij het Origins Centre. Wat ze doen klinkt tegenstrijdig, want evolutie draait om het ontstaan van nieuwe eigenschappen of kenmerken waarvan je terugkijkend kunt concluderen dat er evolutie heeft plaatsgevonden. In zijn boek Darwin in de stad omschrijft bioloog Menno Schilthuizen evolutie dan ook treffend als ‘wijsheid achteraf’.

NEMO Kennislink ging op bezoek bij Wortel en Kraaijeveld om te vragen waarom ze evolutie willen voorspellen, of dat eigenlijk wel kan en wat het nut van zulke voorspellingen zou kunnen zijn.

Waarom willen jullie evolutie voorspellen? Het onverwachte is toch juist de kern van evolutie?

Kraaijeveld: “Als je iets echt begrijpt, moet je het kunnen voorspellen. Wij proberen te verkennen hoe ver we daarmee komen.”

Dan ga je er dus vanuit dat evolutie aan bepaalde regels is gebonden?

Kraaijeveld: “Ja, en we proberen nu uit te vinden wat die regels zijn en die gaan we weer testen.”

Wortel: “Het is ook mogelijk dat evolutie inherent onvoorspelbaar is, maar het is te vroeg voor die conclusie. Er is nog veel ruimte om deze processen beter te begrijpen en proberen te voorspellen. Ik denk dat er zeker voorspelbare principes zijn, maar kansprocessen [willekeurige processen, zoals kop of munt – red.] spelen ook een rol.”

Is het waarschijnlijk dat het volledig onvoorspelbaar zou zijn?

Kraaijeveld: “Het lijkt niet waarschijnlijk dat het allemaal op kans berust, omdat er ook zoiets is als convergente evolutie. Dat is het proces waarbij vergelijkbare eigenschappen op meerdere manieren en momenten onafhankelijk van elkaar ontstaan. Een goed voorbeeld is het oog, dat is op meerdere momenten gedurende de evolutie ontstaan. Insecten hebben andere ogen dan inktvissen en die ogen zijn weer anders dan die van ons, maar het basisprincipe is steeds gelijk. Het oog is een manier om licht om te zetten in informatie. Blijkbaar was er verschillende keren selectiedruk om licht te gebruiken als informatiebron en dit heeft geleid tot het ontstaan van ogen.”

Wortel: “Dat kunnen we nu beredeneren, omdat we terug kunnen kijken. De vraag voor ons is of het ook mogelijk is om vooruit te redeneren. Stel we gaan naar de situatie voordat er ogen waren, weten we dan genoeg om te voorspellen dat het zou ontstaan?”

Stel we slagen erin om zulke processen te voorspellen, hebben we daar dan iets aan om ook andere vragen te beantwoorden?

Wortel: “Pfff, dat is een moeilijke vraag. Ik zie wel toepassingen om bijvoorbeeld de invloed van veranderingen in het klimaat op een populatie te voorspellen. Als dat lukt, weten we wanneer het tot echt grote veranderingen leidt. Of voorspellen hoe bacteriën evolueren als reactie op antibiotica om effectievere behandelingen te ontwerpen. Maar voor ons draait het meer om het begrijpen van het proces waarmee je tot een voorspelling komt. Wat moeten we weten en welke factoren nemen we mee? Daar ligt de kern van ons onderzoek.”

Kraaijeveld: “Gaandeweg ontdekken we van alles wat we nog niet in beeld hadden, maar wat wel van belang is.”

Zoals?

Wortel: “We proberen te achterhalen welke factoren invloed hebben op het evolutieproces. Zijn dat bepaalde eigenschappen van een soort? Is het aantal genen dat verandert van belang? We willen weten welke zaken veel invloed hebben en welke weinig, zodat je beter weet wat je nodig hebt om een voorspelling te maken.”

Maar niet ieder organisme is even goed in staat om zich aan te passen. Is gevoeligheid voor evolutie ook iets waar jullie naar kijken?

Kraaijeveld: “Dat is een belangrijke vraag, de verhouding tussen gevoeligheid en robuustheid. Sommige organismen zijn misschien meer in staat om zich aan te passen dan anderen, maar waar komt dat door? Dit is ook nog een onontdekt terrein.”

Het klinkt alsof dit type onderzoek nog helemaal aan het begin staat. Is het een heel nieuw onderwerp?

Kraaijeveld: “Evolutiebiologie is al een tijd een groot onderwerp, maar het onderzoek naar de voorspelbaarheid van evolutie is nog behoorlijk nieuw. Het wint wel snel aan belangstelling, omdat de experimentele technieken steeds beter worden. Tot nu toe zijn experimenten met evolutie in het lab altijd op bacteriën uitgevoerd, omdat werd gedacht dat het onmogelijk was om evolutie ook in meer complexe organismen te bewerkstelligen. Maar de laatste jaren is duidelijk geworden dat evolutie in allerlei planten en dieren plaatsvindt waar we bij staan en dat het ook sneller gaat dan we dachten.”

Genetische veranderingen zijn spontane gebeurtenissen. Hoe zorgt dat voor het ontwikkelen van eigenschappen die gunstig zijn in de nieuwe situatie?

Kraaijeveld: “Pas op met de term ontwikkelen, daar gaat het vaak fout. Ontwikkelen heeft een richting en gebeurt tijdens het leven van een individu, evolutie niet. Evolutie is geen bewuste keuze om je aan te passen. Er is natuurlijke genetische variatie in een populatie, dat is gewoon het basismateriaal. Die variatie is willekeurig. Dat er ook richting in het proces zit, komt door selectie en die komt voort uit de situatie op dat moment.”

De krekel *Teleogryllus oceanicus*. De mannetjes maken een kenmerkend geluid waarmee ze vrouwtjes lokken, maar de parasitaire vlieg *Ormia ochracea* kan dat geluid ook horen en weet zo de krekels op te sporen om daarin haar eitjes te leggen. Met dodelijke gevolgen voor de krekel in kwestie. Krekels die geen geluid kunnen maken ontsnappen aan de vlieg, waardoor in korte tijd de populatie evolueerde naar vooral ‘stille’ krekels.
Caroline Harding, MAF via Wikimedia Commons CC BY 3.0 AU

“Er wordt vaak gezegd dat bacteriën resistentie ontwikkelen tegen antibiotica, maar dat is het niet. In een populatie bacteriën zijn, door die willekeurige genetische variatie, toevallig een paar individuen die een antibioticum overleven en zij kunnen zich daarom voortplanten. Dat is geen ontwikkelen, maar evolutie. Het voordeel komt naar voren, omdat de variatie er al was en de specifieke omstandigheden zorgden voor de selectie.”

Wortel: “Dit was mooi te zien in de snelle evolutie van een populatie krekels op Hawaii. De mannetjeskrekels lokken vrouwtjes met geluid, maar er dook een parasiterende vlieg op die eitjes in krekels legt en waarvan de larven vervolgens de krekel opeten. Die vlieg ging af op dat geluid. Het gevolg was dat alleen krekels die geen geluid konden maken, overleefden en dus was er na verloop van tijd een populatie van stille krekels ontstaan. Dat ging snel.”

En dit is wel echt een voorbeeld van evolutie?

Kraaijeveld: “Ja, want de populatie is veranderd op genetisch niveau. Dat ze geen geluid meer maken is geen voorbeeld van ontwikkeling, het is geen keuze of aangeleerd gedrag om geen geluid te maken. De bron is genetische variatie. Krekels maken geluid, maar er zitten door die variatie ook een paar kneusjes tussen die dat geluid niet kunnen maken. Normaal gesproken zouden deze krekels in het nadeel zijn, want ze vinden geen partner. Maar dan wordt opeens iedereen die wel geluid maakt opgevreten en blijken de kneusjes in het voordeel.”

Wortel: “Dat zij geen geluid maken komt volledig door die willekeurige genetische variatie, maar dat het een voordelige eigenschap werd, kwam door een verandering in de omgeving. Het hangt helemaal van de context af of een eigenschap voordelig is of niet.”

Hoe ziet jullie onderzoek er in de praktijk uit? Hoe kun je achterhalen wat de belangrijke factoren zijn om evolutie te voorspellen?

Kraaijeveld: “We werken met C. elegans, dat is een microscopisch kleine worm die voor allerlei onderzoek als modelorganisme wordt gebruikt en daarom al uitgebreid is bestudeerd. We willen in populaties van C. elegans evolutie laten gebeuren en dat proces bestuderen. Met dan vooraf een voorspelling over wat we denken dat er gaat gebeuren, zodat we die voorspelling kunnen testen.”

Hoe specifiek zijn die voorspellingen?

Wortel: “Daar zijn we nog zoekende in, we weten nog niet hoe specifiek we kunnen zijn. We doen daarom ook verschillende typen experimenten. We hebben een test die wordt uitgevoerd in verschillende laboratoria, waarbij populaties C. elegans met genetische variatie worden blootgesteld aan nieuwe voedselbronnen. De selectiedruk is dan het omgaan met dat nieuwe voedsel en we willen kijken of ze zich daaraan aanpassen en op welke manier. Een van de centrale vragen hier is of de hoeveelheid genetische variatie een factor is die invloed heeft op de voorspelbaarheid. Kunnen we beter of slechter voorspellen wat er gebeurt als er meer of minder genetische variatie is?”

Wil je dan weten hoeveel procent van de populatie zich aanpast? Of zoek je naar eigenschappen die veranderen?

Dit microscopisch kleine wormpje luistert naar de naam *Caenorhabditis elegans* en het is een van de meest bestudeerde organismen ter wereld. Het maatstreepje linksonder is 100 micrometer (0,1 millimeter) lang.
Jan van Arkel

Wortel: “Daar zijn we ook nog niet uit, we zitten nog echt aan het begin. Misschien gaan individuen meer op elkaar lijken. Het is nog uitvinden op welk niveau we voorspellingen kunnen doen. Als we ooit echt precies weten hoe iedere verandering in het DNA leidt tot een veranderde eigenschap en hoe dat is gekoppeld aan een evolutionaire stap, dan kunnen we vast heel goede voorspellingen doen. Maar zover is het nog lang niet.”

Kraaijeveld: “Waarschijnlijk hoeft dat ook helemaal niet. Het is best mogelijk goede voorspellingen te doen over filevorming, zonder dat je precies weet welk merk auto’s er op de weg zijn en wat er onder de motorkap van iedere auto zit. De voorspellingen mogen best grofkorrelig zijn, gaandeweg volgt de verfijning wel.”

Je noemde dat er verschillende typen experimenten zijn. Welke zijn er nog meer?

Kraaijeveld: “We kijken ook naar populaties zonder genetische variatie, deze wormpjes zijn allemaal genetisch identiek. Evolutie kan hier alleen optreden door nieuwe, spontane variaties. Deze wormpjes hebben een probleem waardoor de voortplanting moeilijk gaat en de selectiedruk hier is het ‘oplossen’ van dat probleem. De nakomelingen zijn gelijk aan hun ouders, maar door kleine foutjes in het kopiëren van het DNA kunnen er mutaties [veranderingen in het DNA – red.] ontstaan en als die veranderingen zorgen voor een klein voordeel bij de voortplanting, dan zal er selectie ontstaan. In dit experiment zijn we vooral geïnteresseerd in de mutaties die gaan zorgen voor selectie en wat de rol van de mutaties is.”

Wortel: “En dan hebben we als derde type experiment nog een studie waarin de wormpjes en bacteriën, die het voedsel voor de wormpjes zijn, samen laten evolueren. We weten dat bij hoge selectiedruk een populatie snel in een bepaalde richting kan evolueren, maar als er co-evolutie is, dan verwacht je een blijvende hoge selectiedruk. De bacterie evolueert om de worm te weerstaan, maar die past zich ook weer aan en zo blijven de twee elkaar beïnvloeden. Dat proces willen we ook bestuderen.”

Verschillende generaties *C. elegans* in het lab van Wortel en Kraaijeveld, gezien door de microscoop.
Esther Thole voor NEMO Kennislink

Stel, jullie zien duidelijke, herhaalbare patronen in deze experimenten. Hoe bepaal je dan of er sprake is van algemene principes die ook voor andere organismen gelden?

Wortel: “We kunnen het vergelijken met evolutie experimenten in bacteriën, want daar is al veel onderzoek naar gedaan. Maar die studies beginnen vaak met genetisch identieke populaties, dus het ligt wel iets anders. Daarom kiezen wij ook voor nematoden met en zonder genetische variaties in de hoop dat we iets over grotere dieren kunnen zeggen.”

Kraaijeveld: “Vooral de stap van bacterie naar meercelligen, zoals onze wormpjes, is nieuw. Om vanuit onze experimenten de stap te maken naar andere, grotere meercelligen, dat durf ik wel aan. Ik denk dat de stap van bacterie naar nematode groter is dan van nematode naar bijvoorbeeld een olifant.”

Serie interviews met Origins Center Fellows

Dit artikel hoort bij een serie van interviews met de ‘research fellows’ (postdoctorale onderzoekers) van het Origins Center.

Het Origins Center is een Nederlands samenwerkingsverband dat wetenschappers uit heel diverse onderzoeksgebieden bij elkaar brengt rond een van de grote vragen in de wetenschap, namelijk de oorsprong van leven op aarde en in het heelal. Het onderzoeksprogramma omvat vijf hoofdthema’s: