De Gids. Jaargang 170

[p. 1245]

Arjen Mulder
Van evolutie naar evo devo

De biologie is een jonge wetenschap. Millennia lang is er natuurstudie bedreven en een wetenschap beoefend die ‘natuurlijke historie’ werd genoemd, maar met de biologie van dit moment heeft dat alles niets meer te maken. Vanaf zijn ontstaan heeft Homo sapiens zijn natuurlijke omgeving bestudeerd, op zoek naar eetbare en schadelijke planten, beschutting en grondstoffen om de eigen naaktheid mee te bedekken. Dat heeft een enorme hoeveelheid precieze waarnemingen en verrassende interpretaties van alle mogelijke aspecten van planten en dieren opgeleverd, en toch heeft de huidige biologie daar helemaal niets aan. De belangstelling voor directe waarnemingen in de vrije natuur is getaand vanaf het moment dat de biologie een exacte wetenschap werd, dat wil zeggen: een methode om op grond van theoretische modellen voorspelbare uitspraken te doen. De moderne biologie is niet langer gebaseerd op de nauwkeurige waarneming van bestaande processen, maar op het testen van die processen op hun herhaalbaarheid en ontwikkelingsmogelijkheden. Eigentijdse biologen weten ook niets meer van planten- en diersoorten af, tenzij ze bij een hobbyclub voor natuurvrienden zijn aangesloten. Waarnemingen doen in het vrije veld is een liefhebberij geworden sinds de biologie wetenschap werd. De successtory van de biologie begon op het moment dat ze de natuur haar rug toekeerde.

The origin of species (1859) van Charles Darwin was niet het eerste moderne biologieboek, maar legde wel de basis voor de verdere ontwikkeling van de biologie tot wetenschap. Het boek is nog geheel gegrond op observaties uit de levende natuur, maar Darwin slaagde erin een denkstructuur neer te zetten waarin al die waarnemingen opeens samenhang kregen. Alles wat wij aan levensvormen in de buitenwereld aantreffen is in een eenvoudig te beschrijven, maar lastig waar te nemen ontwikkelingsproces vanuit elkaar ontstaan. Er kwam geen buitennatuurlijke schepper aan te pas, geen bouwplan, geen doelgerichte sturing. Evolutie was ook geen antwoord op behoeften bij planten of

[p. 1246]

dieren, zoals J.B.P.A. Lamarck had gesteld in zijn Zoölogische filosofie (1809). Het beeld van Lamarcks leer is dat van de giraffen die hun lange nek ontwikkelden doordat elke generatie een blaadje hoger in de bomen poogde aan te knabbelen. De Darwiniaanse evolutieleer, en daarmee de moderne biologie, is gebaseerd op de stelling dat zoiets nu juist niet kan. Eigenschappen worden niet verworven, maar ontstaan lukraak. In levende organismen komen altijd willekeurige variaties voor, en alleen die variaties overleven die het organisme voordeel verschaffen in zijn natuurlijke omgeving. Die variaties kunnen op verschillende plekken of in verschillende ecologische niches op dezelfde plek zo ver uiteen gaan lopen, dat er populaties ontstaan die elkaar niet langer herkennen als soortgenoten en al snel ook niet meer in staat zijn gedeeld nakomelingschap te produceren. Alles wat niet overleeft, sterft uit - zo simpel luidt de evolutieleer. Alleen de fittest houdt het vol in de strijd om het bestaan. Dit is een tautologie: je weet dat een soort de fittest is omdat hij overleeft, en dat hij overleeft komt doordat hij de fittest is. Darwin maakte waarnemingen mogelijk over de vraag wat er dan precies zo fit is aan de fittest, welk orgaan, welk gedrag. De hele natuur kon na Darwin nog een keer uiterst aandachtig worden geobserveerd om te ontdekken wat de functie was van al die schitterende of griezelige levende wezens die de natuurvorsers tot dan hadden beschreven. Darwin introduceerde de blik van de ingenieur in de natuurstudie: iets bestaat alleen als het functioneel is, en je weet dat het een functie heeft omdat het bestaat. De blinde darm in ons lichaam vormt de regelbevestigende uitzondering. De vraag is nu hoe al die natuurlijke processen functioneren, en met deze hoe-vraag werd de biologie wetenschap.

Darwins stelling luidde kort gezegd dat de natuur zichzelf organiseert, uitgaande van de toevallige variaties die nu eenmaal voorkomen bij planten en dieren, maar waarvan alleen diegene bewaard bleven die bevorderlijk waren voor het overleven van de soort in zijn natuurlijke milieu. Het idee van een materie die actief zichzelf tot een functionele ordening organiseert, trekt alle natuurprocessen in het domein van de natuurkunde en de scheikunde, de wetenschappen die het functioneren van materiële deeltjes beschrijven en hanteerbaar maken. Vanaf het midden van de negentiende eeuw werden allerlei basale levensprocessen, zoals celdeling, ademhaling, metabolisme en embryonale ontwikkeling, daadwerkelijk herleid tot uitwisselingen tussen moleculen van atomen of atoomgroepen. Men concludeerde daaruit, wellicht wat voorbarig gezien het geringe bewijsmateriaal, dat alle levensprocessen te reduceren zijn tot fysisch-chemische ge-

[p. 1247]

beurtenissen. Dit reductionisme maakt alles simpeler dan het is. Het ontkent elke immateriële factor: levenskracht, entelechie, psychische invloeden, de ziel, de vrije wil - allemaal overbodig. In deze visie bestaan alleen materie en energie echt, waarbij energie niet meer is dan een vermogen tot arbeid van de materie, dus eigenlijk bestaat er alleen maar materie. Nog altijd is er voor jonge biologen weinig zo opwindend als de ontdekking dat elk levensproces kraakhelder kan worden beschreven als je je maar steeds afvraagt wat er feitelijk gebeurt, op materieel niveau, welke atomen er worden doorgegeven en wat daar de fysische gevolgen van zijn. Materialistisch denken is zo moeilijk, zo contra-intuïtief, dat het blijft inspireren tot verrassende inzichten, die volkomen helder geformuleerd kunnen worden. Deze helderheid heeft lange tijd een rem gevormd op de ontwikkeling van vakken als embryologie en ecologie, omdat de daaraan ten grondslag liggende materiële processen zo veelomvattend en complex zijn dat het puur materiële verklaringsniveau eigenlijk onmogelijk kan worden gehaald. Deze disciplines bestuderen geen dingen, maar de relaties daartussen. Relaties zijn immaterieel, vaak niet eens energetisch, maar ruimtelijk of temporeel. Ze zijn vanwege hun immaterialiteit zelfs psychisch genoemd, blijkens een titel als Plantenpsychologie als werkhypothese van de plantenfysiologie (1909) van de grote botanist Raoul Francé. Francé poogde grip te krijgen op het vreemde extra dat er heen en weer gaat tussen en binnen levende wezens, de stuwkracht achter zulke doelgericht schijnende prestaties als de groei van slingerplanten rond pilaren of de turbinevorm van diatomeeën en eencellige zeediertjes. De intelligentie van planten - organismen waaraan in de biologie een wil of ziel wordt ontzegd - wijst op het bestaan van een levensproces dat geen fysische of chemische basis heeft omdat het zelfsturend is in plaats van de natuurwetten te gehoorzamen, en daarom geen toeval kan zijn maar een gekozen route. Deze psychistische opvatting is gebaseerd op het onterechte idee dat er voor elk proces een oorzaak moet bestaan, een strategie waarmee de materie zichzelf organiseert - en als er geen materiële oorzaak te vinden is, moet ze wel psychisch van aard zijn.

Pas de cybernetica van midden twintigste eeuw gaf de ongrijpbare vormkracht in de levende natuur zijn wetenschappelijke naam: informatie. Vormveranderingen zijn het gevolg van informatie-uitwisseling en de wijze waarop die uitwisseling plaatsvindt bestaat nu precies uit die vormveranderingen zelf. Informatie is niet wat er aan energie of materie aanwezig is maar hoe deze georganiseerd zijn: de complexiteit van de ontstane structuren. Informatie is een maat voor or-

[p. 1248]

dening en complexiteit. Hoe onwaarschijnlijker, des te informatiever, zo luidde de definitie van Norbert Wiener, de grondlegger van de informatietheorie. Volgens de tweede hoofdwet van de thermodynamica verlopen spontane processen altijd in de richting van de grootst mogelijke bewegingsvrijheid, wat in de praktijk betekent: de grootst mogelijke wanorde, en dus is orde altijd onwaarschijnlijk, en hoe ingewikkelder die orde is des te informatiever ze wordt. Het ontstaan van geordende structuren behelst een informatietoename. Kleine chemische of fysische veranderingen in een structuur kunnen grote gevolgen hebben voor de informatie-inhoud daarvan, leidend tot razendsnelle overgangen van vloeibaar in vast of tot de ontwikkeling van een volledig taalvermogen uit niet meer dan wat babygebrabbel. Het begrip ‘informatie’ is de bijdrage van de twintigste eeuw aan het uiteindelijke inzicht in de kosmos. Door de invoering van het informatiebegrip in de beschrijving van natuurlijke processen werd de bio - logie een exacte wetenschap. En toch is het informatiebegrip op zich nogal vreemd, als maat voor de onwaarschijnlijkheid van de relaties in een verzameling elementen. Mensen, dieren, moleculen, machines zijn voor de informatietheorie op zichzelf beschouwd oninteressant, maar hun interacties zijn waanzinnig boeiend. Informatie is een intuïtief begrip, maar Claude Shannon - de andere vader van de informatietheorie - slaagde erin exact meetbaar te maken hoeveel informatie doorkomt tijdens een informatieoverdracht, bijvoorbeeld via de telefoon. Norbert Wiener breidde Shannons informatiebegrip uit tot de levende natuur, de techniek en de relatie tussen die twee. Sinds Wieners Cybernetics (1948) is de biologie de studie van de complexiteit die in levende organismen voortkomt uit de interacties op natuur- en scheikundig niveau: de emergentie van levensprocessen en de wijze waarop deze zichzelf organiseren tot instabiele, maar duurzame vormen en gedragingen. Tegelijk werd de biologie de studie van mogelijke manieren om die interactieprocessen te sturen in een door ons gewenste richting. Biologie is niet langer alleen beschrijvend en verklarend, het is een ingenieurswetenschap geworden, ze wil actief ingrijpen in bacteriën, lichamen, landschappen - voor hun eigen bestwil, zou je haast zeggen. Want de resultaten van dat ingrijpen zijn prachtig, hoogst interessant en voldoende rendabel. De biologie is dezelfde weg gegaan als de natuur- en scheikunde, die al eerder inge - nieurswetenschappen werden, onder meer voor de chemische industrie.

Het moderne informatiebegrip wiste alle psychische, sacrale en immateriële drijfkrachten en factoren uit onze kennis van de natuur.

[p. 1249]

Daardoor werd de moderne genetica mogelijk. De vraag is niet langer hoe de materie van één cel zo veel nieuwe materie weet te produceren dat er twee cellen uit kunnen ontstaan, maar welke informatie er wordt doorgegeven bij zo'n celdeling. In welke vorm ligt die vast? Hoe wordt ze door cellen zowel doorgegeven als behouden tijdens de deling? Het idee dat informatie vastligt op een drager leidde tot de zoektocht naar en de ontdekking van de dubbele dna-helix in 1953. Die ontdekking gebeurde op een manier die zelf ook weer mogelijk was geworden door de ontwikkeling van de informatietheorie. Wat Watson en Crick, de befaamde ontdekkers van de dubbele helix, voorhadden op hun collega's die in het laboratorium de erfelijkheidsdragers met microscopen en chemische reacties bestudeerden, was dat zij er liever een model van in elkaar knutselden op hun werkkamer, met bolletjes en ijzerdraadjes die de relaties binnen het molecuul moesten voorstellen. Toen bleek al snel hoe de vork in de steel zat. Niet welke chemische stoffen betrokken zijn bij de opbouw van verbindingen binnen de genetische molecule is belangrijk, maar wel waar die verbindingen liggen, hoe ze geordend zijn. Watson en Crick ontdekten een logisch model in plaats van een molecuul. En ze overtuigden onmiddellijk. Het model was te mooi om onwaar te kunnen zijn. Het had precies de helderheid en hardheid die voor de bioloog onweerstaanbaar zijn. En het werd nog beter toen de genetische code ontcijferd werd als een taal geschreven in tripletten. Drie letters op een rij in het dna vormen een instructie, een woord zo u wilt. Elke eigenschap is te herleiden tot zo'n triplet. Dat wil niet zeggen dat intelligentie of levenservaring genetisch wordt doorgegeven van ouder op kind, maar wel dat zonder bepaalde tripletten die intelligentie of ondernemingszin nooit zo zouden zijn ontwikkeld. Het dna determineert het bestaan niet, het maakt het mogelijk. Al snel volgde toen de ontdekking van messenger rna dat de informatie van de dna-strengen in de celkern afleest en naar de ribosomen in het cellichaam vervoert, waar ze door ribosomaal rna wordt vertaald in eiwitmoleculen. De genetische machinerie draait in deze beschrijving zo soepel dat niemand de vraag stelde: wat activeert al die verschillende onderdelen op precies het juiste moment? Het dna werd tot de genetische informatiedrager bij uitstek verklaard, tot ‘selfish gene’ zelfs, zonder dat iemand zich afvroeg hoe de cel de informatie op zijn eigen dna eigenlijk afleest.

Informatie is een relatie, informatie ontstaat pas als iets of iemand het poogt te interpreteren. De genen mogen nog zo selfish zijn, ze kunnen niets als het cellichaam eromheen ze niet activeert. Dat er zoveel verschillende celtypen bestaan, die zichzelf weer organiseren tot verschil-

[p. 1250]

lende soorten, komt omdat elke cel alleen bepaalde delen van zijn dna aanzet of uitschakelt. Eigenlijk leest het dna zichzelf, met behulp van speciale ‘leesgenen’ die ‘switches’ worden genoemd en die de eigen genen activeren of stopzetten. Het is niet raar dat wij zoveel genen gemeen hebben met andere, vaak nauwelijks verwante diersoorten, want genen zijn heel moeilijk te veranderen, maar wat wel snel en grondig kan veranderen, is het netwerk waarin die genen zichzelf besturen. Het genetische netwerk, dus het netwerk van relaties en interacties tussen de genen op de verschillende chromosomen in de celkern, bepaalt welke genen op welk moment ‘aan’ gaan of juist ‘uit’. Zo kun je met hetzelfde gen compleet verschillende resultaten boeken. Het verschil tussen de diverse soorten zebra's ontstaat doordat het gen dat in de embryo's de zwartwitstrepen doet ontstaan bij de ene soort wat langer aan blijft staan dan bij de andere soorten. Een paar uur verschil in de tijd dat één gen in een embryo functioneert is genoeg om een nieuwe soort te laten ontstaan. Alle ogen in het dierenrijk - van de facetogen van insecten tot die met lens van zoogdieren zoals wij - komen voort uit één en hetzelfde gen, dat in het eerste geval vele malen kort wordt aangezet en dan vele kleine facetoogjes oplevert, en in het tweede geval eenmaal, maar heel lang. Je kunt je een planeet voorstellen waarop alle levende wezens hetzelfde genotype hebben, dezelfde genetische code, terwijl er honderden of duizenden verschillende fenotypen of soorten bestaan. Niet de instructies op het dna zijn fundamenteel, maar het tijdstip en de plek in het lichaam waarop die instructies in de verschillende celtypen worden geactiveerd en uitgevoerd.

Het genetische netwerk bepaalt welke cel uit de chromosomen ontstaat, en op zijn beurt bepaalt die cel welke genen in de chromosomen wel of niet mogen werken. Een niercel die zich deelt brengt een andere niercel voort, ook al bezit ze de informatie om een huidcel te worden, of een spiercel et cetera. Blijkbaar worden bij de deling niet alleen de genen, maar ook het programma voor hun activering of deactivering doorgegeven. Dat heet een ‘epigenetische’ informatieoverdracht: ze vindt niet plaats via genetisch materiaal maar via iets anders in de cel. Het is eerder of er een toon of ritme wordt overgedragen dan keiharde voorschriften, zoals bij het dna. Een cel leest de tripletten op zijn eigen dna alleen af als het nodig is, dat wil zeggen als de fysische, chemische en informatieve balans in de omgeving van het dna zo verstoord is dat deze balans alleen kan worden hersteld door een verandering in de samenhang binnen het dna, wat ertoe leidt dat een gen instructies begint af te geven aan het messenger rna, met alle ge-

[p. 1251]

volgen van dien. En naar onlangs is gebleken is het mrna dat de informatieoverdracht verzorgt, geen passief vehikel voor genetische informatie, maar controleert het deze eerst bij het bron-dna op eventuele spelfouten. En onderweg naar de ribosomen herstelt het mrna zichzelf bij beschadiging, al valt ze soms uiteen en herschikt ze zich in een nieuwe volgorde, wat dan die ‘natuurlijke variaties’ veroorzaakt waarop de evolutietheorie is gebaseerd. Het mrna is minstens zo actief als het dna bij de expressie van genetische kenmerken. Het mooie, heldere, harde model van een koel werkend fysisch-chemisch erfelijkheidsmechaniek - bij voorkeur uitgevoerd in glimmend modernistisch chroom - is de afgelopen tien jaar veranderd in een gewemel van allerlei kleine initiatieven en interacties tussen genen die nooit méér melden dan hun drie letters, maar waarmee eindeloos gecombineerd kan worden, waardoor er steeds andere effecten te bereiken zijn, steeds andere vormen, andere organisatiewijzen. En al dat gewriemel bij elkaar levert uiteindelijk de natuur als geheel op, de ecosfeer waarin het netwerk van het leven zichzelf in stand houdt door telkens andere interne verbindingen te leggen.

‘Evo devo’ heet de tak van biologie die de embryonale en verdere ontwikkeling van levende wezens bestudeert, uitgaande van het genetisch materiaal op het dna en de afleesmechanismen in de cel. En het gebruikt de veranderingen die optreden in dit ontwikkelingsproces als gevolg van kopieerfouten in het dna of rna als verklaring voor de toevallige variaties waarop Darwins evolutieleer is gebaseerd. Een toevallige variatie wil zeggen dat er één letter van een triplet per ongeluk verkeerd wordt gekopieerd tijdens een celdeling, waardoor een gen opeens niet meer geactiveerd kan worden, of als het wel geactiveerd kan worden codeert voor een ander eiwit. Het proces van natuurlijke selectie bepaalt vervolgens of het lichaam (het dier, de plant, de populatie of de soort met het veranderde gen) kan overleven. Als een gen niet meer kan worden afgelezen na een kopieerfout kan het niet meer uit het dna worden verwijderd door natuurlijke selectie, want die vindt plaats op het niveau van een compleet organisme. Het gevolg is dat een groot deel van ons dna bestaat uit fout gekopieerde genen die vroeger een functie hadden maar nu niet meer - blinde darmen, maar dan miljoenen tegelijk, terwijl de functionerende dunne darm piepklein is. Het beste argument tegen Intelligent Design is de ongelooflijke puinhoop waaruit ons genetische materiaal bestaat: de 80 procent ‘junk dna’ rond een heel klein beetje functionele dna wijst niet bepaald op een hogere intelligentie die een en ander zou hebben ontworpen. Het wijst wel op een proces van natuurlijke selectie dat niet

[p. 1252]

elke zinloze variatie kan verwijderen en daarom ongevaarlijk, blind dna gewoon laat zitten, precies zoals Darwin zich de evolutie al voorstelde. Als door een variatie een organisme minder goed past in zijn natuurlijke omgeving zal het voortijdig sterven. Past het er beter in dan zijn soortgenoten - heeft het evolutionair voordeel, zoals dat heet - dan zal het voordelige gen zich in de loop van een paar honderd generaties over de hele populatie verspreiden. Waarbij, als gezegd, de variatie niet per se in het dna hoeft te zitten, maar ook in de verschillende vormen van rna in de cel kan zijn opgetreden.

Hier nadert de eigentijdse biologie de rand van haar eigen fundament. De variaties waarmee het evolutieproces werkt dienen toevallig tot stand te komen. Ze treden niet ‘gericht’ op om een soort beter in zijn omgeving te laten passen, ze zijn ook geen gevolg van veranderingen in die omgeving. De omgeving werkt op het genetische materiaal in via de natuurlijke selectie, die niet toevallig is maar juist uiterst doelgericht: wat beter is aangepast overleeft vaker, wat slechter is aangepast sterft allengs uit. Steeds vaker doen veldbiologen evenwel waarnemingen die suggereren dat soorten wel degelijk gericht naar een beter aangepaste toestand kunnen evolueren, soms razendsnel zelfs, zoals de visjes in het Victoriameer uit Tijs Goldschmidts Darwins hof-vijver (1994). Als soorten op ontwikkelingen in hun natuurlijke omgeving kunnen reageren door gericht een bepaalde kant op te evolueren, zouden ze zich gedragen volgens de evolutietheorie van Lamarck. Tijdens het leven verworven eigenschappen zouden dan worden doorgegeven aan de nakomelingen: de nek van de giraffe strekt zich van generatie op generatie. Toch heeft Lamarck nooit beweerd dat God of welke andere Designer dan ook bepaald heeft dat eigenschappen bij leven verworven en doorgegeven kunnen worden. Lamarck was zo atheïstisch als wat. Hij had alleen geen idee wat de biologische drager van erfelijke eigenschappen was en deed daar noodgedwongen dan ook wat vaag over. Nu is wel bekend waar de eigenschappen vastliggen en hoe ze op bepaalde tijdstippen en plekken in het lichaam tot uiting komen. Waarom ze dat doen is nog altijd onbekend. Het ligt voor de hand te veronderstellen dat het factoren buiten de cel of het lichaam zijn die bepalen wanneer een bepaald gen zijn eigenschap tot expressie mag brengen. Als het warmer en vochtiger wordt ontwikkelt een wortel wortelharen om het water op te nemen zodat de plant bovengronds bladeren kan ontwikkelen. Toeval? Selectie? Die plant weet donders goed wat hij doet, zij het niet in woorden of gevoelens, zoals wij. De wortel kan zijn omgeving waarnemen, niet met speciale zintuigen, maar via reacties in zijn epidermis en diepere cellagen, en hij

[p. 1253]

reageert adequaat op de ontvangen prikkels. Daardoor weet de wortel wanneer hij wortelharen moet ontwikkelen, dus wanneer de genen die dat mogelijk maken geactiveerd moeten worden. Genen activeren doe je door de juiste switch elders op het dna te activeren. Wie bestuurt de switches? Niemand. Een stof die van buiten in een cel binnendringt - water bijvoorbeeld, of zonlicht - functioneert als de informatie die een switch nodig heeft om een gen te activeren of juist uit te zetten. Iets kan zowel materie, energie als informatie zijn: dat is de sleutel tot de werking van het genetische netwerk en de interacties daarvan met de omringende fysiologische netwerken in de cel, en de interacties daar weer van met de fysische, chemische en biologische buitenwereld daar omheen. In de natuur worden geen bevelen gegeven. Er wordt eindeloos heen en weer gepraat. Dan ontstaat duurzame orde.

Literatuur

Sean Carroll, Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo, W.W. Norton & Company, New York, 2005.

Sean Carroll, The Making of the Fittest: DNA and the Ultimate Forensic Record of Evolution, W.W. Norton & Company, New York 2006.

Enrico Coen, The Art of Genes, Oxford University Press, Oxford 1999.

Charles Darwin, Het ontstaan van soorten (vertaling: Ruud Rook), Uitgeverij Atlas, Amsterdam/Antwerpen 2001.

F.H. Francé, Pflanzenpsychologie als Arbeitshypothese der Pfanzenphysiologie, Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1909.

Tijs Goldschmidt, Darwins hofvijver: Een drama in het Victoriameer, Prometheus, Amsterdam 1994.

Eva Jablonka en Marion J. Lamb, Evolution in Four Dimensions: Genetic, Epigenetic, Behavioral, and Symbolic Variation in the History of Life, MIT Press, Cambridge (Mass.) 2006.

Marc W. Kirschner en John C. Gerhart, The Plausability of Life: Resolving Darwin's Dilemma, Yale University Press, New Haven 2005.

J.B.P.A. Lamarck, Zoölogische Philosophie (vertaling: Dr. J. Metzelaar), Maatschappij voor goede en goedkoope lectuur, Amsterdam 1921.

Claude E. Shannon en Warren Weaver, The Mathematical Theory of Communication, University of Illinois Press, Urbana en Chicago, 1949/1963.

James D. Watson, De dubbele helix (vertaling: Fieke Lakmaker), Uitgeverij Contact, Amsterdam 1999.

Norbert Wiener, Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machine, The MIT Press, Cambridge (Mass.) 1948/1965.