Evolutie 101: Natuurlijke Selectie

De Evolutie 101 post van deze week is van een interdisciplinaire groep BEACON-leden, die allen gebruik maken van de principes van natuurlijke selectie in hun onderzoek: MSU graduate student Nikki Cavalieri (Zoölogie), MSU postdoc Prakarn Unachak (Evolutionary Computation), en NC A&T graduate student Patrick Wanko (Industrial & Systems Engineering).

Als dieren nauw zijn aangepast aan hun leefomgeving, waarom zien we dan overlap?

Zo lijken Grijze boomkikkers (Hyla versicolor) en Groene boomkikkers (Hyla cinerea) in het zuiden van de Verenigde Staten ecologisch gelijkwaardig te zijn. Beide soorten eten insecten, leven van de grond op vegetatie en leggen hun eieren in kleine poeltjes. Waarom is er dan niet maar één soort?

Grijze boomkikkers en groene boomkikkers lijken dezelfde habitat te bewonen, maar als we beter kijken zien we dat hoewel hun leefgebieden elkaar overlappen, de grijze boomkikkers noordelijker leven dan de groene boomkikkers. We zien ook dat Grijze Treefkikkers de voorkeur geven aan beboste gebieden met tijdelijke poelen, terwijl Groene Treefkikkers de voorkeur geven aan meer open waterrijke gebieden met kattenstaarten en andere aquatische vegetatie.

Op een boom in een bosrijke omgeving is de Grijze boomkikker veel moeilijker waar te nemen.

In een waterrijk gebied is de situatie omgekeerd.

Wat is natuurlijke selectie?

Natuurlijke selectie is het proces in de natuur waarbij organismen die beter aan hun omgeving zijn aangepast, de neiging hebben om meer te overleven en zich voort te planten dan organismen die minder goed aan hun omgeving zijn aangepast.

Bijv. boomkikkers worden soms door slangen en vogels gegeten. Grijze boomkikkers passen goed in donker beboste gebieden op boomschors en Groene boomkikkers passen goed in de groene vegetatie van moerassen en moerassen. Een Groene Treefkikker op de schors van een boom is gemakkelijker te vinden voor een roofdier, vergeleken met een Groene Treefkikker op een groen blad. Dus, Groene Treefkikkers die zich begeven in habitats waar zij niet gecamoufleerd zijn, lopen meer kans om opgegeten te worden door roofdieren. Aangezien boomkikkers die opgegeten zijn niet meer in leven blijven om babyboomkikkers te krijgen, heeft natuurlijke selectie boomkikkers bevoordeeld die in habitats leven waar ze meer gecamoufleerd zijn.

Dit verklaart de verspreiding van Grijze en Groene boomkikkers. De beboste habitat van de Grijze boomkikker is groter en strekt zich verder noordwaarts uit, terwijl de habitat van de Groene boomkikker zich concentreert in het moeras en de moerassen in het zuiden. In het gebied waar Grijze en Groene Treefkikkers elkaar overlappen, komen beide habitats voor, maar op verschillende plaatsen.

Natuurlijke selectie gaat echter niet altijd naar het optimum. Hij gaat alleen naar wat werkt. Konijnen zijn bijvoorbeeld herbivoren, die fermentatie in de achterdarm hebben (gisting van voedsel nadat het door de maag is gegaan). Zij hebben een speciaal orgaan, caecum genaamd, dat hen helpt hun voedsel te verteren. In tegenstelling tot andere dieren bevindt het caecum van het konijn zich te ver in de darmen van het konijn om alle voedingsstoffen uit zijn voedsel te halen. Dus wanneer verteerd voedsel uit het lichaam wordt gedreven, bevat het nog een grote hoeveelheid voedingsstoffen. Om het verlies van deze voedingsstoffen te compenseren, zijn konijnen coprofaag (ze eten hun eigen uitwerpselen). Ze hebben twee soorten uitwerpselen: 1) korrels die slechts één keer verteerd zijn en die ze in een speciale latrine plaatsen om later op te eten, en 2) korrels die twee keer verteerd zijn en niet opgeslagen worden. Konijnen zijn geëvolueerd om maximale voedingsstoffen uit hun voedsel te halen ondanks een niet-optimale rangschikking van spijsverteringsorganen.

Om meer algemeen te zijn: natuurlijke selectie is een proces dat ertoe leidt dat sommige dieren en planten met bepaalde kenmerken beter aan hun natuurlijke omgeving zijn aangepast dan andere. Die planten en dieren hebben dan een grotere kans om te overleven, zich voort te planten en hun populatie meer uit te breiden dan de planten en dieren die minder goed aan hun omgeving zijn aangepast. De beter aangepaste planten en dieren zijn daarom in staat om hun voordelige eigenschappen (gecodeerd door genen) via overerving door te geven aan hun nakomelingen.

De genen worden echter niet altijd in precies dezelfde vorm aan het nageslacht doorgegeven als de genen van de ouders. Verandering in een gensequentie kan optreden via twee mechanismen die bekend staan als crossover en mutatie.

Crossover? Mutatie? Wat zijn dat?

We kunnen genen niet met het blote oog zien, maar we kunnen de producten ervan waarnemen in de vorm van fysieke kenmerken, die bekend staan als fenotype (haartype, kleur ogen/huid, geslacht…). Gregor Mendel, de “vader van de moderne genetica”, experimenteerde tussen 1856 en 1863 met erwtenplanten. Mendel toonde aan dat door een bepaalde vorm van groene erwtenplant te bevruchten met het stuifmeel van een andere vorm van gele erwtenplant, men een verscheidenheid van groene en gele erwten van vele vormen zou krijgen. De erwten die zo ontstaan, delen hun kleur of vorm met de oorspronkelijke erwten. Wat Mendel deed, wordt tegenwoordig kruisbestuiving genoemd, en het feit dat de erwten die zo ontstaan een aantal gemeenschappelijke eigenschappen zullen delen, is te danken aan overerving.

Gen zijn gegroepeerd op chromosomen. Om kruising mogelijk te maken, zijn twee chromosomen nodig die materiaal uitwisselen. Een mutatie daarentegen is een verandering of fout binnen een gen of chromosoom die kan resulteren in een verandering van genetische functies en expressies. Wanneer die fout optreedt, wordt een gen gewijzigd, waardoor het fenotype van de plant of het dier kan veranderen, wat meer kan zijn dan alleen een verandering in het uiterlijk. Bij mutaties kan het gaan om deleties, duplicaties, inserties, inversies of translocaties van delen van de genetische sequentie. Mutaties en kruisingen leveren het ruwe materiaal waarmee natuurlijke selectie aan de slag kan door variatie tussen organismen te creëren.

Hoe krijgen we zo veel verschillende organismen door natuurlijke selectie?

Natuurlijke selectie leidt ertoe dat organismen met verschillende eigenschappen (veroorzaakt door mutaties en cross-overs) in verschillende omgevingen gedijen. Naast de groene en grijze boomkikker (ons voorbeeld hierboven, dat aanpassing door camouflage laat zien), zijn er veel manieren waarop natuurlijke selectie organismen vorm geeft:

• Sommige bacteriën kunnen leven bij temperaturen van 60°C (140°F) en hoger. Eén soort, Methanopyrus kandleri, kan zelfs in extreme hitte tot 120°C gedijen! Andere bacteriën passen zich ook aan aan schijnbaar onherbergzame omgevingen – zure, radioactieve, of onder het diepste deel van de zee, waar geen conventionele voedselbronnen zijn. Hoe vijandig een omgeving ook is, het is zeer waarschijnlijk dat je er een of ander micro-organisme vindt dat geëvolueerd is om er te leven.
• Pinguïns zijn op het eerste gezicht vogels die niet kunnen vliegen, wat hen geen goede kandidaten lijkt te maken om te overleven. Maar in plaats van te vliegen, hebben pinguïns zich aangepast als meester-zwemmers, wat hen zeer ten goede komt bij het vinden van voedsel en het ontsnappen aan roofdieren. Bovendien zijn er op Antarctica, en andere plaatsen waar pinguïns leven, geen natuurlijke roofdieren op het land, zodat het verliezen van het vermogen om te vliegen geen nadeel is. Er zijn nog andere loopvogels, en die hebben zich allemaal aangepast om hun gebrek aan vliegvermogen op andere manieren te compenseren. Ofwel door een snelle loper te zijn (Struisvogel), zich goed te verbergen (Onzichtbare spoor), ofwel door zich doeltreffend te kunnen verdedigen (Cassowary).

• Sommige planten, zoals de Venus Vliegenval, zijn vleesetend. Gewoonlijk halen planten stikstof, een chemisch element dat van vitaal belang is voor het voortbestaan van een plant, via hun wortels uit de bodem. Deze planten groeien echter meestal in gebieden waar de bodem stikstofarm is. Ze kunnen niet genoeg stikstof krijgen door het gewoon uit de grond te halen. Om in zo’n omgeving te kunnen gedijen, vangen deze vleesetende planten insecten in valachtige bladeren. Deze insecten vormen een alternatieve bron van stikstof voor de plant, waardoor deze kan overleven in een stikstofarme omgeving.

Omgevingen veranderen in de loop der tijd, en natuurlijke selectie werkt in op de genetische diversiteit in soorten. Individuen met betere eigenschappen voor de nieuwe omgeving krijgen meer nakomelingen. Na vele generaties in deze nieuwe omgeving lijkt de huidige populatie misschien niet meer op hun voorouders, omdat natuurlijke selectie hen heeft veranderd – ze zijn geëvolueerd – om in de nieuwe omgeving te overleven.