Je leest:

De buitenaardse blik op evolutie herzien

De buitenaardse blik op evolutie herzien

Auteur: | 26 juni 2003

Allerlei eigenschappen van organismen hebben een adaptieve functie: ze zorgen ervoor dat het organisme kan overleven en zichzelf kan voortplanten. Scherpe tanden zijn voor leeuwen voordelig omdat ze daarmee prooien kunnen vangen en zo niet verhongeren. Dit voordeel is door natuurlijke selectie ontstaan en daarmee een product van evolutie. Evolutiebiologen zoeken naar het waarom achter het bestaan van (uiterlijke) eigenschappen van organismen. Ze zijn vaak geneigd te denken dat een eigenschap wel een voordeel of functie moet hebben voor de soort. Maar dat uitgangspunt blijkt niet altijd juist. Eigenschappen van organismen komen namelijk ook vaak tot stand door eenvoudige, natuurkundige processen. Dat is het geval bij de rangschikking van bladeren aan een plantenstengel en bij de ontwikkeling van vijf vingers bij zoogdieren.

Waarom heeft de giraf een lange nek? Waarom hebben veel insecten facetogen? En waarom bezitten bijna alle zoogdieren vijf vingers? Kortom: waarom zien organismen eruit zoals ze eruit zien en waar komen die eigenschappen eigenlijk vandaan? Deze kwestie omtrent de opvallende vormen en patronen in de natuur, vormt de kern van de evolutiebiologie, maar is niet eenvoudig op te lossen.

Evolutiebiologen zoeken naar het waarom achter het bestaan van (uiterlijke) eigenschappen van organismen. Ze zijn vaak geneigd te denken dat een eigenschap wel een voordeel of functie moet hebben voor de soort. Maar dat uitgangspunt blijkt niet altijd juist. Eigenschappen van organismen komen namelijk ook vaak tot stand door eenvoudige, natuurkundige processen. Dat is het geval bij de rangschikking van bladeren aan een plantenstengel en bij de ontwikkeling van vijf vingers bij zoogdieren.

Een gangbaar antwoord op waarom-vragen is de adaptieve verklaring: soort X heeft eigenschap Y omdat dit een evolutionair voordeel met zich meebrengt. Giraffen hebben een lange nek waarmee zij bladeren kunnen eten van hoge bomen. De giraf met een lange nek kan daar in elk geval meer van eten dan zijn soortgenoten met een korte nek. Dit voordeel resulteert in een hogere overlevingskans voor de langnekken en bijbehorend meer nakomelingen ten opzichte van giraffen met een korte nek.. Als deze eigenschap genetisch vastligt, dan zal de lange nek blijven bestaan in de dochters en zonen van de lange giraf. Op den duur verdwijnen giraffen met een korte nek. Het simpele antwoord op de vraag waarom giraffen een lange nek hebben, is dus omdat het voordelig is voor het voortbestaan van de soort.

Volgens dezelfde redenering wordt duidelijk waarom kameleons een lange tong hebben (om insecten mee te vangen) en waarom gazellen zulke gespierde poten hebben (om uit de klauwen van leeuwen te blijven). Eigenschappen van organismen die genetisch verankerd liggen, verhogen op de één of andere manier de overlevings- en voortplantingskans. De genen (of: combinatie van genen) verantwoordelijk voor die gunstige eigenschappen, zijn geselecteerd door het evolutieproces en bepalen hoe de organismen op aarde eruit zien.

De adaptieve verklaring is vooral sterk in het licht van een veranderende omgeving. Verandering van de omgeving brengt namelijk nieuwe overlevingsproblemen met zich mee. Een soort moet daarom kunnen veranderen om te blijven voortbestaan. De evolutie van paarden is bijvoorbeeld sterk bepaald door de verandering van bossen naar grasland. Vroegere paardachtigen waren kleiner en hadden tenen die relatief ver uit elkaar stonden: ideaal voor wendbaarheid en noodzakelijk om zich tussen de bomen te bewegen. In een open landschap ontstonden al snel paarden met maar één duidelijk ontwikkelde teen. Hiermee konden zij zich beter afzetten op de hardere ondergrond en gemakkelijker snel grote afstanden konden afleggen. Het paard heeft dus met zijn huidige lichaamsbouw een ‘oplossing’ gevonden voor de eisen die de veranderde omgeving aan de soort stelde.

Afb. 1: De drie vormen van fyllotaxis: om-en-om, kransvormig en spiraalsgewijs.

Zinnige reden

Een probleem van de adaptieve verklaring is dat deze per definitie te verzinnen is, waardoor andere mogelijke verklaringen over het hoofd worden gezien. Je stelt jezelf bijvoorbeeld de vraag: waarom heeft soort X de eigenschap Y? Antwoord: Y zal wel een adaptieve waarde hebben. Vervolgens vraag je jezelf af welk positief effect eigenschap Y dan heeft op de overlevingskansen van soort X. Een zinnige reden is meestal wel te bedenken. Toch kun je jezelf afvragen of alle kenmerken van organismen wel echt ontstaan zijn vanwege hun positieve bijdrage aan de overlevingskans (de fitness). Een opvallende eigenschap van planten wijst op een heel andere verklaring.

In essentie is een plant een stengel met bladeren. De blaadjes ontstaan na elkaar als de stengel groeit, de jongste zitten dus bovenaan. Het patroon dat de bladeren gezamenlijk vormen heet fyllotaxis. Er bestaan drie vormen van fyllotaxis: om-en-om, kransvormig en spiraal. In afbeelding 1 zie je ze schematisch weergegeven. De spiraalsgewijze fyllotaxis is de meest interessante van de drie.

Het kenmerkende van het spiraalsgewijze bladerpatroon is de hoek waaronder de opeenvolgende bladeren boven elkaar staan. Bij de meeste planten met deze fyllotaxis blijkt deze hoek 137.5o te zijn. Waarom zouden al die planten deze bladerhoek hebben? Is 137.5o een evolutionair voordelige hoek om bladeren te ordenen (de adaptieve verklaring), of is er iets anders aan de hand?

Eerdere analyses wezen erop dat onder deze hoek alle bladeren een optimale hoeveelheid licht opvangen. Er zit dus een duidelijke adaptieve waarde aan deze vorm van fyllotaxis. Daarom werd aangenomen dat er een gen bestaat dat de plant ‘instrueert’ om de opeenvolgende bladeren met die specifieke hoek boven elkaar te laten groeien. Tot op de dag van vandaag is zo’n gen echter nog niet gevonden! Er moet dus een andere verklaring zijn. En die komt uit de hoek van de natuurkunde.

Afstotende krachten

Douady en Couder voerden in 1992 een serie experimenten uit waarbij ze een vloeistof langzaam in een bakje met olie lieten druppelen. Deze vloeistof bevatte metaaldeeltjes. Vanwege dat metaal konden de onderzoekers de druppeltjes magnetiseren. Hierdoor worden de druppeltjes een soort kleine magneetjes, die elkaar afstoten. Op het moment dat de magneetdruppeltjes in de olie vielen, stroomden ze naar de rand van het schaaltje. De richting die de druppels opgingen vanaf het midden, werd bepaald door de positie van de druppeltjes die al aanwezig waren. Wanneer ze langzaam na elkaar in de olie vielen, ondervond één druppeltje enkel de afstotende kracht van het voorgaande druppeltje. Hierdoor bewogen deze twee met een hoek van 180° van elkaar vandaan. Zo bewogen de druppels om-en-om naar de rand van het schaaltje.

De twee natuurkundigen varieerden vervolgens de snelheid waarmee de vallende druppeltjes elkaar opvolgden. Bij hoge snelheden gebeurde er iets heel merkwaardigs. Wanneer een druppeltje in de olie viel, ondervond het de afstotende krachten van een aantal voorgaande druppeltjes, zodat er een spiraalsgewijs patroon ontstond. De hoek tussen de lijnen waarlangs twee opeenvolgende druppeltjes wegstroomden, was steeds dezelfde: 137.5o (zie afbeelding 2)! Maar wat heeft de fyllotaxis in planten nu te maken met deze proef van Douady en Couder?

Afb. 2: Schematische weergave van het experiment van Douady en Couder.

Er bestaat een zekere overeenkomst tussen de magneetdruppeltjes uit de proef en de manier waarop bladeren ontstaan. Want de blaadjes-in-wording ondervinden waarschijnlijk ook invloed van de voorgaande blaadjes. De afstand tussen hen is namelijk klein en het is te verwachten dat de groei van blad A, beperkend is voor de groei van blaadje B en andersom. Want door de vele celdelingen in beide bladeren, verdrukken de cellen van blaadjes A en B elkaar.

De krachten tussen de jonge blaadjes en die tussen de druppeltjes uit het experiment van Douady en Couder kun je goed met elkaar vergelijken: in beide gevallen bestaan er namelijk afzonderlijke objecten die elkaar afstoten. Omdat de blaadjes en de druppeltjes vergelijkbare krachten op elkaar uitoefenen, ontstaat er ook exact hetzelfde spiraalvormige patroon.

Het natuurkundeproefje van Douady en Couder verklaart niet alleen hoe de specifieke hoek van 137.5o ontstaat, maar ook waarom: de fyllotaxis ontstaat als gevolg van simpele, natuurkundige krachten en niet door de activiteit van (een aantal) genen of selectiedruk hierop. Volgens deze verklaring is fyllotaxis dus een ‘bijproduct’ van andere activiteiten die een plant ontplooit (namelijk groeien). Een plant hoeft niets te doen om zijn bladeren onder een hoek van 137.5o te plaatsen. Sterker nog: er moet een hoop aan te pas komen om af te wijken van die specifieke hoek!

Bedenk goed dat er ontzettend veel natuurkundige krachten werken op weefsels en organen, op het moment dat zij zich ontwikkelen. Wanneer dit resulteert in geordende patronen zoals de vaste fyllotaxis van planten, dan bestaan individuen voornamelijk uit structuren die ‘vanzelf’ ontstaan zijn. Al die eigenschappen zijn dan niet door natuurlijke selectie ontstaan. Dat betekent dus dat veel eigenschappen niet gecodeerd worden door genen maar alleen een bijproduct zijn van de ontwikkeling van de diverse cellen en weefsels.

Buitenaardse blik

De volgende kwestie verduidelijkt dit bijprodukt-idee. Een buitenaards wezen dat naar onze beschaving kijkt, verwondert zich mogelijk over de vraag waarom alle auto’s zwarte banden hebben, en zal op zoek gaan naar een verklaring. Waarschijnlijk zou het wezen er vanuit gaan dat de zwarte kleur een duidelijk nut heeft. Een verklaring waar hij mee zou kunnen komen is dat zwart gekleurde voorwerpen meer warmte vast houden, waardoor de weerstand tussen de band en de weg vermindert. Het positieve gevolg hiervan is dat zulke auto’s minder benzine per kilometer verbruiken. Waar de alien echter niet aan dacht, is dat de zwarte kleur mogelijk een onbelangrijk bijproduct is van de band en dat is nu net het geval! Het rubber waar banden van worden gemaakt is nu eenmaal zwart en daarom hebben banden in principe die kleur. Het is wel mogelijk om gele of rode banden te maken, maar dat kost extra moeite.

De spiraalsgewijze fyllotaxis is voor planten net zoiets als zwarte kleur voor banden: de spiraalvorm is ook iets waar de blaadjes aan gebonden zijn en wat moeite kost om te veranderen. Evolutiebiologen zijn vaak geneigd net zo te denken als het buitenaardse wezen: een eigenschap van een organisme moet wel een voordeel, een functie hebben.

Dit verschijnsel zou ook kunnen verklaren waarom praktisch alle zoogdieren vijf vingers hebben. Zoogdieren van alle soorten hebben tijdens de embryonale ontwikkeling namelijk te maken met dezelfde type krachten. De verklaring dat alle zoogdieren vijf vingers hebben omdat dat een evolutionair voordeel oplevert, kan niet juist zijn. Vijf vingers zijn namelijk niet altijd voordeliger of functioneler dan vier of zes. De reuzenpanda bijvoorbeeld, heeft zes vingers (vijf vingers plus één uitgegroeid polsbotje dat als vinger fungeert). Waarschijnlijk bestaat er geen genetische instructie die resulteert in vijf vingers. Wat de reuzenpanda wel heeft, is de genetische instructie dat een zeker botje in de pols moet kunnen uitgroeien tot iets dat als vinger kan dienen.

Om te bewijzen dat vijf vingers en spiraalsgewijze bouw (fyllotaxis van vingers) ‘vanzelf’ ontstaan, moeten biologen op zoek gaan naar de (natuurkundige) krachten die werken op de cellen en weefsels tijdens de embryonale ontwikkeling. Dat is nog niet zo gemakkelijk. Duw- en trekkrachten die cellen op elkaar uitoefenen tijdens de ontwikkeling van een orgaan, zijn haast niet te meten zonder dat ontwikkelingsproces te verstoren. Het is niet mogelijk om bepaalde invloeden uit te schakelen en dan te kijken naar wat zich zal ontwikkelen: door de verstoring van het proces zal zich waarschijnlijk helemaal niets meer ontwikkelen. Bovendien: hoe vertel je een cel dat deze niet te hard mag duwen tegen z’n buurcellen?

Organisatorische problemen

Patronen zoals de spiraalsgewijze fyllotaxis van bladeren en het vaste aantal van vijf vingers heten generieke vormen. Het zijn lichaams- of orgaanvormen die als het ware uit zichzelf ontstaan. Generieke vormen zijn vooral te verwachten in situaties van sterk geordende patronen, zoals de nerven van bladeren, de vorm van schelpen en slakkenhuisjes en de facetogen van insecten. In de loop van de evolutie was het voor organismen moeilijk om aan de deze vormen te ontsnappen. Simpel gezegd: als een andere bladordening dan de spiraalsgewijze gunstiger zou zijn voor de plant en deze dus veranderd moest worden, dan zouden de opeenvolgende bladeren zover uit elkaar aangelegd moeten worden dat hun afzonderlijke ontwikkeling geen invloed meer op elkaar uitoefent. Aangezien weinig planten voor deze strategie hebben gekozen, is spiraalsgewijze fyllotaxis waarschijnlijk helemaal niet nadelig voor het functioneren van een plant. Een andere verklaring kan ook zijn dat er grote organisatorische problemen ontstaan voor planten, wanneer blaadjes heel langzaam na elkaar moeten worden aangemaakt.

Ook andere natuurkundige krachten bepalen mede hoe organismen eruit zien. Krachten die niet van binnenuit (op celniveau) maar van buiten af op het individu werken. Een boom kan bijvoorbeeld niet oneindig hoog worden, omdat water (met daarin de nodige voedingsstoffen) maar tot een beperkte hoogte kan worden gebracht. Dit soort grootschalige en simpele beperkingen bepalen de grenzen van wat er mogelijk is in de natuur. Binnen in het organisme werken generieke vormen als meest optimale toestanden waar soorten naartoe worden getrokken.

Waarom?

Waarom zien organismen eruit zoals ze eruit zien? Een heleboel eigenschappen hebben een duidelijk voordeel én liggen genetisch vast. Deze zijn dus door natuurlijke selectie ontstaan. Er zijn waarschijnlijk ook een hoop eigenschappen die niet direct een voordeel opleveren, maar als bijproduct van andere fysiologische ontwikkelingen zijn ontstaan. Deze bijproducten blijven bestaan omdat ze de voortplanting niet benadelen, en kunnen zelfs een positieve rol spelen in het (evolutionaire) succes van een soort. Zo is de spiraalsgewijze fyllotaxis wellicht een generieke vorm én een duidelijk adaptief voordeel in de zin dat de plant met deze vorm veel licht kan opvangen. Eén van de belangrijkste onderzoeksvragen van dit moment is hoe vaak generieke vormen nu eigenlijk voorkomen. Anders gesteld: het onderzoek van nu houdt zich bezig met de vraag in welke mate de verschillende soorten nu precies te maken hebben met allerlei onderlinge krachten tussen de cellen waarmee zij hun lichaam opbouwen.

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 juni 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.