Sean B. Carroll is een van de grote namen van de ‘evolutionary developmental biology’, een nieuwe tak van de biologie waarin het draait om de vraag hoe de embryonale ontwikkeling van dieren, planten en andere organismen in de loop van de tijd is geëvolueerd. Embryologie was lang een heikel punt in de evolutietheorie, aangezien dieren in hun embryonale ontwikkeling vroegere evolutionaire stadia lijken te doorlopen. Menselijke embryo’s vertonen in een jong stadium bijvoorbeeld kieuwen, die later weer verdwijnen en vervangen worden door longen. Darwin beschouwde dit gegeven als een bewijs voor zijn evolutietheorie en Ernst Haeckel (1834-1919), Darwins grootste promotor op het Europese vasteland, meende het proces te kunnen samenvatten in een ‘biogenetische grondwet’. Deze luidde dat ‘de ontogenie een herhaling is van de fylogenie’, oftewel dat de embryonale ontwikkeling van het individu een afspiegeling vormt van de evolutionaire ontwikkeling van de soort waartoe dat individu behoort. Deze wet is aan te tonen noch te weerleggen, al was het maar omdat er niet achter te komen is wat er precies wordt herhaald: volwassen exemplaren of embryonale stadia van evolutionaire voorgangers. Daar is de wet niet minder heftig om aangevallen en hartstochtelijk verdedigd.

Deze hele problematiek is nu van tafel geveegd, want sinds een tiental jaren bestaan er nieuwe technieken zoals ‘DNA-sequencing’, waarmee niet alleen al het DNA van een soort en zelfs een individu kan worden uitgeschreven, maar ook zichtbaar kan worden gemaakt welke genen op welk moment in de ontwikkeling geactiveerd worden. Dit maakt het mogelijk na te gaan welke eigenschappen op welk moment tot uiting komen in de embryonale ontwikkeling van een dier (of plant), en wat er gebeurt als diezelfde eigenschappen later of langer in de embryonale ontwikkeling worden geactiveerd. Over de verrassende, volstrekt niet voorziene uitkomsten van dit onderzoek gaat dit interview, maar ook het interview hierna met professor Eva Jablonka. De nieuwe technieken hebben zowel sterke argumenten voor de darwiniaanse evolutietheorie opgeleverd, als deze op allerlei punten ondermijnd, wat eens te meer aangeeft dat de evolutieleer zelf nog lang niet is uitontwikkeld.

Sean Carroll werkt als onderzoeker aan het Howard Hughes Medical Institute en is hoogleraar in de genetica aan de universiteit van Wisconsin-Madison. Hij is de schrijver van het meeslepende Endless Forms Most Beautiful: The New Science of Evo Devo (2005) en The Making of the Fittest: DNA and the Ultimate Forensic Record of Evolution (2006). Het eerste boek behandelt de vraag hoe er variaties mogelijk zijn binnen en tussen verschillende soorten dieren, zowel genetisch als embryologisch bekeken. Het tweede boek gaat over de natuurlijke selectie van deze variaties: alleen die genvariaties die een organisme ‘fitter’ maker blijven bewaard in de evolutie, de rest verdwijnt in het ‘junk-DNA’, dat wil zeggen: het DNA dat niet meer tot expressie komt omdat er ‘onleesbare’ lettercombinaties in voorkomen.

Ik geef het interview hieronder weer zoals het via de telefoon plaatsvond, met al mijn onbegrip en enthousiasme en professor Carrolls geduldige pogingen mij duidelijk te maken wat er op het spel staat, terwijl er om zijn huis in Wisconsin een sneeuwstorm loeide.

AM: Waar komt de nieuwe wetenschap ‘evo-devo’ vandaan?

SC: Evo-devo staat voor evolutionaire ontwikkelingsbiologie en komt voort uit twee disciplines binnen de biologie: onderzoek naar ontwikkeling, dus hoe het lichaam van een individu ontstaat, en onderzoek naar evolutie, ofwel hoe de geschiedenis van het leven zich heeft ontvouwd en hoe de diversiteit aan levende wezens in de loop van de tijd is ontstaan. Er bestaat een hechte relatie tussen deze twee disciplines, want de vorm van een lichaam is de uitkomst van z’n ontwikkeling, en alle veranderingen in die vorm zijn daarom de uitkomst van hoe die ontwikkeling zelf weer is geëvolueerd. Om de grote fysieke diversiteit aan dieren- en plantenvormen te begrijpen, moeten we doorgronden hoe hun ontwikkeling verandert – dat is het onderwerp van evo-devo. Evo-devo onderzoekt dus zowel de ontwikkeling van het embryo als de evolutionaire ontwikkeling.

In Endless Forms Most Beautiful heeft u het over de evo-devo-‘revolutie’. Wat is er zo revolutionair aan?

Tot begin jaren tachtig hadden we geen helder beeld van hoe individuele dieren nu eigenlijk ontstaan. En we snapten nog nauwelijks iets van de genetische basis van de diversiteit die er bestaat aan dierlijke vormen. De ontdekkingen in evo-devo waren nogal opzienbarend. De centrale ontdekking is dat dieren qua vorm nog zo uiteen mogen lopen, toch bezitten ze bijna allemaal dezelfde ‘gereedschapskist’ met genen waarmee ze hun lichaam opbouwen en waarmee de kleurpatronen op hun lichaam ontstaan. Het algemene idee en misschien ook de verwachting was dat er nogal uiteenlopende genetische recepten moesten bestaan voor zulke verschillende dieren als wormen en vliegen en vlinders en mensen. Maar de genen die betrokken zijn bij de constructie van sterk verschillende vormen van bepaalde lichamelijke kenmerken – zoals de ogen van al die dieren – zijn zo goed als hetzelfde en zijn ook in de hele geschiedenis van de dierlijke evolutie hetzelfde gebleven. Toen realiseerden we ons dat dieren op genetisch niveau veel meer met elkaar gemeen hebben dan je op grond van hun uiterlijk zou vermoeden.

Hoe is dat mogelijk?

Het is allemaal een kwestie van dezelfde gereedschappen gebruiken, maar telkens op een andere manier. De genen die betrokken zijn bij de constructie van het lichaam en de kleurpatronen daarop voeren alle een eigen taak uit in het lichaam, en die taak komt er meestal op neer dat ze het gebruik van ándere genen op elkaar afstemmen. Met behulp van een zorgvuldig bewaarde en gedeelde gereedschapskist van genen kunnen enorme aantallen variaties worden geproduceerd. Uit dezelfde grondstoffen kunnen heel verschillende ontwerpen worden afgeleid. Zo luidt de algemene verklaring voor het ontstaan van verschillen. Een van de belangrijkste verklaringen voor hoe deze variaties ontstaan heeft te maken met die delen van het genoom die actief evolueren. En dat zijn de ‘switches’, de schakelaars die in het DNA vastliggen en bepalen hoe de andere genen worden gebruikt.

Wacht even. Volgens een oud idee over de evolutie, te vinden in Richard Dawkins’ boek The Selfish Gene (1976), zouden onze genen allesoverheersend zijn en zijn wijzelf niet meer dan het voertuig van die genen. Daarna kwam er het ‘human-genome-project’, dat duidelijk maakte dat het genoom eigenlijk niet zo belangrijk is, want klaarblijkelijk hebben sterk verschillende dieren min of meer dezelfde genen. Wij mensen hebben praktisch hetzelfde genoom als de chimpansee. Wat u zegt is dat het verschil tussen soorten een gevolg is van de wijze waarop diezelfde genen tot expressie worden gebracht. En daar zijn de switches van belang, begrijp ik u goed?

Precies. De switches werken als aan/uit-schakelaars. De switches bepalen wáár afzonderlijke genen aan- of uitstaan tijdens de ontwikkeling van het lichaam, en in ons geval zelfs tijdens de hele levensduur van het lichaam. Als je onze anatomie vergelijkt met die van een chimpansee, zijn ons skelet en ons spierstelsel in feite een gehermodelleerd apenskelet en apenspierstelsel. Je kunt de overeenkomsten in groei zien, maar wat er verschilt is de relatieve omvang van bepaalde lichamelijke structuren: hun vorm, hun aantal zoals in onze wervelkolom waar bepaalde botten in andere botten passen waardoor wij rechtop staan en apen een beetje gebogen lopen, verder de relatieve afmetingen van onze ledematen en meer van dat soort zaken.

We begrijpen nu dat chimps dezelfde genen als wij gebruiken om vingers, ledematen, een ruggengraat, schedel en zelfs hersenen mee te maken. Wat verschilt is dat wij die genen op een iets andere manier inzetten tijdens het ontwikkelingsproces, waardoor wij uiteindelijk een grotere schedel en grotere hersens krijgen en meer rechtop gaan staan. Ons bekken heeft iets andere afmetingen, net als onze ledematen, en ons spierstelsel is echt heel anders want het ondersteunt ons als rechtopstaande tweevoetige wezens. Maar als je ons beider anatomie vergelijkt – wat neerkomt op onze spieren en botten – zie je zowel de overeenkomsten als de verschillen. Die verschillen zijn vooral kwantitatief, de mens heeft niet geheel onafhankelijk eigen uitvindingen gedaan.

Dus de switches die bepaalde genen in de loop van de ontwikkeling aan- of uitzetten bepalen of een zich ontwikkelend embryo een mens of een chimpansee wordt?

We hebben inmiddels heel wat genomen geïnspecteerd – van de hond bijvoorbeeld, van de muis, de rat – en ook een behoorlijk goed beeld gekregen van dieren zoals de olifant en de wasbeer. Als we alleen naar de zoogdieren kijken, bestaan al hun genomen in feite uit dezelfde genen. Er zit niets in deze genomen waaruit spreekt dat ze van honden of muizen of mensen zijn. We beschikken allemaal over min of meer dezelfde genenverzameling. Een groot deel van de biologie is gebaseerd op een combinatorische logica waarbij diversiteit wordt geproduceerd met een relatief klein aantal componenten. Dat is zeker ook het geval waar het lichaamsvormen betreft.

Voor bepaalde lichamelijke structuren zijn er geen grote verschillen in aantallen genen en ook geen nieuwe genen nodig. Die structuren worden alleen gehermodelleerd en dat hermodelleren komt neer op geschuif met de tijdsduur waarin bepaalde genen aan- of uitstaan, dus hoe lang ze aanstaan bepaalt hoe ver een structuur zich ontwikkelt voordat de ontwikkeling weer door een of ander programma wordt uitgeschakeld. Het komt allemaal neer op knutselen met materialen die al heel lang bestaan. Alle dieren van spitsmuizen tot olifanten en walvissen beschikken over vrijwel dezelfde verzameling genen.

Dus de belangrijke mutaties in de loop van de evolutie vinden plaats in de switches?

Dat geldt vooral voor de evolutie van de lichaamsvormen. Kijk, de genen die voor eiwitten coderen evolueren, en dat geldt met name voor de genen die betrokken zijn bij zaken zoals ons zintuiglijke systeem en onze immuniteit. Genen die coderen voor eiwitten die een rol spelen bij ons gezichtsvermogen, onze ademhaling, spijsvertering en immuniteit evolueren en stellen daardoor de fysiologie van een dier af op de omgeving waarin het leeft. Op dat niveau vindt er evolutie plaats. Maar dan hebben we het niet over het zichtbare deel van de evolutie. Ik verdeel de evolutie, als het om dieren gaat, in twee componenten: er is een evolutie van de vorm en er is een evolutie van de fysiologie. Bij de evolutie van de vorm zijn de switches heel belangrijk. Bij de evolutie van de fysiologie spelen de genen een belangrijke rol.

De genen waarmee lichamen worden opgebouwd zijn heel bijzonder. Er is slechts een fractie van onze genen betrokken bij de bouw van het lichaam, vermoedelijk minder dan 10 procent. De meeste genen verzorgen functies die in alle cellen plaatsvinden, of alleen in een enkel orgaan. Daarentegen worden de genen die voor de bouw van onze vingers, onze ruggengraat, ribben en spieren zorgen meermalen gebruikt in het ontwikkelingsproces. Dezelfde genen worden vele malen gebruikt om verschillende lichaamsstructuren te laten ontstaan. Ze zijn voorzien van veel meer gen-switches dan de genen die een bepaalde metabolische functie verzorgen. De evolutie werkt dus bij de opbouw van de anatomie vooral via switches, en bij de evolutie van de fysiologie vooral via eiwitten.

Hoe zitten switches in elkaar?

Switches hebben twee onderdelen. Ten eerste is er een deel DNA, dat werkt als de landingsbaan of het verzamelpunt waar op dat stuk van het chromosoom dingen kunnen gebeuren. Dit DNA-deel is een ruimte waaraan eiwitten zich binden, en doordat deze eiwitten zich eraan binden wordt bepaald of de switch aan- of uitstaat. Ten tweede bestaat de switch uit een deel eiwit. Samen bepalen ze of een nabijgelegen gen aan- of uitstaat.

Hoe ontstaat zo’n switch? Wordt daar ook weer voor gecodeerd door het DNA?

Switches liggen ín het DNA, maar ze zijn aan veel minder beperkingen onderworpen dan coderende DNA-sequenties. Bij coderende sequenties heb je te maken met de grammatica van het DNA, waarbij elke drie letters iets betekenen, en dan is er het afleeskader dat begin en eind van de boodschap bepaalt, en je leest van links naar rechts. Coderende informatie in het genoom is in allerlei structuren ingekaderd. Een switch daarentegen is veel losser georganiseerd. Switches kunnen op heel verschillende afstand ten opzichte van hun gen liggen, soms zelfs een heel eind ervandaan in termen van de lineaire afstand op het DNA. Ze hebben geen afleeskader en zijn daardoor een stuk flexibeler in hoe ze evolueren en hoe hun volgorde verandert. Ze lijken een veel grotere mate van evolutionaire verandering te kunnen verdragen dan coderende gebieden op het DNA, zonder kapot te gaan en problemen te veroorzaken. Ze werken met andere regels en andere beperkingen, en daarom kun je ze ook niet detecteren door alleen maar DNA-volgordes te checken. Dat maakt ze zo interessant.

Een van de redenen waarom deze switches een minder bekend deel van het genoom vormen, is dat ze alleen experimenteel kunnen worden geverifieerd. Je kunt ze niet uit de aanwezige informatie afleiden. Als je een lang stuk DNA leest, kun je met heel eenvoudige algoritmen uitvinden waar de coderende informatie ligt, en dat kan ook heel snel gebeuren. Maar je kunt niet uitvinden waar de switches zich bevinden. Dat moet empirisch worden vastgesteld, wat een boel vertraging oplevert. Daarom wordt vermoedelijk niet algemeen onderkend wat de switches te bieden hebben.

Switches zouden ook junk-DNA kunnen zijn?

Daar zit precies het probleem. Als je buiten de coderende informatie kijkt, is het erg lastig om junk-DNA van functionele switches te onderscheiden. Laat ik voor alle duidelijkheid de cijfers noemen: niet meer dan zo’n 1,5 procent van het menselijk genoom bestaat uit coderende informatie. Er is dus zestigmaal meer informatie die nergens voor codeert. Volgens onze beste schattingen bestaat ongeveer 3,5 procent daarvan uit regulerend DNA dat betrokken is bij het op elkaar afstemmen van hoe genen worden gebruikt, de switches dus. Daardoor houden we in totaal 95 procent van ons genoom over dat vermoedelijk afval is. Maar toch, er is bijna tweemaal zo veel DNA betrokken bij het afstemmen van de genen op elkaar als er coderend DNA is. Er valt dan ook nog een boel te ontdekken als het erom gaat vast te stellen wat wat doet en hoe dat gebeurt.

Hoe kun je empirisch vaststellen of iets een switch is of afval?

Er bestaat een heel eenvoudige proef, een karakteristieke proef die bovendien onderstreept hoe veranderlijk de switches zijn. Je neemt een stukje DNA waar het DNA-deel van een switch op zou kunnen liggen en dat haak je aan het coderende gebied van een gen dat gemakkelijk te identificeren is, bijvoorbeeld het gen voor het groen fluorescerende eiwit. Dat is een gen van een kwal die onder ultraviolet licht een prachtige groene glans begint af te geven. Als je dus wilt weten of er op een bepaald stuk DNA een switch ligt, koppel je het aan de DNA-sequentie die codeert voor dat groen fluorescerende eiwit en dan plaats je het terug in een dier. Een muis, een vis, een fruitvlieg, wat je maar wilt. En dan kijk je wat er gebeurt tijdens de ontwikkeling. Het lichtgevende eiwit zal elke keer zichtbaar zijn waar en wanneer die switch actief wordt. Je ziet dan bijvoorbeeld dat de lever verlicht wordt, of je ziet een streep waar een wervel of een bepaald segment of vleugels gevormd worden. Dit maakt ook duidelijk dat switches met praktisch elk soort gen kunnen werken. Anders gezegd, switches zijn een soort modulaire elementen. Je kunt ze aan praktisch alles koppelen en dan werken ze ook nog. Daarom zijn we in staat te testen of en waar ze bestaan. Als we een onbeperkte hoeveelheid geld en tijd hadden, zouden we systematisch alle switches in het genoom kunnen identificeren met behulp van deze methode.

Hoe ontstaan switches in natuurlijke processen? Bestaan er externe factoren die het DNA ertoe aanzetten switches te maken?

De meeste switches die jij en ik hebben bestaan al heel erg lang. Ze zijn vermoedelijk al heel lang geleden geconstrueerd in de primaten, gewervelde dieren en zelfs de bilaterale dieren, de eerste tweezijdig symmetrische dieren. Natuurlijk zijn deze switches op een bepaald moment in de evolutionaire geschiedenis ontstaan uit DNA-sequenties via het proces van natuurlijke selectie. Een goede schatting luidt dat er ongeveer honderdduizend switches in het menselijk genoom aanwezig zijn. De meeste daarvan bestaan al heel lang, een klein aantal is tamelijk recent.

Switches kunnen op een aantal verschillende manieren ontstaan. Ze kunnen ontstaan doordat er meerdere stukjes DNA aan elkaar worden gekoppeld, ze kunnen heen en weer springen op het genoom, ze kunnen ook het gevolg zijn van heel kleine veranderingen op een stuk DNA dat al op de juiste plek ligt. Wat wij experimenteel hebben onderzocht en waarover we ook de afgelopen jaren gepubliceerd hebben, is hoe bepaalde switches in de loop van de evolutie van bepaalde soorten zijn ontstaan, hoe ze daarna hebben bepaald hoe deze soorten eruitzien en hoe ze hun aanpassing aan het milieu op diverse manieren hebben beïnvloed.

Een voorbeeld betreft bepaalde soorten fruitvliegjes met zwarte vlekken op hun vleugels. Deze vlekken worden gebruikt tijdens de baltsdans en worden dan aan de vrouwtjes getoond. Toen we naar de genen keken die betrokken zijn bij het tekenen of aanleggen van die zwarte pigmenten, konden we veranderingen in het gebruik van die genen herleiden tot de switches van deze genen. In de soorten met zwarte vlekken zijn de genen op die plekken actief waar de vlekken zullen worden gevormd en in soorten zonder zwarte vlekken zijn die genen niet-actief. We hebben het precieze verschil tussen die soorten kunnen herleiden tot een klein aantal veranderingen in de genetische switches in de zwarte-pigmentatiegenen.

Waarom zijn sommige switches actief en andere niet? De genen zijn altijd aanwezig, maar op een bepaald punt in de ontwikkeling worden sommige ervan door switches aangezet en andere niet. Wat brengt de switches ertoe zo’n gen aan te zetten?

De switches worden geactiveerd met eiwitten, of preciezer gezegd met combinaties van eiwitten die in de loop van het ontwikkelingsproces van een dier tot expressie zijn gebracht. Als de juiste combinatie van eiwitten tegelijk aanwezig is in een celkern wordt een bepaalde switch omgeschakeld. Als je je het organisme voorstelt als een raster, een raster dat elk deel van elk afzonderlijk dier voorstelt, kun je je voorstellen dat je in het noordoostelijk deel van een dier een bepaald gen wilt aanzetten. Er bestaan regulerende eiwitten die zich aan switches binden en er bestaan unieke combinaties daarvan in bepaalde delen van elk dier. Nu luidt jouw vraag – en het is een heel goede vraag – wat bepaalt waar de switches daadwerkelijk actief zijn? Nou, dat wordt bepaald door de combinatie van de eiwitten die zich aan de switches binden. En doordat je honderden eiwitten hebt die zich aan de switches binden en doordat die eiwitten zelf weer in verschillende, speciale patronen vanaf het DNA tot uitdrukking worden gebracht, krijg je een ongelooflijk aantal combinatiemogelijkheden.

Dus als ik terug mag komen op de vergelijking tussen chimpansees en mensen, is het verschil dat onze respectievelijke switches iets anders ge-evolueerd zijn, in die zin dat onze respectievelijke genen ofwel op een ander tijdstip in onze ontwikkeling actief zijn, ofwel op een andere plek in het zich ontwikkelende embryo?

Dat klopt. De ontwikkeling van een dierlijke vorm is een proces in ruimte en tijd: in de driedimensionale ruimte waarin zaken actief of niet-actief zijn, en in de tijd waarop en voor hoe lang ze dat zijn. Het cumulatieve effect van de verschillen daartussen kan behoorlijk groot zijn. Het kan leiden tot veel grotere hersenen, een heel ander gevormd bekken, of spieren op een net iets andere plek, waardoor ze een andere omvang krijgen. Dat is in het lichaam genoeg om onze anatomie een volkomen ander model te geven.

Een fascinerend voorbeeld dat u in uw boeken geeft gaat over het gezichtsvermogen. In het hele dierenrijk zijn dezelfde genen betrokken bij de vorming van het oog, of dat nu een facetoog is met heel veel kleine oogjes met onbeweeglijke lensjes zoals bij de insecten, of een cameraoog, dus een groot oog met een flexibele lens zoals van mensen of bij pijlinktvissen. Daar stond ik toch wel paf van.

Daarom gebruikten we ook het woord ‘revolutie’. Niemand had dat zien aankomen. Biologen hebben tientallen jaren lang, helemaal teruggaand tot Darwin, gemeend dat die verschillende soorten ogen onafhankelijk van elkaar waren ontstaan in de evolutie. We snappen nu dat ze in feite uit verschillende arrangementen van vrijwel identieke celtypen bestaan. De cellen die de lichtstimulus opvangen en de eiwitten die worden gebruikt om het licht te detecteren, zijn overal min of meer hetzelfde. De bouwstenen op het niveau van de cellen en genen en eiwitten zijn zo goed als identiek. Ze zijn alleen op een opvallend andere manier gerangschikt in een facetoog of een cameraoog. De schijn had ons voor de zoveelste keer bedrogen en we dachten dat we naar totaal verschillende zaken keken die in de evolutie vanaf nul en onafhankelijk van elkaar waren opgebouwd. Maar dat is helemaal niet het geval.

Als je de fotoreceptorcel van een cameraoog en het oog van een fruitvliegje vergelijkt, besef je ten eerste dat er één gen is, pax6 geheten, dat betrokken is bij de bouw van de fotoreceptorcel, en ten tweede dat ze allebei opsinen gebruiken om licht te detecteren, en dat opsine de stof is waarmee in het hele dierenrijk licht wordt gedetecteerd. En dat al meer dan 500 miljoen jaar. Wat er veranderd is zijn de kenmerken van het ontwerp van de ‘camera’ en het lichtgevoelige apparaat, maar de biochemie die daaraan ten grondslag ligt is niet veranderd. De basale biochemie is praktisch hetzelfde, waar je ook kijkt.

Dat is de belangrijkste les van evo-devo: we worden voortdurend misleid door de uiterlijke verschijningsvorm. We denken dat al die verschillende zaken ook totaal anders gecodeerd moeten zijn, maar dat is niet zo. Datzelfde geldt voor de ledematen. De ledematen van de mens en van de fruitvlieg, maar ook de ledematen waarmee mariene wormen zwemmen en zelfs de buisvormige voetjes van zeekomkommers, hebben allemaal een aantal genetische ingrediënten gemeen waarmee ledematen of meer in het algemeen aanhangsels worden gemaakt. En dat geldt ook voor ons hart en het hart van fruitvliegjes, waarvan ik niet eens wist dat ze er een hadden. Dat is toch opmerkelijke en ijzersterke kennis, lijkt mij, want al die overeenkomsten betekenen dat ontdekkingen die je in één dier doet heel wel vertaald kunnen worden naar de humane biologie en de medische wetenschap.

Betekent dit dat als een bepaald gen in het evolutieproces functioneert, het niet meer veranderd wordt maar domweg op zo veel mogelijk manieren gebruikt zal worden?

De genen, en vooral de genen die de lichaamsbouw verzorgen, hebben over het algemeen een zeer lange evolutionaire levensduur. Er zijn gevallen bekend waarin genen verloren raakten, maar afgezien daarvan zal de natuur, als ze ergens een oplossing voor vindt, deze gebruiken als sjabloon voor alle latere variaties.

In uw boek The Making of the Fittest geeft u het voorbeeld van de waarneming van kleuren. Wij zien drie kleuren, wat inhoudt dat we drie opsinen hebben, maar in de evolutie zijn we begonnen met vier.

We hebben nu drie opsinen voor de kleurwaarneming en één voor schemerlicht, maar een van de opsinen voor kleurwaarneming en licht is in onze afstammingslijn een recente aanwinst, die plaatsvond in de gemeenschappelijke voorouder van de mensapen en de apen van de Oude Wereld. Andere zoogdieren, zoals spitsmuizen, muizen en olifanten, hebben maar twee kleuropsinen en sommige dieren hebben er nog minder. De gedachte is nu dat de zoogdieren waarvan wij afstammen nachtdieren waren en een enigszins verpauperde kleurwaarneming hadden.

Omdat primitievere dieren vóór de zoogdieren vier opsinen hadden?

Er zijn vogels en reptielen en vissen met meer kleuropsinen dan wij en zeker meer dan de zoogdieren. Als gevolg daarvan nemen deze dieren veel meer schakeringen waar in een kleurenspectrum. In bepaalde gevallen stemmen ze zich af op bepaalde golflengten die binnen de soort voor communicatiedoeleinden worden gebruikt. Neem bijvoorbeeld de vissen van het koraalrif met al hun schitterende kleuren. Het rif is visueel een nogal chaotische plek. Deze vissen gebruiken vermoedelijk hun paar genen extra om zich op bepaalde golflengten af te stemmen waardoor ze elkaar beter kunnen zien. De regenboog zal voor deze dieren niet veel breder zijn, maar bepaalde kleurstroken waarop ze zich concentreren als ze met elkaar communiceren zijn dat wel.

Omdat deze vier opsinen en hun genen niet nodig waren voor de nachtdieren waar wij van afstammen, hebben ze er een tweetal verloren.

Bestaat er geen druk meer om bepaalde eigenschappen te behouden omdat een organisme van habitat of levenswijze is veranderd, dan hopen de mutaties in de bijbehorende genen zich al snel op. Als deze mutaties nadelig zijn voor het overleven, gaan de kopieën van deze genen verloren voor de populatie via het proces van natuurlijke selectie. Maar als mutaties geen effect hebben en ‘onzichtbaar’ zijn voor de natuurlijke selectie, dan hopen de vergissingen zich op en worden ze non-actief. De regel is hier: gebruik je genen, anders raak je ze kwijt. Zulke niet-actieve genen kun je verwachten bij evolutie onder weinig stressvolle omstandigheden.

Maar toen gebeurde er een wonder en kregen mensen weer een derde opsine.

En dat kwam doordat genen gedupliceerd worden. De evolutie herhaalt zichzelf en er kunnen reserve-genen worden geproduceerd door een kopieerproces in het genoom. Deze verdubbelde ketens kunnen dan worden gebruikt om nogmaals bepaalde evolutionaire mogelijkheden te exploreren. Dat is hier duidelijk gebeurd, niet alleen bij de apen van de Oude Wereld en de mensapen, maar het gebeurde nogmaals, zoals ik in The Making of the Fittest vermeld, met de brulapen van de Nieuwe Wereld. En er zijn nog veel meer gevallen van genduplicaties die samenhangen met adaptaties.

Als een gen verloren gaat verdwijnt het niet, maar komt het domweg niet meer tot expressie.

Het kan verdwijnen als er grotere mutaties in het genoom plaatsvinden, maar zeker bij zoogdieren blijven ze nog behoorlijk lang bestaan. De hoeveelheid mutatie die er in de loop van tien, twintig of dertig miljoen jaar plaatsvindt is niet groot genoeg om dat soort DNA compleet te wissen. Daarom zien we in de genomen van zoogdieren tot zevenhonderd genen die non-actief zijn. Op een bepaald moment in de afgelopen vijftig of honderd miljoen jaar zijn deze zoogdiergenen gedeactiveerd, maar ze zitten er nog steeds. Een gen bestaat gemiddeld uit zo’n 1200 letters tekst en soms zijn er maar vier of vijf vergissingen nodig om een gen te deactiveren. Het grootste deel van de tekst is er nog en daardoor kunnen we vaststellen dat er één opsine-gen bij zit dat vanwege de verschrijvingen erin niet langer functioneert.

Ons junk-DNA bestaat uit fossiele genen en genkopieën die niet meer werken?

Het grootste deel van ons junk-DNA is gedupliceerd materiaal en bestaat uit eindeloos herhaald, betekenisloos DNA. Er zijn stukjes DNA die het hele genoom door worden verplaatst en min of meer rondhoppen, en er zijn langere stukken DNA waarop bepaalde fragmenten eindeloos herhaald worden, bijvoorbeeld met heel veel A’s en T’s. Dat materiaal hoopt zich op omdat er geen selectiedruk is om ze uit het genoom te verwijderen. Vermoedelijk is de helft van ons DNA eindeloos herhaalde rommel, wat inhoudt dat bepaalde sequenties honderd tot duizend tot honderdduizend keer herhaald zijn. Een deel van ons junk-DNA is een begraafplaats van oude genen, maar het meeste is eindeloos herhaald onzin-DNA.

En in die zee van onzin zit een kern van hoogst informatieve code.

Eilandjes in de oceaan.

Een van de verbazingwekkende dingen in The Making of the Fittest is uw verhaal over de onsterfelijke genen, die al meer dan drie miljard jaar in ongewijzigde vorm bestaan.

Onsterfelijke genen zijn genen die zo diep betrokken zijn bij de basale constructie en decodering van de genetische machinerie dat ze al werkzaam zijn vanaf het moment dat complexe levensvormen voor het eerst evolueerden. Alle bacteriën, schimmels, planten en dieren zijn afhankelijk van deze genen. De onsterfelijke genen zijn aanwezig in elk type cellulair leven. Ze zijn betrokken bij processen die door alle levensvormen worden gedeeld, zoals het decoderen van de genetische code zelf, wat een universeel verschijnsel is. Deze eiwitten zijn in de hele loop van de geschiedenis van de evolutie op aarde niet veranderd. Ze spelen zo’n wezenlijke rol dat ze niet kunnen worden veranderd zonder dat het cellulaire leven instort.

Er zijn wel mutaties in deze onsterfelijke genen geweest, maar door natuurlijke selectie zijn die geëlimineerd?

Deze genen zijn ontelbare keren gemuteerd en muteren nog altijd elke dag weer in alle micro-organismen wereldwijd. Alleen overleven deze mutaties niet omdat ze nadelig zijn. Ze verstoren een groot deel van hoe een organisme functioneert.

Bestaat er enig verband tussen deze kern van vijfhonderd onsterfelijke genen en alle andere genen die er bestaan? Hebben de andere genen zich uit deze kerngenen ontwikkeld via mutaties, duplicaties, et cetera?

Dat is de grote vraag: waar komt heel die diversiteit van eiwitten en eiwitfuncties vandaan? Een aantal van de onsterfelijke genen zijn eiwitten die rna-moleculen binden en deze hebben een bepaalde opbouw die je ook vindt in andere eiwitten die zich aan rna binden maar niet onsterfelijk zijn. Het ligt daarom voor de hand te veronderstellen dat de recentere klasse van rna-bindend eiwit vermoedelijk uit een aantal van die onsterfelijke genen is geëvolueerd. Ik heb dit zelf niet tot in detail onderzocht, maar er zijn mensen die onderzoeken waar al die genen vandaan zijn gekomen. Wat is de genealogie van al dat spul? Als je naar een eiwit kijkt dat zich aan DNA bindt, of aan rna, of dat atp invangt, of zich koppelt aan calcium of iets anders, zie je dat er kleine stukjes eiwitstructuur zijn die voorkomen bij heel verschillende families eiwitten. Dan krijg je inderdaad de indruk dat de oorsprong van de diversiteit aan eiwitten voor een groot deel te herleiden is tot de vorming van nieuwe eiwitten uit stukjes en fragmenten van bestaande genen.

Als hetzelfde DNA telkens weer wordt hergebruikt in de evolutie, hoe kon er dan zoiets als de Cambrische Explosie plaatsvinden, waarbij 500 miljoen jaar geleden opeens een heleboel nieuwe soorten en fylums in het dierenrijk ontstonden? Wat heeft dat veroorzaakt?

De oorzaak van de Cambrische Explosie zou ik altijd extern zoeken, dat wil zeggen in het milieu, het klimaat – in de geochemie van de aarde. We weten zeker dat er voor het Cambrium al dieren bestonden, maar deze hadden heel kleine en zachte lichaamsvormen. Een populair idee over het Cambrium en de vroege evolutie van dieren is dat de concentratie van de zuurstof die er tot dan in de oceaan was ontwikkeld een beperking vormde voor de omvang die dieren konden bereiken. Er is vrij goed bewijs uit de geochemie dat deze zuurstofconcentratie aanzienlijk steeg in de tijd kort voor het Cambrium. Want om een groter dier te kunnen zijn, moet de zuurstof tot in alle weefsels kunnen doordringen en dat gaat niet erg efficiënt bij lage zuurstofconcentraties.

Er bestonden dus al wel dieren, maar ze waren vergeleken met de dieren van nu kleine, onopvallende vormen met een week lichaam. Toen vond er een verandering plaats in het klimaat op aarde en in de oceanen en konden de dieren door zo’n explosieve periode van evolutie gaan. De reden dat ik de aandacht vestig op de ecologie is dat de genen die voor de constructie van dieren nodig waren al vóór het Cambrium bestonden. De hox-genen voor de ontwikkeling van aanhangsels en ledematen bestonden al, en ook de pax6-genen, de genen om het lichaam te construeren. Ze maakten alleen heel kleine diertjes. Opeens doet zich een nieuwe ecologische mogelijkheid voor en die ecologische mogelijkheid creëert een intense competitie tussen dieren, een soort dierlijke wapenwedloop, om grotere en betere predatoren te worden, betere zwemmers, met beter beschermde en sterkere skeletten, et cetera.

Wat ik probeer te zeggen is dat deze natuurlijke selectie-in-de-hoogste-versnelling de Cambrische Explosie heeft veroorzaakt. Genetisch gesproken gebeurde er niets speciaals, want de genetische machinerie was er al en werkte. Het was de natuurlijke selectie, op volle snelheid vermoedelijk, die leidde tot een grote hoeveelheid variatie van grotere en complexere dieren in korte tijd.

Kijk eens naar de zoogdieren kort voor het einde van het Krijt, toen de dinosauriërs uitstierven, en het begin van het Tertiair. Zoogdieren waren kleine, onopvallende elementen in het ecosysteem, totdat al die ecosystemen radicaal veranderden na het uitsterven van de dino’s. Dan krijg je binnen tien miljoen jaar opeens grote en zeer diverse groepen zoogdieren. Ik denk dat we ons hierbij opnieuw door de schijn laten bedriegen. Als er amper beschikbare fossielen zijn en het er dan in een korte tijdsspanne opvallend veel worden, dan denken we: hemeltjelief, er moet iets enorms zijn gebeurd dat dit heeft veroorzaakt. Maar we moeten hier meer in termen van ecologie denken dan van genetica. Alle genen om een zoogdier te maken lagen al klaar, lang voordat de zoogdieren zich ontplooiden.

U bedoelt de specifieke genen voor zoogdieren.

Ik bedoel in het algemeen. Zoogdieren dateren van voor het uitsterven van de dinosauriërs. Er waren al volop zoogdieren, tientallen miljoenen jaren voor het uitsterven van de grote dino’s. Ze vormden alleen geen imponerend element van de toenmalige ecosystemen. Na het uitsterven van de dinosauriërs kwamen de zoogdieren pas goed op gang. Maar ik denk dat er daarbij genetisch gesproken niet erg veel gebeurde. Volgens mij was dit louter een ecologisch verschijnsel waar bij een ingrijpende verandering in de ecosystemen de zoogdieren als winnaars kwamen bovendrijven. Ik denk dat zoiets ook het geval is bij de Cambrische Explosie. Volgens mij vond er een grote verandering plaats in de ecosystemen en in het wereldomspannende klimaat en in de chemie van de oceanen, en toen kwamen daar opeens grote, complexe dieren uit voort. De genen voor dit soort grote uitbarstingen in de evolutie liggen al te wachten voor er nog iets is gebeurd.

Evolutie is dus een kwestie van mogelijkheden en niet van noodzakelijke ontwikkelingen. Het milieu verandert, de dinosauriërs verdwijnen en plotseling wordt er een specifieke evolutie mogelijk en dan gaat het opeens erg snel.

Wat genetici en evo-devo-biologen hebben bijgedragen aan onze verklaring van het evolutieproces is dat de genen al lange tijd kunnen klaarliggen, er moet zich alleen een ecologische gelegenheid voordoen en dan pas zie je dat de evolutie er gebruik van kan maken.

Het was junk-DNA en plotseling blijkt het een goudmijn.

Een deel van de junk werd als goud gebruikt.

Volgens de kijk van evo-devo is het niet de genetische basis die de evolutie voortdrijft en zijn het ook niet de mutaties, maar is het de omgeving, het milieu.

Ik moet hier heel voorzichtig zijn. Zonder genetische veranderingen is er geen evolutie, en het is daarom van groot belang dat er genetische veranderingen plaatsvinden. Maar de drijvende kracht achter de evolutie, of anders gezegd: datgene wat de evolutiesnelheid bepaalt of het soort dingen dat er feitelijk gebeurt, zijn de omstandigheden waarin de selectie plaatsvindt. Ik zie de ecologie als de drijvende kracht. Ik wil voorzichtig zijn en dit nog eens herformuleren, want ik wil niet zeggen dat genen niet belangrijk zijn, aangezien alle veranderingen, elke verandering in de fysiologie, elke verandering in vorm, een genetische grondslag heeft. Om het mechanisme van de evolutie te begrijpen dien je te begrijpen wat er op genetisch niveau gebeurt, maar genen zelf drijven helemaal niets voort op eigen kracht. Genen geven gewoon informatie door van generatie op generatie. De echte competitie vindt plaats in de ecologische context. Het tempo van de evolutie wordt bepaald door externe omstandigheden. Het veranderingsmechanisme heeft een belangrijke genetische component, waar ik persoonlijk mijn hypotheek van afbetaal. Maar ik ben blij dat u dat onderscheid maakt, want genen stuwen helemaal niets voort. Genen zijn deel van het grotere geheel, maar ze zijn zeker niet de enige motor achter de evolutie.

De klassieke evolutietheorie stelde dat er zich nu eenmaal random variaties voordoen en daarna gebeurt dan wat er echt belangrijk is, namelijk natuurlijke selectie. Maar wat evo-devo heeft bijgedragen aan de theorie is dat ze duidelijk maakt hoe die variaties mogelijk zijn, begrijp ik dat goed?

U zegt het. En evo-devo helpt ook echt bij het verklaren van variaties in lichamelijke vorm, en ze toont ons de diepe verbindingslijnen tussen al die verschillende levensvormen. Het is nog altijd onverminderd waar dat het evolutieproces bestaat uit random mutaties plus selectie. Maar evo-devo geeft een rijker geschakeerd beeld van hoe complexiteit ontstaat, uitgaande van een gemeenschappelijke set van dezelfde componenten, en hoe er in de evolutie diversiteit ontstaat door die gemeenschappelijke componenten steeds iets anders te gebruiken. En dat is waardevol en zeer bevredigend, want we stuiten telkens weer op zo veel verrassingen. Zoals u zei, je staat er paf van, telkens weer zeg je: hoe is het mogelijk? Maar met een beetje meer onderzoek en wat meer feitelijke kennis beginnen we er iets van te snappen. De verschillen zijn minder groot dan we aanvankelijk dachten. We moeten alleen nog wennen aan het nieuwe idee.

Als ik u goed begrijp is natuurlijke selectie de enige manier waarop de omgeving inwerkt op het genoom.

Ik houd even in nu, want ik wil zeker weten dat als ik uw vraag beantwoord, ik geen slagen om de arm hoef te houden. Nee, ik denk echt dat dat zo is. Zo werkt het milieu. Het milieu bepaalt de voorwaarden waaronder selectie plaatsvindt. Of het nu de zuurstofconcentraties zijn, of de temperatuur, of de aanwezigheid van predatoren of het beschikbare voedsel en dat soort zaken: dat stelt de voorwaarden die bepalen wie er wint en wie zich beter handhaaft in de competitie, in het proces van natuurlijke selectie. De veranderingen in het genoom zijn random en willekeurig, de mutaties zijn random, maar daarna krijgen de betere mutaties natuurlijk de overhand in de selectie.

Selectie is totaal niet-random?

Wat mij ertoe bracht Endless Forms Most Beautiful en The Making of the Fittest te schrijven, is dat het voor mensen buiten de biologie niet zo eenvoudig is te begrijpen wat er allemaal op het niveau van het DNA gebeurt, of wat er in embryo’s plaatsvindt, enzovoort. Maar het wetenschappelijk onderzoek daarnaar is de afgelopen tijd een heel eind opgeschoten.

Komt dat allemaal door de nieuwe techniek van DNA-sequencing?

We hadden amper iets geweten als we er niet in geslaagd waren de genetische code te breken en de relatie tussen genen en eigenschappen te leren begrijpen. Anatomische eigenschappen, kleurpatronen, lichaamsvorm, lichaamsomvang en dat soort zaken. Hoe wordt er gecodeerd voor de anatomie? Nu de genetische code is gebroken begrijpen we hoe de anatomie evolueert, en dat begrip komt voort uit de opzienbarende technische vooruitgang in het kunnen kijken naar wat er in het DNA gebeurt. En wat ook heel mooi is, is de kwaliteit van de bewijsvoering. We kunnen nu een aantal laatste antwoorden geven, meer valt er niet over te zeggen over het thema. Verder ruziemaken heeft geen zin. Met evo-devo bereik je het laatste niveau van de bewijsvoering over hoe zaken tot stand komen, en dat is ook iets waar je heel tevreden van wordt.