charles_darwin_wikipedia

We zijn een nieuw jaar op onze mooie, blauwe planeet ingerold. En het feit dat u deze blog kunt lezen en begrijpen is mede dankzij onze evolutie naar een complexe levensvorm. En niet alleen u en ik, overal om ons heen zijn er talloze voorbeelden van complex en diverse levensvormen: planten, dieren, bacteriën en parasieten.

Hoe die complexiteit precies ontstaat/ontstond onder invloed van natuurlijke selectie is lastig te onderzoeken: niet alleen het duurt miljoenen jaren ook is het lastig om elke mutatie/generatie te bestuderen en zo de voorwaarden in detail te bestuderen. Want iets dat meer complex wordt tijdens evolutie hoeft niet in eerste instantie zeggen dat iets fitter is en altijd boven komt drijven tijdens natuurlijke selectie. De onderzoekers waren in grote lijnen veroordeeld tot het bestuderen van fossielen of de genen in levende organismen.

Welkom in de 21ste eeuw waar de evolutie bioloog heeft een nieuw stuk gereedschap heeft: software die zich gedraagt als digitale levensvormen. En één van de best ontwikkelde gereedschappen is Avida (wiki), ontwikkeld op de universiteiten van CalTech en Michigan State.

Het is raar om over software te denken als iets levends.  Maar in feite zijn zowel DNA als Software gewone instructies. DNA geeft instructies hoe een cel eiwitten moet produceren, software geeft instructies hoe een computer informatie moet verwerken. Dat doet dus de Avida software ook.  Simpel gezegd: Avida bestaat uit zelf-replicerende instructies (‘regels’) Eén regel is een één individu en meerdere regels kun je zien als een populatie. Aan de regels worden cijfers ‘gegeven’. In het begin kunnen deze regels slechts makkelijke bewerkingen uitvoeren op deze cijfers. Maar de regels dupliceren over tijd én zijn zo ontworpen dat er af en toe mutaties optreden in de software –zoals in de echte natuur.  Of die mutatie maakt de regel onbruikbaar maar soms hebben de mutaties positieve effecten die de regels in staat stellen om een complexere berekening te doen. Deze bewerkingen hebben meer computervermogen nodig en intern geheugen nodig en sinds deze begrenst is binnen Avida, kan er competitie en natuurlijke selectie plaatsvinden. Bijkomend voordeel: Avida is niet gebonden aan aardse tijd en een generatie kan binnen een fractie van een seconde plaatsvinden. En omdat Avida digitaal is stelt het de onderzoeker  instaat om elke mutatie binnen het proces van natuurlijke selectie te analyseren en dat voor miljoenen generaties. Hoewel evolutie in de ‘echte’ wereld onder invloed van vele kleine variabelen staat, kunnen de kunnen grote(re) thema’s binnen de evolutie theorie van Darwin nu echt getest worden met de computer.

Twee weken geleden heeft de groep van Michigan State een stuk gepubliceerd in Plos Biology waarin zij verder gaan met dit doorgronden van het ontstaan van biologische complexiteit. Is de weg naar complexiteit een meanderende, maar enkelvoudige, weg geweest vol ‘trial & error’? Of is het zo dat complexiteit ontstond onder invloed van een genetische wapenwetloop tussen gastheer en bijvoorbeeld een parasiet die elkaar steeds de loef proberen af te steken en zodoende elkaar tot grotere hoogten, lees complexiteit, drijven.

Om de genetische wapenwetloop hypothese te toetsen hebben de onderzoekers Avida uitgebouwd en parasitaire ‘regels’ toegevoegd om te onderzoeken. Deze parasiet regels leven in competitie met de gastheer regels en strijden om ‘cijfers’ en computervermogen. De parasiet kan de gastheer infecteren en zo zijn rekenvermogen gebruiken. De gastheer kan op zijn beurt weer evolueren om die parasiet af te weren.

De resultaten waren mooi en ook een beetje verrassend: De onderzoekers zagen dat competitie tussen gastheer en parasiet, de evolutie van de gastheer naar hogere complexiteit drijft vergeleken met een systeem zonder parasiet. Daarnaast lieten de experimenten ook zien dat er niet één weg/populatie is die naar complexiteit leidt maar dat er meerdere parallelle wegen/populaties noodzakelijk zijn om de uiteindelijke evolutie naar populaties met complexe eigenschappen te laten plaatsvinden. Verder werden de onderzoekers verrast door een tweede effect: ze zagen dat wanneer sommige gastheer populaties meer allround genetische ‘flexibiliteit’ ontwikkelden (het toelaten van mutaties) zij bijvoorbeeld sneller en beter konden reageren op invloed van de parasiet en dit de voedingsbodem was voor populaties met hogere complexiteit konden ontwikkelen. Dit principe is bekend bij bacteriën.

Co-evolutie vindt overal plaats in de natuur, en nu, door middel van experimenten met artificiële digitale levensvormen, lijkt het erop dat co-evolutie samen met parasieten een grote rol heeft gespeeld om de prachtige, complexe, wereld zoals die is in 2015, vorm te geven.

PS: Het werk op Michigan State heeft vanaf het begin een gevoelige snaar geraakt bij de Creationisten. Ofria en zijn collega’s kregen een lawine van kritiek over zich heen. Creationisten geloven dat complexe organismen niet kunnen ontstaan door evolutie omdat alle verschillende delen eerst aanwezig moeten zijn (beroemde Oog theorie). Avida zou dus volgens de creationisten nooit complexe organismen kunnen voortbrengen. Nu is Avida is open-source en vrijelijk te verkrijgen. En ondanks vele pogingen van Creationisten om de tekortkomingen van Avida te demonstreren, heeft ze altijd de weg naar complexiteit gevonden.