De Voorgeschiedenis

De eerste boeken over biologie werden ca 2400 jaar geleden geschreven door Hippocrates en Aristoteles. In deze boeken werd de wijsheid vastgelegd die door boeren en fokkers tijdens de voorafgaande duizenden jaren verkregen werd: "het is mogelijk om nieuwe variëteiten van planten of dieren te ontwikkelen, maar het is niet mogelijk om nieuwe soorten te ontwikkelen". Dit ondersteunde het idee dat er ergens in het verre verleden iets moest plaatsgevonden hebben als het scheppingsproces dat in de Bijbel beschreven wordt.
In de 17e en 18e eeuw leidde de ontdekking van de microscoop en de grote ontdekkingsreizen tot twee conclusies: er werden veel meer, en veel gevarieerder soorten levende wezens ontdekt, en iedere soort was perfect aangepast aan zijn omgeving. Dit bracht echter geen conflict met het geloof, maar bracht nog meer eerbied voor de Schepper en zijn werk. Men ontdekte ook dat de aarde zelf een turbulente geschiedenis achter de rug had. Rotsen, die eens de bodem van een zee hadden gevormd, werden nu teruggevonden op bergtoppen. Men ontdekte dat landstreken, die nu een gematigd klimaat genieten, ooit bedekt waren door ijskappen. Streken die nu vruchtbaar zijn, waren ooit bedekt door lava uit vulkanen.
In 1809 stelde Lamarck echter een probleem vast. Als de aarde inderdaad deze grote veranderingen had ondergaan, dan kan het niet tegelijk waar zijn dat soorten onveranderlijk zijn en toch steeds perfect aangepast aan hun omgeving. Aangezien we bewijzen hebben voor de geologische veranderingen, en we opmerken dat soorten perfect aangepast zijn aan hun omgeving, moet de theorie dat soorten onveranderlijk zijn dus foutief zijn. Uiteindelijk is de theorie van de onveranderlijkheid van de soorten gestoeld op waarnemingen gedurende de laatste duizenden jaren, terwijl de geologische tijdperken zich over honderden miljoenen jaren uitstrekken. Gedurende deze miljoenen jaren moeten de soorten dieren en planten zich dus aangepast hebben aan steeds andere omgevingen. Er moet dus evolutie geweest zijn.

Charles Darwin

In 1859 verscheen het befaamde boek van Charles Darwin "On the origin of species". In 1831, voor het begin van zijn vijfjarige wereldreis met de HMS Beagle, was Darwin een overtuigde gelovige "van de strikte en letterlijke waarheid van ieder woord in de Bijbel" (zoals hij zelf schreef). Aan het einde van zijn reis zat hij echter vol twijfels, en een jaar later werd hij een evolutionist, als gevolg van de resultaten van het wetenschappelijk onderzoek van de dieren die hij meegebracht had van zijn wereldreis. Darwin geeft aan dat "natuurlijke selectie" het onontkoombaar gevolg is van 4 vaststellingen:
- iedere populatie kan exponentieel groeien.
- de omgeving, waarin deze populatie leeft, heeft slechts beperkte bronnen, en laat dus slechts een beperkte groei toe.
De conclusie uit deze twee vaststellingen (die van Thomas Mathus zijn) is dat in iedere populatie slechts een beperkt aantal kan overleven. Wie of wat bepaalt echter welke individuen overleven en welke niet? Toeval? Het lot?
De twee volgende vaststellingen komen uit het kweken van dieren:
- ieder dier is een uniek individu, wat wil zeggen dat het kenmerken heeft waardoor het zich onderscheidt van de andere dieren in de groep.
- veel van deze kenmerken, waardoor een dier zich onderscheidt van een ander dier, kunnen gevonden worden in zijn nakomelingen, en zijn dus overerfbaar.
Het zijn precies deze twee uitgangspunten welke fokkers hanteren bij het succesvol kweken van dieren. Maar ze geven ook aan dat, in iedere populatie, niet ieder dier dezelfde overlevingskansen heeft.
In de natuur vindt dus een automatische selectie plaats, omdat niet alle dieren kunnen overleven in een omgeving met beperkte bronnen (Malthus), en omdat er verschillen bestaan tussen de individuele dieren (de vaststelling van de fokkers). Dit leidt tot de "survival of the fittest": alleen die soorten, die het best aangepast zijn aan de wisselende omstandigheden van de omgeving, zullen overleven.

Een boek dat een grote indruk naliet op de jonge Darwin was het boek "Natural Theology" van William Paley, verschenen in 1802. "Als ik op een wandeling mijn voet tegen een steen zou stoten, en men zou me vragen hoe die steen daar kwam, zou ik denkelijk antwoorden dat die er altijd al gelegen zou hebben. Als ik op diezelfde wandeling echter een uurwerk op de grond zou zien liggen, dan zou ik daarentegen niet denken dat dit uurwerk daar altijd al gelegen zou hebben. Het uurwerk moet een maker gehad hebben; er moet ooit een ontwerper geweest zijn, die het maakte voor de functie waarvoor het gebruikt wordt, die de constructie ervan bedacht en die het ontwierp". Paley geeft bijvoorbeeld ook een vergelijking tussen het oog en een telescoop, en besluit dat het oog gemaakt was om te kunnen zien, net zoals de telescoop gemaakt is om dit gezichtsvermogen te versterken. In feite dezelfde argumenten die de aanhangers van het "Intelligent Design" momenteel hanteren: dergelijke ingewikkelde organen (zoals het oog) kunnen niet spontaan ontstaan zijn: er is een ontwerp, en een maker voor nodig.
Darwin was zwaar onder de indruk van Paley's argumenten. Om daarop te kunnen antwoorden, onderscheidde hij twee soorten selectie. De selectie, zoals die toegepast wordt door fokkers, is een "negatieve" selectie, in die zin dat ieder individu dat een gebrek vertoont, of minder gezegend is met de gezochte eigenschap, verwijderd wordt. Een "positieve" selectie daarentegen voegt nieuwe eigenschappen toe aan bestaande, door een opeenhoping van overgeërfde toevallige wijzigingen. Negatieve selectie kan nooit iets nieuws maken, terwijl positieve selectie dit wel kan.
Een orgaan, dat zo complex is als het oog, kan alleen door evolutie ontstaan door een proces van positieve selectie. Maar heeft zo'n proces dan plaatsgevonden in de natuur? Darwin komt tot de vaststelling dat dit inderdaad het geval is, omdat in de natuur verschillende soorten "ogen" te vinden zijn. Het simpelste soort oog dat in de natuur gevonden wordt, bestaat uit een optische zenuw, omringd met pigmentcellen en overdekt met een doorzichtige huid. Maar het kan zelfs nog simpeler: gewoon samengestelde pigmentcellen, zonder verbinding met de optische zenuw. Een dergelijk soort "oog" levert geen "zicht" op, maar geeft de bezitter wel de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen licht en duisternis. In de natuur worden dus diverse gradaties van "ogen" gevonden, van heel simpel tot heel ingewikkeld, afhankelijk van de functies die dit "oog" moet kunnen vervullen.
Darwin besluit dus dat beide mogelijkheden bestaan: een sterk geperfectioneerd orgaan (zoals het oog) kan "snel" gemaakt worden vanaf een ontwerp (zoals Paley beweert), maar kan eveneens "traag" ontstaan door een proces van natuurlijke selectie, indien zeeën van tijd beschikbaar zijn.
Beide theorieën leveren dus ogenschijnlijk hetzelfde resultaat op, en zouden dus beide de werkelijkheid kunnen weergeven. Maar is er een mogelijkheid om uit te maken welke theorie nu de juiste is? Het antwoord wordt gegeven door de onvolmaaktheden in deze schijnbaar perfecte organen. In het geval van het oog zal geen enkele ontwerper eraan denken de lichtgevoelige elementen binnenste buiten te zetten. Nochtans is dit het geval in de meest ontwikkelde ogen: de lichtreceptoren staan naar binnen toe gericht, weg van het invallende licht, en vangen slechts de weerkaatsing van dit invallende licht op. Ontelbaar andere voorbeelden tonen aan dat de structuur van alle organen het eindresultaat is van verschillende opeenvolgende verbeteringen, die steeds verder bouwen op het resultaat van een vorige realisatie. Dit is hoe de natuurlijke selectie werkt: indien de omstandigheden het nodig maken, zoekt de natuur een bruikbare oplossing (niet de beste). Eisen de omstandigheden een nog verdere evolutie, dan wordt verder gebouwd op wat reeds ontwikkeld is. De gebruikte methode is dus niet het "intelligente ontwerp", maar eerder "trial and error".

De publicatie van "The Origin of Species" was van in het begin een doorslaand succes, en de theorie van evolutie door natuurlijke selectie werd dadelijk erkend als een grote triomf van het menselijk denken. Nochtans is Darwin niet de vader van het idee van evolutie (dat van Lamarck kwam), noch van het idee van de natuurlijke selectie (dat van Wells en Matthew kwam). Wat Darwin wel deed, was de conclusies van beide ideeën doortrekken, en deze waren zo radicaal dat niemand onverschillig kon blijven. Darwin voegde ook eigen originele ideeën toe, en het meest revolutionaire hiervan was dat van de "common descent", de theorie dat alle levende wezens (planten en dieren) een gemeenschappelijke afstamming hebben. Dit idee is geen automatisch gevolg van de evolutiegedachte: zelfs Lamarck dacht dat het leven ontstaan was uit menigvuldige onafhankelijke afstammingslijnen. In Darwins tijd was er weinig bewijs om deze "common descent"-theorie te ondersteunen. Momenteel is de situatie omgekeerd, daar de moleculaire biologie een massa feiten ter ondersteuning heeft bijgedragen. Twee van de belangrijkste zijn het feit dat alle cellen dezelfde code gebruiken om erfelijke informatie over te dragen, en het feit dat dezelfde moleculaire drager (ATP) in alle cellen gebruikt wordt om energie uit te wisselen.

Moderne Genetica

In Darwins tijd was erfelijkheid een mysterie. Alles wat er toen over geweten was is hierboven opgesomd: ieder individu van een populatie heeft unieke karakteristieken, en een groot deel van deze karakteristieken zijn overerfbaar. Maar het mechanisme hoe dit tot stand kwam, was onbekend.
De moderne genetica begon in 1900 met de herontdekking van de wetten van Mendel, en het aantonen dat erfelijke karakteristieken zich gedroegen als instructies die overgedragen werden door materiële objecten (die door Wilhelm Johanssen in 1909 "genen" genoemd werden). Om de resultaten te verklaren die hij bekwam bij de kruising van groenten, stelde Gregor Mendel in 1865 dat bij de voortplanting iedere erfelijke eigenschap (ieder "gen") bepaald wordt door twee factoren ("allelen" genaamd), en dat deze eigenschappen eerst gesplist en dan willekeurig terug gerecombineerd worden, zowel in mannelijke als vrouwelijke geslachtscellen. Ook stelde Mendel dat de twee allelen van iedere erfelijke eigenschap verschillend kunnen zijn (A en a), en dat het eindresultaat van de combinatie maar twee mogelijkheden kan hebben: ofwel dominant (AA, Aa en aA) ofwel recessief (aa). In 1902 toonden Walter Sutton en Theodoor Boveri aan dat deze "erfelijke eigenschappen" (de genen) van Mendel fysiek bestonden in de chromosomen, en de studie van de deling van geslachtscellen toonde aan dat Mendels hypothese absoluut juist was, zelf in die mate dat men niet meer moest spreken van een hypothese, maar van werkelijkheid die aangetoond was met experimenten. De Wetten van Mendel ondersteunen de uitgangspunten van Darwin, want ieder individu is inderdaad uniek, wegens de willekeurige recombinatie van de genen.
Kan deze recombinatie van genen alleen voldoende zijn om evolutie te verklaren, aangezien dominante allelen de neiging hebben om de recessieve te vervangen? Hardy en Weinberg toonden in 1908 aan dat dit niet het geval is. Indien de populatie zeer groot is, en indien geen verstorende factoren of omstandigheden bestaan, zal recombinatie niet de relatieve frequentie van de allelen veranderen. Met andere woorden: genetische evolutie vindt slecht plaats indien de populatie klein is (bijvoorbeeld een afgescheiden groep), of indien verstorende krachten optreden. Deze "verstorende krachten" waren reeds aangegeven door Darwin (mutaties en natuurlijke selectie), maar het Hardy-Weinberg theorema gaf dus ook aan dat evolutie kan optreden in een derde soort situatie, namelijk bij een kleine, afgescheiden populatie.
Sewall Wright heeft deze derde mogelijkheid verder bestudeerd. In een grote populatie verstoort de som van alle toevallige afwijkingen het genetisch centrum niet, aangezien afwijkingen zullen optreden met dezelfde frequentie in iedere richting, en elkaar dus zullen compenseren. In een kleine populatie is deze statistische gladstrijking echter niet gegarandeerd, en zal het centrum van alle genetische eigenschappen bij iedere volgende generatie een onvoorspelbare afwijking kunnen geven. Het centrum van de genetische eigenschappen van een dergelijke kleine populatie zal dus na verschillende generaties lijken op het zigzagpad van een dronkaard, vandaar de naam "genetic drift" (genetische drift). Het punt hierbij natuurlijk is dat een opeenvolging van willekeurige afwijkingen meestal niet naar zijn beginpunt terugkeert, en dat er dus na verloop van tijd een permanente genetische afwijking opgetreden is. Met andere woorden: een echte evolutie, in een volledig toevallige richting.
Er zijn dus drie factoren die meespelen in de evolutie: mutaties, natuurlijke selectie en genetic drift. Een mutatie is een wijziging in een gen (bijvoorbeeld de vervanging van een nucleotide-letter door een andere). Mutaties zijn de enige gebeurtenissen die erfelijke karakteristieken kunnen wijzigen, en moeten dus altijd aanwezig zijn in een evolutionair proces. Er blijven dus twee verschillende wijzen waarop evolutie kan optreden: het mechanisme van Darwin (mutaties gepaard met natuurlijke selectie) en het mechanisme van Wright (mutaties gepaard met genetische drift). Evolutie is steeds een proces in twee trappen: eerst dient een mutatie op te treden bij een individu, daarna dient deze mutatie zich al of niet te verspreiden in een bevolking. In deze tweede stap zullen veel mutaties verloren gaan, en slechts enkelen zullen het halen en een vast onderdeel van het genetisch areaal van deze bevolking worden.

Moleculaire Evolutie

Mutaties, wat feitelijk “fouten” zijn bij de reproductie of beschadigingen van het genoom, treden volkomen willekeurig op. Ze kunnen positief of negatief zijn (in dit geval spelen ze een rol bij de natuurlijke selectie), maar ze kunnen ook neutraal zijn (in de zin dat ze geen voordeel of nadeel opleveren voor het organisme waarin deze mutatie optreedt, en dus geen rol spelen in de natuurlijke selectie). Tot in de jaren 1960 werd gedacht dat dergelijke “neutrale” mutaties slechts een kleine minderheid van alle mutaties waren (als ze al zouden bestaan), en dat evolutie feitelijk het gevolg was van de natuurlijke selectie (genetic drift speelde bijna niet mee).
Amfibiën en zoogdieren zijn ontwikkeld uit dezelfde voorouder. De evolutie is bij zoogdieren echter veel sneller verlopen dan bij amfibiën. Amfibiën hebben zoveel eigenschappen gemeenschappelijk, dat er slechts één klasse amfibiën is, terwijl zoogdieren ingedeeld worden in 16 verschillende klassen. De mutatiegraad bij zoogdieren moet dus veel hoger gelegen hebben dan bij amfibiën. Toen het in de jaren 1960 echter mogelijk werd directe metingen te doen van de moleculaire parameters, bleek de mutatiegraad bij zoogdieren juist even hoog te liggen als deze bij amfibiën. Het bleek ook dat de meeste mutaties neutraal waren, en veel meer voorkwamen dan positieve of negatieve mutaties. Er is dus een groot verschil tussen de evolutie op het moleculair niveau, en de evolutie van de soorten organismen. Slechts een zeer kleine minderheid van de optredende mutaties is positief, en leidt tot de ontwikkeling van nieuwe soorten.
In de miljoenenjarige geschiedenis van de evolutie heeft zich dus een enorme hoeveelheid mutaties in het genoom opgestapeld, en de overgrote meerderheid van deze mutaties is neutraal. We hebben nu geleerd ons voordeel te doen met deze neutrale mutaties. Een mutatie (die dan ook nog overgeërfd moet worden) is nog steeds een uitzonderlijke gebeurtenis die slechts om de zoveel generaties optreedt. Het bestuderen van deze neutrale mutaties in het mitochondrion en in het Y-chromosoom geeft ons een instrument dat toelaat afstamming te bepalen, en de verspreiding van de mensheid over onze aardbol. Het laat ons ook toe de evolutie van de verschillende soorten organismen in detail te bestuderen.
Recent onderzoek heeft aangetoond dat de situatie met deze "neutrale" mutaties in feite wel iets complexer is dan eerst gedacht. Deze "neutrale" mutaties zijn dan wel niet schadelijk of geven geen onmiddellijk voordeel, maar ze beïnvloeden de evolutie wel op langere termijn. Ze doen dit op twee manieren. De eerste manier is dat, wanneer verschillende wijzigingen nodig zijn vooraleer een eiwit een nieuwe functie kan vervullen, deze "neutrale" wijzigingen zich kunnen opstapelen, en ze zodoende de drempel verlagen voor de definitieve wijziging. De tweede manier is dat de "neutrale" mutatie blijft wachten tot de omstandigheden wijzigen, waarna ze in werking treedt. Dit blijkt bijvoorbeeld het geval geweest te zijn bij het optreden van het AIDS-virus.
Een aantal experimenten heeft aangetoond dat veel van deze "neutrale" mutaties alleen maar neutraal schijnen, maar in feite schadelijke mutaties zijn die in toom gehouden worden. De werking van een eiwit hangt af van de driedimensionele structuur die het aanneemt. Veel mutaties beïnvloeden niet de volgorde van de aminozuren op de peptidenketting, maar wel de ruimtelijke structuur die deze peptidenketting als eiwit zal aannemen (zie de pagina "van DNA naar eiwit"). Nu heeft iedere cel een mechanisme dat optreedt tegen foutief gevormde eiwitten (de chaparonne-eiwitten: deze dwingen de foutief gevormde eiwitten terug in de juiste structuur). Er is nu aangetoond dat veel organismen mutaties herbergen, die feitelijk schadelijke mutaties zijn omdat ze foutief gevormde eiwitten voortbrengen, maar waarbij deze mutaties in feite geneutraliseerd worden door de hoeveelheid chaparonne-eiwiten die de cel aanmaakt, welke deze foutieve mutaties terug in de juiste vorm dwingen. De mutatie wordt hierdoor "geneutraliseerd". Verlaag echter de hoeveelheid chaparonne-eiwitten in de cel, en deze misvormde eiwitten worden niet meer gecorrigeerd.
De cel heeft hierdoor een mechanisme om een hoeveelheid (momenteel schadelijke) mutaties op te stapelen, maar deze onschadelijk te houden door de hoeveelheid en de soort chaparonne-eiwitten die ze aanmaakt. De chaparonne-eiwitten gedragen zich dus als een buffer, omdat ze schadelijke mutaties omvormen tot neutrale mutaties, en de cel hierbij de mogelijkheid geven een grote genetische diversiteit op te slaan voor de tijd dat deze mutaties ooit nodig zouden zijn als aanpassing aan gewijzigde omstandigheden.