Fundamentum

Het stond nog altijd op mijn to-do-list om het boek Genetic Entropy van J.C. Sanford te lezen. Sanford is een emeritus hoogleraar aan de Cornell universiteit, een zeer gerenommeerd instituut, die de genetica van planten tot zijn vakgebied had. Hij heeft veel onderzoek verricht. Oorspronkelijk was hij evolutionist, maar hij heeft die zienswijze verlaten en is creationist. Hij heeft, inmiddels al wel heel wat jaren geleden het boek Genetic Entropy geschreven omdat hij denkt dat de genen met de tijd niet door evolutie steeds verrijkt worden, maar daarentegen aan slijtage onderhevig zijn doordat zich mutaties ophopen. In het vorige deel heb ik een samenvatting van de eerste drie hoofdstukken gegeven. Nu volgen de hoofdstukken 4, 5 en 6.

Almachtige selectie (hoofdstuk 4)

Kan de almachtige selectie redding brengen? Nee, volgens Sanford zijn de mogelijkheden van selectie heel beperkt. En hierin heeft hij volkomen gelijk. Dit is praktische kennis van planten- en dierveredeling. Getoetst aan de praktijk. Je ziet dat ook bij selectie van dieren. Men kan niet selecteren op een groot aantal eigenschappen tegelijk. Dan blijven er geen dieren over om mee te fokken. Elke serieuze dierfokker weet dit, en plantenteler ook, maar bij planten kun je ontzettend streng selecteren doordat je heel veel nakomelingen kunt maken. De consensus is dat op dit moment de menselijke soort genetisch degenereert door opeenstapeling van mutaties en weinig selectie. Dit leidt tot afname van fitness per generatie die behoorlijk snel op kan lopen. Het basale probleem met selectie is, dat selectie niet dat ene kleine effect van die ene mutatie ziet. Er zijn zoveel andere factoren die overleving beïnvloeden, dat dit kleine effect gewoonweg weg valt. “In fact, mother Nature (natural selection) never sees the individual nucleotides. It only sees the whole organism.” Hier heeft Sanford een andere visie dan iemand als Richard Dawkins. Dawkins denkt dat selectie plaatsvindt op het niveau van het gen. Maar Dawkins’ ideeën hebben geen wetenschappelijke basis. Selectie ziet het complete organisme, het fenotype en niet het genotype. Sanford gebruikt hier het beeld van het sprookje van de prinses op de erwt. Selectie is als een prinses die op een enorme stapel bedden ligt en de ene erwt moet voelen, terwijl tussendoor ook nog allerlei ander voorwerpen aanwezig zijn. Een onmogelijke opdracht. Een nog mooier voorbeeld van Sanford is dat hij evolutie vergelijkt met een studieboek dat studenten moeten bestuderen en vervolgens een tentamen maken. Nu treden er in dat studieboek elke keer dat een student hem krijgt 100 extra typefouten op. Die typefouten treden random op. Dus die zullen per keer niet heel veel effect hebben. Heel af en toe treedt er een grote fout op, maar de meesten zullen niet veel impact hebben. Vervolgens worden de boeken geselecteerd voor de volgende studentengeneratie. Selectie vindt plaats door de boeken van de studenten met de beste resultaten voor de volgende generatie te gaan gebruiken. Evolutionisten zouden zeggen dat dit dan de beste boeken zouden zijn. Dat is echter nog maar de vraag. Welke studenten de beste resultaten hebben wordt veel meer verklaard door de kwaliteiten van die studenten dan door de plaats van de typefouten in de studieboeken. De nieuwe generatie studieboeken krijgt per boek elk vervolgens ook weer 100 extra typefouten enzovoort. Volgens de evolutietheorie zou dit leiden tot de beste studieboeken die er zijn. Maar zinvol redeneren geeft aan dat dit alleen maar kan leiden tot studieboeken die uiteindelijk verzanden in een compleet rommeltje.

Een ander probleem met selectie is, dat een organisme heel veel compensatiemechanismen heeft die er toe leiden dat ondanks een heel klein gebrek in het ene systeem een organisme daar geen hinder van ondervindt, omdat een ander systeem dit opvangt. Er is homeostase en zelfregulatie. Evolutionisten ontkomen aan dit probleem door het te negeren. Men neemt een gen als eenheid van selectie en negeert dat er een compleet wezen omheen zit. Zo creëert men voor zich een schijnwereld waarin het kan gebeuren dat door selectie informatie ontstaat. De modellen van ET-genetici zijn geen getrouwe weergave van de biologische werkelijkheid.

Een ander probleem is, dat nucleotiden nooit allemaal afzonderlijk worden overgeërfd. Overerving gebeurt van grote delen van het genoom tegelijk. Nadelige mutaties zijn veruit in de meerderheid. Dit betekent dat bij het optreden vaneen positieve mutatie, er altijd een overmaat aan negatieve mutaties in de nabijheid is. Dit betekent dat als die positieve mutatie overgeërfd wordt, altijd ook meer negatieve mutaties mee geërfd worden. Als er selectie plaat zou vinden op die positieve eigenschap, dan wordt ongewild ook een reeks negatieve eigenschappen mee geselecteerd. Dit verschijnsel is goed bekend in de fokkerij. Het is er de oorzaak van dat, ook al heb je een topdier, je toch met dat dier niet onbeperkt moet fokken, omdat je dan ook negatieve eigenschappen mee fokt de populatie in.

Sanford noemt drie specifieke selectieproblemen:

1) Selectie is kostbaar. Er moet in biologische zin wat voor opgeofferd worden. Een gedeelte van de zich voortplantende populatie moet worden verwijderd, maar dat zijn wel individuen waarin energie is geïnvesteerd. Haldane, een beroemd ET geneticus berekende dat van de menselijke populatie slechts 10% zou kunnen worden gebruikt voor selectie. Eerst moeten alle ander kosten voor het bestaan worden betaald, dan is er pas ruimte voor selectie. Daarnaast is fitness een eigenschap die een heel lage erfelijkheidsgraad heeft. Erfelijkheidsgraad is een erg bekende term bij fokkers. Het geeft aan in welke mate een eigenschap beïnvloed wordt door genetica. Melkgift heeft bijvoorbeeld een hoge erfelijkheidsgraad, wel 0.4. Daar kun je goed op selecteren. Maar fitness heeft dus een lage erfelijkheidsgraad. Daar kun je slecht op selecteren, want de variatie waar je op selecteert wordt veroorzaakt door andere factoren. Kimura zou een erfelijkheidsgraad voor fitness berekend hebben van 0.004, dus vrijwel 0.

2) Selectie kan verborgen mutaties niet waarnemen. Ze zijn onzichtbaar voor selectie. Selectie kan alleen plaatsvinden op het fenotype. Er zijn miljoenen mutaties aanwezig in het genoom. Allemaal in onderlinge interactie. Selectie kan die niet onderscheiden. Selectie kan geen onderscheid maken tussen good en bad guys.

3) Met betrekking tot mensen is er het probleem dat het niet ethisch is om van mensen met gering nadelige mutaties te vergen dat ze zich van voortplanten onthouden. Hitler heeft het gruwelijke experiment uitgeprobeerd. Het is een ramp. Kunstmatige selectie is beperkt in zijn mogelijkheden maar natuurlijke selectie is nog veel beperkter in zijn mogelijkheden. Natuurlijke selectie moet namelijk onder veel ongunstiger omstandigheden functioneren dan kunstmatige selectie.

Kunnen de problemen worden opgelost?

Stelt de vraag of de problemen voor genomische selectie kunnen worden opgelost. Het antwoord van Sanford is dat selectie het genoom niet kan redden. Mensen nemen vaak eenvoudigweg aan dat, als je kunt selecteren tegen een mutatie, je ook kunt selecteren tegen alle mutaties die optreden. Dat is echter een onzinnige extrapolatie. Als je één bal in de lucht kunt houden, kun je niet om die reden ook 300 ballen tegelijk in de lucht houden. Je moet echt kijken op het niveau van het hele genoom. Vooraanstaande genetici weten van het probleem maar het wordt regelmatig onder het tapijt geveegd omdat het onoverkomelijke problemen geeft voor de evolutietheorie. Het functionele genoom is naar nu blijkt vele malen complexer en groter dan men eerder ooit voorspelde. Dat zorgt er voor dat het percentage mutaties dat informatie kan toevoegen uiterst klein is. Zoals gezegd hebben we niet alleen 100 mutaties van onze ouders, maar ook die van onze grootouders, overgrootouders enzovoort.

1) Als we kijken naar de kosten van selectie. We hebben allemaal ettelijke mutaties van onze voorouders, maar anderen hebben weer heel andere mutaties van hun ouders gekregen. Samen hebben we enorme aantallen mutaties in onze genen. Wie is dan de mutant die weggeselecteerd zou moeten worden? We zijn allemaal mutanten. Toch kunnen we, om de menselijke bevolking in stand te houden, niet meer selecteren dan ongeveer 33% van de bevolking. Daarmee neemt toch per generatie het aantal mutaties steeds meer toe.

2) Hoewel selectie in staat is effectief de weinig frequent optredende erg schadelijke mutaties te elimineren, ziet selectie juist de heel veel voorkomende gering schadelijke mutaties niet. Die blijven zich dus ophopen. Toch zijn het die bijna-neutrale maar schadelijke mutaties die wel echt informatie beschadigen. Dit is heel anders bij bacteriën. Bacteriën kunnen zich zo snel vermeerderen dat ze veel grotere aantallen hebben voordat ze muteren. Daar kan selectie dus bijzonder goed zijn werk doen. EvE: Koonin gaat in zijn boek The logic of chance op dit terrein verder, waar hij aangeeft dat bacteriën DNA moeten uitwisselen omdat anders onherroepelijk hun DNA degradeert. Maar mensen zijn geen bacteriën en hebben hun eigen beperkingen. Er zijn dus enorme aantallen mutaties tegelijkertijd en natuurlijke selectie werkt ook op enorme aantallen mutaties tegelijkertijd. Per mutatie is er bijna geen effect, dat versterkt het effect dat de mutaties effectief bijna neutraal worden. Maar selectie heeft wel een stabiliserend effect. Anders zou het genoom nog veel sneller vervallen. Factoren die niet helpen zijn epistase en genetic drift.

3) Een derde probleem is selective interference. Dat betekent dat als je selecteert voor een bepaalde eigenschap je er een negatieve andere eigenschap gratis bij krijgt. Bij selectie op miljoenen mutaties, wordt deze factor duizelingwekkend groot.

4) Selective interference treedt ook op doordat bepaalde functies fysiologisch met elkaar verbonden zijn. Als er dan geselecteerd wordt op een goede eigenschap, dan komt de nadelige automatisch mee. Dat is niet te scheiden. Ook in het genoom zijn bij overerving gebieden met elkaar verbonden. Het humane genoom bestaat uit ongeveer 100.000 tot 200.000 bouwstenen. Omdat de weinige goede mutaties altijd gecombineerd zijn met een veelvoud aan nadelige mutaties is het duidelijk dat elk van de bouwstenen aan verval onderhevig is. “The extinction of the human genome appears to be just as certain and deterministic as the death of organisms, the extinction of stars, and the heat death of the universe”.

Genetische ruis (hoofdstuk 6)

Laten we eens wat beter kijken naar ruis. Als we bijvoorbeeld een radio ontvangen en er komen allerlei radiogolven doorheen, dan creëert dat ruis. Ruis leidt tot verlies van informatie. Een zwak signaal wordt al snel door ruis vernield, een sterk signaal wat minder snel. Een lage signaal-ruis-verhouding leidt altijd tot verlies aan informatie. Dan helpt het niet als we de radio harder zetten, want we versterken dan de ruis net zo erg als het signaal. Om geen informatieverlies te hebben moeten we dus een hoge signaal-ruis-verhouding hebben. Als we naar het genoom kijken, dan zien we een heel lage signaal-ruis-ratio als we willen selecteren voor een groot aantal mutaties tegelijkertijd. In de genetica wordt de signaal-ruis-verhouding weergegeven met de term erfelijkheidsgraad. De erfelijkheidsgraad geeft eenvoudigweg weer in welke mate variatie in een eigenschap wordt veroorzaakt door genetische en in welke mate door andere factoren. Voor IQ is de erfelijkheidsgraad best wel hoog, meer dan 50%. Maar voor fitness is deze heel laag, zo laag, dat deze bijna niet te meten is. Vroeger dacht men dat de lage erfelijkheidsgraad werd veroorzaakt doordat selectie in het verleden zo efficiënt was, dat er in de populatie geen genetische variatie aanwezig was. Maar die naïeve gedachte is niet meer geldig. We weten dat hogere dieren en de mens hoge mutatiegraden hebben. Gezonde natuurlijk populaties zijn veelal genetisch heel divers. Het is niet de afwezigheid van genetische variatie, maar het is de aanwezigheid van teveel ruis, die de lage erfelijkheidsgraad veroorzaakt. “Low heretability means that selecting away bad phenotypes does very little to actually eliminate bad genotypes.”

Ten eerste is er een grote invloed van toeval. Net, of je beukennootje op een goede plek valt of niet. Het is meer selectie van de gelukkigste dan selectie van de beste genotype. Daarnaast is gemiddeld zeker 50% van de fenotypische variatie sowieso het gevolg van de omgeving en niet van het genotype. Daarnaast is er ook interactie tussen genotype en de omgeving. In de ene omgeving is het ene genotype net in het voordeel en in de andere omgeving een ander genotype. Daarnaast is er ook niet-overerfelijke genetische variatie. Dat zijn epigenetische effecten, epistatische effecten, dominantie effecten en genetische effecten als gevolg van cyclische selectie. De enige genetische variatie die erfelijk is, is wat genoemd wordt additieve genetische variatie. En die is voor fitness zeer gering. Zo gering, dat slechts 1 persoon van de 1000 over zou blijven voor selectie, als je erop zou selecteren. Een eigenschap zoals fitness heeft een lage erfelijkheidgraad, maar een enkele nucleotide heeft een nog veel lagere erfelijkheidsgraad. Te laag om te meten. Een nucleotide drijft als het ware in een oceaan van ruis. Een belangrijke bron van ruis is, dat er in de natuur sprake is van waarschijnlijkheidsselectie en niet van truncatie selectie. Dit betekent dat bij natuurlijke selectie de organismen met betere eigenschappen een betere kans hebben zich voort te planten, maar dat hoeft niet. Bij kunstmatige truncatie-selectie kan selectie veel strenger zijn. Daar kun je er voor kiezen om echt alleen maar met de beste organismen door te gaan. Waarschijnlijkheidsselectie is erg fuzzy en inefficiënt. De wat beter zwemmende garnaal die midden in de school zit die in een enorme slok door een walvis naar binnen wordt geschept, heeft weinig aan z’n betere zwemvermogen gehad. Ook hier zien we weer, dat het meer overleving van de gelukkigste is dan overleving van de best aangepaste. Sanford schat in dat 50% van het reproductiefalen onafhankelijk is van het fenotype. Dus gewoon domme pech. EvE: en ik denk dat het in de natuur nog hoger is.

Er is een derde niveau van genetische ruis en dat is gametic sampling ofwel toevalsprocessen die optreden in kleine populaties. Dit wordt ook genetic drift genoemd. In kleine populaties kan dit selectie volledig overrulen. Dit is van belang in bedreigde soorten en kan leiden tot mutational meltdown (EvE: Ik heb gelezen dat gedacht wordt dat dit de oorzaak was van het uitsterven van de laatste mammoeten een paar duizend jaar geleden op Wrangel Island). Populatiegenetici nemen vaak juist deze vorm van ruis mee in de berekeningen van hun modellen. Ze kunnen in modellen met populatiegroottes spelen en zo periodes genereren van weinig individuen en dus weinig selectie en andere periodes met meer individuen en dus meer selectie. Andere oorzaken van ruis worden dan niet verdisconteerd. Die andere oorzaken van ruis worden ook veel minder tegengegaan bij een grote populatie. In feite zorgen grote populaties voor meer ruis. Ze leven tenslotte in een gevarieerdere omgeving.

Wat zijn de consequenties van al die ruis? Deze zorgt ervoor dat de no-selection box van Kimura erg groot wordt. Door het gebrekkige verband tussen genotype en fenotype en tussen fenotype en reproductiesucces. Selectie verknoeit de meeste energie aan ruis en niet aan het kiezen van het beste genotype.