Snelle evolutie kan grote veranderingen in de omgeving bijbenen

Evolutie Door snelle veranderingen in hun leefomgeving moeten veel soorten zich aanpassen. Maar kan de evolutie dat wel bijbenen?

De vachtkleur van hertmuizen (Peromyscus maniculatus) is aangepast aan de omgeving waarin ze leven, zodat de diertjes minder goed zichtbaar zijn voor roofvijanden. Links de ondersoort Peromyscus maniculatus luteus die leeft in het kale terrein van Sand Hills in Nebraska, en rechts de ondersoort Peromyscus maniculatus bairdii die voorkomt op de prairie in Nebraska.
De vachtkleur van hertmuizen (Peromyscus maniculatus) is aangepast aan de omgeving waarin ze leven, zodat de diertjes minder goed zichtbaar zijn voor roofvijanden. Links de ondersoort Peromyscus maniculatus luteus die leeft in het kale terrein van Sand Hills in Nebraska, en rechts de ondersoort Peromyscus maniculatus bairdii die voorkomt op de prairie in Nebraska. Foto’s Science

Het plaatsje Valentine, Nebraska, gelegen aan de rand van de Amerikaanse Biblebelt, is niet de meest voor de hand liggende plek voor baanbrekend evolutiebiologisch onderzoek. Toch is dit waar twaalf jaar geleden een team onderzoekers begon met de grondlegging van een van de grootste experimenten op het gebied van natuurlijke selectie. En ‘grondlegging’ is hier letterlijk bedoeld. Valentine ligt namelijk op de grens van Sand Hills, een groot gebied van zandverstuivingen met een lichte bodemkleur. Ten noorden van Valentine is de bodem veel donkerder. Die bodemkleur vertaalt zich in de kleuren van de dieren die er leven. Zo hebben de hertmuizen (Peromyscus maniculatus) in de zandverstuivingen een veel lichter getinte vacht dan die op de donkerder bodem in het noorden. Een klassiek voorbeeld van evolutie, zou je zeggen: de lichte muizen zijn beter gecamoufleerd in Sand Hills, de donkere zijn in het noorden minder in het oog springend.

Maar tussen intuïtie en wetenschappelijke zekerheid liggen vele jaren onderzoek. Want je moet een hele reeks dingen bewijzen. Ten eerste dat de vachtkleur erfelijk is (want evolutie is alleen mogelijk als eigenschappen aan een volgende generatie kunnen worden doorgegeven). Twee: dat een lichte vacht een voordeel biedt op de zandbodem dat zich uitbetaalt in meer nakomelingen. Als derde moet je aantonen dat de varianten van genen voor een licht gekleurde pels in het Sand Hills-gebied inderdaad in hogere frequentie voorkomen dan elders. En ten slotte zou je het hele evolutieproces eigenlijk in een experiment willen kunnen repliceren.

Dus toog in 2010 een team onderzoekers en studenten van het lab van Hopi Hoekstra aan Harvard University naar Valentine. Met vrachtwagentjes brachten ze daar dertien ton roestvrij stalen platen naartoe om zes muizenreservaten van elk 50×50 meter in te richten: drie op lichte bodem en drie op donkere bodem.

Elk van de reservaten werd door de onderzoekers (‘the mouseketeers’, noemde de plaatselijke bevolking hen al snel) gevuld met een kleine honderd muizenkolonisten afkomstig uit de directe omgeving, waarbij de gemiddelde kleur van de muizen in ieder hok gelijk was. Ook werden bij iedere kolonist foto’s en een dna-sample genomen en een chip tussen de schouderblaadjes geïmplanteerd.

Onderzoekers beseffen vaak niet hoe snel de evolutie zich kan voltrekken

Vanaf het moment dat de kolonisten werden vrijgelaten, zorgde natuurlijke selectie door jagende uilen ervoor dat in de muizenreservaten op lichte grond vooral donkere muizen werden verwijderd, en op donkere grond vooral lichte muizen. Na verloop van tijd was de gemiddelde kleur van de muizenvachtjes overal ongeveer zoals in de wilde muizenpopulatie eromheen: licht in het Sand Hills gebied, donker ten noorden van Valentine.

Maar het team stopte daar niet. Genetisch onderzoek aan de eerder afgenomen dna-monsters toonde aan dat in de hokken op lichte bodem een bepaalde vorm van het zogenoemde agouti-gen veel algemener was geworden en zeldzamer op donkere grond. Toen de onderzoekers gewone laboratoriummuizen genetisch modificeerden met die variant, bleken ook die een lichtere vacht te krijgen.

Het in 2019 in Science gepubliceerde Nebraska-muizenonderzoek geldt als een van de mooiste veldstudies aan evolutie door natuurlijke selectie, omdat het alle hokjes aanvinkt die nodig zijn voor een sluitend bewijs. Bovendien laat het zien hoe snel natuurlijke selectie in de natuur kan werken: de meeste verandering vond al binnen enkele muizengeneraties plaats. Het is dus kennelijk niet zo dat evolutie, zoals Darwin vreesde, pas zichtbaar wordt nadat „the hand of time has marked the lapse of ages”. Darwin, zo is inmiddels wel gebleken, onderschatte soms de kracht van het door hem ontdekte proces.

Verrassend hoge snelheid

Want die verrassend hoge evolutiesnelheid is iets wat ook veel andere studies bevestigen. Zwaluwen die naast snelwegen nestelen kregen al binnen 30 jaar kortere, beter wendbare vleugels. Hagedissen op Caribische eilandjes die werden geteisterd door orkanen kregen binnen twee jaar bredere tenen en langere voorpoten waarmee ze zich bij sterke wind beter konden vastklampen. En visjes in Amerikaanse havengebieden evolueerden binnen enkele tientallen generaties zodanig dat ze resistent werden tegen extreem hoge concentraties pcb’s.

Dat stemt hoopvol, want in een wereld die door toedoen van de mens ecologisch snel en drastisch verandert, zijn er maar twee mogelijkheden: uitsterven of aanpassen. En in de biologie wordt met ‘aanpassen’ bedoeld: evolutie door natuurlijke selectie. Het besef dat veel soorten organismen misschien evolutionary rescue zouden kunnen ondergaan en zo een wisse extinctie bespaard zou kunnen blijven, heeft ervoor gezorgd dat er de laatste jaren een toegenomen belangstelling is voor wat evolvability wordt genoemd: de mogelijkheid van een soort om een snelle evolutionaire respons te vertonen op een veranderend milieu. Alleen al in het afgelopen jaar verschenen bijna honderd wetenschappelijke artikelen met ‘evolvability’ in de titel.

Het is dan ook een ingewikkeld concept, omdat het afhangt van zoveel verschillende factoren. Neem generatietijd bijvoorbeeld. Omdat je bij evolutie altijd kijkt naar het effect van natuurlijke selectie die de vórige generatie heeft ondervonden, kan evolutie sneller plaatsvinden als de generaties kort duren: generatietijd is te zien als de evolutionaire kloksnelheid. Een klein insect met meerdere generaties per jaar kan zich sneller aanpassen dan de mens, die slechts eens per twee decennia een nieuwe generatie produceert.

Een andere factor van betekenis is populatiegrootte. Voor evolutie zijn genetische mutaties nodig, verschrijvingen in de dna-code die plaatsvinden tijdens de productie van geslachtscellen en zo dus kunnen worden doorgegeven aan het nageslacht. Hoe meer individuen, hoe meer geslachtscellen worden aangemaakt en dus hoe groter de kans op voordelige mutaties bij nakomelingen. Aan de andere kant reageert een grote populatie weer iets trager op natuurlijke selectie dan een kleine, omdat het meer generaties duurt voordat de voordelige mutatie zich door de hele populatie heeft verspreid.

Burgerlijke stand

Maar uiteindelijk, schrijven Timothée Bonnet van de Australian National University in Canberra en veertig collega’s in Science van 27 mei, draait het bij evolvability allemaal om fitness. Een verwarrende term, want in de evolutiebiologie heeft fitness weinig te maken met fysieke conditie, maar alles met hoe goed een organisme past (‘fit’) in zijn omgeving. En de enige manier om dat te kwantificeren is de bijdrage van zijn of haar genetische eigenschappen aan het genenrepertoire van de volgende generatie.

Met andere woorden: als je meer levensvatbare nakomelingen produceert dan je soortgenoten, heb je een hogere fitness. Bij een diersoort waar de onderlinge verschillen in fitness groot zijn, zal het genetisch materiaal van de individuen met de hoogste fitness zich veel sneller (in generaties gemeten) door de populatie verspreiden (hoge evolvability) dan bij een diersoort waar iedereen ongeveer dezelfde fitness heeft (lage evolvability).

Probleem is alleen: om die variatie in fitness te bepalen heb je een nauwkeurige burgerlijke stand nodig waarin over meerdere generaties is opgetekend wie van wie afstamt en hoeveel nakomelingen iedereen heeft gekregen. Voor wilde dieren zijn zulke gedetailleerde gegevens nooit beschikbaar.

Vríjwel nooit. Bonnet en collega’s gingen zoeken in de ecologische literatuur en wisten toch negentien populaties te vinden (van zes vogel- en negen zoogdiersoorten) waarvoor een dergelijk stamboek decennialang was bijgehouden. Gele bavianen in het Amboseli Nationale Park in Kenia bijvoorbeeld; maar ook de koolmezen op de Hoge Veluwe die al sinds 1955 in de gaten worden gehouden, onder andere door hun medeauteur Marcel Visser van het Nederlands Instituut voor Ecologisch Onderzoek in Wageningen.

Voor elk van bijna een kwart miljoen individuele dieren bepaalden de onderzoekers het totaal aantal gekregen nakomelingen over hun gehele levensduur. Ook keken ze wat de erfelijkheid van die verschillen was: geven dieren met een hoge fitness (veel nakomelingen) die fitness ook door aan hun nakomelingen (dus krijgen die ook veel kinderen)? Op basis van die gegevens berekenden ze een getal dat VA(w) heet: de variantie in erfelijke fitness. Variantie is een statistische maat voor de spreiding: hoe groter de kans dat een individu afwijkt van het gemiddelde, hoe groter de variantie. Gemiddeld over alle negentien populaties bedroeg die fitnessvariantie 0,185.

Evolutionaire benzinetank

Maar is dat hoog of laag? Om daar iets over te zeggen deden Bonnet en collega’s een computersimulatie waarbij een diersoort opeens geconfronteerd wordt met een drastisch verslechterd milieu waardoor de gemiddelde fitness met een derde daalt en de populatie begint in te storten. Van de negentien door hen bestudeerde populaties had meer dan helft een fitnessvariantie die hoog genoeg was om zichzelf binnen tien generaties evolutionair te redden. Hun „evolutionaire benzinetank was dus vol genoeg” om de naderende afgrond te ontwijken, zo omschreef geneticus Bruce Walsh van de University of Arizona het in een begeleidend commentaar in Science.

Dit alles is natuurlijk geen garantie dat de meeste soorten het wel zullen redden als hun habitat verandert of verdwijnt, maar het betekent wel dat evolutionary rescue een proces is dat niet verwaarloosbaar is. Toch wordt snelle evolutie vrijwel nooit meegenomen in voorspellingen over de effecten van bijvoorbeeld klimaatverandering of invasieve soorten, vaak omdat men niet beseft hoe snel evolutie zich kan voltrekken. De nieuwe metingen aan de inhoud van de evolutionaire benzinetank tonen aan dat dat beter wel gedaan kan worden.

Zo werd een invasieve parasitaire vlieg de Hawaïaanse krekel Teleogryllus oceanicus bijna fataal. Maar nét voordat de soort uitstierf, ontstond een mutant waarbij de mannetjes geen geluid maakten. Omdat de vlieg haar prooi vindt op het geluid dat die maakt, wist de met stomheid geslagen krekel zich zo evolutionair te redden.

Welke van de negentien door Bonnet en collega’s bestudeerde populaties voldoende evolutionaire brandstof hebben om de toekomst eveneens optimistisch tegemoet te zien, daar is geen duidelijk peil op te trekken. Zo lijken drie mediterrane populaties van de pimpelmees en een Britse populatie van de koolmees een hoge evolvability te hebben, maar de koolmezen van onze Hoge Veluwe een lage. En die gele bavianen van Amboseli hebben hun genetische schaapjes misschien op het droge: met een fitnessvariantie van bijna 0,25 zouden ze wel tegen een stootje moeten kunnen.