Waarom evolutie soms sneller (of trager) gaat dan we dachten
Hoe lang duurt het voordat er in een groep dieren of planten iets écht nieuws ontstaat? Denk aan een vogelsnavel die net iets langer wordt, of een bacterie die net iets beter tegen een gif kan. Je zou denken dat wiskundigen dat allang precies konden berekenen. Maar een nieuwe studie laat zien dat de werkelijkheid grilliger is dan gedacht.
Onderzoekers keken naar een klassiek model van evolutie, het zogeheten Wright-Fisher model. Dat model beschrijft hoe eigenschappen (fenotypes: de zichtbare kenmerken van een organisme, zoals grootte of kleur) zich door willekeurige mutaties en toeval door een populatie verspreiden. Ze onderzochten specifiek: hoe lang duurt het voordat het allereerste individu een bepaalde nieuwe eigenschap bereikt, een bepaalde "afstand" van het gemiddelde?
De verrassing: geen simpele rechte lijn
Normaal gesproken zou je verwachten dat deze wachttijd netjes omgekeerd evenredig is met de hoeveelheid variatie in mutaties (de mutatievariantie, kortweg hoe groot de sprongen zijn die mutaties maken). Meer variatie, snellere verandering, in een simpel, voorspelbaar verband.
Maar dat bleek niet te kloppen. De onderzoekers ontdekten dat de gemiddelde wachttijd in een groot tussengebied schaalt met de mutatievariantie tot de macht min anderhalf, in plaats van de verwachte macht min een. Dat klinkt technisch, maar het betekent concreet: de wachttijd daalt veel sneller dan verwacht wanneer mutaties iets groter worden. Evolutie kan dus onder bepaalde omstandigheden onverwacht snel versnellen.
Dit vreemde gedrag treedt op ondanks dat de individuele mutaties zelf heel gewoon, "diffuus" verlopen, zoals een dronkenmanswandeling waarbij elke stap willekeurig is. Toch ontstaat er op het niveau van de hele populatie een patroon dat daar niet bij past. De onderzoekers noemen dit "anomale eerste-passage"-gedrag: de eerste keer dat iets gebeurt, verloopt anders dan de gemiddelde regel voorspelt.
Ruwe randen verklaren het raadsel
Om dit te verklaren, combineerden de wetenschappers twee wiskundige gereedschappen: coalescent-theorie (die beschrijft hoe stambomen van individuen in een populatie in elkaar steken) en KPZ-theorie. KPZ staat voor Kardar-Parisi-Zhang, een wiskundig model dat oorspronkelijk werd gebruikt om ruwe, groeiende oppervlakken te beschrijven, zoals een oprukkend vlekje inkt op papier. De rand van een populatie, waar maar weinig individuen de meest extreme eigenschap hebben, gedraagt zich blijkbaar net zo grillig als zo'n ruw groeiend oppervlak.
Het onderzoek laat zien dat er drie verschillende regimes zijn, met twee overgangspunten ertussen. Aan weerszijden van het middelste, anomale regime geldt wel de gewone, voorspelbare schaalregel. Het bijzondere gedrag houdt bovendien ook stand wanneer er sprake is van zwakke natuurlijke selectie, dus niet alleen bij puur toevallige (neutrale) evolutie.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is wiskundig modelonderzoek, geen experiment met echte dieren of planten. Het laat zien wát er in theorie kan gebeuren binnen een specifiek wiskundig model van evolutie, niet dat elke soort in de natuur zich exact zo gedraagt. Verder onderzoek moet uitwijzen hoe vaak en onder welke omstandigheden dit patroon in echte populaties optreedt.
Toch is dit een boeiende uitkomst. Het laat zien dat zelfs in een verder goed begrepen, klassiek model van evolutie nog verrassingen schuilen. De snelheid waarmee compleet nieuwe eigenschappen ontstaan, blijkt niet altijd de simpele, rechttoe-rechtaan-regel te volgen die je zou verwachten.