Onder de amfibieën is de Hydromantes-salamander de kampioen op het gebied van tongvuursnelheid. In minder dan vijf milliseconden kan ze een ongelukkig insect tijdens de vlucht vangen - deze keer omvat het werk van spieren, kraakbeen en delen van het skelet. Als je deze ballistische anatomie vergelijkt met kikkers en kameleons, dan zijn dat laatste sloepen. David Wake, een evolutiebioloog aan de University of California, Berkeley, zegt: “Ik heb ongeveer 50 jaar besteed aan het bestuderen van de evolutie van salamandertalen. Dit is echt interessant, omdat ze over het algemeen niet verschillen in hoge snelheid, maar toch kunnen ze de snelste beweging maken van degenen die beschikbaar zijn voor gewervelde dieren, mij bekend. Tijdens hun ontwikkeling heeft de evolutie een efficiëntere manier gevonden om een succesvolle jacht met taal te garanderen. Hun ogenschijnlijk unieke aanpassing lijkt te zijnonafhankelijk ontwikkeld in drie niet-verwante salamandersoorten. Dit is een voorbeeld van convergente evolutie, waarbij verschillende individuen onafhankelijk vergelijkbare biologische aanpassingen ontwikkelen onder invloed van dezelfde omgevingsfactoren. Salamanders zijn een favoriet voorbeeld dat Wake aanhaalt wanneer hem de al lang bestaande vraag van de evolutiebiologie wordt gesteld: als je de evolutieband terugspoelt, zal het zich dan herhalen? Dit is blijkbaar gebeurd in het geval van de salamanders; bij andere organismen is dit misschien niet gebeurd.als je de evolutieband terugspoelt, zal het zich dan herhalen? Dit is blijkbaar gebeurd in het geval van de salamanders; bij andere organismen is dit misschien niet gebeurd.als je de evolutieband terugspoelt, zal het zich dan herhalen? Dit is blijkbaar gebeurd in het geval van de salamanders; bij andere organismen is dit misschien niet gebeurd.
Het is bekend dat deze vraag voor het eerst werd gesteld door de onlangs overleden evolutiebioloog Stephen Jay Gould in 1989 in zijn boek Amazing Life: The Burgess Shales and the Nature of History, dat werd gepubliceerd in een tijd waarin mensen nog naar muziek luisterden op cassettebandjes. Het boek vertelde over de fossielen gevonden in de Burgess-schalie, overgebleven van een groot aantal vreemde dieren die ongeveer 520 miljoen jaar geleden op onze planeet leefden, tijdens de Cambrische periode. Bijna alle dieren die tegenwoordig bestaan, hebben voorouders die in het Cambrium leefden, maar niet alle dieren uit die tijd hebben nakomelingen in onze tijd. Veel Cambrische individuen stierven uit omdat ze onvoldoende geschikt waren voor de strijd om te overleven, of omdat ze zich op het verkeerde moment op de verkeerde plek bevonden toen vulkanen uitbarsten, meteorieten vielen of andere verwoestende gebeurtenissen plaatsvonden.
Gould zag de ongelooflijke verscheidenheid aan dierlijke resten in Burgess en speculeerde dat onze flora en fauna er anders uit zouden zien als de geschiedenis de andere kant op was gegaan. Hij suggereerde dat chaotische mutaties en uitstervingen van soorten, die hij 'historische ongelukken' noemde, op elkaar zouden bouwen en de evolutie in een of andere richting zouden bewegen. Volgens Gould is het bestaan van welk dier dan ook, inclusief mensen, een zeldzaam verschijnsel, waarvan de herhaling, in het geval van "terugspoelen en lanceren" uit de Cambrische periode, onwaarschijnlijk is. In zijn boek verwijst Gould vaak naar het werk aan het Burgess-fossiel door paleontoloog Simon Conway Morris van de Universiteit van Cambridge, maar de wetenschapper zelf is het helemaal niet eens met Goulds standpunt.
Conway Morris gelooft dat natuurlijke selectie in de loop van de tijd organismen dwingt om een reeks aanpassingen te ondergaan om de beperkte ecologische niches van de aarde te vullen. Dit leidt ertoe dat niet-verwante soorten consequent samenkomen in lichaamsstructuur. "Dieren moeten zichzelf bouwen in overeenstemming met de fysische, chemische en biologische vereisten van deze wereld", zei hij. Conway is ervan overtuigd dat dergelijke beperkingen het bijna onvermijdelijk maken dat in het geval van "het terugspoelen van de tape" evolutie vroeg of laat zou leiden tot de opkomst van organismen die vergelijkbaar zijn met die in onze wereld. Als onze apen-voorouders geen brein hadden ontwikkeld en de geest eraan gehecht, zou volgens de wetenschapper een andere tak zoals kraaien of dolfijnen de nis kunnen bezetten waarin de mens nu is. Maar Gould is het daar niet mee eens.
Beide wetenschappers erkennen dat willekeur en convergentie (onafhankelijke ontwikkeling tot het verschijnen van soortgelijke tekens - ongeveer nieuw waarom) plaatsvinden in de evolutie. In plaats daarvan concentreert de discussie zich op hoe uniek of herhaalbaar belangrijke aanpassingen zoals de menselijke geest zijn. Inmiddels hebben andere biologen de puzzel aangepakt en laten zien hoe convergentie en willekeur elkaar beïnvloeden. Als we het samenspel van deze krachten begrijpen, kunnen we erachter komen of alles wat leeft het resultaat is van 7 miljard jaar succesvolle toevalligheden, of dat wij allemaal - mensen en salamanders - deel uitmaken van onvermijdelijkheid, zoals de dood of belastingen.
In plaats van te proberen de geschiedenis na te bootsen met fossielen, besloot Richard Lenski, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Michigan, de verschijnselen van convergentie en toeval in realtime te observeren in de gecontroleerde omgeving van zijn laboratorium. In 1988 verdeelde hij de populatie van Escherichia coli-bacteriën en plaatste ze in 12 afzonderlijke reservoirs met vloeibaar kweekmedium, zodat ze onafhankelijk van elkaar konden groeien. Al 26 jaar bevriest hij of een van zijn studenten om de paar maanden een batch bacteriën. Deze bevroren kiemkit geeft Richard de mogelijkheid om vanaf elk gewenst moment de film van de E. coli levenscyclus te herstarten door simpelweg een portie te ontdooien. Tijdens het hele proces kan hij controleren,hoe bacteriën veranderen - zowel in termen van genetica als in termen van wat alleen onder een microscoop kan worden gezien. Lenski legt uit: "Het hele experiment is opgezet om te testen hoe herhaalbare evolutie is."
In 11 Lenski's reservoirs groeide E. coli in omvang, maar bacteriën in het twaalfde monster splitsten zich op in twee onafhankelijke takken - een met grote cellen, de andere met kleine. Lenski zegt: “We noemen ze 'groot' en 'klein'. Ze bestaan al 50.000 generaties naast elkaar”. Dit is bij geen enkele andere populatie gebeurd; daarom kunnen we concluderen dat er een evolutionair willekeurige gebeurtenis heeft plaatsgevonden. En zelfs 26 jaar later heeft geen enkele andere beproeving de verschijning van zo'n tak herhaald. Dus in deze situatie lijkt het toeval te hebben gezegevierd over convergentie.
In 2003 was er nog een toevallige aflevering. Het aantal staafjes in een van de reservoirs is zodanig toegenomen dat het kweekmedium, dat normaal transparant is, troebel wordt. Aanvankelijk besloot Lenski dat er een normale vervuiling van de omgeving was, maar het bleek dat E. coli, die normaal gesproken alleen in vloeistof opgeloste glucose at, het vermogen ontwikkelde om een ander element in de reservoirs te consumeren: citraat. Na 15 jaar en 31.500 generaties kon slechts één van de koloniën deze stof verwerken. Het aantal bacteriën erin begon 5 keer sneller te groeien dan in andere kolonies.
Promotie video:
Dit 'historische ongeluk' gaf Richard en zijn afgestudeerde Zachary Blount de kans om de waarschijnlijkheid te testen dat een dergelijke gebeurtenis zich opnieuw zou voordoen als ze 'de band zouden terugspoelen'. Blount geselecteerd uit opslag 72 monsters van bevroren sticks verzameld in verschillende stadia van het experiment van een populatie die later in staat was om citraat in zijn metabolisme op te nemen. Hij ontdooide ze en stimuleerde hun voortplanting. Al snel ontwikkelden 4 van de 72 monsters hetzelfde vermogen om citraat te consumeren. Interessant is dat deze mutaties alleen voorkwamen in populaties die bevroren waren na een cyclus van 30.500 generatie. Genetische analyse toonde aan dat niet lang daarvoor verschillende genen veranderingen ondergingen die bijdroegen tot het ontstaan van evolutie met het metabolisme van citraat. Met andere woorden, het vermogen om citraat te absorberen was afhankelijk van het voorkomen van andere mutaties die eraan voorafgingen. Het creëerde een vorkhet veranderen van de mogelijke paden die toekomstige generaties kunnen inslaan.
Bekend als het Long Term Evolutionary Experiment, heeft dit E. coli-project nu 60.000 generaties doorkruist, waardoor Richard een solide dataset heeft waaruit hij conclusies kan trekken over de interacties van toeval en convergentie in evolutie. Subtiele veranderingen in het DNA van bacteriën, waardoor ze groter worden of zich sneller kunnen voortplanten, zijn frequente gebeurtenissen geworden in verschillende reservoirs. Tegelijkertijd was Lenski getuige van "verrassende" willekeurige gebeurtenissen waarin iets totaal anders dan de anderen plaatsvond in een van de populaties. Maar net als bij het fenomeen convergentie waren dergelijke transformaties niet helemaal willekeurig.
"Niet alles is mogelijk", legt Wake uit, wat het proces ook is: "Organismen ontwikkelen zich in de context van overgeërfde kenmerken." Dieren kunnen geen mutaties overbrengen die destructief zijn of reproductie verhinderen. In het geval van de Hydromantes-salamander moesten zijn voorouders een belangrijke beperking overwinnen: om hun schiettongen te verkrijgen, moesten hun longen worden opgeofferd. Dit komt doordat een deel van dit mechanisme is ontstaan uit spieren die door hun voorgangers werden gebruikt om lucht in de longen te pompen. Tegenwoordig is deze eens kleine en zwakke spier veel groter en sterker geworden. Het kronkelt als een veer rond het kegelvormige bot aan de achterkant van de mondholte, en wanneer de spier samentrekt, creëert het bot spanning, waardoor de tong samen met het botapparaat uit de mond schiet. Zo verwierven de voorouders van Hydromantes niet alleen een mutatie,die uitgroeide tot een "ballistische taal". In plaats daarvan volgde deze aanpassing op een reeks veranderingen waardoor het schepsel eerst zijn longafhankelijkheid van zuurstof kon overwinnen en naar de oppervlakte van het water kon drijven. Elke wijziging was afhankelijk van de vorige.
De kameleons behielden op hun beurt hun longen. In plaats van te sleutelen aan hun anatomie, ontwikkelden ze collageen, waardoor de tong op prooien kon schieten. Op het eerste gezicht zijn de talen van salamanders en kameleons een voorbeeld van convergentie, maar als je goed kijkt, wordt duidelijk dat dit niet zo is. Een kameleon heeft 20 milliseconden nodig om te vuren, wat een slakkengang is vergeleken met de vijf milliseconden van salamanders. Waarom kregen kameleons zulke langzame talen? Antwoord: Ze stonden voor een obstakel op het pad van convergente evolutie. De tong van de kameleon is snel genoeg om te overleven, maar ze missen de "erfelijke eigenschapstructuur" om de dodelijkere ballistische anatomie van salamanders te ontwikkelen. Kameleons hebben een "adaptieve piek" bereikt, zoals biologen zeggen.
In experimenten met virussen die bacteriën infecteren - bacteriofagen - ontdekte Harvard-bioloog David Liu ook adaptieve pieken. Deze pieken beperken het vermogen van organismen om samen te komen tot één optimale structuur. Ze leggen uit waarom ongelukken niet vaak gebeuren.
Liu wilde weten of identieke groepen bacteriofagen onafhankelijk hetzelfde enzym konden ontwikkelen als dezelfde evolutionaire druk op hen werd uitgeoefend. Hij versnelde de evolutie van eiwitten in virussen met behulp van een systeem dat hij PACE noemde.
Tijdens het experiment werden virussen die geen enzym konden produceren dat Liu nodig had, uit het experiment verwijderd. Alleen degenen die het doel hadden bereikt, bleven over. Sommigen van hen bleken het enzym "beter" dan anderen. In dit geval hadden ze het enzym polymerase nodig, dat een bepaalde DNA-sequentie detecteert en deze in RNA omzet, en sommige polymerasen herkenden de sequentie nauwkeuriger dan andere. Net als de relatief langzame taal van de kameleons, hebben deze virussen aanpassingen ontwikkeld waardoor ze kunnen overleven, maar voorkomen dat ze het beste polymerase krijgen. Sommige virussen kwamen vast te zitten op een lage piek, andere klommen hoger.
Om te begrijpen wat biologen bedoelen met adaptieve pieken, stelt u zich een gebied voor waarvan de topografie hoge en lage niveaus van reproductief potentieel vertegenwoordigt. In het geval van Liu's bacteriofagen bestudeerden verschillende populaties het gebied en verwierven verschillende mutaties. Sommige kwamen terecht op kleine heuvels, sommige op bergen ter grootte van de Everest. En dus begonnen ze naar de top te klimmen die ze hadden gekregen. Nadat ze een lage berg hebben beklommen, kunnen virussen niet naar een andere, hogere berg gaan. Om dit te doen, zullen ze eerst weer naar beneden moeten gaan, waardoor hun overlevingskansen bij elke stap kleiner worden. Het is erg moeilijk om dit te doen, omdat men de survival of the fittest niet mag vergeten. Welke mutatie zal eerder plaatsvinden dan andere - welke piek zal naar het lichaam gaan - dit is een historisch ongeluk, dat convergerende evolutie alleen met grote moeite kan overwinnen,als het überhaupt kan.
De timing van het verschijnen van mutaties is belangrijk. "Vroege willekeurige gebeurtenissen die een verschil in de genenpool creëren, kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de vraag of een gunstige mutatie uiteindelijk de overleving van een organisme kan beïnvloeden", legt Liu uit. "Deze ongevallen verminderen de herhaalbaarheid van evolutie." In dit experiment overwon willekeurigheid convergentie. De gebeurtenissen die hebben plaatsgevonden, hebben herhaling voorkomen.
Een manier waarop het leven de beperkingen van adaptieve pieken kan overwinnen, werd ontdekt door de studie van digitale organismen door computerbiologen aan de Michigan State University Chris Adami en Charles Ofria. Ze creëerden het computerprogramma Avida, waarin digitale organismen evolueren onder voorwaarden die door de onderzoeker zijn bepaald. Avidianen muteren, verwerven en verliezen willekeurig coderegels waarmee ze wiskundige problemen kunnen oplossen, waardoor ze beter kunnen reproduceren.
In één experiment hadden de Avidianen de taak het vermogen te verwerven om het complexe logische probleem van "bitsgewijze identiteit" op te lossen. Slechts 4 van de 50 digitale populaties hebben de code ontwikkeld die nodig is om de operatie uit te voeren. Alle succesvolle populaties ontvingen aanvankelijk veel mutaties (willekeurige coderegels) die de oplossing van wiskundige problemen en dus reproductie bemoeilijkten. Hoe paradoxaal het ook klinkt, Ofria ontdekte dat vroege slechte mutaties een sleutelrol spelen bij het verbeteren van fitheid in latere generaties, mogelijk omdat ze genetische diversiteit creëren waaruit nieuwe willekeurige mutaties kunnen ontstaan.
Bevestigt de zeldzaamheid van een van de opeenvolgingen van gebeurtenissen dat het onwaarschijnlijk is dat de grote wendingen in de evolutie zich opnieuw zullen voordoen? Experimenteel is dit waar, maar Conway Morris zegt resoluut nee. “Het is dom om te denken dat er helemaal geen ongelukken gebeuren. De enige vraag is tijd. Hij gelooft dat met voldoende tijd en genomen van mutatie, natuurlijke selectie het leven zal leiden tot onvermijdelijke aanpassingen die het best passen bij de ecologische niche van organismen, ongeacht de kansen die zich voordoen. Hij gelooft dat op een dag alle E.coli-bacteriën in het experiment van Lenski citraat zullen absorberen en dat alle Liu-virussen hun Mount Everest zullen beklimmen. Bovendien werden deze experimenten uitgevoerd in zeer eenvoudige en gecontroleerde omgevingen, in tegenstelling tot de complexe ecosystemen waaraan het leven buiten het laboratorium zich aanpast. Moeilijk te zeggen,de invloed van de echte wereld zou de experimenten hebben veranderd.
Tot op heden is de grootste fout in alle pogingen om de levensfilm te beantwoorden, dat biologen conclusies kunnen trekken uit slechts één biosfeer: de aarde. Een ontmoeting met een buitenaards organisme zou ons veel vertellen. Zelfs als buitenaardse organismen geen DNA hebben, zullen ze hoogstwaarschijnlijk vergelijkbare evolutionaire patronen vertonen. Ze hebben wat materiaal nodig om aan hun nakomelingen te worden doorgegeven, om de ontwikkeling van organismen te sturen en in de loop van de tijd te veranderen. Zoals Lenski zegt: "Wat geldt voor E. coli, geldt voor microben in het hele universum."
Daarom kan dezelfde interactie tussen convergentie en toeval worden waargenomen op andere planeten. En als buitenaards leven evolutionaire druk ervaart vanuit een omgeving die vergelijkbaar is met die van het aardse leven, kunnen mensen van de toekomst buitenaardse wezens vinden die convergente intelligentie hebben ontwikkeld die vergelijkbaar is met de onze. Aan de andere kant, als willekeurige gebeurtenissen zich opstapelen en het leven langs unieke paden leiden, zoals Gould suggereerde, kan buitenaards leven ongewoon vreemd zijn.
Gould geloofde dat mensen "een uiterst onwaarschijnlijke evolutionaire gebeurtenis" zijn. Als bewijs wees hij erop dat in de 2,5 miljard jaar dat we op aarde leven, menselijke intelligentie maar één keer voorkwam. Hij beschouwde de waarschijnlijkheid dat een andere soort een intelligentie als de onze zou ontwikkelen, spookachtig klein was. Uit het feit dat we misschien wel de enige intelligente soort in het universum zijn, kunnen we conclusies trekken die verder gaan dan de biologie. "Sommigen zien deze mogelijkheid als een reden voor depressie", schreef Gould in The Wonderful Life. "Ik heb haar altijd als stimulerend beschouwd, een bron van zowel vrijheid als, bijgevolg, een morele verantwoordelijkheid."
Zach Zorich
De vertaling is uitgevoerd door het project Nieuw
