Tijdens de Cambrische explosie, ongeveer 530 miljoen jaar geleden, verschenen de meeste grote diergroepen voor het eerst in het fossielenbestand. canbedone/Shutterstock
Afhankelijk van hoe je telt, zijn er ongeveer 9 miljoen soorten op aarde, van de eenvoudigste eencelligen tot mensen.
Het is geruststellend om je voor te stellen dat complexe lichamen en hersenen zoals die van ons het onvermijdelijke gevolg zijn van evolutie, alsof evolutie een doel heeft. Helaas voor de menselijke ego’s schetste een recent onderzoek, waarin meer dan duizend zoogdieren – de groep waartoe wij behoren – werden vergeleken, een minder verheugend beeld.
Evolutiebiologen aan het einde van de 18e eeuw, waaronder Jean-Baptiste Lamarck, redeneerden dat het leven een aangeboren neiging moest hebben om te evolueren naar steeds complexere vormen en geloofden dat dit Gods ontwerp weerspiegelde. Tegen het midden van de 19e eeuw toonde Charles Darwin echter aan dat natuurlijke selectie geen richting heeft en organismen soms eenvoudiger maakt.
Wikimedia Commons
Moderne biologen zijn het erover eens dat de meest complexe organismen de afgelopen 4 miljard jaar complexer zijn geworden, maar ze zijn het niet eens over wat voor proces hiervoor verantwoordelijk is.
Omdat de meeste organismen nog steeds erg simpel zijn, is één mogelijkheid dat de maximale complexiteit “per ongeluk” is toegenomen, zoals de verspreiding van een druppel inkt in een glas water. Als dit waar is, zou dit een klap kunnen zijn voor ons menselijke gevoel van belangrijkheid als de meest complexe organismen.
Een andere theorie is dat toenemende complexiteit gemiddeld wordt aangedreven door natuurlijke selectie. Soms werkt selectie op veel, onafhankelijke takken van de levensboom op een vergelijkbare manier en parallel. Dit kan vergelijkbare effecten veroorzaken in veel van die takken en staat bekend als een gedreven trend.
Hoewel gedreven trends geen goddelijk doel hoeven te impliceren, suggereren ze op zijn minst dat complexiteit meestal een verbetering was, wat geruststellend is voor ons mensen.
Dus welk patroon komt het meest voor in de evolutie van complexiteit: toevallige verspreiding of gedreven trend?
De meeste veranderingen en mutaties zijn slecht, en deze varianten worden meestal uitgewied door een proces dat stabiliserende selectie wordt genoemd, wat werkt om de status quo te handhaven. Maar als de meeste mutaties ervoor zorgen dat dingen minder goed functioneren, maakt dit het dan niet erg moeilijk voor evolutionaire nieuwigheden om te ontstaan?
In feite werkt evolutie vaak op meerdere kopieën van dingen. Een enkel gen kan bijvoorbeeld gedupliceerd worden binnen hetzelfde organisme.
Op voorwaarde dat één kopie zijn oorspronkelijke functie behoudt, kan de andere kopie mutaties ophopen zonder de drager ervan direct in het nadeel te stellen. Deze gemuteerde kopieën worden meestal na verloop van tijd verwijderd, maar af en toe krijgen ze een nieuwe functie die een voordeel geeft.
Nog opmerkelijker is dat hele genomen – elk gen in een organisme – gedupliceerd kunnen worden in één generatie. Onder deze omstandigheden zijn er veel kansen dat kopieën van sommige genen een nieuwe functie krijgen.
Bijvoorbeeld, steuren en schoepvissen ondergingen 250 miljoen jaar geleden een hele genoomduplicatie, en dit kan verklaren hoe ze de grootste massa-extinctie ooit overleefden die 96% van andere mariene soorten uitroeide.
Duizendpoten hebben veel paar poten die in essentie identiek zijn. Garnalen hebben minder paar poten, maar met veel verschillende functies.
fotochem_PA/Alexander Semenov, CC BY-NC-SA
Identieke kopieën van structuren zoals segmenten en ledematen kunnen ook worden gemaakt via duplicatieprocessen. Duizendpoten hebben bijvoorbeeld heel veel poten, maar ze zijn hetzelfde ontwerp dat heel vaak is gekopieerd.
Garnalen daarentegen hebben veel verschillende soorten poten die zijn aangepast voor eten, lopen, zwemmen en eieren leggen. Een biologisch principe dat de evolutiewet van de nul-kracht wordt genoemd, stelt dat deze kopieën de neiging zullen hebben om minder op elkaar te gaan lijken door toevallige verspreiding alleen, tenzij stabiliserende selectie de status quo handhaaft. Natuurlijk kan natuurlijke selectie er ook voor zorgen dat de kopieën minder op elkaar gaan lijken als dit een voordeel heeft.
Ons artikel laat zien dat toenemende complexiteit bij zoogdieren zowel diffuse als gedreven aspecten heeft. In plaats van naar een grotere complexiteit toe te marcheren, evolueerden zoogdieren in veel verschillende richtingen, waarbij slechts enkele lijnen de bovengrenzen van complexiteit opzochten.
De wervelkolom van de huiskat heeft verschillende soorten wervels die verschillende taken uitvoeren.
Kirill Tsukanov/Wikimedia, CC BY-SA
De natuur selecteert toch wel een beetje op complexiteit?
Helaas is er weinig onderzoek dat zich met deze vraag bezighoudt. Een van de weinige gepubliceerde studies toont aan dat schaaldieren (krabben, kreeften, garnalen en hun verwanten) geëvolueerd zijn met een gedreven trend naar toenemende complexiteit gedurende de laatste half miljard jaar.
Net als schaaldieren, en alle gewervelde dieren, hebben wij lichamen die gemaakt zijn van
herhalende blokken weefsel (somieten genoemd). Deze zijn het best zichtbaar in onze wervelkolom (of ruggengraat) en ribben, en in de six-pack van een slanke atleet. Bij alle zoogdieren varieert het aantal wervels (de botten waaruit de wervelkolom bestaat) en ze zijn gevormd om verschillende taken uit te voeren in de nek, borstkas, rug, heiligbeen en staart.
Het tellen van het aantal botten in verschillende gebieden kan één aspect van complexiteit bij alle zoogdieren kwantificeren. In onze studie van meer dan duizend zoogdiersoorten, ontwikkelden veel groepen – waaronder walvissen, vleermuizen, knaagdieren, vleeseters en onze eigen groep, de primaten – onafhankelijk van elkaar complexe wervelkolommen. Dit suggereert dat een hogere complexiteit een winnende formule kan zijn en dat selectie dit in meerdere takken van de zoogdierenboom stimuleert.
Veel andere takken hebben echter een laag plateau in complexiteit of worden zelfs eenvoudiger. Olifanten, neushoorns, luiaards, lamantijnen, gordeldieren, goudmollen en vogelbekdieren gedijden allemaal ondanks het feit dat ze relatief eenvoudige wervelkolommen hebben. De richting van evolutie hangt af van de context.
In een studie van 1.136 zoogdiersoorten vinden we een gedreven trend van toenemende complexiteit in meerdere parallelle lijnen. Het linkerpaneel is het aantal wervels. Het rechterpaneel is onze index van complexiteit. Blauwe lijnen zijn lagere waarden, terwijl rode lijnen hogere waarden zijn.
Li et al; Nature Ecology & Evolution (2023), CC BY-ND
Het onderzoek naar de evolutie van complexiteit is pas recentelijk op gang gekomen, dus er is nog veel dat we niet weten. Maar we weten wel dat het verhaal van de evolutie van zoogdieren geen gerichte “mars van vooruitgang” is geweest, maar veel kenmerken heeft van een willekeurige en diffuse wandeling.
Matthew Wills ontvangt financiering van BBSRC, NERC, The Leverhulme Trust en The John Templeton Foundation.
Marcello Ruta ontvangt financiële ondersteuning van de John Templeton Foundation.