Ellen Decaestecker

‘Van infectieziekten tot olfianten: wat drijft snelle evolutie?’

Ellen Decaestecker Evolutiebioloog aan de KU Leuven

Voor de Universiteit Van Vlaanderen staat evolutiebioloog  Ellen Decaestecker stil bij het fenomeen van snelle evolutie, en legt uit hoe olifanten de afgelopen jaren zo snel konden evolueren.

Als we aan evolutie denken, denken we vaak alleen aan macro-evolutionaire processen: bijvoorbeeld hoe vissen geëvolueerd zijn uit amfibieën en hoe deze evolueerden in dinosauriërs en zoogdieren, of hoe primaten evolueerden in mensen. Desalniettemin, zijn adaptaties vaak over een veel kortere tijdsspanne te detecteren.

En nochtans, kennen we zo’n snelle evolutie sedert kort onlangs allemaal, met name de snelle evolutie in het coronavirus. Van zo’n RNA-virus ontstaat er om het aantal uur wel een nieuwe mutant of type, die als het selectief bevoordeeld wordt, op een paar weken tijd dominant wordt en tot een type-verschuiving kan leiden. Tot we er resistent tegen worden, dan duikt er een nieuwe mutant of type de kop op. Op een paar jaar tijd zijn we zo een groot aantal mutanten tegen gekomen: na de Chinese covid-19 variant, kregen we de Braziliaanse, en dan de Zuid-Afrikaanse en nu krijgen we opnieuw een waaier van nieuwe varianten.

De hele waaier of poule van varianten hebben we niet altijd gemerkt, maar ze is wel mooi in kaart gebracht door virologen die de genomen volledig ontrafeld hebben. Door de genomen van die verschillende varianten te karakteriseren, hebben de onderzoekers een mooi inzicht gekregen in de vele types die in omloop waren en ook hoe ze geëvolueerd zijn doorheen de tijd.

In mijn onderzoek ben ik dagelijks met snelle evoluties bezig. Zo stelden we vast dat de watervlo Daphnia geïnfecteerd wordt door bacteriën en dat die bacteriën op twee jaar tijd aanpassen aan de watervlo: nieuwe varianten steken na twee jaar tijd de kop op en verangen de oude.

Decaestecker, De Meester & Mergeay 2009 Cyclical Parthenogenesis in Daphnia

Dit stelden we vast door  een tijd terug in reconstructiestudies Daphnia individuen en bacteriën van tientallen jaren terug tot leven te wekken en die in kruisingsexperimenten aan elkaar bloot te stellen. Net zoals de mens tegen corona worden die watervlo populaties vrij snel resistent tegen het dominant voorkomende type of variant zodat na een tweetal jaar nieuwe, zeldzame bacteriële mutanten opduiken waartegen ze nog niet resistent zijn.

In evolutionair onderzoek noemen we dat een wapenwedloop van co-evolutie tussen de gastheer en de parasiet of tussen de watervlo en haar bacteriën. Telkens een gastheer type een manier van verdediging vindt, komt de parasiet of bacterie op de proppen met een nieuw type die nog niet herkend wordt. Die opportunistische, pathogene bacteriën vormen een deel van ons microbioom. Dat microbioom bestaat naast potentiële pathogene opportunisten ook uit vele positieve bacteriële strains. Zo stelden we vrij recent, opnieuw via kruissingsexperimenten, dit keer via microbioom transplant experimenten, vast dat gastheer type-verschuivingen mee vorm krijgen door het microbioom, met name door de nauwe interactie tussen de Daphnia gastheer genotypes en specifieke bacteriën in hun tolerantie tegen giftige blauwalgen.

Hoe kun je nu dergelijke snelle evoluties gemedieerd door bacteriën en microbiomen linken aan olifanten? Wel in wezen, is het evolutionaire principe dat hier speelt hetzelfde, namelijk (relatief snelle) evolutie gemedieerd door type-verschuivingen. Documentaires van vroeger tonen bij elke olifant slagtanden, nu zien we die niet meer.

Olifanten in Kenia. 2021. © Reuters

Hoe komt dat? Onderzoekers aan de Princton University hebben dat onderzocht. In het Afrikaanse land Mozambique hebben de olifanten zich razendsnel aangepast aan de stroperij. Er worden veel minder mannelijke olifanten geboren en heel wat vrouwelijke olifanten hebben geen slagtanden meer. En dat is gebeurd in slechts enkele tientallen jaren tijd. 10 jaar is vrij snel in evolutionaire termen, want dergelijke veranderingen, vooral voor grote zoogdieren, verwachten biologen normaal over honderden tot duizenden jaren. In Mozambique heerste er een tiental jaar een sterke burgeroorlog en gezien dat gepaard ging met het jagen op olifanten heeft dat voor een daling in de populatie van de olifanten gezorgd.

Hoe zit dat dan juist met die type-verschuiving? Meer en meer olifanten zonder slagtanden blijven over en meer vrouwelijke olifanten worden geboren: van een olifant-type met slagtanden schuiven we naar een type zonder slagtanden. Vooral stropers hebben dat effect gemedieerd, dat is natuurlijke selectie voor olifanten zonder slagtanden. Die ivoren slagtanden waren zeer gegeerd, dus er was negatieve selectie tegen olifanten met slagtanden. Met andere woorden de survival of the fittest zal sterk zijn en selecteren voor olifanten zonder slagtanden. Het feit dat die olifantenpopulaties onder druk staan heeft daarbij wellicht ook voor een flessenhals of “bottleneck”-effect gezorgd.

Een ander voorbeeld daarvan vinden we bij de Darwinvinken op de Galàpagos-eilanden. We hebben types met kleine, smalle bekken en types met
grote, wijde bekken. Daar zien we dat evolutie vrij snel kan gaan. Na een droogteperiode in 1976 waren daar de hoeveelheid zaden op de eilanden sterk gedaald. Het gevolg is dat die vinken populaties ook heel sterk daalden. Bovendien veranderde het type van voedsel van kleine zaden naar grote harde zaden of noten. Men stelde vast dat op twee jaar tijd de breedte van de bek van die Darwinvinken met enkele mm was toegenomen zodat ze die grote noten konden opeten. Bovendien toonden de onderzoekers (Peter en Rosemary Grant) ook aan dat deze respons een genetische basis had en omkeerbaar was. Dit voorbeeld gaat over een paar jaar, maar evolutie kan nog veel sneller gaan.

We noemen dat ook “genetische drift”. Gezien de populatie-aantallen sterk dalen, krijg je een toevallige oververtegenwoordiging van bepaalde types en vaak ook van zeldzame types, met name olifanten zonder slagtanden. Zeer waarschijnlijk is het verhaal van de olifanten een verhaal van pure natuurlijke selectie, maar onrechtstreeks kan zo’n neutraal evolutie-effect van genetische drift in kleine populaties het proces versneld hebben.

Oorspronkelijk waren die olifanttypes zonder slagtanden in de minderheid. De reden daarvoor is omdat het hebben van geen slagtanden een soort genetische “ziekte” is die geassocieerd is met de geslachtschromosomen. Vrouwelijke olifanten hebben twee X-chromosomen, terwijl mannelijke olifanten een X- en een Y-chromosoom hebben. De afwezigheid van slagtanden is in feite een “syndroom”. Dat syndroom wordt gecodeerd door genen die dominant zijn en op het X-chromosoom liggen. Het wordt veroorzaakt door een mutatie op het X-chromosoom. Gezien vrouwelijke types twee X-chromosomen hebben, compenseert het éne X-chromosoom voor de afwijkingen van dat syndroom en blijven de vrouwelijke olifanten leven. Want naast de afwijking op de slagtanden gaat het syndroom ook gepaard met andere, ernstige lichamelijke afwijkingen. 

Mannelijke olifanten met die mutatie of afwijking op hun X-chromosoom hebben geen tweede X-chromosoom om te kunnen compenseren en sterven dus. Dat is ook het geval als diezelfde afwijking, of dat syndroom bij de mens wordt vastgesteld. Menselijke, mannelijke embryo’s met dezelfde mutatie op het verantwoordelijke gen sterven ook, bij vrouwen leidt het op latere leeftijd tot afwijkingen op de snijtand, maar is het perfect leefbaar. Vrouwen zijn dus drager van het gen. 

Zullen olifanten ooit nog hun slagtanden terugkrijgen? Zolang er nog altijd voldoende mannelijke olifanten met slagtanden geboren worden en zolang dat het gen blijft bestaan in de olifantenpopulatie kunnen die slagtanden terugkomen. Feit is wel dat door de herstelprojecten de types zonder slagtanden artificieel in stand worden gehouden omdat de olifanten daar gevoederd worden. Binnen die herstelprojecten, geraken de olifanten  aan eten zonder dat ze hun slagtanden moeten gebruiken. In het wild daarentegen hebben ze die tanden wel nodig om schors van de bomen te schrapen of wortels op te graven, maar in die reservaten niet. Sowieso zijn de types zonder slagtanden in een numeriek voordeel, dus moet er een drastisch effect zijn om de types met slagtanden terug te krijgen.

Belangrijk bij herstelprojecten waarin men de olifanten met slagtanden wil terug krijgen is het uitkruisen van de vrouwelijke olifanten zonder slagtanden met manneljke olifanten met slagtanden. Op die manier kan de mens dus een positieve invloed hebben op het terugkrijgen van olifanten met slagtanden. Dergelijke uitkruisingsprojecten worden gevoerd in dierentuinen. De Aziatische olifanten in Planckendael zijn daar een voorbeeld van, waar ze een mannelijke olifant met slagtanden uit de ZOO bij de groep vrouwelijke olfianten hebben gezet. Al moeten ze daar wel op zoek naar een nieuwe olifant, gezien de vrouwelijke olifanten niet echt onder de indruk waren van de kleine, zoemende mannelijke olifant.

Dus, wat drijft snelle evolutie? Ten eerste natuurlijke selectie die inwerkt op de aanwezige genetische variatie: bij de olifanten zijn dat de stropers die selecteren tegen olifanten met slagtanden. Ten tweede omdat die populaties onder druk staan. Die lage populatie-aantallen leiden tot een flessenhals effect met een random over vertegenwoordiging van zeldzame types, met name olifanten zonder slagtanden. Ondanks het feit dat het niet hebben van slagtanden een genetische afwijking is op het X-chromosoom en ervoor zorgt dat mannelijke olifanten met die afwijking sterven, blijft het niet hebben van slagtanden bij de vrouwelijke olifanten dominant omwille van de twee vermelde redenen.

Hoe draai je zo’n snelle evolutie terug om? Indien je de slagtanden in de olifantenpopulaties terug wil krijgen, moet je gericht uitkruisen met mannelijke types met slagtanden zodat ook de slagtanden als kenmerk bij de vrouwelijke types terug komen.

Ellen Decaestecker is professor evolutionaire biologie aan de KU Leuven.

Partner Content