Streven. Jaargang 61

[p. 812]

Geert Verschuuren
De oorsprong van het leven

Waar is het leven begonnen? Een vraag die waarschijnlijk al zo oud is als de mensheid zelf. Maar het juiste antwoord op die vraag is verre van oud. Als u goed bent voorgelicht - maar dat is ook pas sinds kort - weet u in elk geval waar uw eígen leven is begonnen. Dat was op het moment dat er één bevruchte eicel was ontstaan. Met die bevruchte eicel begon inderdaad úw leven. Maar niet hét leven, want een bevruchte eicel is een versmelting van een eicel en een zaadcel - en die komen weer voort uit andere cellen. De vraag is dus of er ooit cellen zonder voorouders zijn geweest, en zo ja, wanneer en hoe die zijn ontstaan.

Zoals u ziet is het vraagstuk van de oorsprong van het leven teruggebracht tot het vraagstuk van de oorsprong van de cel. Tegenwoordig is ‘leven’ identiek aan een ‘cel’; de cel is de moderne, wetenschappelijke basiseenheid van het leven. Diepzinnige vragen over het leven, zoals filosofische en theologische denkers die graag stellen, worden door moderne biologen afgeslankt tot technische vragen over de cel, dat wil zeggen over een pakketje DNA of RNA, omgeven door een celmembraan en uitgerust met een eigen stofwisselingsmechanisme. Biologen spreken pas van leven als iets uit minstens één cel bestaat. Omdat een virus alleen DNA of RNA bevat en voor de rest op bestaande cellen is aangewezen, mogen we bij een virus dus niet van ‘leven’ spreken. Zo simpel is dat.

De basiseenheid van het leven

Wie naar het begin van het leven vraagt, kan dus beter vragen naar het begin van de cel. Een bevruchte eicel mag dan het begin van uw leven zijn geweest, deze bevruchte eicel komt zelf weer uit andere

[p. 813]

cellen voort. Onze vraag moet dus eigenlijk luiden: zijn er cellen die niet uit cellen zijn voortgekomen? En als dat zo is, gebeurde dat dan lang geleden of gebeurt dat nog steeds?

Ook voordat men wist dat leven een kwestie van cellen is, waren deze vragen niet anders. Sommigen zeiden dat de keten van het leven slechts eenmaal is begonnen; anderen beweerden dat het leven elk moment opnieuw kan ontstaan. Die laatste visie is lange tijd erg gangbaar geweest en in dit artikel wil ik u laten zien wat er van die populaire opvatting terecht is gekomen.

Als je niet over een microscoop beschikt en dus geen cellen kunt zien, kun je gemakkelijk de indruk krijgen dat leven voortdurend om je heen uit het ‘niets’ ontstaat. De grote filosoof (en bioloog!) Aristoteles zag zoiets dan ook overal om zich heen gebeuren, juist omdat hij zo'n scherp waarnemer was. Hij sprak terecht van het feit dat leven niet alleen uit zaden en eieren voortkomt maar ook uit kadavers of zelfs uit modder. Zoals een vuur in een hooiberg spontaan kan ontstaan (dat wil zeggen zonder lucifers of iets dergelijks), zo kan in een kadaver ‘spontaan’ leven ontstaan (dat wil zeggen zonder zaden of eieren). Daarom sprak hij van generatio spontanea.

De verklaring die Aristoteles voor dit ‘feit’ had, was uiteraard in overeenstemming met de rest van zijn filosofische systeem. Voor leven is behalve een voedingsbron ook een levenskracht (actief principe) vereist. Bij bevruchting levert het ei de voedingsbron, maar het ei kan zich pas tot een volwassen organisme ontwikkelen dankzij een levenskracht (die bijvoorbeeld van het sperma afkomstig is). Welnu, voor ‘spontane generatie’ geldt iets soortgelijks. Wanneer er in de voedingsbodem van rottend vlees een levenskracht komt (bijvoorbeeld uit het zonlicht), kan er spontaan nieuw leven ontstaan. En zo komt het dat in Keulse potten met graan gemakkelijk muizen kunnen ontstaan en dat zich op kadavers van rundvee vliegenzwermen kunnen ontwikkelen. Dat is geen kwestie van volksgeloof maar van gezond verstand en nuchtere waarneming, moeten tijdgenoten en volgelingen van Aristoteles hebben gedacht.

Hoe is het mogelijk dat zo'n evidente visie niet de 20^e eeuw heeft gehaald? Dat hebben we aan de triomftocht van de wetenschap te danken, hoor je tegenwoordig vele natuurwetenschappers beweren. Zo zegt bijvoorbeeld de Belgische Nobelprijswinnaar Christian De Duve dat het Louis Pasteur was die aan de theorie van de spontane generatie de nekslag heeft gegeven. In de eerste helft van dit artikel wil ik u laten zien hoe stevig deze nekslag is geweest en in de tweede helft wat er daarna is gebeurd.

[p. 814]

De nekslag

Er bestaat een bekende Amerikaanse biologiemethode die middelbare scholieren leert hoe je wetenschappelijk onderzoek moet doen. En daarvoor wordt uitgerekend het succesverhaal van Louis Pasteur gebruikt! Pasteur heeft de wetenschappelijke methode laten zegevieren over het oude volksgeloof, zo is de boodschap van het boek. Daar zouden we dus wat van moeten kunnen leren.

Om te beginnen zet het genoemde boek enkele vraagtekens bij de ‘feiten’ die Aristoteles had te melden. Natuurlijk waren dat geen feiten maar interpretaties, zegt ons boek. Maar twintig eeuwen later is dat wel erg gemakkelijk gezegd. Wat biologieboeken anno 1994 aan feiten oplepelen, zou ook wel eens tijdgebonden interpretatie kunnen zijn. Biologieboeken worden namelijk niet alleen voortdurend uitgebreid maar ook op details herschreven. Er bestaat nu eenmaal geen informatie zonder interpretatie (zie Streven, mei 1994).

Lange tijd zijn de ‘feiten’ van Aristoteles gemeengoed gebleven. In de 17^e eeuw was de jezuïet Athanasius Kircher nog een overtuigd aanhanger van de theorie van de spontane generatie. Hij kon laten zien dat uit dode vliegen op honingwater ‘wormen’ ontstaan. Ook de Belgische wetenschapper Jean Baptiste Van Helmont kon zoiets. Zijn recept voor het ‘maken’ van muizen was het toevoegen van graankorrels aan een vuil hemd. Daaruit komen dan na 21 dagen spontaan jonge muisjes tevoorschijn. Het graan levert de voedingsbron en het zweet van het vuile hemd levert de levenskracht - keurig volgens de theorie.

Ofschoon Van Helmont bekend staat voor zijn goede onderzoek naar de stofwisseling van planten, heeft hij hier toch wat steken laten vallen, volgens het zojuist genoemde boek uit 1963. Aan de leerling wordt gevraagd welk controle-experiment Van Helmont had moeten uitvoeren. Het juiste antwoord zal de meeste leerlingen uit deze eeuw weinig problemen opleveren. Natuurlijk had de alternatieve hypothese - namelijk dat jonge muizen niet spontaan ontstaan maar uit ouders voortkomen - uitgesloten moeten worden door het hemd en het graan van de buitenwereld af te sluiten. Dat heet dan keurig een controleproef. Hoe had Van Helmont zoiets kunnen vergeten! De les is duidelijk: wat vooroordelen al niet kunnen aanrichten.

Gelukkig wist de Italiaanse onderzoeker Francesco Redi beter (1628-1698). Hij was sterk geïnspireerd door de stelling van William Harvey dat alle leven uit een ei komt (‘omne vivum ex ovo’). In zijn experimenten werd die test dan ook expliciet ingebouwd. Hij gebruikte open én gesloten flessen met vlees. Alleen in de open flessen ontstonden ‘wormen’ (vliegelarven), maar niet in de afgesloten flessen. Was dat

[p. 815]

niet de nekslag voor de theorie van de spontane generatie?

Nee, zo eenvoudig zijn de ‘feiten’ niet. Het wel of niet afsluiten van flessen is niet alleen een kwestie van het al of niet binnenlaten van eitjes, maar ook van het al of niet toelaten van verse lucht. En die lucht zou wel eens het levensprincipe kunnen bevatten, dat zo noodzakelijk is voor spontane generatie. Kortom, het ideale experiment van Redi had wel het ene maar niet het andere ‘onder controle’. Daarom deed bij vervolgens zijn experimenten over met fijn gaas. Er ontstond onder het gaas géén leven, althans geen ‘wormen’.

De zaak werd echter gecompliceerder toen Anthonie van Leeuwenhoek onder zijn microscoop ‘kleine diertgens’ zag. Hij zag ze wél in aantal maar niet in grootte toenemen. Wees dat niet op een of andere vorm van spontane generatie? Misschien ontstaat er voortdurend leven, dat we alleen met de microscoop kunnen waarnemen. De discussie kreeg hiermee een nieuwe impuls en verplaatste zich nu naar micro-niveau.

In 1745 werkte de Engelsman John Needham met vruchtesappen in flessen die hij verwarmde en vervolgens afsloot. Ondanks het verwarmen en afsluiten begon het mengsel in alle flessen te rotten als gevolg van micro-organismen. Het zal duidelijk zijn dat Needham de spontane generatie weer tot leven had gewekt. Het zal ook duidelijk zijn dat het voorheen genoemde biologieboek hier aan de leerlingen vraagt: wat ging er in deze proef mis, denk je? Het antwoord zal wel zijn dat de vloeistof niet voldoende was gesteriliseerd of dat het afsluiten niet onder steriele omstandigheden was gebeurd. Maar er gaat pas iets mis, als je ervan uitgaat dat er in afgesloten flessen geen rotting mág optreden. En dat laatste uitgangspunt stond in de 18^e eeuw nu juist ter discussie.

Behalve dan voor de Italiaanse priester Lazzaro Spalanzani. Spalanzani geloofde gewoon niet in spontane generatie en daarom liet hij in 1770 zijn flessen met voedingsbodem een uur lang koken, waarna ze hermetisch werden afgesloten. In geen enkele van zijn 19 flessen trad rotting op of werden micro-organismen aangetroffen. Dat kon ook moeilijk anders, want in feite had hij, volgens zijn tegenstander Needham, elke fles door langdurige en hoge verhitting mishandeld, zodat het levensprincipe minstens verzwakt of misschien wel vernietigd moest zijn. Ook deze keer ‘moest’ er dus iets mis zijn met de behandeling, maar nu geredeneerd vanuit de tegenpartij.

Daarom deed Spalanzani zijn experimenten over, maar nu met verschillende kooktijden en zonder de flessen hermetisch af te sluiten. Als het zogenaamde levensprincipe door koken wordt verzwakt, dan zou er minder rotting moeten zijn naarmate de kooktijd langer was, zo redeneerde hij. In feite vond hij bij de meeste typen voedingsbodems

[p. 816]

juist het omgekeerde. Kwam dat misschien doordat koken voeding beter toegankelijk maakt voor micro-organismen?

Een beslissend experiment?

Nog een eeuw lang ging de discussie zo verder; discussie is de motor van de wetenschap. Intussen was men gaan ontdekken dat lucht niet alleen vol levenskracht kan zitten, maar ook vol micro-organismen. Het werd dus zaak om na te gaan of lucht zónder micro-organismen nu wel of niet in staat is om spontaan leven op te wekken. Zo ja, dan moét er wel zoiets als een levensprincipe in de lucht zitten.

En dat gaat dus het beslissende experiment van Pasteur worden. Voor zijn kolven ontwierp hij een zwanehals, die wél lucht doorlaat (en zonodig levenskracht) maar géén micro-organismen (want die blijven in de bocht van de hals ‘steken’). Wat bleek nu? In dergelijke kolven kon gekookt fruitsap niet rotten, ondanks de vrije toegang van verse lucht. En na afvijlen van de zwanehals bleek rotting alsnog op te treden, ondanks de mogelijkheid dat de zogenaamde levenskracht door koken was vernietigd. Het experiment had ten lange leste beslist vóór de theorie van de biogenese en tégen de theorie van de spontane generatie. Eindelijk hadden de wetenschap en haar wetenschappelijke methode gezegevierd.

Maar hoe beslissend was dat experiment van Pasteur? Pasteur had een opponent, Pouchet, die later (of al bij voorbaat?) de grote verliezer in dit ‘proces’ zou worden. Hij wordt in de meeste boeken doodgezwegen, omdat de strijd eigenlijk al vóór het beslissende experiment van Pasteur was beslecht. Wat was er precies aan de hand?

In 1861 werkte Pasteur met fruitsap in zwanehalskolven. Door het koken verdween de lucht uit de kolf en werd de opening dichtgekit. Zo bleef de inhoud onaangetast. Daarna werd het uiteinde van de hals met een verhitte pincet afgebroken, maar dan wel in schone lucht, dat wil zeggen in lucht die vrij was van micro-organismen. Dit gebeurde op 2 km hoogte in de Franse Alpen; 19 van de 20 kolven bleken geen rotting te vertonen. Pasteur zei: dus geen spontane generatie.

In 1863 deed Pouchet hetzelfde, hoog in de Pyreneeën, alleen gebruikte hij kolven met hooisuspensie in plaats van fruitsuspensie, plus een verhitte vijl in plaats van een verhit pincet. Het resultaat was dat alle acht kolven rotting vertoonden. Pouchet zei: die rotting is blijkbaar het gevolg van spontane generatie. Pasteur zou zeggen: nee, de lucht daar moét met micro-organismen verontreinigd zijn geweest, anders kán er onmogelijk rotting optreden. Zo'n welles-nietes-spel verwacht je in de wetenschap niet. Dat vraagt om een commissie.

En die kwam er. De Franse Académie des Sciences installeerde de

[p. 817]

commissie in 1864. Deze commissie bevatte voornamelijk leden die zich al tégen de theorie van de spontane generatie hadden uitgesproken. Pouchet was bereid aan te tonen dat al (!) zijn kolven zouden veranderen als er lucht in kon komen. Maar de commissie was al tevreden als zijn tegenstander, Pasteur, kon aantonen dat enkele (!) kolven niet zouden veranderen als er lucht in kon komen. Pouchet trok zich terug zodra hij de samenstelling van de commissie en haar eenzijdige eisen vernam. De uitslag was eigenlijk al beslist.

Mensenwerk

Het is merkwaardig te noemen dat de commissie nooit heeft geëist het verschil in gereedschap (vijl of pincet) en het verschil in voedingsmedium (fruit of hooi) uit te testen. Pasteur klaagde weliswaar dat een vijl meer besmetting kan veroorzaken dan een pincet, maar voor zover we weten werd het nooit uitgetest (een pikant detail: op verzoek van Pasteur bleven zijn laboratoriumverslagen een eeuw lang niet toegankelijk; nu ze wél toegankelijk zijn, blijkt ook Pasteur wel eens gefraudeerd te hebben). En het andere verschil werd zelfs nooit ter sprake gebracht. Tegenwoordig weten we dat hooi vaak een bacteriespore bevat die ook door langdurig koken niet te vernietigen is. Had Pouchet zijn experimenten met hooi voortgezet, dan had hij de commissie waarschijnlijk een grote verrassing kunnen bezorgen. Zo gaat dat in de wetenschap. Wetenschap is nu eenmaal mensenwerk.

De experimenten van Pasteur waren dus helemaal niet zo beslissend als men tegenwoordig vaak denkt. Maar Pasteur had de wind mee; de theorie van spontane generatie begon in onmin te raken. Daar was trouwens nog een andere reden voor. Intussen had Charles Darwin zijn evolutietheorie gepubliceerd en die theorie had aanvankelijk veel wind tégen. Evolutie, en zeker evolutie van het levende uit het levenloze, kon alleen maar aan de fantasie zijn ontsproten. Eindelijk was er nu een degelijke wetenschapper, Louis Pasteur, die onweerlegbaar kon aantonen dat uit het levenloze geen leven kan ontstaan. Dat waren dus eigenlijk twee vliegen in één klap: de nekslag voor de theorie van de spontane generatie maar ook de nekslag voor de theorie van de natuurlijke selectie.

Zoals we al gezien hebben, was de eerste nekslag aanvankelijk niet zo dodelijk als Pasteur had gesuggereerd. De procedures voor sterilisatie moesten nog worden verfijnd. Om hittebestendige sporen te kunnen vernietigen, zijn soms een hoge temperatuur en een hoge druk nodig, of juist een bepaalde afwisseling van hitte en kou. Zelfs nog in 1910 durfde Henry Bastian de ketterij van de spontane generatie aan te hangen als verklaring voor het feit dat sommige levensvormen hitte

[p. 818]

overleven. Feiten kunnen even weerbarstig zijn als hittebestendige sporen.

Ook de tweede nekslag was niet dodelijk. De evolutietheorie van Charles Darwin begon in de wereld van biologen geleidelijk steeds meer aanhang te krijgen en dus ging men op zoek naar het moment van ontstaan van leven uit het levenloze - niet als een telkens terugkerend gebeuren maar als een eenmalig proces van lange duur. Aan dat onderzoek wil ik in de tweede helft van dit artikel enige aandacht besteden.

De oercel

In rotsen met een ouderdom van zo'n 3.500.000.000 jaar zijn fossiele resten gevonden die op bacteriën lijken. Ofschoon onze planeet ongeveer 4.500.000.000 jaren geleden werd gevormd, kennen we uit die eerste miljard jaren van onze planeet geen fossielen. Als we deze dateringen accepteren (uiteraard binnen bepaalde foutenmarges) en aannemen dat er zoiets als evolutie bestaat, moeten we ook aannemen dat de eerste cellen zo'n 1.000.000.000 jaren de tijd hebben gehad om te ontstaan uit bestanddelen die nog geen cellen waren. Als we bovendien mogen aannemen dat er geen spontane generatie bestaat op basis van levenskrachten, moeten we wel naar iets anders gaan zoeken dat deze overgang van levenloos naar levend op gang heeft gebracht.

Een ‘moderne’ bioloog zal dan zoeken naar een energiebron die in staat is om eenvoudige grondstoffen op te vijzelen tot grotere complexen, en uiteindelijk tot een ‘oercel’. Tegenwoordig worden organische moleculen, zoals koolhydraten, kernzuren en eiwitten, door cellen met eigen energie (uit voeding of van de zon) opgebouwd. Maar die cellen waren er toen nog niet! Hoe konden er dan tóch organische moleculen ontstaan?

Voor de opbouw van organische moleculen is zowel een koolstofbron (C) als een waterstofbron (H) nodig. De koolstofbron was waarschijnlijk, zoals ook nu nog bij groene planten, koolstofdioxide (CO₂); daar was in de oeratmosfeer genoeg van. De waterstofbron daarentegen was een groot probleem. In water (H₂O) zit weliswaar waterstof opgesloten, maar dat is een geoxideerde en daarmee waardeloze vorm van waterstof. Zuurstof neemt namelijk gemakkelijk waterstof op en vormt dan water. Om deze waterstof weer vrij te maken zijn krachtige reductoren nodig, waartegen zuurstof niet is opgewassen. Waren er in de oeratmosfeer dergelijke krachtige reductoren?

In vele oude aardlagen vinden we formaties van ‘gelaagd-ijzer’. Dit ijzer was mogelijk betrokken bij het vormen van krachtige reductoren.

[p. 819]

Onder invloed van ultraviolette straling - en ook die was er genoeg in de oeratmosfeer - kan tweewaardig ijzer worden omgezet in driewaardig ijzer. Daarbij komt een elektron vrij en dat elektron is een krachtige reductor. Gewoonlijk worden dergelijke elektronen onmiddellijk door zuurstof opgepeuzeld, maar in de oeratmosfeer was er praktisch geen vrije zuurstof, zo is gebleken. De primitieve oceaan was dus waarschijnlijk doordrenkt met elektronen, die in staat zijn om waterstof vrij te maken en daarmee koolstof te verrijken tot eenvoudige organische moleculen. Een sterke ultraviolette straling zorgde voor voldoende en constante energieaanvoer. Een moderne vorm van spontane generatie dus.

Welke organische moleculen speelden een sleutelrol bij het ontstaan van het leven? Met kennis van bestaande cellen valt die vraag niet te beantwoorden, want cellen bevatten zowel kernzuren (DNA en RNA) als eiwitten (structuureiwitten en enzymeiwitten). De kernzuren bevatten de genetische code voor het maken van eiwitten, maar die code kan alleen worden afgelezen en gekopieerd met behulp van bepaalde enzymeiwitten. Zonder kernzuren zijn er dus geen eiwitten mogelijk, maar zonder eiwitten zijn er ook geen kernzuren mogelijk. Wat was er eerder, kernzuren of eiwitten, de ‘kip’ of het ‘ei’?

Intussen lijkt dat probleem te zijn opgelost. Er zijn namelijk kernzuren ontdekt, bepaalde RNA-moleculen, die ook als enzym kunnen functioneren (en daarmee enzymeiwitten zouden kunnen vervangen bij het versnellen van reacties). Dit RNA zou dus beide taken kunnen vervullen: het kan worden gekopieerd en daarmee genetische informatie opslaan en doorgeven, én het kan reacties versnellen zonder de aanwezigheid van enzymeiwitten. Dit RNA zou een goede kandidaat kunnen zijn voor de schakel tussen levenloos en levend. Met energie uit ultraviolette straling zouden koolstof en waterstof kunnen worden opgebouwd tot RNA-moleculen.

In plaats van een spontane generatie hebben we hier een spontane vorming van RNA-moleculen. Aristoteles zou er trots op zijn. Dit ‘spontane’ proces is zelfs in het laboratorium uitgeprobeerd. Onder experimentele omstandigheden werden eenvoudige bouwstenen uit de zogenaamde oeratmosfeer aan een sterke energiebron blootgesteld. Inderdaad werden er toen bestanddelen van RNA gevormd, die voordien niet aanwezig waren. Overigens zijn dit nog geen complete RNA-moleculen, maar dat is misschien slechts een kwestie van tijd. En RNA-moleculen zijn nog geen complete cellen, maar in miljoenen jaren kan er heel wat gebeuren.

Echte bewijzen dat iets zus of zo is gebeurd, bestaan er in de wetenschap niet, en al zeker niet als het gaat over zo'n langdurig historisch proces als het ontstaan van het leven. Wat we in het voor-

[p. 820]

gaande hebben geschetst, is eerder een onderzoekprogramma dan een onderzoeksresultaat. Het enige dat we kunnen aantonen is dat het niet onmogelijk is dat iets zus of zo is gegaan. De wetenschap zoekt intussen verder.

Het grote toeval

De drijvende kracht achter zo'n proces is nog steeds de zon - niet meer omdat de zon een levensprincipe levert, zoals Aristoteles dacht, maar omdat de zon een rijke bron van energie is. Deze energiebron groepeert moleculen volgens het toeval. Toeval is het nieuwe levensprincipe van de biologie. En als we om ons heen kijken moeten we constateren dat het toeval al heel wat wonderen heeft kunnen verrichten.

Hoe heeft het begrip toeval zo diep kunnen doordringen in de evolutietheorie? Dat is vooral aan de eerder genoemde Charles Darwin te danken. Door zijn toedoen zijn we dat grote evolutieproces - van primitieve oercel tot en met de huidige rijkdom aan levensvormen, inclusief de mens - gaan zien als een aaneenschakeling van kleine veranderingsprocessen: van stap tot stap, van gen tot gen. Het is de grote verdienste van Darwin geweest dat hij dat complexe, omvangrijke en langdurige evolutieproces heeft teruggebracht tot een keten van stapsgewijze processen op kleine schaal. Deze stapsgewijze processen op kleine schaal heeft men zelfs in het laboratorium kunnen nabootsen, bijvoorbeeld met het beruchte fruitvliegje Drosophila, waarvan in één jaar 25 generaties te kweken zijn. Door bepaalde kenmerken te selecteren kon men binnen een jaar soorten aanmerkelijk zien veranderen.

Stel je voor, kunstmatige evolutie vlak voor je eigen ogen! Men noemt dit proces wel micro-evolutie. Het is voor populatiegenetici en evolutiebiologen het basisproces van de evolutie. Hoe stellen we ons dit proces voor en welke rol speelt het toeval daarbij?

Selectie werkt alleen als er verschillen zijn, want anders valt er niets te selecteren. Bovendien moeten die verschillen erfelijk zijn, wil het effect bij volgende generaties zichtbaar zijn (het selecteren van bijvoorbeeld paarden met afgeknipte staarten levert geen veulens op met afgeknipte staarten). Welnu, dergelijke erfelijke verschillen ontstaan door mutaties, en die mutaties ontstaan toevallig. Wat bedoelt men daarmee?

Mutaties ontstaan niet op verzoek maar ‘overkomen je’, ongeacht de behoeften. Ze zijn dus toevallig in die zin dat ze ongericht of aselect optreden, zoals wanneer iemand blindelings een lot trekt; je moet maar afwachten wat je krijgt. Ze zijn bovendien toevallig in die zin dat het

[p. 821]

onbekend en onvoorspelbaar is welke mutatie optreedt en wanneer. We weten wél dat bepaalde straling en bepaalde chemicaliën de kans op mutaties kunnen verhogen, maar we kunnen niet voorspellen welke mutaties dan zullen optreden; we weten namelijk (nog?) niet wat het achterliggende mechanisme is. Mutaties zijn dus niet alleen ongericht maar ook onvoorspelbaar. Ze zijn dus ‘dubbel’ toevallig.

Of ze ook toevallig zijn in de zin van onbepaald of onwetmatig is nog maar de vraag. Sommige biologen, zoals Jacques Monod, beweren dat een mutatie een quantumgebeurtenis is, waarvoor het onzekerheidsprincipe van Heisenberg zou gelden. In dat geval is een mutatie inderdaad onbepaald en dáárom onvoorspelbaar. Maar het kan natuurlijk ook zo zijn dat een mutatie wel degelijk bepaald en wetmatig is, maar dat we nog te weinig weten van het wetmatige mechanisme dat erachter zit. In dat geval zou een mutatie slechts voorlopig onvoorspelbaar zijn. Op dit moment is niet duidelijk welk standpunt het juiste is. Daarom moeten we voorzichtig zijn met de toevalligheid van mutaties: ze zijn in elk geval ongericht, voorlopig onvoorspelbaar en misschien onbepaald. Dat zijn drie verschillende ‘soorten’ toeval. Op de vraag of mutaties ‘toevallig’ zijn hoort dus als wedervraag: hoe bedoelt u?

Wat gebeurt er vervolgens met deze mutaties? Of ze in de volgende generatie(s) terechtkomen, hangt ook weer van een aantal toevalsfactoren af. Bij organismen die alle erfelijke factoren in tweevoud bezitten, is er slechts 50% kans dat de gemuteerde factor in de zaad- of eicel terechtkomt. Of de cel met de gemuteerde factor vervolgens met een andere cel zal versmelten, is opnieuw van toeval afhankelijk. In dergelijke gevallen gaan we weer uit van een loterij; er wordt als het ware om het nageslacht gedobbeld. Het ‘toevallige’ zit 'm in de blinde, aselecte of ongerichte trekking, waarbij er geen voorkeur voor bepaalde varianten in het spel is. Maar dat wil niet zeggen dat deze processen ook toevallig zijn in de zin van onvoorspelbaar (want de kansen laten zich gemakkelijk in percentages uitdrukken), laat staan dat ze onbepaald of onwetmatig zouden zijn.

Er komen ook nog andere toevalsfactoren om de hoek kijken. Dragers van bepaalde mutaties kunnen toevallig de wind mee hebben. Een meteoriet die toevallig inslaat, kan grote gevolgen hebben. Dat soort toevalligheden vinden we in de evolutie voortdurend. Wat is er zo toevallig aan? Ze zijn beslist niet onwetmatig, want er zitten duidelijke oorzaken achter. Ze zijn meestal ook niet onvoorspelbaar, al missen we vaak de benodigde detailkennis om ze exact te kunnen voorspellen. Maar ze zijn waarschijnlijk wel ongericht, in die zin dat ze een aselecte ‘slachting’ houden onder alles wat leeft; meteorieten en dergelijke hebben weinig voorkeur voor wat ze treffen.

[p. 822]

Toeval met voorkeur

Maar daarmee hebben we toch wel alle toevalligheden in de evolutie gehad, want daarna gaan alle organismen (met al hun erfelijke factoren) door de zeef van de natuurlijke selectie - en die ‘slachting’ is niét aselect. Bepaalde organismen hebben, vergeleken met hun soortgenoten, relatief betere kansen om te overleven en zich voort te planten, en zo hun erfelijke factoren door te geven aan een volgende generatie. De natuurlijke selectie heeft dus een ‘duidelijke’ voorkeur voor bepaalde organismen en is dus allerminst een a-select proces, en al zeker geen onvoorspelbaar, laat staan een onwetmatig gebeuren. En toch noemen vele biologen natuurlijke selectie ‘toevallig’. Maar daarmee introduceren ze een nieuwe (vierde) betekenis van het begrip toeval. Ze bedoelen dan dat de natuurlijke selectie een kortzichtig en opportunistisch keuzeproces is. Natuurlijke selectie gebeurt op basis van momentane milieueisen. Snel en efficiënt, maar ook grillig. Men zegt wel eens dat wie met de mode is getrouwd, binnen korte tijd weduwe of weduwnaar zal zijn. Of een bepaalde aanpassing ook op langere termijn voordelig is, is voor natuurlijke selectie niet relevant. Aanpassingen zijn dus inderdaad soms toevallig, maar dan in de zin van ‘opportunistisch’.

Waar leiden al deze toevalligheden nu toe in de evolutie? In de micro-evolutie leiden ze tot veranderingen in de erfelijke samenstelling van een groep organismen; dat is zelfs in het laboratorium aangetoond. Maar voor evolutie is meer nodig. En daarmee verlaten we het microdomein van de populatiebioloog en betreden het terrein van de evolutiebioloog. Deze laatste probeert te verklaren dat er in de evolutie nieuwe soorten ontstaan. Soorten zijn van elkaar gescheiden door voortplantingsbarrières. Hoe kunnen we nu de stap zetten van microevolutie naar soortvorming? Anders gezegd: kunnen twee populaties van één soort zodanig van erfelijke samenstelling veranderen dat er twéé soorten ontstaan?

In het laboratorium hebben we zoiets nog nooit zien gebeuren. Toch nemen de meeste evolutiebiologen aan dat micro-evolutie op den duur tot soortvorming leidt. Daar hebben ze namelijk wel indirecte aanwijzingen voor. Vaak moet men dan aannemen dat er tussen twee populaties toevallig een geografische barrière is opgetreden, waardoor ze zonder verder contact met elkaar zó sterk uiteengroeien dat ze elkaar na verloop van tijd bij hernieuwd contact niet meer ‘herkennen’ en niet meer kunnen paren. De geografische barrière is dan uitgegroeid tot een voortplantingsbarrière. Hier komt dus een nieuwe toevalsfactor om de hoek kijken: het toevallige optreden van een geografische barrière. Dat is dan weer een ongerichte toevalligheid, die

[p. 823]

verder beslist wetmatig en vaak ook voorspelbaar is.

Intussen kunnen we ons bijna niet meer aan de indruk onttrekken dat evolutie - althans micro-evolutie en soortvorming - van toevalligheden aan elkaar hangt. Is daarmee alles over evolutie gezegd? Er zijn nog altijd biologen die beweren van niet. Dat zijn dan met name de paleontologen onder hen, die evolutie niet kleinschalig maar grootschalig bekijken. Zij zien evolutie vooral als macro-evolutie, dat wil zeggen niet alleen als een geleidelijke verandering van genetische samenstelling en zelfs niet alleen als een opsplitsing van soorten, maar ook als een grootschalig transformatieproces, waarbij drastische structurele veranderingen en overgangen kunnen optreden - bijvoorbeeld van reptiel naar zoogdier. Is macro-evolutie werkelijk niets anders dan een aaneenschakeling van micro-evoluties - stap voor stap, gen voor gen? En als dat zo is, hoe kunnen dan de vele toevalligheden van een micro-evolutieproces toch zoiets indrukwekkends als de rijke stamboom van het leven opleveren? Van oercel tot mens? Richard Dawkins heeft de vraag zo geparafraseerd: is een aap die op een typemachine speelt in staat de werken van Shakespeare te produceren?

Evolutie op grote schaal

Het probleem is dat het toevallige, dat wil zeggen ongerichte, karakter van mutaties en het toevallige, dat wil zeggen opportunistische, karakter van natuurlijke selectie - zoals we dat van de micro-evolutie kennen - in de macro-evolutie bijna niet meer terug te vinden is. In het grootschalige evolutieproces vinden we juist weinig ongerichtheid en opportunisme. We constateren dat macro-evolutie één bepaalde richting opgaat. Als we een film over de evolutie van het leven achterstevoren zouden afdraaien, zou dat een hoogst merkwaardige indruk maken; de evolutie zou de ‘verkeerde’ kant opgaan. Maar zouden we daarentegen de micro-evolutie filmen van die bekende witte motten op witte berkenstammen, die eerst allebei lichtgekleurd zijn, vervolgens donker worden ten gevolge van luchtvervuiling, en daarna weer lichter worden als de vervuilende industrie wordt teruggedrongen, dan zouden we deze film ook achterstevoren kunnen afdraaien zonder dat iemand het merkt. Micro-evolutie kan alle kanten opgaan.

Macro-evolutie daarentegen lijkt één bepaalde richting op te gaan. Wat is dan precies de ‘richting’ die we in de film van het leven op aarde bespeuren? Niet alleen constateren we een toename in soorten (al zijn er ook vele soorten die zijn uitgestorven), maar ook een toename in complexiteit, dat wil zeggen meer verscheidenheid van lichaamsdelen en meer verscheidenheid van lichaamsfuncties. Complexiteit is als het ware een criterium om de voortgang van de evolutie te

[p. 824]

meten. Overigens zijn er ook typen of soorten van organismen die in miljoenen jaren nauwelijks enige verandering hebben doorgemaakt, de zogenaamde levende fossielen, maar de meeste takken van de stamboom van het leven hebben ingrijpende veranderingen doorgemaakt, gepaard gaande met een toenemende complexiteit.

Als er inderdaad zoiets als toename in complexiteit bestaat, dan is de volgende vraag wat de drijvende ‘kracht’ achter dit proces is. Is het een voortstuwende kracht of aan aanzuigende kracht? Om het eens met een metafoor te zeggen: wordt de stroomrichting van een rivier door de aantrekkende kracht van de zee bepaald of door een voortstuwende kracht langs de weg van de minste weerstand?

Het is erg verleidelijk om in de macro-evolutie een aantrekkingskracht te zoeken, die het evolutieproces naar een bepaald doel zou zuigen. Dat zou niet alleen een richting inhouden maar ook een doel, niet alleen voortgang maar ook vooruitgang. Vaak beschouwt men evolutie dan ook als een ontwikkeling van ‘lagere’ naar ‘hogere’ levensvormen. Maar het is zo moeilijk aan te geven wat het ‘hoogtepunt’ is. Wensen zijn er genoeg. Een enkeling ziet als einddoel de volmaaktheid van het leven, maar hoe zou het volmaakte leven eruit moeten zien? Anderen zien een duidelijke groei naar meer individualiteit (Julian Huxley) of zelfs naar meer (zelf-)bewustzijn en als einddoel het culminatiepunt Omega (Teilhard de Chardin). Maar is dat werkelijk een aantrekkingskracht die overal werkzaam en zichtbaar is? Is dit nog biologie of moeten we hier spreken van een filosofie of levensbeschouwing, die dan vervolgens in het evolutieproces wordt geprojecteerd? Bovendien zijn dergelijke opvattingen te vaag en te algemeen om toetsbaar te zijn.

Daarom denk ik dat we met minder tevreden moeten zijn - niet een aantrekkende kracht maar een voortstuwende kracht. Zoals het water in de richting van de minste weerstand stroomt, zo stroomt het leven in de richting van betere overlevingskansen, betere voortplantingskansen, en op langere termijn meer complexiteit, efficiëntie, flexibiliteit, onafhankelijkheid, meer controle over de omgeving, meer besef van de omgeving en van zichzelf. Een algemenere omschrijving zou zijn: evolutie is een proces dat in de richting gaat van een beter georganiseerd en daardoor beter functionerend systeem - wat technischer gezegd: een verandering waarbij de vrije energie van het systeem toeneemt. Volgens deze zienswijze is de grootschalige evolutie als een grote stroom die op basis van kleinschalige evolutie verder slingert... om zo uiteindelijk ‘bij de zee’ uit te komen.

De grote vraag is nu hoe de micro-evolutie met zijn vele toevalligheden de grote stroom van de macro-evolutie in goede banen kan leiden. Hoe kan zoveel wanorde zoveel orde scheppen? Hoe kan het

[p. 825]

toeval van de micro-evolutie de macro-evolutie in banen leiden? Zitten er in de micro-evolutie dan toch sterke richtinggevende factoren?

Het evolutiedraaiboek

Het lijkt er wel op. We hebben al gezien dat natuurlijke selectie weliswaar toevallig is in de zin van opportunistisch, maar niet in de zin van ongericht, onvoorspelbaar of onwetmatig. Dat laatste geldt hoogstens voor mutaties, maar het voordeel daarvan is weer dat er op die manier een voorraad aan overdadig en verborgen genetisch potentieel ontstaat, waaruit toekomstige generaties onder onverwachte omstandigheden kunnen putten. De toevallige mutaties leveren dus de grondstof voor de evolutie en daaruit kan de natuurlijke selectie als ordenende en richtende factor selectief putten. Zo ontstaat er orde in de wanorde. Bovendien is dit selectieproces cumulatief - dat wil zeggen, het is een proces met een ‘geheugen’: wat uitgezeefd wordt, is ook al in eerdere processen uitgezeefd.

Daarmee komen we op een andere richtinggevende factor uit de micro-evolutie. De natuurlijke selectie werkt met individuele organismen; dat zijn dus produkten die als één geïntegreerd geheel zijn uitgezeefd. De natuurlijke selectie selecteert geen losse eigenschappen of genen maar complete individuen. Het zijn de individuen die meer of minder succes hebben bij overleving en voortplanting, al hangt hun succes uiteraard af van de eigenschappen en genen die ze bezitten. Maar de genen zelf zijn voor de natuurlijke selectie ‘onzichtbaar’. We hebben dus te maken met complexe en uitgebalanceerde eenheden van eigenschappen en genen. Zo hoeft een verandering in het aantal vingers, veroorzaakt door een erfelijke factor voor polydactylie, niet te berusten op een serie gelijktijdige mutaties voor extra botten, zenuwen en bloedvaten. Anders gezegd: een organisme bezit niet alleen een milieu om zich heen, maar het biedt aan elk van zijn onderdelen tevens een ‘intern milieu’, waarbinnen veranderingen gerealiseerd en gekanaliseerd worden.

Organismen zijn eenheden met hun eigen structuur, hun eigen interne interacties. En daarmee is als het ware de ‘bedding’ aangegeven waarbinnen mutaties en veranderingen kunnen optreden. Toevallige maar ingrijpende verstoringen van dit subtiele evenwicht hebben bij voorbaat geen kans van slagen. Daardoor komt het dat bepaalde typen organismen zich in een bepaalde richting ontwikkelen; wat teveel van die richting afwijkt, wordt in de kiem gesmoord. Sommige constructies laten veel uitbouwmogelijkheden toe, andere weinig.

En daarom is het beeld van de evolutie als een meanderende rivier bij nader inzien toch niet zo'n goede voorstelling van zaken. Organis-

[p. 826]

men zijn namelijk niet zo vervormbaar als water, maar ze hebben een eigen ‘harnas’. En daarmee zijn de contouren van het evolutiedraaiboek aangegeven. Het ongerichte toeval wordt gestroomlijnd en gekanaliseerd zowel door de ‘bedding van de natuurlijke selectie’ als door het ‘harnas van de levensvormen’. Met een ander beeld: het toeval volgt de bedding van de noodzaak. De spontaneïteit van het toeval wordt in de evolutie dus aan banden gelegd.

Een laatste valkuil

Nog een laatste waarschuwing. We hebben het in de tweede helft van dit artikel gehad over het begrip toeval zoals dat in de wetenschap wordt gehanteerd. Dit ‘toeval’ is vooral ongericht, vaak opportunistisch, soms onvoorspelbaar, maar zelden of nooit onbepaald. Buiten de wetenschap heeft ‘toeval’ nog een heel andere (vijfde) betekenis: het is de aanduiding voor zoiets als een geheimzinnige kracht die buiten natuurlijke oorzaken om werkt. Dat is het toeval van het fatalisme. Wat in die zin ‘toevallig’ heet, is niet alleen onwetmatig, onvoorspelbaar en ongericht, maar ook nog zinloos.

Achter de opvatting van het fatalisme zit een levensfilosofie die niets met de levenswetenschappen te maken heeft. De natuurwetenschappen houden zich nu eenmaal niet met vragen over zin bezig (zie Streven, oktober 1993). Dit belet biologen uiteraard niet om er een fatalistische levensbeschouwing op na te houden, maar áls ze dat doen, hebben ze het begrip ‘toeval’ wel een totaal andere betekenis gegeven. De vraag of evolutie ook ‘zin’ heeft, is niet een natuurwetenschappelijke vraag, maar is van levensbeschouwelijke en/of theologische aard. Daar kan de natuurwetenschap onmogelijk een antwoord op geven - al zouden sommige biologen dat als mens nog zo graag willen.

Om verder te lezen

Harry Collins en Trevor Pinch, The Golem: What Everyone Should Know About Science, Cambridge University Press, Cambridge, 1993.

Richard Dawkins, The Blind Watchmaker, Oxford University Press, Oxford, 1986.

Christian de Duve, Blueprint for a Cell: the Nature and Origin of Life, Neill Patterson Publ., Burlington N.C., 1990.

Jacques Monod, Hazard et necessité, 1971.

Frans Soontiëns, Evolutie en finaliteit, WNS-Pers, Nijmegen, 1988.

Een bundeling van de artikelen van Geert Verschuuren die in Streven verschenen, vindt u vanaf deze maand in de boekhandel onder de titel De uitgeklede mens. Over de grenzen van wetenschap en leven (Pelckmans, Kapellen / Kok Agora, Kampen, 152 pp, BEF 525).