Soorten passen zich aan

Het principe van evolutie: ieder levend wezen heeft zijn eigen set van erfelijke eigenschappen, vastgelegd in genen. De variatie daarin tussen individuen van een soort maakt dat ze verschillend reageren op een veranderde of nieuwe omgeving. Wie succesvoller is onder nieuwe omstandigheden, zal meer nakomelingen hebben, en dus sterker bijdragen aan de erfelijke kenmerken van de volgende generatie. Op die manier veranderen de erfelijke eigenschappen van een hele populatie – een groep dieren, planten of micro-organismen. De populatie past zich aan.

Extraverte koolmezen

Dierecoloog Kees van Oers is gespecialiseerd in de invloed van persoonlijkheden van individuen binnen een populatie op hoe ze gedragsmatig omgaan met veranderende omstandigheden. “Persoonlijkheden zijn consistente verschillen in gedrag tussen individuen van dezelfde soort. Dieren hebben door hun persoonlijkheid hun eigen strategie om de problemen op te lossen die een veranderende omgeving met zich meebrengt.” Een mix van deze strategieën beïnvloedt het voortbestaan van een populatie of zelfs soort. “We hebben bijvoorbeeld ontdekt”, zegt Van Oers, “dat extraverte koolmezen met een hoog oplossend vermogen zich - als gevolg van klimaatverandering - als eerste in het uiterste noorden van Scandinavië hebben gevestigd.”

Evolutionaire aanpassing is eigenlijk selectie op genetische variatie. Door de selectie die een nieuwe omgeving met zich meebrengt, kunnen enerzijds generalisten ontstaan die flexibel zijn en goed kunnen omgaan met veranderingen, maar ook dieren die juist specialisten zijn. Van Oers: “Die twee groepen wisselen elkaar af, omdat generalisten goed zijn in het ontdekken en koloniseren van nieuwe gebieden, terwijl de specialisten het later van hen overnemen in stabielere situaties.”

Stadsevolutie

Plantenecoloog Koen Verhoeven onderzoekt de aanpassing van planten aan de stedelijke omgeving. “Het vakgebied urban evolution is nog niet zo oud, maar was tot op heden vooral gericht op dieren. Een belangrijk effect van verstedelijking is dat het in een stad warmer is dan erbuiten. Hier in Nederland is het gemiddelde verschil zo’n twee graden, en op zonnige dagen nog veel meer. Dat heeft invloed op soorten. Uit ons onderzoek aan paardenbloemen tussen het centrum van Amsterdam tot buiten de stad blijkt dat exemplaren uit de stad het relatief goed doen bij hogere temperaturen. Bovendien hebben ze een kortere koude periode nodig om in de lente te kunnen bloeien. Het zijn twee vormen van genetische adaptatie aan hogere temperaturen en mildere winters die het gevolg zijn van veranderend landschapsgebruik door de mens.”

Tegelijkertijd ziet Verhoeven stadsevolutie als voorspeller van de gevolgen van klimaatverandering op plantensoorten gedurende de komende eeuw. “Die twee graden Celsius is precies het verschil dat al snel verwacht wordt voor de wereldwijde temperatuurstijging. Als je op iets langere tijdschaal kijkt, zullen deze aanpassingen dus in heel Nederland kunnen gaan plaatsvinden.”

Aanpassing maakt weerbaar

Aquatisch ecoloog Steven Declerck onderzoekt hoe raderdiertjes, microscopisch kleine waterorganismen, zich snel evolutionair kunnen aanpassen aan klimaatverandering en verschillende vormen van vervuiling. Het blijkt dat de diertjes een bijzonder groot vermogen hebben om zich snel aan één of meerdere van deze factoren aan te passen. De weerbaarheid van de natuur is soms groter dan verwacht. Wel blijkt die aanpassing niet even goed te gebeuren in elke combinatie of volgorde van stressoren.

Populaties van soorten leven niet geïsoleerd, maar in ecologische gemeenschappen waarbinnen ze elkaar op allerlei manieren beïnvloeden. Declerck: “Veel gemeenschapsecologen gaan bij het interpreteren van veranderingen in de natuur uit van het idee dat soorten onveranderlijke kenmerken hebben. Populaties kunnen zich echter snel micro-evolutionair aanpassen en dat doen ze in interactie met elkaar. Dit kan onder invloed van een stressfactor leiden tot onverwachte veranderingen in soortensamenstelling, met gevolgen voor het functioneren van het ecosysteem.”

Populatiegrootte en de evolutie van micro-organismen

Microbieel ecoloog Mark Zwart onderzoekt de effecten van de populatiegrootte op veranderende eigenschappen bij micro-organismen. Zwart: “Virussen en bacteriën planten zich aseksueel voort. Dat betekent dat ze kopieën van zichzelf maken. Evolutie vindt dan ook alleen plaats door toevallige foutjes in kopieën. Hoe groter de populatie, hoe groter ook de kans dat eenzelfde mutatie ontstaat en dat een eigenschap blijvend verandert. We noemen dat de herhaalbaarheid van evolutie.” Maar soms zijn meerdere van die mutaties nodig om samen te leiden tot één nieuwe eigenschap. Zwart: “De wisselwerking tussen de mutaties is vaak erg complex. Dat maakt de kans klein dat zo’n eigenschap ontstaat, ook bij grote populaties.” 

Toch staan micro-organismen erom bekend dat ze zich snel kunnen aanpassen aan nieuwe omstandigheden. Zwart legt uit hoe dat kan. “Er zijn ook mutaties die niet het gen van de eigenschap, bijvoorbeeld een eiwit, veranderen, maar het aantal keren dat dat gen in het DNA zit en dus hoeveel van het eiwit wordt aangemaakt. Dat kan in verschillende milieus wel degelijk uitmaken.”

Via experimenten in het lab test Zwart het succes van deze copy number variation voor snelle aanpassing door plantenvirussen. “Een deel van die virussen verdeelt zijn erfelijke materiaal, het genoom, in segmenten die je kunt vergelijken met chromosomen bij hogere organismen. In plaats van elk segment één keer te maken voor elke nieuwe cel, verschilt de verhouding vaak enorm. We denken dat het een evolutionair voordeel moet hebben, vooral als het om snelle aanpassing aan nieuwe milieus. In dat geval hoeft een virus populatie niet te ‘wachten’ op een voordelige mutatie, maar maakt het gebruik van de alomtegenwoordige variatie in het aantal gen kopieën.”

Niet in, maar op het DNA

De afgelopen jaren is bij veel verschillende soorten ontdekt dat tijdelijke aanpassingen op het DNA daarbij een rol spelen. Door als het ware een moleculair laagje op het DNA te leggen, is het mogelijk om een gen tijdelijk aan of uit te schakelen. Omdat die aanpassingen niet in maar op het DNA zitten, staat het bekend als ‘epigenetische verandering’. Bij het voorbeeld van de koolmezen die naar Noord-Scandinavië zijn opgeschoven, speelt dat waarschijnlijk ook een rol. Van Oers: “Die epigenetische variatie geeft individuen meer mogelijkheden zich tijdelijk aan verschillende omgevingen aan te passen.”

Plantenecoloog Verhoeven onderzoekt het mechanisme bij planten. “Epigenetische veranderingen kunnen ook bij planten zorgen voor fenotypische plasticiteit. Daar blijkt een deel van de epigenetische veranderingen zelfs overgedragen te worden van ouders op nakomelingen. De vraag is ontstaan hoe belangrijk epigenetische veranderingen bij planten zijn voor de snelle aanpassing van eigenschappen. Dan zou bijvoorbeeld ook de eigenschap om beter met hitte om te gaan in principe zonder genetische evolutie kunnen overgaan van generatie op generatie. Dat zou een soort fenotypische plasticiteit over meerdere generaties zijn.”

Fenotypische plasticiteit

Aanpassing aan snelle omgevingsveranderingen kunnen ook komen door zogeheten fenotypische plasticiteit, waarbij kenmerken van één individu onder invloed van de omgeving zó veranderen dat ze bijdragen aan het succes van het organisme in een gewijzigde omgeving. 

Fenotypische plasticiteit speelt ook een rol bij de ontwikkeling van gedrag. “In door mensen sterk veranderde omgevingen, zoals steden, ontwikkelen koolmezen andere gedragseigenschappen”, vertelt dierecoloog Van Oers. “Ze moeten zich wapenen tegen onbekende roofdieren, nieuwe types voer en een grotere verscheidenheid aan leefplekken. De stadsdieren zijn daarom agressiever en brutaler dan koolmezen uit het bos en ze zijn minder bang voor mensen. Bovendien kunnen ze beter leren en problemen oplossen. Als we dieren uit de stad en het bos in dezelfde omgeving op laten groeien, blijken al die gedragsverschillen tussen stadsmezen en bosmezen plastische eigenschapen. Behalve overigens één kenmerk: het betere probleemoplossend vermogen van stadsdieren is genetisch vastgelegd. Dat is een voorbeeld van snelle evolutionaire aanpassing gedurende de afgelopen decennia.”