Deze keer ga ik dieper in op de theoretische aspecten van Darwins evolutietheorie. Dat is spannender dan je misschien denkt. Het begint al met de vraag wat leven nu eigenlijk is. Dat heeft iedereen zich wel eens afgevraagd en wie weet had je toen geen antwoord. Toch is het niet zo moeilijk. Leven is in de kern niets anders dan een bijzondere vorm van levenloze materie. Die materie is zo samengesteld dat het zich met behulp van een stofwisseling in stand houdt. Stopt de stofwisseling door sterfte, dan valt het leven weer uiteen in de anorganische componenten waaruit het was opgebouwd. Dat is wat leven in essentie is. Best simpel eigenlijk, maar daarmee is het leven nog niet meteen eenvoudig geworden. Integendeel zelfs.

Natuurlijke selectie

Niet elke levensvorm heeft dezelfde kwaliteiten. Vormen die maar heel kort leven en geen nakomelingen voortbrengen verdwijnen binnen de kortste keren van het toneel. Vormen die het langer volhouden en nageslacht produceren is daarentegen een langer verblijf in de biologische arena gegund. Al het leven dat wij nu kennen heeft voorouders gehad die lang genoeg hebben geleefd om hun eigenschappen door te geven aan het nageslacht dat nu leeft. Ze zijn als het ware door de natuur spontaan en zonder vooropgezet doel geselecteerd om hun reis door de tijd op aarde voort te zetten naar het heden. De rest is dood en uitgestorven. Dit is de kern van de natuurlijke selectie zoals Charles Darwin dat in 1859 voorstelde. Het staat nog altijd als een huis. Zo geformuleerd lijkt ook dit niet zo ingewikkeld. Toch hebben we heel lang op zijn inzicht moeten wachten. Het was in zijn eenvoud geniaal. Een filosoof zei ooit dat een genie iemand is die als eerste ziet wat voor de hand ligt. Dat klopt in dit geval beslist. Nadien was het echter afgelopen met de eenvoud. Met de in essentie zo simpele evolutietheorie in de hand stapelden de raadsels zich steeds meer op, niet alleen ten aanzien van onze eigen evolutionaire geschiedenis. Wat bijvoorbeeld te denken van het Cambrium?

Het Cambrium

Het leven op aarde is al 4,3 miljard jaar geleden begonnen, amper 300 miljoen jaar na het ontstaan van de planeet zelf. Al die tijd is natuurlijke selectie actief geweest. Voortdurend. Zonder enige onderbreking. Dit suggereert dat alles 4,3 miljard jaar lang min of meer bij het oude is gebleven. Weinig is minder waar. De ontwikkeling van de biodiversiteit laat dat heel mooi zien. In de periode van 4,3 miljard tot ruim 541 miljoen jaar geleden was die zeer beperkt. Gedurende 3,8 miljard jaar, bijna niet voor te stellen hoe lang dat is, komt de biodiversiteit nog niet in de buurt van hetgeen we nu (nog) waarnemen in de natuur. De moderne biodiversiteit is met andere woorden een betrekkelijk recent verschijnsel. Het is bij nadere beschouwing eerder de uitzondering dan de regel in de grote geschiedenis van het leven op aarde. De periode die vanaf 541 miljoen jaar geleden zo’n trendbreuk liet zien wordt het Cambrium genoemd. In het Cambrium nam de soortenrijkdom zo plotseling en zo snel toe dat wel gesproken wordt van de Cambrische explosie. De grote biodiversiteit die toen ontstond is sindsdien gebleven, hoewel er een vijftal grote uitsterfgolven zijn geweest waarin door verschillende oorzaken heel veel leven verloren is gegaan. Maar telkens na de instorting krabbelde het leven weer op. De grote vraag is nu hoe het kan dat natuurlijke selectie vanaf 4,3 miljard jaar geleden tot heden ononderbroken actief is geweest en dat er desalniettemin zo’n enorm verschil in diversiteit is tussen de eerste 3,8 miljard en de laatste 541 miljoen jaar.

Biologisch algoritme

Voor we die vraag kunnen beantwoorden maken we eerst een klein uitstapje. Natuurlijke selectie draait om individuen die nakomelingen produceren. Dat wil zeggen dat de levenscyclus van een individueel organisme, zoals een enkele bacterie of een enkele kwal, worm, hond of mens, centraal staat. Die levenscyclus is altijd hetzelfde, van welk individu van welke soort dan ook. Het individu wordt geboren, groeit, plant zich voort en sterft uiteindelijk. Die cyclus zowel als de uitkomst, in de vorm van nieuwe individu en de dood, is ook altijd hetzelfde.

Dergelijke procedures met vaste uitkomsten worden wel algoritmes genoemd. Die term stamt oorspronkelijk uit de wiskunde en wordt tegenwoordig heel veel gebruikt als het gaat om sociale media en ICT. De media staan er bol van. De berichten draaien gewoonlijk om het verzamelen van data door grote bedrijven. Door geautomatiseerde procedures of formules, de algoritmes, worden die tot gewenste uitkomsten verwerkt. De aard van de procedures die sociale media gebruiken is vanzelfsprekend volkomen anders dan die in de biologie, maar het concept van het algoritme is gelijk. Daarom is het helemaal niet gek om te spreken van het biologisch algoritme. Dat doe ik dan ook in 400.000 GENERATIES.

Maar als het biologisch algoritme gelijk is aan de levenscyclus van een individu, waarom noem je het dan niet gewoon de levenscyclus? Da’s wel zo simpel! Toch heb ik dat niet gedaan. Dat heeft meerdere redenen, ik noem de belangrijkste twee. De eerste is dat het begrip algoritme beter aangeeft dat het om een standaardprocedure gaat met dezelfde stappen die voor elke levensvorm gelden, of het nu een bacterie of een mens betreft. De tweede is dat een heel voornaam kenmerk van een algoritme is dat het iets produceert. Het brengt iets voort. Dat is ook in het biologisch algoritme heel duidelijk het geval. Dat produceert individuen en als de productie hoog genoeg is ontstaan zelfs populaties die op hun beurt en onder bepaalde voorwaarden kunnen uitgroeien tot soorten. Deze twee eigenschappen, de standaardprocedure en de producten, worden door het begrip biologisch algoritme beter tot uitdrukking gebracht dan door het begrip levenscyclus. Vandaar.

Darwin en corona, evolutie is werk in uitvoering

Dan nu terug naar de eerste relatief eenvoudige 3,8 miljard jaar van het leven. Waardoor was dit onmiskenbaar het geval? Biodiversiteit, of die nu klein is of groot, vindt hoe dan ook zijn oorsprong in variaties in het erfelijk materiaal dat individuen doorgeven aan hun nageslacht. Die variatie zorgt ervoor dat de nakomelingen wel grofweg gelijk zijn aan de voorouders, maar nooit precies. Kijk maar om je heen, geen mens is hetzelfde en ook bij bacteriën en virussen is variatie de norm. Dat zien we nu bijvoorbeeld heel duidelijk bij het coronavirus. Overal op de wereld ontstaan in hoog tempo nieuwe variaties. Natuurlijke selectie zorgt er vervolgens voor dat individuele virussen die met hun toevallige variaties goed passen in de omgeving waarin ze toevallig leven, die anders gezegd fit zijn, nakomelingen krijgen. Bij niet-fitte individuen is dat juist niet het geval. Natuurlijke selectie beperkt met andere woorden de spontane erfelijke variatie door de lijn van niet-fitte varianten letterlijk dood te laten lopen. Zo kan het gebeuren dat de Engelse, Braziliaanse en Zuid-Afrikaanse variant van het coronavirus floreren, ze zijn fit en reproduceren zich uitbundig, terwijl andere varianten onopgemerkt uitsterven. Darwins natuurlijke selectie speelt zich af voor je neus, elke dag, vol in het nieuws. Natuurlijke selectie is een feit, geen twijfel mogelijk.

Vanuit dit perspectief is het niet moeilijk voor te stellen dat er weinig individuele variatie kan zijn als de soorten en het erfelijk materiaal dat zij bezitten relatief simpel zijn. Dit was in het begin van leven beslist het geval, want, zoals altijd in de evolutie van het leven, begon het uiterst eenvoudig. Met het zeer eenvoudige materiaal uit de begintijd van het leven is het vervolgens onmogelijk uitbundig te variëren. Met slechts twee woorden kun je ook geen boek schrijven en met drie tonen evenmin een symfonie. Daar is meer voor nodig. Zo wordt het een beetje begrijpelijk dat de diversiteit van het leven 4,3 miljard jaar geleden tergend traag uit de startblokken moet zijn gekomen. In een oceaan van tijd is het zo eenvoudig is gebleven dat rond 700 miljoen jaar geleden de kwal één van de meest complexe dieren was die ooit op aarde had rondgezwommen. Moeilijk voorstelbaar? Zeker, maar niettemin wel waar.

De knuppel in het hoenderhok

Als je beseft hoe ontstellend lang het leven zo relatief simpel is geweest, wordt de Cambrische explosie nog opmerkelijker dan die aan het begin van deze blog al leek. Er moet echt iets heel bijzonders zijn gebeurd. Iets waardoor het spel dat natuurlijke selectie heet dramatisch werd veranderd. Zo dramatisch dat kort voor 541 miljoen jaar geleden de 3,8 miljard jaar durende fase van relatieve eenvoud abrupt tot een einde kwam. Er was ineens eindeloos veel meer variatie mogelijk. De natuur werd in korte tijd pluriformer en complexer dan zij ooit was geweest. Deze vraag houdt de wetenschap al heel lang bezig. Het blijkt nu dat het mogelijke antwoord daarop grote betekenis heeft voor ons begrip van de natuur. Hoe dat zit vertel ik in de volgende blog.

Tot dan!

Reageren

Heb je vragen? Stel ze via het contactformulier op de website. Elke vraag is welkom en je krijgt altijd antwoord. Benieuwd naar andere blogs? Bekijk de blogpagina en lees ze allemaal. 

Bestel 400.000 GENERATIES eenvoudig via de knop hieronder. Voor slechts €17,50 heb je het de volgende dag in huis.

400.000 GENERATIES. Het verhaal van ons allemaal.