Een slechte enquête van genen

Evolutie/Jim Heirbaut
Foto/Bart van Overbeeke

Of de grote katachtige op de Veluwe nu een volbloed poema is of niet, feit is dat zijn aanwezigheid enkele hertjes in de omgeving fataal is geworden. Een schoolvoorbeeld van een veranderende omgeving die invloed heeft op een soort. In zijn promotieonderzoek heeft Anthony Liekens met eenvoudige modellen onder andere laten zien dat kleine populaties moeite hebben zich aan te passen aan een veranderende omgeving. Hij hoopt dinsdag 5 juli op zijn onderzoek aan de faculteit Biomedische Technologie te promoveren.

Aan de evolutietheorie mag, ondanks de discussies rondom Intelligent Design, niet worden getwijfeld. De natuur werkt nu eenmaal met kleine genetische veranderingen en het bikkelhard afstraffen van de zwakkeren. Ook met wiskundige modellen is de werking van evolutie vrij eenvoudig uit te rekenen. Let wel, voor heel grote populaties. “Dan blijk je namelijk te mogen rekenen met een oneindig grote populatie, wat je bepaalde wiskundige voordelen oplevert”, vertelt de Belg Liekens van de vakgroep BioModeling and bioInformatics (BMI). “Voor kleine populaties is het een stuk lastiger, want daarbij gaan stochastische verschijnselen -oftewel willekeur- een rol spelen. In grote populaties sterven individuen met toevallig slechte genen snel uit doordat er aan de andere kant een grote groep is met een selectief voordeel. Zo kunnen in kleine populaties goede genen uitsterven doordat ze per ongeluk niet zijn overgedragen op de volgende generatie.” Liekens heeft zich in zijn promotie-onderzoek daarom gericht op kleine populaties in veranderende omgevingen.
Sinds het werk van Charles Darwin weten we dat de verschillende soorten zijn ontstaan door een voortdurend proces van verandering. Daarbij hebben soorten met specifieke eigenschappen in een omgeving voordeel boven andere. In deze richting zal die soort zich dus verder gaan ontwikkelen. Liekens: “Dit verandervermogen is essentieel. Doordat de omgeving van de mens zo vaak en zo snel is veranderd, bezitten wij nu het vermogen om heel flexibel te zijn”. Het werk van Darwin rust op drie pijlers: de variatie van eigenschappen, de selectie van eigenschappen en de overdracht van eigenschappen. Hoe de overdracht van eigenschappen precies werkt, werd pas begin twintigste eeuw duidelijk dankzij de erfelijkheidsleer. Die leerde ons dat eigenschappen gecodeerd zijn in onze genen en dat ons genenpakket een combinatie is van de pakketten van onze ouders.
De wetenschap die zich richt op de genetische veranderingen van grote groepen organismen heet de populatiegenetica. Daarin worden modellen gebruikt die uitgaan van een omgeving die niet verandert. Dat is in de werkelijkheid natuurlijk zelden het geval. Liekens is zijn promotie- onderzoek dan ook gestart met de vraag hoe een kleine populatie reageert op veranderingen in haar omgeving. Daarbij heeft hij berekeningen uitgevoerd aan denkbeeldige wezens met maar één of twee genen. “Anders was het niet meer uit te rekenen geweest”, legt hij uit. “Bij één van de modellen moesten we nu al met matrices van 118 gigabyte werken. En dan moest het rekenen nog beginnen!
De 36 parallelgeschakelde reken-pc’s van het facultaire rekencluster hadden het er maar zwaar mee.”
Voor het uitrekenen van de eigenschappen van de wezens in de populatie maakte Liekens gebruik van zogenoemde Markov-modellen. Deze worden vaak gebruikt als gerekend moet worden aan processen met een ‘random’ karakter. Een bekend voorbeeld zijn weermodellen. Als je bijvoorbeeld weet dat er op een zonnige dag zestig procent kans is op regen en veertig procent op nog een dag zon, en als verder bekend is dat je bij regen vijftig procent kans hebt op zon en vijftig op nog een dag regen, kun je met een Markov-model uitrekenen hoe het weer op de lange termijn gemiddeld zal zijn.
Een omgeving die verandert, kan op drie manieren in de modellen worden gestopt. Ten eerste kun je zelf ingrijpen in de omgeving, door bijvoorbeeld te stellen dat een bepaalde eigenschap ineens niet meer positief is. Ten tweede kan er sprake zijn van ‘co-evolutie’: de ene diersoort heeft invloed op de ontwikkeling van de andere. Als in een gebied de vossenpopulatie harder gaat lopen, zal dat invloed hebben op de hazen. Die gaan op hun beurt dan wellicht ook weer harder lopen. Ten derde is er de speltheorie, waarbij de wezens in de modellen een simpel spel spelen, met de strategie in de genen gecodeerd. Het bekendste voorbeeld dat Liekens heeft gebruikt is het spel ‘papier-steen-schaar’. Dit is een kinderspelletje waarbij twee personen tegen elkaar spelen. Precies tegelijk maken zij met een hand het gebaar voor papier (vlakke hand), steen (vuist) of schaar (‘peace’-teken). De winnaar wordt eenvoudig bepaald, want de schaar knipt papier, de steen maakt de schaar bot en het papier bedekt de steen. Dat dit meer is dan alleen een leuk spelletje, bewijst een Amerikaanse hagedis, de ‘Uta stansburiana’. Hij komt namelijk voor in drie soorten die, analoog aan het papier-steen-schaar-spel, elkaar proberen de loef af te steken. Van het reptiel is één variant geel, één blauw en één oranje. En ook de tactieken die ze hanteren om hun genen door te geven, verschillen nogal. De oranje hagedis probeert een zo groot mogelijk grondgebied te veroveren en hoopt op die manier zo veel mogelijk wijfjes tegen te komen. De blauwe is de trouwe partner van het stel; hij investeert al zijn tijd in één wijfje. De gele variant is het meest verrassend: die vermomt zich als een vrouwtje. Zo kan hij dicht bij de echte vrouwtjes komen zonder weggejaagd te worden door anderskleurige mannetjes.
Op basis van het papier-steen-schaar-spel heeft Liekens een evolutiemodel doorgerekend. Daarbij zijn de spelers simpele organismen geworden die allemaal hun vaste spelstrategie in de genen hebben. Ze spelen tegen elkaar en de winnaar plant zich voort. Vanuit een situatie met bijna alleen maar papier-spelers ontstaat na een aantal speelrondes een meerderheid van schaar-spelers. Vervolgens van steen-spelers en tenslotte weer van papier-spelers. Dit blijft in een kringetje doorgaan, want als de meerderheid papier speelt, is net die ene speler in het voordeel die toevallig schaar speelt. En omdat de winnaar zijn genen doorgeeft, ontstaat er een golfbeweging langs de drie strategiegenen. Het bijzondere dat Liekens heeft ontdekt, is dat het op de langere termijn heel veel uitmaakt hoe groot de populatie is. Bij de zeer grote populatie (boven de honderd individuen) loopt de golf nog steeds rond tussen de drie strategieën, maar minder extreem. Bij de kleine (twintig individuen) zijn grofweg drie even grote groepen ontstaan, die per saldo niet meer veranderen. Elke groep zit vast in een bepaalde strategie en het is heel moeilijk om daar nog uit te ontsnappen. Verder laten de berekeningen van Liekens zien dat de evolutie in een kleine populatie trager verloopt dan in een zeer grote.
Dit type wetenschap heeft natuurlijk alles met statistiek te maken. Liekens: “Het is duidelijk dat een enquête die wordt afgenomen bij slechts tien mensen geen betrouwbaar beeld oplevert. Anders gezegd: kleine populaties zijn niet representatief voor de hele bevolking. In de natuur gaat het precies zo. In kleine populaties vermindert de genetische
variatie op den duur. Denk aan de veeboer die een paar koeien en stieren koopt op de veemarkt. Als hij niet ook regelmatig fokt met stieren van buiten raakt zijn populatie gefixeerd in een te beperkt aantal eigenschappen. Dit is hetzelfde als de drie groepen van het spel die vastgelopen zijn in hun strategie”. Liekens toont dus aan dat simpele spelletjes als papier-steen-schaar het evolutionaire gedrag van populaties goed kunnen nabootsen. Daarnaast is met dit zeer eenvoudige model bevestigd dat evolutie in golven werkt: een tijdje heel langzaam, dan weer even heel erg snel. Dit was al bekend van zeer grote populaties, maar Liekens concludeert in zijn proefschrift dat kleine populaties dat nog sterker laten zien. Veranderingen in de omgeving vormen daarbij een sterke drijvende kracht voor deze golven./.