Evolutie is het ellebogen voorbij



De tragedy of the commons is een analogie die bij evolutionaire speltheorie een belangrijke rol speelt. Egoistische individuen hebben zelf voordeel van extra uitputting van gemeenschappelijke hulpbronnen maar helpen zo het collectief te gronde en daarmee zichzelf. Dat noemen we evolutionaire zelfmoord. De analogie is afgeleid van de 'commons', gemeenschappelijke graasgronden zoals op deze foto in New Forest


09-01-2010

Samenwerking als aanvullende overlevingsstrategie krijgt steeds meer de aandacht.van evolutiebiologen naast strijd. Zelfs bacteriën zijn het egoïsme al snel beu, zo blijkt uit nieuwe experimenten met microben als laboratoriumratjes van de evolutie. ‘Competitie is zo saai’.

Chicklit promoot het idee dat dames zich moeten spiegelen aan de vrouwelijke hond, een bitch zoals de Engelsen dat zo mooi noemen. Agressieve competitie zou dé succesvolle carrièrestrategie zijn.De carrièreboekjes lopen met hun halve begrip van hele waarheden uit de biologie echter een beetje achter. Misschien wel meer dan een half miljard jaar. Biologen vermoeden namelijk dat met enkel egoïstische strijd nooit complexe meercellige organismen konden ontstaan.

Zelfs bacteriën blijken bij overleving naast egoïsme ook voor samenwerking te kiezen via waarschuwingsstoffen. Maar de moraalridders moeten niet te vroeg in de handen klappen. Zelfzucht kan op korte termijn voordeel leveren voor microben, die gaan domineren dankzij een nieuw geëvolueerde succeseigenschap. Dat is 1-0 voor de bacteriebitches, zo tonen labexperimenten en computersimulaties. Maar op langere termijn richten ze de hele populatie en zichzelf te gronde. Evolutionaire zelfmoord noemen biologen dat mechanisme voor populaties. Ecologen kennen dit proces als Tragedy of the Commons.

Een mooi voorbeeld vormen experimenten met sociale bacteriën, gepubliceerd in Proceedings of the Royal Society in 2003. De bacterie Myxococcus xanthus zoekt soortgenoten op om mee samen te klitten. Er ontstaat een meercellige bloemvorm, die nieuwe bacteriën loslaat via deling. Dat lijkt een eerste evolutionaire stap richting meercellig leven. Zijn deze nieuw geborenen sociaal, dan ontstaan steeds nieuwe bacteriebloemen. Maar wanneer biologen sneller voortplantende Myxococcus-‘bitches’inbrachten, dunde de sociale structuur zo snel uit dat de hele soort verdween. Er ontstonden geen bloemen meer die nieuwe bacteriën vormden.

 

Tot voor kort was experimenteel onderzoek naar het ontstaan van nieuwe strategieën bij levende wezens nog beperkt. Evolutiebiologen hebben immers geen miljoenen jaren de tijd om de veranderingen per generatie dieren te volgen. Ruim daarvoor heffen universiteitsmanagers de onderzoekslijn op, zo mochten Leidse biologen dit Darwinjaar nog ervaren. Maar dankzij bacteriën is de evolutie experimenteel te toetsen binnen budget.

Microben vormen via celdeling in enkele dagen meer generaties dan mensen of olifanten in duizenden jaren. De evolutie is dus live zichtbaar in petrischaal of reageerbuis via mutatie, variatie en natuurlijke selectie. De biologen geven een kickstart aan de evolutie, door het milieu te variëren. Via natuurlijke selectie bloeien de beestjes op die de gunstige eigenschappen hebben voor dat milieu, of die dat via een mutatie krijgen. En dan maar kijken wat er gebeurt, wie overwint of juist achterblijft.

De meeste bestaande experimenten, zoals de groep van Richard Lenski aan de Universiteit van Michigan veranderen het milieu via de voedselvoorziening. Lenski liet zo bijvoorbeeld na 40.000 generaties nieuwe colibacteriën ontstaan die citroenzuur konden eten. Een nieuw verworven eigenschap voor zijn evolutionaire labratje E-coli, die ontstond via klassieke mutatie, variatie en selectie. Maar dan heb je nog niet beslist meer complexiteit.

De Biofysicagroep van de TU Delft werkt ook met E-colibacterieen maar zoekt een andere aanpak. De groep test de invloed van het fysieke milieu op de strategie van bacteriën via evolutie op een chip. Een collectief van biologen en techneuten maakt dit micromilieu, door op silicium een bacteriereservaat te etsen van enkele micrometers groot. In dat kunstmatige landschap mogen colibacteriën dan hun ding doen: eten, zichzelf delen en evolueren.

Dankzij het inbouwen van een gen dat fluorescerende kleur geeft, is het evolutionair succes of juist de ondergang van nieuw ontstane bacteriebitches in populaties meetbaar via de hoeveelheid licht die ze afgeven. Het nieuwste resultaat uit Delft verscheen 8 september op de cover van Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS). Dit onderzoek toonde dat de bacteriën zich met gemak aan ruimtes aanpassen die kleiner zijn dan zichzelf.

 

Het Delftse onderzoek naar de evolutie van egoïsme tot samenwerking ligt in handen van bioloog Juan Keymer. “Competitie in een soort is zo saai”, verklaart de van Princeton naar Delft verhuisde Chileen. “Veel interessanter is de vraag hoe zo’n soort hoger op de ladder van complexiteit komt. Met enkel egoïstische competitie tussen individuen krijg je evolutionaire zelfmoord. Toch zien we computersimulaties en in de natuur dat er steeds hogere niveaus komen, organismes en cellen die onderling uitwisselen en van elkaar afhankelijk zijn. Een soort ecosysteem dus, maar voor het ontstaan van die samenhang heb je een fundamentele uitbreiding van moraal nodig.”

Keymer onderzoekt een stukje ecologie op microschaal, waarbij de bacteriën moeten bewijzen wat de computermodellen al aantoonden: hoe groeien ze uit naar een nieuw niveau van soorten die onderling samenwerken. Samenwerking bij bacteriën is een nieuw idee, omdat pas sinds vijf jaar geleden bekend is dat bacteriën elkaar kunnen ‘waarschuwen’via signaalstoffen.

Een voorbeeld van SOS-signalering treedt op wanneer overbevolking dreigt en een beperkte voedselvoorraad uitput. Op dit punt, bij zogenaamde metabolische stress stoppen bacteriën met voortplanten. Een zelfde reactie is niet typisch voor microben maar treedt ook op bij hogere sociaal levende dieren. Bijvoorbeeld bij edelherten, waarbij de hindes hun vruchtbaarheid verlagen in reactie op overbevolking. Anders zou voedselgebrek voor sterfte en ziektes zorgen.

Een andere reactie dan geboortebeperking is ook mogelijk, zo liet Keymer zien in een onderzoek dat hij publiceerde in PNAS van afgelopen december. In het Delftse chiplandschapje, een ‘nanofabricated landscape’ concurreren twee verschillende bacteriestammen E-coli elkaar niet kapot, ze zoeken ieder een eigen leefruimte op de chip, een ecologische niche. De ene stam mijdt de andere. Door die strategie is de overleving op lange termijn groter, gezamenlijk krijgen de stammen meer biomassa dan wanneer de één ten koste van de ander overwint.

Maar op grond van enkele bacteriën op een chip kun je natuurlijk nog niet concluderen dat microben een sociale heilstaat vormen. Alle samenleving begint met egoïsme. Ook niet onbelangrijk, de Delftenaren zijn nog maar net begonnen, nadat zij het nanolandschap-idee met Juan Keymer succesvol overnamen van de Universiteit van Princeton. Het Herman Brood-motto ‘beter goed gejat dan slecht bedacht’, is ook gebruikelijk in academieland.

“Dankzij Juan halen we de biologische kennis in huis, wij hebben de techniek om die nanolandschapjes te maken”, zegt fysicus Cees Dekker, die Keymer ‘jatte’van Princeton. “Nu kun je onder gecontroleerde omstandigheden in het lab eindelijk testen hoe ruimte en tijd op populaties inwerken. Het is gek dat zulke experimenten niet veel eerder zijn uitgevoerd, omdat ze over zulke belangrijke vragen binnen de evolutiebiologie gaan. Tot voor kort dacht men zelfs dat bacteriën te simpel zouden zijn voor onderlinge communicatie. Maar logisch klinkende beweringen hoeven niet juist te zijn, dus ben ik benieuwd wat de experimenten gaan opleveren.”

De natuur kan dus gezelliger in elkaar steken dan de ‘strijd om het bestaan’analogie suggereert, zelfs op microbenniveau. Maar omdat samenwerking bij bacteriën volgt in reactie op de invloed van egoïsme, kun je ook stellen dat de natuur niet zonder bitches kan. Niet één strategie is de beste in alle situaties. Die rotbiologen ook. Wie beweerde ooit dat je moraal uit de natuur kunt halen?

 

///Kader

 

Tragedy of the Commons

 

 

 

Commons zijn gemeenschappelijke weidegronden, waarvan in het Zuid Engelse New Forest nog voorbeelden bestaan. Dit oude bos diende als voorbeeld voor het Nederlandse natuurbeheer met haar grote grazers. De (bos)weidegrond is toegankelijk voor iedereen, en iedere veeboer profiteert individueel wanneer hij een extra paard of koe toevoegt. Ook wanneer het land al is overbegraasd. Zo kan dus de tragedie ontstaan: de overbegrazing blijft onafwendbaar doorgaan tot de grond uitput omdat ieder individu profiteert, terwijl de lasten collectief worden verdund.

De Californische ecoloog Garrett Hardin gebruikte de weidegrondanalogie als metafoor voor milieuproblematiek in zijn baanbrekende artikel Tragedy of the Commons in Science in 1968. Het commons- mechanisme speelt bij alle vormen waar een eindige hulpbron door een collectief word gedeeld. Contractbreuk loont steeds individueel tot een omslagpunt, waarna dankzij aanhoudende contractbreuk de collectieve ondergang inluidt dankzij uitputting van die hulpbron.

Hardin’s Tragedy-analogie kreeg een wetenschappelijke cultstatus en vond toepassing van economische speltheorie en ecologie tot evolutiebiologie. Dit mechanisme is zichtbaar van tonijnvisserij tot aan grote bedrijven die de kleintjes opeten. De grote bedrijven brengen uiteindelijk hun eigen bestaan in gevaar door gebrek aan innovatie, omdat dit doorgaans vooral bij de kleintjes plaatsvindt.