De vlinders die Darwin vergat

Soorten kunnen zomaar ontstaan, ook zonder de fysieke splitsing die Darwin nodig achtte.

Het lag natuurlijk aan de eilanden. Lang geleden was het zo gekomen dat enkele vinken van het ene naar het andere eiland waren verhuisd, en daarna hadden ze zich gespecialiseerd, generatie na generatie, net zo lang tot er aparte soorten ontstonden. Vinken met lange snavels, en vinken met korte snavels. Boomvinken, en grondvinken. Het was 1835, en bij de Galapagoseilanden, waar de vinken wonen, wist een jonge, nog onbekende Charles Darwin het zeker: dit was hoe het uiteindelijk komt dat er verschillende soorten ontstaan.


Want er moet iets zijn dat voorkomt dat de individuen van een soort hun dna blijven uitwisselen, was ook na Darwin altijd het heersende idee. Een bergketen, rivier of zee moet een populatie eerst in tweeën delen, voordat de beide populaties verschillende kanten op kunnen evolueren.


Zeker, er waren altijd biologen die geloofden dat nieuwe soorten wél kunnen ontkiemen binnen één populatie. 'Het zijn net de mazelen', foeterde de beroemde evolutiebioloog Theodosius Dobzhansky over dat idee. 'Iedereen krijgt het, maar het gaat vanzelf weer over.' Soorten ontstaan alleen als populaties fysiek van elkaar gescheiden raken: dat was hoe soortvorming in zijn werk ging, en daarmee basta.


Maar Dobzhansky en vele beroemde tijdgenoten met hem, zaten ernaast, zo blijkt uit een waaier aan studies van de afgelopen twee decennia. 'Sympatrische' soortvorming, zoals het ontstaan van soorten in één vaderland heet (sym - zelfde, patri - vaderland), is juist aan de orde van de dag. En nu het steeds makkelijker en goedkoper is om het dna van dieren en planten uit te lezen, worden de details van het proces in rap tempo duidelijk. Er gaat een heel nieuwe wereld voor de biologen open.


Een van de meest overtuigende voorbeelden dat er zoiets bestaat als sympatrische soortvorming zijn de cichliden - een grote vissenfamilie die onder andere huist in het Victoriameer tussen Kenia, Oeganda en Tanzania. Hoewel de vissen zich zonder problemen door het hele meer kunnen bewegen en seks kunnen hebben met wie ze maar willen, ontstonden er in een - voor evolutionaire begrippen - korte periode honderden soorten naast elkaar, die allemaal voortkwamen uit maar enkele vooroudersoorten. De één aangepast aan leven op grote diepte, de andere aan het schrapen van eten van de bodem. Vaak ontwikkelden ze een totaal verschillend kleurenpatroon, beschreef onder meer de schrijvende bioloog Tijs Goldschmidt in zijn bestseller Darwins hofvijver.


Maar hoe werkt zoiets? Om twee soorten te worden, moet de genetische informatie van de dieren uit elkaar groeien. Hoe is dat mogelijk als er nog steeds willekeurige paringen plaatsvinden, waardoor alle genen met elkaar blijven mengen? Hoe kan het dat specifieke eigenschappen vastgelegd worden in één deel van de populatie, terwijl die door continue kruisingen weer uitverdund zouden moeten worden?


Ziedaar het belang van het moderne dna-onderzoek. 'De dna-volgorde bepalen van meerdere exemplaren van één soort is nog steeds prijzig. En de analyse van de enorme berg gegevens die dat oplevert is tijdrovend en moeilijk. Maar de eerste resultaten komen binnen,' zegt Martine Maan, universitair docent gedragsbiologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.


Willen wetenschappers echt snappen hoe sympatrische soortvorming op genetisch niveau werkt, dan moeten ze het proces wel op heterdaad betrappen.


'Als soortvorming al een feit is, dan weet je nooit meer welke eigenschappen de oorzaak zijn dat soorten uit elkaar evolueerden, en welke het gevolg,' zegt Duur Aanen, universitair docent evolutionaire biologie aan de Wageningen Universiteit.


Kleurpatroon

Gelukkig levert de natuur ook hiervan een paar mooie voorbeelden. Een daarvan is de vlinderfamilie Heliconius, waarvan er tientallen soorten naast elkaar leven in de jungles van Midden- en Zuid-Amerika, maar waar nog veel kruisingen tussen plaatsvinden. De soorten onderscheiden zich door het kleurenpatroon van hun vleugels, dat ze gebruiken om te ontsnappen aan natuurlijke vijanden.


De Amerikaanse Marcus Kronforst maakte dankbaar gebruik van de mogelijkheden die deze vlinders bieden, schreef hij de afgelopen maanden in een reeks artikelen in vaktijdschriften als Biology Letters en Cell Reports. Samen met zijn collega's aan de universiteit van Chicago analyseerde hij het dna van 32 exemplaren van drie verschillende Heliconius-soorten, respectievelijk met blauwe, gele en rode vleugelmarkeringen. Twee van die soorten waren relatief recentelijk uit elkaar geëvolueerd: zo'n 430 duizend jaar geleden. De derde soort was meer dan een miljoen jaar geleden al van de twee andere soorten afgescheiden.


De onderzoekers vonden een opvallend patroon: het dna van de twee soorten die evolutionair dicht bij elkaar stonden bleek nog vrijwel identiek, op een paar specifieke plaatsen na. In totaal vonden de wetenschappers twaalf locaties waar de genetische verschillen tussen de soorten juist erg groot waren. Acht van die plaatsen bleken genen te bevatten die verantwoordelijk zijn voor vleugelkleur.


Tussen de soorten die verder van elkaar af lagen, was het verschil echter gigantisch. Niet een klein aantal, maar wel honderden stukken dna waren verschillend tussen de vlindersoorten.


'Het lijkt erop dat er bij het begin van soortvorming selectie plaatsvindt op slechts een paar stukken dna. De rest van het dna blijft lange tijd hetzelfde bij de twee potentiële soorten,' zegt Aanen. 'Maar als er eenmaal een bepaalde drempel over is gegaan en de soorten in spe steeds minder met elkaar paren, dan moet het volledige dna er razendsnel aan geloven. Het verschil explodeert dan.'


Maar hoe werkt die overgang tussen de twee fasen? De soortvorming begint doordat er op welke manier dan ook variatie ontstaat binnen een groep vlinders: sommige hebben rode vleugels, andere blauwe. Als deze twee vlindertypes met elkaar paren, dan ontstaan er hybriden: nakomelingen met een gecombineerd kleurenpatroon. Onhandig, want daarmee lopen ze een hoger risico om in de snavel van een roofzuchtige vogel te eindigen voordat ze zich kunnen voortplanten. Er vindt hierdoor een sterke selectie plaats op de genen die de kleuren veroorzaken. De gebieden waar deze genen liggen, gaan dan ook steeds duidelijker van elkaar verschillen: de kiem voor soortvorming is gelegd. De rest van het dna blijft nog steeds grotendeels hetzelfde.


Meeliften

In de volgende fase komen er steeds meer genen bij waarop selectie plaatsvindt. Dat komt doordat het stuk dna waarop de kleurengenen liggen, ook andere genen bevat, die steeds meeliften met de selectie. Op den duur worden ook zij zelf onderdeel van de selectie. Bijvoorbeeld doordat zij voor hun functioneren afhankelijk zijn van genen die verderop op het dna liggen. Die verderop gelegen gebieden moeten vervolgens ook altijd meekomen na de paring om goede nakomelingen te produceren.


Op die manier breidt het selectiegebied - en dus het verschil tussen de soorten in spe - zich als een olievlek over het dna uit. Op een gegeven moment is het verschil zo groot dat gemixt paren alleen maar individuen oplevert die nauwelijks een overlevingskans hebben. Er is geen weg meer terug en het vormen van een nieuwe soort is een feit.


Toch kan soortvorming nog wel wat sneller dan bij de vlinders het geval is, denkt Maan. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij de cichliden, die Maan zelf onderzoekt in de catacomben van de hypermoderne nieuwe Groningse biologiefaculteit.


Bij die vissen hebben genetische aanpassingen namelijk een direct effect op het paargedrag, in plaats van alleen op de nakomelingen, zoals bij de vlinders het geval is. Zwitserse onderzoekers onder leiding van Ole Seehausen ontdekten in 2012 dat er bij de cichliden een heel sterke selectie is op zogenoemde opsinegenen. Die zijn verantwoordelijk voor de aanmaak van lichtopvangende eiwitten in het oog en bepalen op welke diepte en bij welke troebelheid een vis het beste zicht heeft. Bovendien zijn cichliden heel visueel ingesteld als het gaat om partnerkeuze.


'Door veranderingen in het opsinegen wordt dus onmiddellijk ook de partnerkeuze beïnvloedt. Cichliden met een bepaalde opsinevariant kiezen daardoor alleen maar partners met diezelfde variant, omdat ze die nu eenmaal beter zien of aantrekkelijker vinden. Zulke veranderingen, die meteen seksuele selectie beïnvloeden, heten magische eigenschappen,' zegt Maan. Door zulke eigenschappen kan het dna van soorten in spe sneller uit elkaar groeien en vormen ze sneller een aparte soort.


Precies hetzelfde gebeurt bij de appelvlieg Rhagoletis pomonella, een in Amerika voorkomend insect dat traditioneel meidoornvruchten infecteert. Toen in het midden van de 19de eeuw kwekers de appel vanuit Europa importeerden, zag de vlieg daarin een lekker nieuw hapje. Omdat de vliegen niet veel heen en weer vliegen, zorgde de verandering van voedselkeuze ervoor dat appelminnende vliegen ook bijna alleen maar appelminnende soortgenoten tegen kwamen, en dus alleen maar met elkaar paarden. Ook hier breidde het aantal genen waarop selectie plaatsvond heel snel uit, nadat er in het begin maar een paar genen cruciaal zijn.


Sneller

In beide gevallen vindt er op genetische niveau dus hetzelfde proces plaats als bij de vlinders, maar gaat het allemaal wat sneller omdat er minder kruisingen tussen de verschillende typen plaatsvinden.


De Amerikaanse onderzoekers die de Rhagoletis-vliegen in 2012 analyseerden, vonden nog een ander resultaat dat evolutionair biologen verbaasde. Er was namelijk helemaal geen nieuwe mutatie voorafgegaan aan de overschakeling van meidoorn naar appel. Terwijl dat toch het klassieke idee van evolutie is: nieuwe mutatie is nieuwe eigenschap, is nieuwe mogelijkheden. Bij de Rhagoletis-vliegen was het echter bestaande genetische variatie die de keuze voor appel mogelijk maakte. De genetische blauwdruk voor appelliefde was al aanwezig, en dat was opeens een voordeel toen de appel zich voordeed.


'Een populatie is eigenlijk een grote poel aan genetische variatie, die de soort door de eeuwen heen heeft opgebouwd. Af en toe komt iets ouds plotseling goed van pas in een nieuwe omgeving, zoals hier het geval is,' zegt Maan.


Bij stekelbaarzen nam een groot internationaal consortium wetenschappers vorig jaar hetzelfde waar. Ze ontdekten dat zoutwaterstekelbaarzen zich op verschillende plaatsen over de wereld hebben aangepast aan zoet water - telkens op een vergelijkbare manier. 'Hoogstwaarschijnlijk zitten de genen die de aanpassingen aan het leven in een rivieren mogelijk maken al eeuwenlang in het dna van de vis, om steeds weer van pas te komen als de stekelbaars opnieuw zoet water probeert te koloniseren,' zegt Maan.


Met behulp van genetische technologie scherpen evolutionair biologen de theorie rond soortvorming zo steeds verder aan. Op genetisch niveau verdelen wetenschappers soortvorming bij dieren nu onder in vier fasen: eerst vindt er selectie plaats op een aantal belangrijke genen, dan gaan er ook een paar genen in hun omgeving mee. Vervolgens leiden veranderingen verspreid over het hele dna tot echt twee soorten, waarna post-soortvormingsveranderingen de verschillen verder vergroten.


'Het is nu tijd om deze theorie te staven met meer bewijs, zowel genetisch als ecologisch, we zijn pas net begonnen,' zegt Maan. Uiteindelijk zou het zo maar kunnen dat soortvorming zoals dat bij Darwins vinken plaatsvond een voetnoot in de evolutietheorie wordt: legendarisch, maar alles behalve representatief.


Darwins drama


Het was de speeltuin voor evolutionair biologen: het Victoriameer in Afrika. Doordat er zich in korte tijd honderden soorten uit maar enkele voorouders hadden gevormd, was het de plek bij uitstek om soortvorming te bestuderen. Totdat in de jaren vijftig de nijlbaars er werd geïntroduceerd, om de mensen die langs het meer woonden te voeden. De roofvis bleek een voorkeur te hebben voor het eten van cichliden en binnen een paar decennia was een groot deel van alle soorten uitgestorven. Alleen in bijvoorbeeld ondiepe gebieden konden de cichliden overleven omdat hun vijand er te groot voor was. Met die paar overgebleven soorten moeten biologen het nu doen in hun zoektocht naar begrip van soortvorming.


SNELLE PLANTEN DOEN NIET MOEILIJK

Planten hebben het een stuk makkelijker als het om soortvorming gaat. Met één kruising kan daar al een nieuwe soort ontstaan. Dat komt doordat planten zogeheten polyploïdie aankunnen. Het dna van hogere organismen is onderverdeeld in chromosomen en bij mensen en dieren komen die altijd in paren: één van de vader en één van de moeder. Afwijkingen daarin hebben meteen grote gevolgen, zoals het syndroom van Down als er zelfs maar één chromosoom in drievoud voorkomt.


'Planten doen hierover helemaal niet moeilijk,' zegt Eric Schranz, hoogleraar biosystemen aan de Wageningen Universiteit, 'Zij kunnen al het dna van beide ouderplanten gewoon bij elkaar gooien en op die manier vier, zes, acht of soms nog meer exemplaren van elk chromosoom per cel hebben.' Op die manier kunnen er heel makkelijk nieuwe soorten ontstaan.


Schranz liet dat zien met twee soorten kool, een Chinese en een Europese. Beide soorten hebben twee paar chromosomen, de hybride die Schranz ontwikkelde had er vier. Direct na de vorming van deze nieuwe variant begon het dna als een razende weg te evolueren van de oorspronkelijke soorten, zo ontdekte Schranz, waardoor de weg naar een nieuwe soort razendsnel is ingezet.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden