De mens als evolutionaire knutselaar

De mens als evolutionaire knutselaar
Leuven, 29 oktober 2009
Prof. Filip Volckaert, evolutiebioloog
Departement Biologie, K.U.Leuven,
Inhoud
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Wat is een evolutionaire knutselaar?
Wat is de motor van evolutie?
Resistentie tegen infecties
Verstoorde soortvorming
Niet duurzaam oogsten
Sporen van selectie bij de mens
Waarom zou Darwiniaanse invloed
meetellen?
1. Wat is een evolutionaire
knutselaar?
• Mens is uniek: maakt producten (huisdieren, bruggen en
IT) en organiseert zijn gemeenschap (van familie tot
wereld)
1. Wat is een evolutionaire
knutselaar?
• Mens is uniek: maakt producten (huisdieren, bruggen en
IT) en organiseert zijn gemeenschap (van familie tot
wereld)
• Reeds 2/3 van het land dient rechtstreeks om de
menselijke bevolking te ondersteunen
• Is een experiment op wereldschaal met onverwacht
positieve (synergie, vergemakkelijken van leven, …) en negatieve
(ecologische voetafdruk, vervuiling, oorlog, global change, infecties, …)
gevolgen.
• Sommige gevolgen van de menselijke tussenkomst spelen
zich af op het niveau van evolutie, zijn subtiel en hebben
soms grote implicaties
2. Wat is de motor van evolutie?
Vier belangrijke krachten:
• Mutatie
• Genetische drift
• Genmigratie
• Selectie
A. Mutatie
Slaat op overerfbare veranderingen in de genetische code;
1 kans op 10.000 - 10 miljoen per base.
Voorbeeld:
Originele DNA sekwentie:
ACTGGGCTAACGCGTTAACG
Mutante DNA sekwentie:
ACTGGGCGAACGCGTTAACG
Werkt over een breed tijdsbestek: is niet zo algemeen maar kan
belangrijke wijzigingen veroorzaken.
Dit DNA wordt vertaald in aminozuren (eiwitten).
Sommige veranderingen doen niets, andere veroorzaken grote
verschillen.
Voorbeelden:
- oogkleur
- erfelijke ziekte mucoviscidose
- vatbaarheid van de mens voor lactose tolerantie na de leeftijd van 5 jaar.
B. Genetische drift
Kleine populaties lopen een grote kans dat algemene variaties (allelen) nog
algemener worden en zeldzame allelen uitsterven.
Toeval treft vooral kleine groepen.
Voorbeeld:
Menselijke populaties op eilanden vertonen een grotere kans op inteelt en dus op
erfelijke aandoeningen.
C. Genmigratie
Genmigratie slaat op de verplaatsing van erfelijk materiaal tussen
populaties.
Is een dagdagelijks gegeven want individuen verplaatsen zich vaak
tussen populaties; soms is die verplaatsing permanent.
Voorbeelden:
- uitzwermen van adolescente vogels (koolmees, sneeuwgans)
- nieuwe bruid in het dorp
D. Selectie
Het leven is hard…
Velen zijn geroepen, maar weinigen uitverkoren.
Omvat Darwin’s idee van Survival of the fittest.
(van de vele nakomelingen, zullen weinigen geslachtsrijp worden)
Selectie is dagdagelijkse kost.
Voorbeeld:
Een volwassen tonijn legt een miljoen eitjes,
waarvan uiteindelijk minder dan 10 individuen
zich voortplanten. De rest sterft meestal jong.
Nu zijn we voorbereid om een viertal evolutionaire
voorbeelden van antropogene selectie te bekijken.
3. Resistentie tegen infecties
Wat? Niet vatbaar zijn voor een pathogeen (virus, bacterie of parasiet)
Hoe? Natuurlijk (aangeboren en verworven immuunsysteem) of
geïnduceerd met een behandeling
Waar? Wereldwijd
Eerste vermelding? Zo lang als er organismen bestaan
Selectie
A. Antibiotica en resistentie: MRSA
Wat? Methicilline-resistente Staphylococcus aureus
bacterie (superbug). S. aureus komt bij 1/3 van de
bevolking voor op huid en in neus. Vormt probleem
indien in bloedbaan.
Hoe? MRSA biedt weerstand aan meerdere antibiotica
en ontwijkt antimicrobiële tussenproducten van de
gastheer (zoals stikstofoxide - NO)
Mortaliteit? 2 miljoen personen per jaar
Historisch overzicht? Penicilline (Fleming; °1928);
regelmatig gebruik sinds 1940. Resistentie sinds eind
1950. Methicilline (° 1959; eerste resistentie 1961).
Resistentie is gevolg van tientallen jaren van onoordeelkundig gebruik van antibiotica bij mens en dier.
Belangrijk? Verhoogde medische uitgaven, verhoogde
mortaliteit
Selectie
Science 2008
Genetische basis voor MRSA
Bacteriën wisselen genetisch materiaal uit
tussen chromosomen (stukuitwisseling).
Maakt het mogelijk om nieuw genetisch
materiaal en dus kenmerken te verwerven.
In een medische omgeving met rijkelijk
gebruik van antibiotica zullen “toevallig”
resistente S. aureus een voetje voor hebben.
Door geleidelijke aanrijking stapelen deze
resistente stammen zich op
 Survival of the fittest.
Selectie
Resistentie in S. aureus vandaag
Methycilline gevoelige S. aureus (MSSA) en
MRSA komen samen voor. De evolutie van
MRSA uit MSSA valt te traceren dmv
sequentie bepaling.
Evolutie leidde wereldwijd tot 11 MRSA
clones verdeeld over 5 groepen van
verwante genotypes (clonale complexen of
CCs).
CC5 en CC30 ontwikkelden zich wereldwijd
uit ST5-MSSA (mecA = methicilline resistent
gen).
Pol, Slo, UK
Jap, USA
Bel
Enright et al. 2002
Fin, Ire, Jap,
UK, USA
Om te onthouden
Gevolgen van (multi-)resistentie van pathogenen
zijn wereldwijd merkbaar.
Effect is meetbaar op niveau virulentie, specificiteit
en polymorfisme
Snelheid van verandering wordt bepaald door de
selectiedruk (hoe meer kansen op selectie, hoe
sneller selectie vordert) .
Selectie
Bestrijding van resistente pathogenen
De perfectie bestaat niet (wapenwedloop!)
Aangewezen is een combinatie van (geïntegreerde) strategieën aangepast aan
ogenblik, plaats en intensiteit van infectie.
Dat kan bestaan uit:
- Aangepast gedrag en hygiëne (denk aan grieppreventie)
- Geneesmiddelen onder vorm van cocktails (denk aan AIDS)
- Voedingssupplementen bestaande uit levende bacteriën (promotie van
goedaardige bactëriën) of niet-verteerbare voedingssupplementen die de groei van
bacteriën bevorderen in het verteringssysteem (pro- en prebiotica)
= Darwiniaanse geneeskunde
 De toekomst ligt in onze handen…
B. Andere voorbeelden van resistentie
Resistentie tegen infecties:
Malaria (1 miljoen doden per jaar) : profylaxis: chloroquinine > mefloquine
(Lariam) > ….
Behandeling: pyrimethamine > artemisinin (maar ook tendens tot herverschijnen
van infectiegevoeligheid)
Schistosomiase (bilharziose – 280.000 doden per jaar in zwart Afrika) wordt
veroorzaakt door Schistosoma platwormen; behandeld met Praziquantel sinds
een tiental jaar. Er wordt gevreesd voor resistentie..
Resistentie tegen xenobiotica
Pesticiden zoals DDT: rijkelijk en vaak onoordeelkundig gebruikt na WOII tot
jaren tachtig. Halfwaarde tijd is 8 jaar. Vele insecten bouwden resistentie op door
met glutathion transferasen (GSTs) DDT te detoxificeren; o.a. algemeen
aangetroffen bij malaria Anopheles gambiae muggen.
4. Verstoorde soortvorming
Wat? Soortvorming gebeurt progressief met “horten en stoten”
Hoe? Isolatie van populaties in tijd en ruimte zodat rassen zich
vormen. Rassen vormen de aanzet tot soortvorming.
Waar? wereldwijd
Wanneer? Sinds ontstaan levende organismen
Belangrijk? Soortendiversiteit is motor van natuurlijke functies,
goederen en diensten
Achtergrond bij het voorbeeld
driedoornige stekelbaars
Komt algemeen voor in noordelijk
halfrond.
Regelmatig evolueerden de originele
mariene kustrassen tot lokale rassen:
- bodem – open water (Vancouver)
- trekkers – zoetwater (Lage Landen)
A. Vancouver: bodem – open
water
Driedoornige stekelbaars komt in Priest
Lake voor in twee gescheiden groepen:
bodem (benthisch) en open water
(limnetisch).
limnetisch
benthisch
Maar in Enos Lake is er een
ineenstorting van het limnetische ras.
Dit kan toegewezen worden aan verhoogde troebelheid (door toegenomen
voedingsstoffen – eutrofiëring).
Hybridisatie
Gow et al. 2006
A. Vancouver: bodem – open water
Bodemvorm verkiest bodemprooien
Openwater vorm eet zoöplankton.
Door het verschil in voeding, gedraagt stekelbaars zich als
“ecosysteem ingenieur” (Harmon et al. 2009) :
Stekelbaars bepaalt ecosysteemstructuur, zeker
voor zoöplankton biomassa (a), en minder voor
benthische invertebraten biomassa (b).
A. Vancouver: bodem – open water
Bodemvorm verkiest bodemprooien
Openwater vorm eet zoöplankton.
De voedingswijze koppelt dus terug naar het
ecosysteem (engineering):
- welke prooigemeenschap als voedsel?
( structuur)
- algenproductie
- opgeloste organische stoffen (turbiditeit)
De gevolgen voor het ecosysteem zijn complex
en onrechtstreeks. Onder andere:
- cascade effecten
- regimeverschuiving tussen twee alternatieve
stabiele toestanden
Scheffer et al. 2005
B. Andere voorbeelden van verstoorde soortvorming
Darwinvinken: verliezen verschil in bekmorfologie door ongewilde tussenkomst van de
mens
cichliden : verliezen subtiele kleurverschillen door vertroebeling an het
Victoriameer
Haplochromis
Boskortsteel Brachypodium sylvaticum verovert Noord-Amerika op basis van 3 introducties
 Het fenomeen is zeer algemeen
 De gevolgen voor het functioneren van het
ecosysteem zijn serieus
5. Niet-duurzaam oogsten
Wat? Visvangst en jacht
Hoe? Evolutie van eenvoudige tot gesofisticeerde
tuigen (geweer, sonar)
Waar? Wereldwijd
Intensiteit? Staat in verhouding tot bevolkingsdruk
Selectie
A. Overbevissing
- Zeevisserij is een belangrijk bron van eiwitten
- Visserijdruk is gestegen proportioneel met de wereldbevolking
- Op dit ogenblik importeert westerse bevolking in verhouding meer
wildvang uit zuiderse oceanen
A. Overbevissing
Overbevissing is algemeen.
Verwacht wordt dat met het doorzetten van de
huidige intensiteit onder hetzelfde beheer per
2046 de klassieke vissoorten zullen
verdwenen zijn
Pauly et al. 2002
Garnaalvissers in de monding
van de Yangtse rivier.
A. Overbevissing
Heeft grote ecologische gevolgen:
- Verdwijnen van grote vissen (toppredatoren)
leidt tot verkorten van voedselketen
- Verkorte voedselketen verstoort de trofische
cascade
- Leidt tot onverwachte gevolgen in zee:
vergroenen, kwalbloei en exoten
 regime shift (= instelling van een nieuw
evenwicht)
A. Overbevissing
In februari 2008 kreeg prof. Daniel Pauly een eredoctoraat aan de
K.U.Leuven voor zijn inzet voor een duurzame visserij.
A. Overbevissing
Heeft ook grote (en slecht gekende) evolutionaire gevolgen.
Levensloop van vissen evolueert tussen paaigrond  kinderkamer 
voedselgrond  paaigrond
Visserijdruk treft de natuurlijke populaties niet willekeurig:
- Grote vissen worden sneller gevangen (voedselgronden)
- Volwassen vissen worden sneller gevangen (paaigronden)
Dat leidt ofwel tot :
- Tendens tot populaties met kleinere en jongere dieren (voedselgronden)
- Tendens tot uitstellen van voortplanting (paaigronden)
I. Zonder visvangst:
Goede groei en late
maturatie
II. Met visvangst:
Late maturatie leidt
tot verhoogde kans
op vangen
III. Met grotere visvangst:
Visserijselectie bevordert
vroege maturatie
Aanwijzingen
A. Overbevissing
Naar een Darwiniaans visserijbeheer?
- aangepaste vistechnieken
- gesloten zones (paaigronden!)
- gesloten seizoenen
- responsabilisering
B. Andere voorbeelden van niet duurzaam oogsten
- De jagers op vos in oostelijk Canada verkiezen de zilverkleurige
variant. Over 100 jaar is het effect merkbaar (Allendorf en Hart, 2008).
-Trofee jagers kiezen dieren met grote hoornen
 Fenotypische veranderingen in geoogste systemen zijn sneller oiv
de mens dan de natuurlijke veranderingen (Darimont et al. 2009)
6. Sporen van selectie bij de mens
Toenemende wereldbevolking en verstedelijking leidt tot onverwachte
effecten:
- verhoogde kans op epidemieën en zoönosen (Mexicaanse griep,
vogelgriep, SARS, …)
- tekort aan beschikbare goederen (voedselaanbod, hout,
(bouw)mineralen, …)
- druk op beschikbare diensten (stofvrije lucht, ontspanning, …)
- druk op beschikbare functies (zuurstof productie, remineralisatie , ….)
A. Lactose intolerantie – lactase
persistentie
Wat? Capaciteit tot verteren van lactose (suiker)
Hoe? Lactase enzyme actief tijdens zoogperiode
(< 5 jaar)
Waar? In beperkt aantal bevolkingsgroepen (Afrikaanse
herders en West- en Centraal-eU) gedurende volledige
levenscyclus
Vroegste verschijnen? In Europa 7500 jaar geleden
(Bandkeramiek – vroeg Neoliticum) met overgang van
gemengde economie naar veeteelt
Eerste boeren brachten plantgoed uit Fertiele Sikkel
(10.000-12.000 jaar geleden) in een minder geschikt
gebied; overgang op melk betekent constante
beschikbaarheid + zuivere vloeistof
Belangrijk? Organisatie van gemeenschap…
Selectie
Thomas et al, 2009
B. Blijvende selectiedruk
100.000 JG: uitbreiding van habitatgebruik; grote subSahara bevolking
14.000 JG: opwarming na IJstijd
10.000 JG: jagers  herders (Fertiele Sikkel)
>10.000 JG: bevolkingstoename (ziekte)
 Grote selectiedruk
Hawks et al. 2007
B. Blijvende selectiedruk
Signaal van selectie is
- sterk in alle populaties
- regionaal (oa lactose in West-en Centraal Europa en NCOA1 gen voor vetzuursturing bij
Afrikaanse Yoruba) en
- wijst op lokale fenotypische adaptatie
Selectie
Voight et al. 2006
B. Blijvende selectiedruk
Intensiteit van selectie is
- sterk toegenomen over de laatste 40.000 jaar
- grote bevolkingsgroepen genereren meer nieuwe mutaties, dus kansen voor selectie
- deze groei sluit aan bij voorbije culturele en ecologische aanpassingen
- wat leidt tot ongekend snelle genetische verandering van onze soort
Selectie
Van de 1800 menselijke genen onder
recente selectiedruk wordt voor de
West en Centraal-Europese groep een
meer recente oorsprong geschat dan
de Afrikaanse Yoruba.
Hawks et al. 2007
C. Selectiedruk op voeding en ontwikkeling
Wat? Metabolisme is aangepast aan voedingsregime
Hoe? Selectie bevordert conservatieve omgang met
calorieën (foutief bestempeld als thrifty fenotype voordeel om aan gewicht te winnen en spaarzaam om te
gaan met calorieën in een milieu waarin voedselaanbod
wisselvallig is). Tussenkomst van reeks populatiespecifieke genen (o.a. vetzuursturing NCOA1 bij Yoruba
en vetopname PPARD bij Europeanen).
Waar? Wereldwijd (met uitschieters in zuid-pacifisch
eiland van Palau)
Betekenis? Maximalisatie van voedselopname
Selectie
D. Andere voorbeelden van menselijke evolutie
- Evolutie van immuunsysteem en allergieën
- In vitro fertilisatie
- Eugenetica (cfr Vrije Tribune in De Standaard 17 en 19.10.09)
- Evolutie van taal en cultuur (zie presentatie van filosoof Andreas
De Block)
Prof. Jared Diamond ontving in oktober 2008 een eredoctoraat van
de K.U.Leuven omwille van zijn onderzoek naar de geschiedenis
van de mens over de laatste 13.000 jaar.
7. Waarom zou Darwiniaanse
invloed meetellen?
Duurzaamheid van biosfeer, inclusief mens
Een aantal gevolgen van menselijke invloed zijn goed
ingeschat.
Maar het beeld blijft onvolledig.
En gevolgen zijn vaak onverwacht (emergentie en zelforganisatie) (Paul Ehrlich. Cultural evolution and the human predicament, 2009, Trends in Ecology en Evolution)
Hoe de Darwiniaanse invloed maatschappelijk in rekening
brengen?
Moeilijke vraag…
Vereist een breder kader van denken en handelen.
- Wat als ik minder
veroorzaak?
vis vang en geen Darwiniaans deficit
- Wat als ik geen ongeval met slachtoffers veroorzaak?
- Wat als ik van een
Turkije vlieg?
vakantie thuis geniet en niet naar
Paul Ehrlich suggereert een gepast cultureel antwoord.
Er beweegt iets in onze maatschappij….
Zijn er vragen?