SYLLABUS

FYLOGENIE

Te gebruiken naast:

Reece et al.: Campbell Biology (9th Edition), hoofdstukken 22, 23, 24 en 26

Reece et al.: Campbell Biology (10th Edition), hoofdstukken 21, 22, 23 en 24

Sector Onderzoek en Onderwijs, Naturalis Biodiversity Center en Instituut Biologie Leiden, Universiteit Leiden, 2015 http: //science.naturalis.nl/ Menno Schilthuizen (http://science.naturalis.nl/schilthuizen) menno.schilthuizen@naturalis.nl twitter: @schilthuizen

VOORAF In het onderdeel Fylogenie wordt in acht colleges het vakgebied systematische biologie doorgelicht.

Daarbij gaat het, heel kort gezegd, om de beschrijvende aspecten van de studie van biodiversiteit (de

biodiversiteitspatronen) en de evolutionaire processen die uit die patronen kunnen worden afgeleid.

De bijbehorende stof is te vinden in Campbell (9e druk) in hoofdstukken 22, 23, 24 en 26 en in

Campbell (10e druk) in hoofdstukken 21 t/m 24. In de colleges en ook in deze syllabus (die een

samenvatting van de colleges bevat) worden dezelfde concepten behandeld als in het boek (maar in

iets andere volgorde) en ligt de nadruk op aanvullende feiten en voorbeelden. Hier en daar worden

ook onvolkomenheden in het boek aangevuld of wordt de nadruk anders gelegd.

De tentamenstof bestaat uit de genoemde boekhoofdstukken, de syllabus, en de colleges zelf. De

syllabus en handouts van de colleges worden via Blackboard beschikbaar gesteld. Aan het eind van

de collegeserie verschijnen tevens enkele oefententamens op Blackboard. NB: Relevante termen (die

bij het tentamen bekend verondersteld worden) zijn in de tekst van de syllabus (althans, de eerste

keer dat ze genoemd worden) onderstreept. Alle handouts, de syllabus en de oefententamens zullen

te vinden zijn in de folder "Fylogenie" onder "Course Documents".

Deel 1: Diversiteit Door een Evolutionaire Bril (colleges 1 + 2) Biodiversiteit en de geschiedenis van de systematiek De term “biodiversiteit” bestaat nog niet zo lang. Hij werd vermoedelijk bedacht tijdens de voorbereidingen voor het National Forum on Biological Diversity in 1986. In ieder geval was Biodiversity de titel van een boek dat naar aanleiding van dit congres verscheen in 1988 onder redactie van de beroemde entomoloog en natuurbeschermer Edward O. Wilson. Het is eigenlijk vreemd dat de wereld zo lang zonder de term heeft kunnen doen, want biodiversiteit blijkt een handige (zij het vrij vage) term waarmee de veelvormigheid en vormenrijkdom van het leven kan worden samengevat. En die vormenrijkdom is al eeuwenlang de basis voor een van de oudste vakgebieden van de biologie, de systematiek. Systematiek of Systematische Biologie is, in zijn puurste vorm, het rangschikken van de levende natuur. Vaak wordt Linnaeus’ publicatie van Systema Naturae in 1758 gezien als het begin van de systematiek, maar eigenlijk gaan serieuze pogingen om orde te scheppen in de kennelijke chaos van levende wezens terug tot minstens Aristoteles’ tijd. Deze Griekse wijsgeer, die leefde van 384 tot 322 voor het begin van onze jaartelling, was een van de eersten die door nauwkeurige observatie van leefwijze, fysiologie, uiterlijk en anatomie van dieren probeerde een “natuurlijk systeem” op te stellen door dieren te groeperen naar similariteit in hun kenmerken. Zo deelde hij bijvoorbeeld de ongewervelde dieren in drie groepen in, die ruwweg overeenkomen met wat we vandaag de dag kennen als Insecta, Crustacea en Mollusca—eigenlijk beter dan Linnaeus (zie onder), die alle ongewervelden opdeelde in Insecta enerzijds en een restgroep, Vermes (“wormen”). Een leerling van Aristoteles, Theophrastos (371-287) maakte een gelijksoortige indeling voor het plantenrijk. Het duurde tot de Renaissance voor de oude Griekse wijsgeren werden geëvenaard door Noordeuropese systematici. Konrad Gessner (1516-1565), Otto Brunsfels (1488-1538) en Hiëronymus Bock (1498-1554) waren belangrijke natuurvorsers die indelingen van het dieren- en plantenrijk publiceerden, grotendeels op basis van hun eigen waarnemingen en met gebruikmaking van diverse kenmerken om soorten in groepen in te delen.

De volgende grote stap voorwaarts werd gezet door Carolus Linnaeus (1707-1778). Linnaeus was een Zweeds arts, botanicus en zoöloog die drie belangrijke jaren van zijn leven (1735 – 1738) in Nederland doorbracht. Eerst promoveerde hij in de geneeskunde (de combinatie geneeskunde-botanie was toen nog zeer gebruikelijk, vanwege het geneeskundig belang van vele planten) aan de toen nog bestaande Universiteit van Harderwijk. (De universiteit, opgeheven in 1811, stond bekend als instituut van bedenkelijk allooi, waar men goedkoop en snel kon promoveren, gedenke het versje: Harderwijk is een stad van negotie [handel] / Men verkoopt er bokking, blauwbessen en bullen van promotie.) Later dat jaar kwam hij in dienst als lijfarts en plantkundige van de VOC-regent George Clifford II, die een landgoed en grote botanische tuin bezat bij Heemstede. Die jaren legden de basis voor zijn grote standaardwerk Systema Naturae, waarvan de eerste editie in 1735 in Leiden werd gepubliceerd. In de twee decennia daarna bleef Linnaeus zijn levenswerk uitbreiden en in 1758 verscheen uiteindelijk de meest bekende, 10e druk, waarin 4.400 soorten dieren en 7.700 soorten planten werden benoemd, beschreven en geordend. Het bijzondere van Linnaeus’ werk is niet alleen dat het—voor die tijd—zo compleet was, maar vooral ook het volgende: (a) hiërarchische classificaties, gebaseerd op nauwkeurige observaties van (bij planten) kenmerken van de bloemen; (b) een binomiaal naamgevingssysteem dat we vandaag de dag nog steeds gebruiken (zie onder); (c) korte kernachtige “diagnoses” voor de soorten; (d) het gebruik van dichotome classificaties, waarbij iedere groep op basis van een of enkele kenmerken weer werd onderverdeeld in twee subgroepen, wat het construeren van determineersleutels mogelijk maakte. Classif iceren, Determineren, Nomenclatuur Boven hebben we het al summier gehad over soorten, classificaties en hiërarchische ordening. Het ordenen van informatie is natuurlijk niet iets wat voorbehouden is aan de systematische biologie. De bekende evolutiebioloog Ernst Mayr (1904-2005) definieerde het classificeren als: "het rangschikken van eenheden in een hiërarchische serie van klassen, waarbij gelijkvormige of verwante klassen op één bepaald hiërarchisch niveau worden gecombineerd tot samenvattende klassen op een hoger hiërarchisch niveau". Mensen hebben een natuurlijke neiging om hun omgeving op een dergelijke manier te categoriseren, en doen dat zeker bij de levende natuur. De kleinste eenheden waar het dan om gaat zijn soorten. Later komen we nog terug op de criteria om individuen te groeperen tot soorten, maar hier gaat het nu vooral om het groeperen van soorten in hogere klassen. Dergelijke groeperingen, met soort als laagste ordeningsniveau worden taxa genoemd (enkelvoud taxon), en de tak van de systematiek die zich bezighoudt met “puur” classificeren van taxa heet dan ook taxonomie (letterlijk: het benoemen van taxa). In de taxonomie worden (morfologische) kenmerken gebruikt om de mate van similariteit te bepalen tussen soorten en hen te rangschikken in een reeks hiërarchisch geordende hogere taxa. Zo hoort de tijger Panthera tigris samen met alle andere Panthera-soorten tot het genus Panthera. Dat genus wordt samen met andere kattengenera in de familie der katachtigen, Felidae geplaatst. En die familie zit samen met andere families van roofdieren in de orde der Carnivora. De Carnivora vormen samen met alle andere zoogdieren de klasse der Mammalia, en zo kunnen we doorgaan met rangschikken in almaar grotere groepen. Tegelijkertijd kunnen soorten zelf ook weer verder worden onderverdeeld in twee of meer ondersoorten: meestal genetisch verschillende vormen van een soort die in geografisch gescheiden gebieden leven.

In principe is het aantal mogelijke hiërarchische niveaus bijna eindeloos, maar de volgende reeks, van hoog naar laag taxonomisch niveau, geeft de meest gebruikte categorieën: domein > rijk > fylum (meervoud: fyla) > klasse > orde > familie > genus (meervoud: genera) > soort. Vaak worden deze populaire taxonomische niveaus dan weer verder onderverdeeld met de termen “sub-“ of “super-“; dus: een familie kan worden onderverdeeld in twee of meer subfamilies, en met andere families worden samengevoegd in een superfamilie. De gelatiniseerde naamgeving (nomenclatuur) binnen de lagere taxa (soorten en genera) is gebonden aan bepaalde strikte regels en binnen de hogere taxa aan bepaalde algemeen gerespecteerde conventies, die enigszins verschillen tussen dieren (de zoölogische nomenclatuur) en planten (de botanische nomenclatuur) en overige taxa (de bacteriële en virusnomenclatuur). Zo is bij de zoölogische nomenclatuur de conventie dat families eindigen op de suffix –idae (bv. Felidae, de katachtigen), bij planten op –aceae (bv. Asteraceae, de composieten). De naamgeving van soorten bestaat, in navolging van Linnaeus, uit een Griekse of Latijnse genusnaam, gevolgd door het specifiek epitheton. Bij Panthera tigris is Panthera de genusnaam (altijd met een hoofdletter) en tigris het specifiek epitheton, dat altijd met een kleine letter wordt gespeld. Samen vormen ze de wetenschappelijke soortnaam (gewoonlijk cursief of onderstreept weergegeven), die internationaal geldt. De naam kan gevolgd worden door auteursnaam en jaartal van de oorspronkelijke beschrijving, bijvoorbeeld Homo erectus (Dubois, 1892). Auteur en jaartal worden alleen tussen haakjes geplaatst als de soort oorspronkelijk in een ander genus werd beschreven (in het voorbeeld was dat Pithecanthropus erectus Dubois, 1892). Naast wetenschappelijke bestaan er natuurlijk ook “gewone” namen, maar die zijn in principe niet gestandaardiseerd en worden daarom in de wetenschappelijke literatuur vermeden; sterker nog: de wetenschappelijke nomenclatuur is ontwikkeld omdat er geen eenheid bestond in gewone namen. Dat wil echter niet zeggen dat er ook bij het gebruik van wetenschappelijke namen geen spraakverwarring kan optreden: sommige soorten zijn per ongeluk meerdere malen door verschillende wetenschappers ontdekt en benoemd en dragen daardoor dus meerdere wetenschappelijke namen. Die verschillende namen voor dezelfde soort worden synoniemen genoemd en alleen de oudste naam (het senior synoniem) is geldig. Of twee namen synoniemen zijn kan echter alleen met zekerheid worden vastgesteld door vergelijking van de type-exemplaren. Voor iedere soort dient één universeel referentie-exemplaar aangewezen te worden (het holotype) dat geldt als internationale standaard voor die soort. Als dus blijkt dat het holotype van de in 2005 beschreven soort “A” tot dezelfde soort behoort als het holotype van de in 2009 beschreven soort “B”, dan is naam “A” (het senior synoniem) de geldige en naam “B” (het junior synoniem) niet. Het omgekeerde, twee verschillende soorten met dezelfde naam, kan ook voorkomen. Dat noemen we homoniemen en de oplossing is dat het junior homoniem moet worden vervangen door een andere naam. Het bestaan van zeer grote aantallen homoniemen tussen planten en dieren is overigens een van de redenen waarom pogingen om de zoölogische en de botanische nomenclatuur te fuseren tot één universele biologische nomenclatuur, tot nu toe altijd zijn doodgelopen. Bij het determineren van een soort volgen we in feite de bestaande classificatie kenmerk voor kenmerk om uiteindelijk bij de juiste soortnaam uit te komen. De soortidentiteit van een onbekend exemplaar kan worden bepaald door stap voor stap het exemplaar op basis van de morfologische kenmerken te plaatsen in almaar lagere taxonomische niveaus en almaar kleinere groepen om uiteindelijk uit te komen bij de soortnaam. Hiervoor worden gewoonlijk determineersleutels gebruikt: dichotome vragenlijsten aan de hand waarvan de soortidentiteit bepaald kan worden. Overigens hoeft een determineersleutel niet per se de standaardclassificatie te volgen: het kan soms handig zijn om een erg algemene soort met een erg kenmerkend uiterlijk al direct aan het begin van de tabel “uit te sleutelen”.

De laatste decennia beginnen ook “automatische” manieren om exemplaren te determineren beschikbaar te komen, waarbij alle kenmerken in één keer vergeleken worden met behulp van beeldanalyse, of waarbij de soort bepaald wordt aan de hand van een kenmerkende DNA-sequentie. Dat laatste wordt DNA-barcoding genoemd. Bij veel diergroepen bijvoorbeeld, is een ca. 650 baseparen lang stukje van het mitochondriaal DNA soortspecifiek gebleken en kan dus gebruikt worden om moeilijk herkenbare soorten op naam te brengen. Ook de meeste eencelligen worden tegenwoordig routinematig langs deze weg gedetermineerd. Evolutie als classif icatieprincipe Hoewel we in het bovenstaande de geschiedenis van de taxonomie hebben gepresenteerd als een geleidelijk proces van steeds verdere verfijning, is er een fundamenteel verschil tussen de taxonomie die bijvoorbeeld Konrad Gessner bedreef en de taxonomie van vandaag de dag. Dat verschil ligt in het huidige besef van evolutie. Pas toen het besef doordrong dat soorten niet onveranderlijk zijn en via een vertakkende evolutionaire geschiedenis allemaal met elkaar verbonden zijn, werd het rangschikken volgens evolutionaire principes mogelijk. Morfologische similariteit werd vervangen door verwantschap: het hebben van een gezamenlijke evolutionaire voorouder. Waar de oudere taxonomen alle katachtigen bij elkaar plaatsten omdat ze op elkaar lijken en kenmerken delen, doen hedendaagse taxonomen dit omdat ze kunnen aantonen dat het zeer waarschijnlijk is dat alle Felidae afstammen van één gemeenschappelijke voorouder. Later in deze collegeserie leggen we uit welke methoden ontwikkeld zijn om zulk bewijs te leveren. Maar eerst nemen we het ontstaan van evolutionair besef onder de loep. Hoewel we de evolutietheorie vooral associëren met Charles Darwin, waren er vóór Darwin al eerdere wetenschappers die beseften dat de natuur niet onveranderlijk is en dat bijbelse en andere scheppingsverhalen niet letterlijk genomen moesten worden. In de tweede helft van de 18e eeuw en de eerste helft van de 19e eeuw begonnen meer en meer wetenschappers voorzichtig het bestaan van evolutie te suggereren. Daaronder Charles Darwins grootvader, de dichter en arts-filosoof-wetenschapper Erasmus Darwin (1731-1802), die het regelmatig in zijn natuurhistorische publicaties (en in zijn gedichten!) had over gemeenschappelijke voorouders van soorten en over verandering door competitie. Ook de Franse bioloog Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) wordt geroemd als vroeg-evolutionist. Daarnaast was de rol van geologen en paleontologen ook belangrijk: Charles Lyell (1797-1875) was een van de proponenten van het uniformitarianisme, de school van geologen die zegt dat gedurende de gehele geologische geschiedenis dezelfde krachten en processen als vandaag de dag actief zijn geweest: dit suggereerde dat voor de vorming van de dikke pakketten sedimenten vele miljoenen jaren nodig geweest moesten zijn; en dus zouden zeer geleidelijke veranderingen in levende organismen (waarvan de fossielen in die sedimenten te vinden zijn) over een dergelijk lange periode wellicht ook hebben kunnen plaatsvinden. Ook Georges Cuvier (1769-1832), hoewel hij een tegenstander was van de evolutionaire ideeën van o.a. Lamarck, heeft bijgedragen aan het ontstaan van evolutietheorieën omdat hij het bewijs geleverd heeft voor geologische catastrofes die gepaard gingen met uitstervingsgolven, gevolgd door het ontstaan van nieuwe flora’s en fauna’s. Bovendien was zijn nauwkeurige anatomische werk van groot belang bij het goed herkennen van de homologieën die een belangrijk onderdeel vormden van Darwins evolutietheorie (zie onder).

Maar ondanks zulke eerdere evolutionisten was het Charles Darwin (1809-1882) die als eerste een samenhangende evolutietheorie poneerde, met een zeer gedetailleerde bewijsvoering en (en dat was het belangrijkste) een uitgewerkt model voor het mechanisme van evolutionaire verandering (namelijk selectie). Gelijktijdig met Darwin had de jongere Britse natuurvorser Alfred Russel Wallace (1823-1913) tijdens zijn expedities naar Zuid-Amerika en Zuidoost-Azië vergelijkbare ideeën ontwikkeld. In 1855, vanuit zijn tijdelijk onderkomen in Sarawak op het eiland Borneo, schreef Wallace een kort artikel getiteld On the Law Which Has Regulated the Introduction of New Species. In dit artikel (later bekend geworden als de “Sarawak Law”) toont Wallace aan dat soorten gewoonlijk vlak in de buurt van erop lijkende soorten leven en dat in fossielenreeksen opeenvolgende sedimenten eveneens vaak op elkaar gelijkende soorten lieten zien. Hoewel hij het mechanisme toen nog niet had bedacht toonde Wallace met het artikel aan dat evolutie wel bijna moest bestaan; alleen hoe het werkte wist hij nog niet. Maar Darwin, met wie Wallace correspondeerde en die zijn evolutietheorie al eerder had uitgewerkt (maar aarzelde haar te publiceren), herkende in Wallace toen nog geen zielsverwant. Echter, toen Wallace drie jaar later vanuit de Molukken Darwin het manuscript stuurde van een volgend artikel, getiteld On the Tendency of Varieties to Depart Indefinitely From the Original Type, waarin hij exact hetzelfde mechanisme van natuurlijke selectie presenteerde dat Darwin had bedacht, was het Darwin duidelijk dat zij gemeenschappelijke ontdekkers van evolutie door natuurlijke selectie waren en hun gezamenlijke theorie werd in 1858 bekendgemaakt. Darwin werkte vervolgens de theorie in zeer veel detail uit in On the Origin of Species en kreeg daarom (niet geheel ten onrechte) de meeste bekendheid, terwijl Wallace de rest van zijn leven wijdde aan een reeks van interesses, waaronder evolutie maar ook eilandbiogeografie, antivaccinationisme, socialisme, spiritisme en natuurbescherming. De voornaamste conclusies die Darwin trok in On the Origin of Species waren:

• Er bestaat genetische variatie in heel veel kenmerken (hoewel het precieze mechanisme van erfelijkheid Darwin nog onbekend was)

• Er worden veel meer nakomelingen geproduceerd dan overleven (dit baseerde hij op het werk van de demograaf Malthus)

• Er bestaat dus natuurlijke selectie, analoog aan de kunstmatige selectie die door de mens (fokkers, plantenveredelaars) wordt uitgeoefend.

• Deze natuurlijke selectie zorgt voor voortdurende aanpassing aan de omgeving. • Over lange tijdspannen leidt natuurlijke selectie tot dramatische verandering in het uiterlijk

binnen een soort maar ook het splitsen van soorten (soortvorming of speciatie of, zoals Darwin het noemde, “divergence of character”)

• Dit alles leidt tot een boomvormige verwantschapsstructuur (fylogenie) van alle levende (en uitgestorven) soorten op aarde (het enige plaatje in The Origin toont zo’n fylogenie)

Een speciaal geval van natuurlijke selectie (meestal beschouwd als een apart proces—ook door Darwin) is seksuele selectie, waarbij de “omgeving” bestaat uit individuen van de andere sekse. “Overleving” is in dit geval dus het doorgeven, via reproductief succes, van genen naar de volgende generatie. Seksuele selectie werkt dus doordat erfelijke seksuele kenmerken het voortplantingssucces beïnvloeden en die varianten die tot meer nakomelingen leiden (denk aan de spreekwoordelijke pauwenstaart; langstaartige mannetjes kunnen meer vrouwtjes verleiden tot paring) zijn in de volgende generatie oververtegenwoordigd. In de rest van deze syllabus zullen we spreken over “selectie” wanneer daarmee zowel natuurlijke als seksuele selectie bedoeld kan worden. Darwin en Wallace verschilden trouwens van mening over seksuele selectie. Wallace meende dat het kleurverschil bij veel vogels juist het gevolg was van natuurlijke selectie op camouflagekleuren bij de wijfjes, niet van seksuele selectie van de mannetjes.

Darwin zelf droeg al een hele reeks voorbeelden aan die evolutie door selectie ondersteunen. Hier volgen er nog enkele. Voorbeelden 1: Directe observatie van evolutionaire verandering Darwin dacht nog dat selectie een te traag proces was om in de natuur te kunnen observeren. Inmiddels weten we dat bij organismen die een relatief korte generatieduur hebben (en waarbij de effecten van selectie dus snel accumuleren) evolutionaire verandering binnen een paar mensenlevens geobserveerd kan worden. Een klassiek voorbeeld is industrieel melanisme bij de berkenspanner Biston betularia. In een gen dat verantwoordelijk is voor de vleugelkleur bij deze nachtvlinder komt een bepaald allel voor, carbonaria genoemd, dat in homozygote toestand zorgt voor donkergrijze i.p.v. geelbruine vleugelbeschubbing. Vermoedelijk omdat het carbonaria-allel van voordeel was bij camouflage op beroete bomen, nam de frequentie van dit normaliter zeer zeldzame allel tussen 1850 en 1880 spectaculair toe in de geïndustrialiseerde delen van West-Europa. Rond 1900 was het allel gefixeerd en waren er vrijwel geen licht gekleurde vlinders meer te vinden. Toen in de jaren ‘50 in diverse Europese landen regels tegen luchtvervuiling werden ingevoerd, werd het allel weer snel zeldzamer en vandaag de dag zien berkenspanners er weer net zo uit als twee eeuwen geleden. Het berkenspannervoorbeeld betreft natuurlijk een heel simpel soort evolutie (één gen), wat ook maakt dat het proces omkeerbaar is. Iets veel dramatischer is wat er gebeurde met de maisboorder Ostrinia. Deze nachtvlinder kent in Europa twee nauw verwante soorten: O. nubilalis en O. scapulalis. O. scapulalis is de stamsoort en leeft op de in Europa inheemse voedselplant bijvoet. O. nubilalis, daarentegen, leeft op maïs en is uit O. scapulalis geëvolueerd in de 500 jaren sinds maïs (oorspronkelijk inheems in Zuid-Amerika) in de Europese landbouw is ingevoerd. De soorten zien er vrijwel hetzelfde uit, maar er zijn verschilletjes in DNA-merkers, ze hebben verschillende levenscycli, verschillende vrouwelijke feromonen (daardoor vindt er ook onderling geen kruising plaats), en een verschillende fysiologie, waardoor elk alleen op zijn eigen waardplant kan overleven. Bovendien vertoont de larve van de maïsboorder een erfelijk bepaald gedrag waarbij de larven zich in het ruststadium (“diapause”) uitsluitend in het onderste deel van de stengel ophouden, en zo in de maaitijd geen risico lopen in de maaimachine te verdwijnen. De Europese maïsboorder is dus een van de vele voorbeelden van een diersoort die recentelijk is ontstaan door natuurlijke selectie die door de mens in gang is gezet. Voorbeelden 2: Fossielenreeksen Reeksen fossielen kunnen grotere veranderingen in de evolutie zichtbaar maken. Helaas is de fossil record vaak fragmentarisch: er zijn slechts momentopnamen te zien waardoor de precieze veranderingen, van generatie op generatie, niet goed te volgen zijn en de opeenvolgende “punten” alleen maar met een bepaalde onzekerheid aan elkaar verbonden kunnen worden tot een evolutionaire lijn of afstammingsvolgorde. Maar soms leveren fossielen wel dergelijke nauwkeurige gegevens op. Een voorbeeld is een opmerkelijk nauwkeurige reeks fossiele stekelbaarsjes van het Midden-Mioceen (16 – 11,5 miljoen jaar geleden) uit Noord-Amerika, waar de onderzoekers de evolutionaire geschiedenis laag voor laag konden afpellen (ze hadden een reeks afzettingslagen tot hun beschikking die zich over ongeveer 110.000 jaar uitstrekte en waaruit ze iedere 1000 jaar (en soms iedere 250 jaar) een monster stekelbaarsfossielen namen. De reeksen fossielen lieten geleidelijke veranderingen zien in o.a. de bewapening van de bekkengordel, een kenmerk waarvan bekend is dat het genetisch bepaald is en dat het evolueert onder natuurlijke selectie door predatoren.

Voorbeelden 3: Homologe structuren bij verwante organismen Evolutie is afstamming met verandering. Een bepaald kenmerk van een vooroudersoort (en dat kan gaan om een compleet orgaan of een korte reeks posities in een stukje DNA) zal dus worden geërfd door de nakomelingen van deze voorouder en in al dan niet veranderde toestand terecht komen in alle soorten die uit deze voorouder evolueren, ook vaak bij soorten die dit kenmerk helemaal niet meer nodig hebben. Bij deze soorten zal het betreffende kenmerk dan ook (als het tenminste niet helemaal verdwenen is) in gereduceerde toestand of in een aangepaste toestand aanwezig zijn. Een goed voorbeeld is het oog van de blinde grottenvis Astyanax mexicanus. In de embryonale ontwikkeling vormt zich bij deze vis (die verwant is aan vissen die in het licht leven en wel ogen hebben) een oogprimordium, dat echter later in de ontwikkeling weer verdwijnt. Ook heeft het nog een gen voor het voornaamste eiwit in de ooglens, alfa-crystalline. Dat gen kán een werkzaam oogeiwit produceren, maar het wordt in de ontwikkeling van het oog niet “aangezet”. De grottenvis heeft dus nog homologe structuren gemeen met zijn (ziende) voorouder, maar zowel op moleculair als op morfologisch niveau zijn deze onbruikbaar geworden. Deze situatie kan alleen maar met evolutionaire afstamming verklaard worden. Voorbeelden 4: Convergenties Stel dat op twee verschillende plekken van de wereld een “niche” bestaat voor een insect dat in grotten leeft en zich daar voedt met detritus. Omdat de omgeving in een grot sterk selecteert (het is er donker, vochtig, er is weinig voedsel), zullen twee grotteninsecten die afstammen van verschillende voorouders, oppervlakkig sterk op elkaar gelijken: de grottenkever Leptodirus hochenwarti uit de Balkan en de grottenkrekel Euhadenoecus fragilis uit Noord-Amerika hebben allebei een opgeblazen achterlijf (met daarin een extra lang darmstelsel om het weinig beschikbare voedsel zo efficiënt mogelijk te verteren), geen of kleine ogen (want er is geen licht) en zeer lange antennes en poten (om toch op afstand te kunnen “zien”). Hoewel ze niet aan elkaar verwant zijn (krekels en kevers behoren tot verschillende ordes binnen de insecten) zien ze er dus, omdat ze onder invloed van dezelfde natuurlijke selectie hebben gestaan, op het eerste gezicht hetzelfde uit. Dit heet convergente evolutie. Parallelle evolutie lijkt hierop, maar verschilt doordat het bij parallellismen gaat om onafhankelijke evolutionaire gebeurtenissen die exact hetzelfde resultaat hebben. Zo was Biston betularia niet de enige nachtvlindersoort waarbij industrieel melanisme is vastgesteld. In dezelfde periode werd vergelijkbare evolutie van lichtvleugelige naar donkervleugelige vormen gevonden bij enkele tientallen soorten nachtvlinders in Europa en Noord-Amerika. Aangezien het hier gaat om hetzelfde kenmerk bij verwante soorten spreken we in dit geval liever van parallelle dan van convergente evolutie (maar het onderscheid tussen beide is gradueel).

Boomdenken

Nu we hebben gezien dat evolutie leidt tot een boomvormig patroon van afstamming tussen soorten, kunnen we de biologische systematiek verrijken met een proces dat het patroon verklaart en met een patroon dat tegelijkertijd iets zegt over de eraan ten grondslag liggende processen. Met andere woorden: de classificaties die Linnaeus en de andere pre-Darwiniaanse systematici opstelden, waren gebaseerd op similariteit. Soms was dit een similariteit die het gevolg was van evolutionaire verwantschap. Linnaeus plaatste bijvoorbeeld terecht de genera Homo, Simia (waarin hij alle apen plaatste) en Lemur in de orde Primates. Maar soms ook was de similariteit het gevolg van convergentie. Hij plaatste bijvoorbeeld ook de kakkerlakken (Blatta) binnen de orde Coleoptera (kevers), misleid door de verharding van de voorvleugels van kakkerlakken die echter niet homoloog is met die bij kevers. Post-Darwiniaanse systematici hebben zich altijd ten doel gesteld om in hun classificaties de gang van de evolutie te weerspiegelen en natuurlijke groepen te creëren in een natuurlijk systeem. Dat wil zeggen: iedere taxonomische categorie bevat soorten die aan elkaar nauwer verwant moeten zijn (dus: een recentere gemeenschappelijke voorouder moeten hebben) dan aan andere categorieën. Later zien we welke methoden systematici hierbij gebruiken. Op dit moment is het vooral van belang om in te zien dat het daarbij essentieel is om homologe structuren/kenmerken goed te herkennen en similariteit op basis van verwantschap te onderscheiden van similariteit op basis van convergentie, en alleen de eerstgenoemde te gebruiken voor classificaties. De wetenschappelijke winst van deze aanpak is dat de evolutionaire geschiedenis is af te leiden uit de classificatie en dat de classificatie is weer te geven als een boom die tegelijkertijd expliciet bedoeld is als fylogenetische hypothese: een diagram waarin een voorstel wordt gedaan voor de werkelijke afstammingsgeschiedenis van soorten. Biogeografie Zoals we hebben gezien, zijn de verspreidingspatronen van dier- en plantensoorten over de aarde een van de redenen waarom Wallace en Darwin concludeerden dat schepping geen goede verklaring kon zijn voor de diversiteit aan soorten. Immers, waarom anders zouden op elkaar gelijkende soorten bij elkaar in de buurt voorkomen en waarom zouden de verschillende gebieden op aarde unieke fauna’s en flora’s hebben met soorten die elders worden vervangen door andere? Inderdaad zijn biogeografische patronen het resultaat van complexe processen waarin evolutie, toename en afname van verspreidingsgebieden, uitsterven en geologische processen zoals tektoniek en glaciatie een rol spelen. Immers, als alle nieuw geëvolueerde soorten zich ogenblikkelijk over de gehele aardbol zouden verspreiden, zouden er geen biogeografische patronen bestaan. Het feit dat ze wel bestaan komt doordat het verspreiden van een soort tijd kost en zijn beperkingen kent. Dat kunnen beperkingen van geologische/geografische aard zijn: barrières die hen in hun verspreiding hinderen, maar ook van biologische aard: de ecologische tolerantie van een soort is altijd smaller dan de hele reeks aan ecologische parameters die de aarde te bieden heeft en dat beperkt het gebied waar zij in kan leven. Deze processen leveren opvallende biogeografische verschijnselen op, zoals herkenbare faunagebieden. De Oriëntaalse (Zuidoost-Aziatische) fauna en de Australische fauna bijvoorbeeld, zijn gekenmerkt door heel verschillende diergroepen. In het Australische gebied vinden we o.a. buideldieren, paradijsvogels en kaketoes, die we in het Oriëntaalse gebied niet vinden. Daar vinden we weer wel apen, spechten en katachtigen, die weer ontbreken in het Australische gebied. En de grens tussen deze twee faunagebieden is heel scherp: de zogenoemde Lijn van Wallace loopt zuidelijk van de Filippijnen, tussen Borneo en Sulawesi en daarna tussen Bali en Lombok. Deze scherpe grens is het gevolg van het botsen van twee continentale schollen (de Sahul-schol in het oosten en de Sunda-schol in het westen).

Endemisme is een ander belangrijk biogeografisch verschijnsel: het voorkomen van soorten (of hogere taxa, zoals genera of families) in relatief kleine gebieden. De zoetwaterslakkenfamilie Baikaliidae is bijvoorbeeld endemisch voor het Baikalmeer, en de brughagedis of Tuatara is endemisch voor een groepje kleine eilandjes voor de kust van Nieuw-Zeeland. Toch hebben beide voorbeelden van endemisme tegengestelde oorzaken: de Baikaliidae zijn “nieuwe” endemen, die ter plekke zijn geëvolueerd en zich nadien niet verder verspreid hebben. De Tuatara is een “oude” endeem, die vroeger wijder verspreid is geweest en na krimp van zijn areaal alleen nog op die eilandjes kan overleven. Deel 2: Systematiek en populatiegenetica (colleges 3 + 4) In dit deel bespreken we een aantal belangrijke populatiegenetische processen. We zullen met name aandacht besteden aan het ophelderen van evolutionaire processen op basis van patronen uit de systematiek, en andersom: het systeem (de classificatie en taxonomie) zo goed mogelijk laten aansluiten op de evolutionaire processen die voor de diversiteit verantwoordelijk zijn. Allereerst is het belangrijk om te bekijken wat de eenheid van evolutie is; met andere woorden: wat evolueert? Afhankelijk van wie je het vraagt, zul je verschillende antwoorden krijgen. Sommigen zeggen dat het gen de eenheid van evolutie is, anderen zeggen dat het het individu is. Weer anderen houden vol dat de populatie evolueert of zelfs de soort. In zekere zin hebben allen gelijk, maar dat is pas goed in te zien als we alle facetten van het evolutionaire proces doorzien. Evolutie begint op gen-niveau: voor evolutie is genetische variatie nodig, dat wil zeggen, er moeten in een populatie verschillende versies (allelen) van een of meer genen bestaan: een populatie die bestaat uit genetisch volledig identieke individuen (klonen) kan niet evolueren. Die allelfrequenties kunnen vervolgens van de ene generatie op de andere veranderen, hetzij door selectie, hetzij door toeval. Het is overigens belangrijk om te beseffen dat, hoewel genen niet overerven als losse eenheden maar als aan elkaar gekoppelde chromosomen, we ze toch kunnen opvatten als onafhankelijk van elkaar. Dit komt doordat er normaal gesproken zoveel recombinatie plaatsvindt dat op populatieniveau twee genen op hetzelfde chromosoom nooit lang gekoppeld blijven, tenzij ze echt heel dicht bij elkaar liggen. Wanneer zo’n verandering van allelfrequentie in een populatie plaatsvindt spreken we van evolutie (in dit geval micro-evolutie). De accumulatie van zulke micro-evolutionaire veranderingen over vele generaties en voor vele verschillende genen wordt aangeduid met de term macro-evolutie. Macro-evolutie betreft grootschalige veranderingen in populaties en (omdat populaties binnen een soort met elkaar in verbinding staan) ook in de soort als geheel. De eenheid die daadwerkelijk evolueert is dus de populatie. Het individu evolueert niet, want het blijft van geboorte tot sterven genetisch ongewijzigd. Maar de mate waarin het zijn genen doorgeeft naar de volgende generatie verschilt tussen individuen—waarmee dus ook de genetische samenstelling van de populatie van generatie op generatie verschuift. Ook het ontstaan van een nieuwe mutatie in een gen is het beste op populatieniveau te beschouwen: de frequentie van het nieuwe allel in de populatie stijgt van 0 tot iets meer dan 0. De soort, tenslotte, is niet meer dan de optelsom van alle afzonderlijke populaties, en de mate waarin evolutie binnen populaties de soort als geheel zal beïnvloeden hangt af van de mate van genetische uitwisseling tussen afzonderlijke conspecifieke populaties (populaties van dezelfde soort).

Het uitgangsmateriaal: mutaties Voor evolutie is genetische variatie nodig, d.w.z. meer dan één versie van een gen. Deze variatie ontstaat door mutaties in het DNA van cellen die zich tot geslachtscellen (gameten) ontwikkelen. Mutaties kunnen ontstaan door een bijna eindeloze reeks oorzaken en ze kunnen aangrijpen op een reeks van moleculaire schalen. Zo kunnen door kopieerfouten of chemische schade substituties plaatsvinden, waarbij een enkele nucleotide wordt vervangen door een andere. Ook kan een enkele nucleotide worden verwijderd (deletie) of toegevoegd (insertie) aan een DNA-sequentie. Gezamenlijk worden inserties en deleties ook vaak “indels” genoemd. Indels kunnen ook langer zijn dan 1 positie. Langere indels ontstaan vaak door unequal crossing-over, waarbij tijdens de meiose recombinatie plaatsvindt tussen niet-homologe posities van chromosomen. Ook kunnen langere indels (delen van) transposons betreffen, lange sequenties die zichzelf actief in het genoom kunnen laten opnemen en vaak ook weer uitsnijden. Tot slot kunnen door imperfect kopiëren (fragmenten) van chromosomen worden verdubbeld of verwijderd. Dit laatste wordt vaak aangeduid met de term macromutaties. Naast de genoemde bestaan er nog vele andere typen van mutaties. Mutaties zullen vaak neutraal zijn, d.w.z. niet tot expressie komen of geen effect hebben op de fitness (zie onder) van een organisme. Mutaties die niet neutraal zijn kunnen het uitgangsmateriaal vormen voor adaptieve evolutie door selectie. Het is goed om te beseffen dat “neutraliteit” afhankelijk is van de omstandigheden. Veel mutaties zullen onder bepaalde omstandigheden neutraal zijn en pas worden geselecteerd als de omstandigheden veranderen. Dit is er waarschijnlijk de oorzaak van dat er veel “standing genetic variation” in een populatie aanwezig is waarmee een populatie direct kan reageren op veranderende selectiedruk. Veel genetische variatie is vrijwel onzichtbaar omdat het fysiologische, anatomische, gedrags- of ecologische eigenschappen beïnvloedt die aan de buitenzijde van een organisme niet kunnen worden afgelezen, of alleen maar onder bepaalde omstandigheden of in een bepaald levensstadium tot expressie komen. Toch is er opvallend veel genetische variatie zichtbaar in natuurlijke populaties. Systematici zijn bij uitstek degenen die deze variatie in kaart brengen, omdat het voor hen van belang is om intraspecifieke variatie te onderscheiden van interspecifieke variatie en ook om variatie tussen populaties te interpreteren: gaat het om verschillende (onder)soorten of niet? Darwin was zich hier zeer van bewust. Tijdens het ontwikkelen van zijn theorie besefte hij dat hij weinig ervaring had met het herkennen van variatie en het onderscheiden van “varianten”, “rassen” en “echte soorten”. Daarom besteedde hij enkele jaren aan een taxonomische studie van zeepokken om zich in de taxonomie te bekwamen. Wanneer genetische variatie mendeliaans overerft, zullen de frequenties van de allelen in een panmictische populatie in principe voldoen aan het Hardy-Weinberg-Evenwicht (HWE). D.w.z., van generatie op generatie zullen de frequenties van de allelen en de bijbehorende genotypen niet veranderen. Wanneer een populatie zich niet in HWE bevindt, is er sprake van verandering van allelfrequenties en dus van evolutie. Dit kan verschillende oorzaken hebben, waaronder de volgende drie.

Evolutie door genetic drift Een populatie zal alleen maar exact in HWE zijn wanneer ze oneindig groot is. In de werkelijkheid zijn populaties echter eindig en dus zullen er altijd kleine afwijkingen optreden van HWE (genetic drift). Hoe kleiner de populatie, hoe sterker deze afwijkingen zullen zijn. In extreem kleine populaties kunnen deze toevallige schommelingen in allelfrequenties drastisch worden en een belangrijk evolutionair proces zijn, vooral wanneer door toeval zeldzame allelen (soms zelfs enigszins nadelige allelen!) gefixeerd raken. De effecten van drift vallen daarom vooral op wanneer een populatie door wat voor oorzaak dan ook enige tijd heel klein is. Bijvoorbeeld aan het begin, wanneer een populatie “gesticht” wordt door een klein aantal kolonisten afkomstig uit een andere populatie: wanneer de allelfrequenties in deze “founders” door toeval afwijken van die in de populatie waaruit ze afkomstig zijn en er bovendien in de eerste generatie van de nog kleine nieuwe populatie drift optreedt, kan het founder effect heel sterk zijn. Ook kan een grote populatie door natuurlijke rampen, ziekte, of extreem sterke predatie enige tijd heel klein zijn. Tijdens zo´n bottleneck kan drift optreden en als de populatie daarna weer uitgroeit kunnen door deze drift-episode de allelfrequenties drastisch gewijzigd zijn. (Uiteraard zal er bij zulke extreme omstandigheden tegelijkertijd eveneens selectie optreden.) Evolutie door gene-flow Een tweede proces waardoor afwijkingen van HWE kunnen plaatsvinden is gene-flow. Populaties in de natuur zijn namelijk zelden strikt geïsoleerd van andere populaties. Meestal worden er regelmatig migranten uitgewisseld met naburige populaties. Als de allelfrequenties in naburige populaties significant verschillen, zullen door gene-flow allelen worden afgevoerd en ook binnengebracht, waardoor allelfrequenties kunnen veranderen.

Evolutie door selectie Beide genoemde processen (genetic drift en gene-flow) betreffen wel evolutie maar geen adaptieve evolutie. Bij evolutie door selectie is wel sprake van adaptatie en het is dit proces dat meestal primair bedoeld wordt wanneer men spreekt over evolutie. Selectie bestaat wanneer de kans dat een allel wordt doorgegeven aan de volgende generatie niet voor alle allelen hetzelfde is. Wanneer een bepaald allel aan zijn drager bijvoorbeeld een hogere voortplantingskans geeft (een hogere relatieve fitness) dan andere allelen in de populatie, dan zal dit allel onevenredig sterk vertegenwoordigd zijn in de volgende generatie en dus van generatie op generatie toenemen. Selectie kan verschillende effecten hebben op de verdeling van de fenotypen die bij de diverse allelen horen. Stel dat er een reeks van allelen bestaat die allemaal effect hebben op lichaamsgrootte. Als een groot formaat lichaam een hogere fitness oplevert dan een klein formaat, zal directionele selectie ervoor zorgen dat allelen die zorgen voor een groot lichaam geselecteerd worden ten koste van klein-lichaam-allelen en het gemiddelde fenotype in de populatie zal langzaam verschuiven in de richting van grotere lichamen. Als een middelmatige lichaamsgrootte de hoogste fitness geeft zal stabiliserende selectie ervoor zorgen dat extreem grote en extreem kleine lichaamsgrootte worden weggeselecteerd en het modale fenotype steeds dichter bij de optimale lichaamsgrootte komt te liggen. Disruptieve selectie, tenslotte, ontstaat wanneer er twee optima zijn: bijvoorbeeld wanneer erg kleine lichaamsgrootte een hoge fitness oplevert maar erg grote lichaamsgrootte ook. In dat geval zal de populatie evolueren naar een bimodale fenotypeverdeling met twee pieken rond beide optima. Dit proces is van belang bij het proces van ecologische soortvorming dat we later gaan bespreken.

Frequentie-afhankelijke selectie is selectie met een positieve of negatieve terugkoppeling, namelijk wanneer de fitness van een fenotype afhankelijk is van hoe algemeen het in de populatie voorkomt. Dit lijkt nogal mysterieus maar een voorbeeld kan verduidelijken wanneer dit optreedt: Veel predatoren passen hun gedrag aan het meest voorkomende fenotype aan. Stel dat er een slakkensoort is met genetische variatie voor de kleur van het huisje, waardoor er in de populatie gele en rode huisjes voorkomen. Als gele slakken in een gebied erg algemeen zijn en rode erg zeldzaam, zal een slakkenetende zanglijster een “zoekbeeld” vormen voor gele slakken, waardoor het rode fenotype, dankzij zijn lage dichtheid, door de predator niet wordt opgemerkt en daardoor een hoge fitness heeft. Er vindt dan dus frequentie-afhankelijke selectie plaats op de kleur van het huisje. Zoals boven al opgemerkt is seksuele selectie een speciaal geval van natuurlijke selectie, omdat de “omgeving” bestaat uit de soort zelf: seksuele selectie is gebaseerd op toegang van het ene geslacht tot het andere voor seksuele voortplanting. Het kan hierbij gaan om actieve concurrentie tussen leden van hetzelfde geslacht, bv. competitie tussen mannetjes, of om selectieve keuze van het ene geslacht door het andere (bv. vrouwtjes die tussen de beschikbare mannetjes kiezen welk mannetje sperma “mag” leveren om haar eitjes mee te bevruchten). Zulke partnerkeuze kan opvallend zijn (bv. bij dieren waar paring plaatsvindt in een lek (een “arena” waar mannetjes baltsen met vrouwtjes en vervolgens gepaard wordt), maar er bestaat ook cryptische partnerkeuze waarbij de keuze na de paring plaatsvindt, bv. doordat het vrouwtje selectief sperma uitstoot of doordat sperma van verschillende mannetjes verschillend wordt opgeslagen. Bij soorten waar mannetjes sterk investeren in de zorg voor de nakomelingen (bv. bij stekelbaarsjes, zeepaardjes en franjepoten) vindt trouwens ook sterke keuze van vrouwtjes door mannetjes plaats. Welke evolutionaire oorzaak ten grondslag ligt aan de keuze van een partner op basis van variatie in een bepaald kenmerk is niet altijd duidelijk. In sommige gevallen is er bewijs dat een bepaald kenmerk correleert met gezondheid of “goede genen”. In andere gevallen lijkt de voorkeur puur willekeurig en slechts het gevolg van overgevoeligheid van de zintuigen (“sensory bias”) voor een bepaald deel van het beschikbare signaalspectrum (naar de evolutiebioloog R.A. Fisher “Fisheriaanse seksuele selectie” genoemd). Fisheriaanse selectie lijkt onwaarschijnlijk, maar als de mannelijke nakomelingen van een vrouwtje het signaal erven en de vrouwelijke dezelfde voorkeur erven, dan blijft ook zo’n systeem van “zinloze” selectie in stand. Het behoud van genetische variatie Onderzoek toont aan dat er in populaties zeer veel genetische variatie aanwezig is. Zelfs in laboratoriumpopulaties van drosophila1, die al honderden generaties onder gelijkblijvende omstandigheden worden gekweekt en waarvan dus (vanwege stabiliserende selectie en bottleneck-effecten) verwacht kan worden dat de meeste genetische variatie verdwenen is, blijkt nog substantiële genetische variatie aanwezig en kunnen de populaties snel evolutionair reageren op veranderende selectie. Boven is al aangegeven dat een deel van zulke “standing genetic variation” het gevolg is van het feit dat veel variatie neutraal is en pas fitness-effecten zal vertonen bij veranderende omstandigheden. Daarnaast zijn er nog andere effecten die zorgen voor het behoud van genetische variatie, namelijk:

• mutaties

1 Tijdens de colleges wordt uitgelegd dat Drosophila niet langer als wetenschappelijke naam kan worden gehanteerd. Daarom schrijf ik hem hier met een kleine letter en niet cursief.

• frequentie-afhankelijke selectie (zie boven) leidt meestal ook tot polymorfismen. In het voorbeeld boven zullen zowel gele als rode slakken blijven bestaan, omdat zodra de rode slakken (als gevolg van het zoekbeeld voor gele slakken) algemener worden dan 50%, het zoekbeeld van de vogels zal verschuiven naar rode slakken en de gele in het voordeel geraken

• heterozygotenvoordeel; als heterozygoten een hogere fitness hebben dan beide homozygoten, zullen beide allelen in de populatie blijven (voorbeeld: sikkelcel-anemie)

Deel 3: Splitsingen in de stamboom: wat zijn soorten en hoe ontstaan ze? (colleges 5 + 6) In dit deel gaan we dieper in op wat er precies gebeurt op iedere splitsing van takken in de evolutionaire stamboom (de fylogenie). Op zulke plekken vindt een evolutionair proces plaats waarbij een enkele gene-pool zich permanent splitst in twee onafhankelijke gene-pools. Die “gene-pools” noemen we meestal soorten en het splitsingsproces soortvorming of speciatie. Goed begrip van dit proces is belangrijk om de verbinding te kunnen leggen tussen populatie-genetica (micro-evolutie) en fylogenetica (macro-evolutie), omdat iedere groep van organismen is terug te voeren op één voorouder en dus ook op één soortvormingsgebeurtenis, waarbij de evolutie van die groep in gang werd gezet. Het concept van soortvorming is onlosmakelijk verbonden met het soortsconcept. Als we niet weten wat soorten zijn, kunnen we ook niet achterhalen hoe ze ontstaan. En ondanks het feit dat biologen (en niet-biologen) het voortdurend hebben over dier- en plantensoorten, is er al eeuwen lang onenigheid over de juiste manier om soorten te definiëren. Om te beginnen is het belangrijk om een onderscheid te maken tussen genetische variatie (binnen populaties of tussen populaties van dezelfde soort) en “echte” soorten. Over het algemeen is dit een kwestie van schaal: hoe meer gefixeerde genetische verschillen er aan te wijzen zijn tussen groepen individuen, hoe meer we geneigd zullen zijn om ze in te delen in verschillende soorten. Om hierbij een goede afweging te maken, is het van belang om de verschillen goed te inventariseren en behalve opvallende morfologische kenmerken ook eigenschappen uit de ecologie, het gedrag, en de fysiologie mee te nemen, en zelfs ook “neutrale” genetische verschillen. Maar zelfs dan kunnen taxonomen wier taak het is om specimens in te delen in verschillende soorten vaak voor grote problemen komen te staan. Aan de ene kant zijn de verschillen tussen soorten soms heel subtiel en moeilijk te ontdekken. Aan de andere kant bestaan er soms dramatische verschillen die bij nader inzien slechts door één factor veroorzaakt worden. Bovendien zijn er vaak grote verschillen tussen verschillende levensstadia van hetzelfde individu en ook tussen mannetjes en vrouwtjes, wat het bepalen van soortsverschillen verder bemoeilijkt. Sommige biologen hebben daarom benadrukt dat het leidend principe bij het herkennen van soorten niet het in kaart brengen van de genetische verschillen moet zijn, maar het in kaart brengen van de populatiegenetische grenzen van die verschillen. Met andere woorden: als twee populaties genen met elkaar uitwisselen (dus als er gene-flow bestaat) horen ze tot dezelfde soort, ongeacht hoe groot de genetische variabiliteit is, en als er geen gene-flow bestaat en ook niet kán bestaan (als de twee populaties reproductief geïsoleerd zijn), spreken we van twee verschillende soorten, zelfs als die twee soorten genetisch erg op elkaar lijken. Dit zogenoemde biologisch soortsconcept (BSC) is vooral bekend geworden dankzij de Duits-Amerikaanse evolutiebioloog en ornitholoog Ernst Mayr, die het in 1942 lanceerde (hoewel het ook in Darwins tijd al een veel gehoorde opvatting was).

In de praktijk komen beide aanpakken meestal goed overeen: reproductief geïsoleerde populaties hebben sinds het ontstaan van die barrière meestal een flinke hoeveelheid genetische verschillen geaccumuleerd (naast de verschillen die de barrière veroorzaakt hebben), en populaties die genetisch weinig van elkaar verschillen zijn meestal ook niet reproductief van elkaar geïsoleerd. Met andere woorden: mate van genetisch verschil en mate van reproductieve isolatie zijn positief met elkaar gecorreleerd, hoewel er een duidelijk verschil is of je kijkt naar soorten die in hetzelfde gebied leven (sympatrische soorten) of die in verschillende gebieden leven (allopatrische soorten). Bij allopatrie neemt reproductieve isolatie geleidelijk toe met toenemend genetisch verschil; bij sympatrie hebben soorten met weinig genetisch verschil vaak al volledige reproductieve isolatie—een patroon dat lijkt aan te geven dat reproductieve isolatie vooral evolueert als er risico’s kleven aan het kruisen met “de verkeerde” soort (zoals bijvoorbeeld fitnessverlies vanwege een verminderde levensvatbaarheid of steriliteit van hybriden). Problemen met het BSC ontstaan echter in het schemergebied van populaties die middenin een speciatieproces zitten. In zulke dynamische evolutionaire situaties is het vaak onmogelijk om vast te stellen of er al sprake is van twee verschillende soorten of nog niet, vaak ook omdat het evolueren van genetische verschillen en van reproductieve isolatie hand-in-hand gaan en het trekken van een grens een zeer arbitraire aangelegenheid wordt. Het is dan ook vanwege zulke twijfelachtige situaties (die wetenschappelijk zeer relevant zijn voor een goed begrip van het evolutionaire proces) dat het BSC niet door iedereen wordt omarmd en men liever teruggrijpt naar soortsconcepten, zoals het genotypisch-clusterconcept, die de mate van genetische verschillen als soortscriterium hanteren. De reproductieve isolatie die zo’n belangrijke rol speelt in het BSC valt onder te verdelen in een groot aantal typen barrières. De belangrijkste tweedeling betreft het tijdstip waarop de barrière zich doet gelden: hetzij vóór de bevruchting (prezygotische isolatie) hetzij na de bevruchting (postzygotische isolatie). Soortvorming Er zijn vele manieren om een indeling te maken voor de verschillende wijzen waarop soorten zich kunnen splitsen. Een veel gehoorde, maar verouderde, tweedeling is in allopatrische versus sympatrische speciatie. Hierbij vindt in het eerstgenoemde proces evolutionaire divergentie plaats in twee populaties die geografisch gescheiden zijn en in het laatstgenoemde in populaties die in hetzelfde gebied voorkomen. Waar het hierbij om gaat is dat bij allopatrische speciatie er een externe factor is die de populatie in tweeën deelt en gene-flow stopzet. Daarna produceren evolutionaire processen (drift, selectie) zoveel genetisch verschil in beide populaties dat op een bepaald moment reproductieve isolatie ontstaat. Bij sympatrische speciatie blijft gene-flow echter in eerste instantie bestaan, en zorgt disruptieve selectie in de populatie ervoor dat gene-flow vermindert en reproductieve isolatie ontstaat. De geografische indeling is echter niet sluitend: wanneer een paar luizen overstappen op een ander soort gastheer in hetzelfde gebied en daardoor geïsoleerd raken van hun oorspronkelijke populatie en evolueren tot een nieuwe soort, is dit dan sympatrische of allopatrische soortvorming? Waar het om gaat is het al dan niet stopzetten van gene-flow. Daarom is men in begin jaren 1990, o.a. dankzij werk van Bill Rice, de termen allopatrische en sympatrische soortvorming gaan vervangen door “speciatie zonder gene-flow” en “speciatie met gene-flow”.

De rol van “toeval” Lange tijd, vooral in het midden van de twintigste eeuw, is soortvorming gezien als een “toevallig” proces, waarbij populaties worden gescheiden door een geografische barrière en daarna zeer geleidelijk, door accumulatie van mutaties en genetic drift, genetisch steeds meer van elkaar gaan verschillen, met uiteindelijk reproductieve isolatie als gevolg. In theorie is dit een proces dat zeker moet plaatsvinden. Het is echter een zeer traag proces en afhankelijk van zeer langdurige isolatie, en van regelmatige perioden waarin de populaties zeer klein zijn en drift dus een relatief belangrijke rol kan spelen. Het is dus niet zeker dat het in werkelijkheid ook vaak voorkomt. Het meest realistische model gebaseerd op “toeval” is zogenoemde peripatrische speciatie (ook wel micro-allopatrische speciatie genoemd) met founder-flush. Hierbij zou een kleine (dus: founder-effect) geografisch gescheiden populatie ontstaan aan de rand van het verspreidingsgebied van de “moeder-populatie” en vervolgens enkele keren door “flush-crash” cycli gaan, dat wil zeggen dat de populatie klein begint, snel groeit om vervolgens weer in te storten; en dat enkele malen achter elkaar. Door deze herhaaldelijke episoden waarin drift een rol speelt, zal de populatie snel evolueren doordat er telkens weer nieuwe allelen gefixeerd raken in de populatie. Wanneer dit door toeval ook genen betreft die een rol spelen bij de voortplanting (niet onwaarschijnlijk, want een groot deel van het genoom is op de een of andere manier betrokken bij voortplanting), zal op den duur reproductieve isolatie het gevolg kunnen zijn. Het vele voorkomen van kleine populaties van dochter-(onder)soorten aan de rand van het areaal van een “oudersoort” (“peripheral isolates”) is vaak aangevoerd als bewijs voor het bestaan van zulke peripatrische speciatie, met name door Ernst Mayr (zie boven). Echter, genetisch onderzoek laat vaak zien dat de genetische variatie binnen zulke populaties erg groot is, wat niet strookt met het idee van vele bottlenecks en fixatie van allelen door drift. Bovendien zijn er in de jaren 1990 laboratorium-experimenten met drosophila uitgevoerd waarin getracht is (een deel van) dit soortvormingsproces in het lab te reproduceren, en die hebben nooit enige reproductieve isolatie opgeleverd. Men gaat er daarom momenteel van uit dat peripatrische speciatie slechts zeer zelden voorkomt en dat soortvorming in peripheral isolates net als de meeste andere speciatieprocessen (zie onder) vooral berust op selectie, en niet op toevalsprocessen zoals drift. Speciatie zonder gene-flow Wanneer twee populaties onder verschillende selectiedrukken staan en bovendien geen migranten met elkaar uitwisselen, zal selectie vrij spel hebben (omdat de effecten ervan niet weer teniet worden gedaan door vermenging van de twee populaties) en zelfs zwakke selectie zal in staat zijn om de genetische verschillen te genereren die uiteindelijk tot reproductieve isolatie leiden. Er zijn verschillende manieren waarop een barrière tegen gene-flow kan ontstaan:

• vicariantie--het opgedeeld raken van hetzelfde geografische gebied: door het ontstaan van een gebergte, het zich verleggen van een rivier, het uitbreiden van een gletsjer of een andere geologische gebeurtenis kan een populatie worden opgedeeld in twee of meer onafhankelijke populaties

• dispersie naar een ander geografisch gebied: een of meerdere individuen kunnen door een incidentele migratiegebeurtenis (bv. door een storm of een overstroming) een afgelegen habitat koloniseren en daar een nieuwe populatie stichten

• gastheershift: in feite een ecologische equivalent van het vorige proces: een parasiet wiens levenscyclus strikt aan een bepaald soort gastheer of waardplant gebonden is, kan geïsoleerd raken wanneer een of enkele individuen een andere gastheersoort koloniseren

• polyploïdie: dit is een heel ander proces, waarbij de isolerende gebeurtenis genetisch plaatsvindt: wanneer “per ongeluk” een gameet geen reductiedeling ondergaat (en dus 2N blijft), kan het niet langer fuseren met een gereduceerde (1N) gameet, maar slechts met een andere ongereduceerde (2N) gameet, waarna een tetraploïde (4N) nakomeling ontstaat. Door zelfbevruchting of door paring met andere tetraploïde individuen kan daardoor een tetraploïde populatie ontstaan die 2N gameten produceert en dus niet langer gene-flow ondergaat met de oorspronkelijke diploïde populatie

• “selfish genetic elements”: sommige “reproductieve parasieten”, zoals de bacterie Wolbachia, die in de cellen van veel insecten leeft, kunnen als “ziektebeeld” reproductieve isolatie veroorzaken: eicellen die geïnfecteerd zijn met de ene Wolbachia-stam kunnen niet bevrucht worden door sperma dat afkomstig is van een mannetje besmet met een andere Wolbachia-stam. Gene-flow kan zo dus stoppen wanneer verschillende delen van de populatie worden geïnfecteerd met verschillende Wolbachia-stammen

• Chiraliteit: sommige organismen, zoals slakken, zijn sterk asymmetrisch gebouwd, maar meestal bestaat er binnen een soort slechts één van de twee mogelijke spiegelbeeldvormen. Wanneer door een genetische mutatie enkele spiegelbeeldige individuen ontstaan, kunnen deze vanwege de ligging van de geslachtsorganen niet met de oorspronkelijke slakken paren, maar uitsluitend met elkaar—zo ontstaat dus een nieuwe populatie zonder gene-flow met de oorspronkelijke.

Let wel: alle boven genoemde processen zorgen alleen voor het stoppen van gene-flow. Divergentie in het genoom van beide dochterpopulaties moet daarna nog plaatsvinden, en dit kan alleen gebeuren als selectie in beide populaties tot verschillende resultaten leidt. In sommige gevallen zal dit zeker zo zijn, bijvoorbeeld wanneer een dispersiegebeurtenis een nieuwe populatie laat ontstaan in een heel ander gebied met een ander klimaat en een ander ecosysteem; in Campbell (9e druk; Fig. 24.10) staat een goed voorbeeld van een laboratoriumexperiment waarin dit wordt nagebootst). Maar in andere gevallen (zoals bij chiraliteit) blijven de twee gescheiden populaties in hetzelfde gebied leven en blootstaan aan dezelfde selectiedrukken en zijn de mogelijkheden voor adaptieve divergentie beperkter. Speciatie met gene-flow Lange tijd is gedacht dat speciatie met gene-flow onmogelijk was: het paradigma tijdens de neodarwinistische revolutie in het midden van de twintigste eeuw was immers (zie boven) dat speciatie een “toevallig proces” was en plaatsvond door drift en hooguit zwakke selectie in geografisch gescheiden populaties. Gene-flow tussen de populaties zou daarom speciatie voorkomen, zo werd gedacht. Pas tegen het eind van de twintigste eeuw werd duidelijk dat soortvorming vaak plaatsvindt dankzij zeer sterke selectie, die ook werkt wanneer de divergerende populaties in eerste instantie nog genen met elkaar uitwisselen, mits de selectie maar sterk genoeg is om deze gene-flow te compenseren. Toen dat besef eenmaal was doorgedrongen, vond ook een herwaardering plaats van Darwins kijk op soortvorming. Lange tijd was namelijk gezegd dat Darwins On the Origin of Species, ondanks de titel, helemaal niet gaat over soortvorming (het ontstaan van nieuwe soorten door splitsing), maar over aanpassing binnen soorten. Dit misverstand kwam doordat Darwins soortvormingsmodel expliciet een model van speciatie met gene-flow betrof. Hij noemde het “divergence of character” en een groot deel van Hoofdstuk 4 van zijn boek gaat erover. Het proces dat hij beschrijft is in feite soortvorming op basis van disruptieve selectie in een populatie (zie deel 2, boven) en komt sterk overeen met wat we vandaag de dag ecologische speciatie noemen (zie onder).

Ecologische speciatie is een proces waarbij binnen één populatie disruptieve selectie (meestal op een groot aantal genen tegelijkertijd) zorgt voor het verminderen van gene-flow tussen twee groepen van individuen, wat uiteindelijk leidt tot permanente splitsing van de populatie in twee dochtersoorten. De selectie betreft meestal aanpassing aan twee verschillende ecologische niches binnen het habitat, met zeer verschillende en onverenigbare “eisen” aan de genetische eigenschappen. Vele gevallen zijn inmiddels bekend, met name in de volgende categorieën: Oligofage insecten. Plantenetende insecten zijn vaak aangepast aan één of enkele waardplantsoorten (dat wordt resp. monofaag of oligofaag genoemd). Een groot aantal gevallen zijn inmiddels bekend waarbij een nieuwe waardplant binnendringt in het areaal van een monofage insectensoort, waarna een deel van de insectenpopulatie zich begint aan te passen aan de nieuwe waardplant, en tegelijkertijd de gene-flow tussen beide insectenpopulaties vermindert tot (bijna) nul. Zoetwatervissen. Binnen een meer of een rivier bevinden zich vaak ecologische zones die sterk verschillen in bijvoorbeeld aanwezigheid van predatoren, beschikbare voedseltypen, watertemperatuur, waterdruk, bodemgesteldheid en licht. Tegelijkertijd zorgt de waterstroming vaak voor relatief hoge gene-flow tussen populaties in verschillende zones. Er zijn vele gevallen bekend van vissen die, na immigratie in een meer of rivier, zich desondanks splitsen in twee of meer beginnende soorten, elk aangepast aan de eisen van de verschillende ecologische zones. Parapatrische speciatie. Deze term wordt wel gebruikt voor soortvorming waarbij de twee niches geografisch naast elkaar voorkomen, in plaats van door elkaar. Men denke aan organismen die aan weerzijden van een sterke ecologische overgang leven, bijvoorbeeld een plantensoort op bodem met zware metalen naast een niet-toxische bodem, een vogelsoort op de overgang van regenbos naar savanne, of een bodeminsect op de grens tussen het habitat van een grot en de buitenwereld. Populaties die zich over beide niches uitstrekken zullen zich in beide gebieden aanpassen aan de ecologische omstandigheden terwijl er gene-flow tussen beide populaties plaatsvindt op de ecologische overgang. Hoewel parapatrische speciatie zeker thuishoort in de categorie speciatie-met-gene-flow is de gene-flow in dit proces beperkt tot het gebied waar de ecologische overgang plaatsvindt. Een speciale categorie van speciatie met gene-flow is reinforcement. Dit is eigenlijk een proces dat begint als speciatie zonder gene-flow en eindigt als speciatie met gene-flow. Men moet zich voorstellen dat beginnende speciatie plaatsvindt in een allopatrische toestand. Het hierbij geaccumuleerde genetisch verschil heeft tot gevolg dat hybriden tussen beide populaties een lagere fitness zullen hebben, maar complete reproductieve isolatie is nog niet geëvolueerd. Wanneer nu deze twee populaties weer met elkaar in contact komen (doordat de barrière tegen gene-flow wegvalt) zal sterke selectie optreden tegen het paren met de andere (beginnende) soort (vanwege het fitnessverlies). Daardoor evolueren reproductieve isolatiemechanismen (RIMs) en zal gene-flow tot nul gereduceerd worden. De rol van seksuele selectie De selectie die een rol speelt bij divergentie, zowel in de situatie zonder als de situatie met gene-flow, betreft meestal natuurlijke selectie—aanpassing aan verschillende niches of habitats. Echter, de rol van seksuele selectie moet niet worden onderschat, zeker omdat seksuele selectie direct invloed zal hebben op reproductieve isolatie. Seksuele selectie kan op tenminste twee manieren een rol spelen bij soortvorming:

Interactie met natuurlijke selectie. Het proces van seksuele selectie kan sterk beïnvloed worden door omgevingsfactoren. Zo kunnen de signalen die mannetjes en vrouwtjes gebruiken om elkaar te selecteren beter werken in het ene habitat dan in het andere (zie het voorbeeld aan cichlide vissen in Campbell, 9e druk Fig. 24.12, waarbij de kleuren van mannetjes alleen goed zichtbaar zijn voor vrouwtjes in helder water). Als twee populaties zich aanpassen aan verschillende niches of habitats, kan dit alleen al daarom dus leiden tot divergentie in seksuele signalen en daardoor ook tot reproductieve isolatie. Bovendien zal het type seksuele selectiedruk kunnen verschillen. Wanneer in het ene habitat het voedselaanbod lager is, zal de populatiedichtheid lager zijn, wat weer zal leiden tot minder ontmoetingen tussen mannetjes en vrouwtjes en daarmee wellicht weer tot lagere kieskeurigheid. Een andere mogelijkheid is dat seksuele signalen worden “misbruikt” door predatoren om hun prooi te vinden. In een gebied waar predatiedruk sterk is, zullen seksuele signalen geselecteerd worden op verminderde zichtbaarheid voor de predator. “Toevallige” seksuele selectie. In gevallen waarbij er geen interactie bestaat tussen seksuele en omgevingsselectie is seksuele selectie, zeker van het “fisheriaanse” type (zie Deel 2) in staat om geografisch gescheiden populaties die onder dezelfde externe selectiedruk staan, te doen divergeren in seksuele signalen en kan zo dus reproductieve isolatie veroorzaken. Het idee is dat iedere nieuwe mutatie voor een bepaald seksueel signaal een “sensory bias” (zie Deel 2) kan treffen en daardoor geselecteerd wordt ten koste van eerdere signalen. Als dit proces enige tijd parallel in twee populaties zonder gene-flow plaatsvindt, zullen de signaal-voorkeursystemen in beide populaties uit elkaar gaan groeien met als uiteindelijk gevolg dat vrouwtjes uit de ene populaties mannetjes uit de andere niet langer als potentiële partner herkennen en er dus reproductieve isolatie is ontstaan. Snelheid van speciatie Lange tijd is gedacht dat evolutionaire processen zeer traag verliepen. Darwin zelf schreef: “We see nothing of these slow changes in progress, until the hand of time has marked the long lapse of ages”. Inmiddels is duidelijk dat evolutie, zelfs speciatie, snel kan plaatsvinden. Veel van de boven genoemde voorbeelden van soortvorming-met-gene-flow bij plantenetende insecten (incl. het al eerder genoemde voorbeeld van de maïsboorder Ostrinia) betreffen aanpassing aan een door de mens ingevoerde nieuwe waardplant en beslaan hooguit enkele eeuwen (bij insecten gaat dat wel vaak om honderden generaties). Ook zijn er voorbeelden van evolutionaire radiaties (meerdere soortvormingsgebeurtenissen in één gebied uitgaande van één vooroudersoort) bij zoetwatervissen in meren die slechts enkele duizenden jaren oud zijn. Zulke snelle soortvorming verklaart de observatie uit de paleontologie dat nieuwe soorten meestal zeer abrupt verschijnen (punctuated equilibria), zonder het langdurig bestaan van tussenvormen. De genetica van soortvorming Een bijzonder interessant veld van onderzoek betreft de genen die betrokken zijn bij soortvorming. Er is echter veel verwarring over de term “speciation genes”. Dit kan namelijk betrekking hebben op drie verschillende categorieën van genen:

1. Genen die een rol hebben gespeeld bij de allereerste stappen in het soortvormingsproces. Dit zijn de “echte” soortvormingsgenen. Bij het voorbeeld van de appelvlieg (Campbell 9e druk, blz. 542-543) zijn dit bijvoorbeeld de genen die actief zijn in de receptoren in de antenne en zorgen voor een verschillende respons op appel- dan wel meidoorngeur.

2. Genen die verantwoordelijk zijn voor de reproductieve isolatie tussen twee soorten. Deze categorie is breder en omvat ook genen die zijn gaan divergeren toen de soortvorming al goed op gang was gekomen

3. Genen die adaptief zijn gedivergeerd tussen twee zustersoorten. Dit is een nóg bredere categorie en omvat tevens de genen die zijn gedivergeerd nadat soortvorming al compleet was.

Het is meestal zeer moeilijk, zeker nadat soortvorming al compleet is, om te bepalen tot welke categorie genen behoren die tussen twee soorten verschillen. Zeker is wel dat soortvorming-met-gene-flow een zelfversterkend proces is, waarbij steeds grotere delen van het genoom een rol spelen: zodra gene-flow verminderd is door sterke disruptieve selectie op enkele genen, kunnen andere genen waar minder sterke selectie op staat gaan divergeren, met als gevolg dat de gene-flow nog verder vermindert. Dit heeft tot gevolg dat weer andere genen kunnen gaan divergeren, etc. Hybridisatiezones Hybridisatiezones (hybrid zones) zijn gebieden waar genetisch verschillende populaties elkaar ontmoeten, kruisen en gemengde “hybriden” produceren. Let op dat de term “hybride” in dit verband zeer ruim is: niet per se het kruisingsproduct van twee verschillende soorten, maar van twee populaties waartussen het genetisch verschil klein (dezelfde soort) of groot (verschillende soorten) kan zijn. Ook gaat het niet uitsluitend om F1-hybriden (waarvan de ene ouder een “puur” individu van de ene populatie, de andere ouder een “puur” individu van de andere populatie is), maar om alle individuen wier genoom deels uit genetisch materiaal van de ene populatie, deels uit genetisch materiaal van de andere populatie bestaat. Dit kan dus ook de producten betreffen van vele generaties van over en weer kruisen. Hybridisatiezones zijn meestal secundair, dat wil zeggen: speciatie zonder gene-flow produceert het genetische verschil, waarna door een externe gebeurtenis beide populaties weer met elkaar in contact komen, de reproductieve isolatie nog niet volledig is, en de beginnende soorten weer genen met elkaar gaan uitwisselen. In sommige gevallen, zoals bij parapatrische speciatie (zie boven), zijn hybridisatiezones primair: ze vormen een genetisch intermediair gebied dat al bestaat sinds het moment dat beide populaties aan weerszijden begonnen te divergeren. Hybridisatiezones zijn interessant om verschillende redenen: Ze zijn “natuurlijke laboratoria” voor de genetica van soortvorming. Als een hybridisatiezone stabiel is, worden de patronen erin (de afstand waarover het ene kenmerk vervangen wordt door het andere kenmerk, en de mate waarin de gradiënten in verschillende kenmerken parallel lopen) bepaald door (1) de afstand en mate van migratie en (2) de sterkte van de selectie voor en tegen kenmerken. Met andere woorden: door de patronen in hybridisatiezones te bestuderen kunnen we iets zeggen over de speciatiegenen én de selectie die verantwoordelijk zijn voor het speciatieproces dat beide populaties heeft doen ontstaan. Ze zijn plekken waar incomplete speciatie compleet kan worden. Dit is het geval als er reinforcement (zie boven) optreedt. Ze kunnen gebruikt worden om voorspellingen te doen over soortvorming. Het lot van een hybridisatiezone kan drie vormen aannemen: (1) de zone kan verdwijnen doordat beide populaties geheel fuseren; (2) de zone kan verdwijnen doordat reproductieve isolatie compleet wordt; (3) de zone kan stabiel blijven. In Campbell worden voorbeelden gegeven van elk van deze drie mogelijkheden.

Deel 4: The Tree of Life (colleges 7 + 8) In dit deel komen we terug bij waar we in Deel 1 mee zijn begonnen: het ordenen van de diversiteit van de levende natuur volgens evolutionaire principes, oftewel evolutionaire systematiek. In Deel 1 hebben we kort de geschiedenis van de systematiek beschreven en de rol van evolutie daarin. Deel 2 was een inleiding in de evolutionaire processen die belangrijk zijn bij het genereren van de takken van de Tree of Life. En Deel 3 behandelde het proces van soorten en hoe deze ontstaan en zo de splitsingsmomenten in de Tree of Life. In dit Deel 4, tenslotte, keren we terug naar de evolutionaire systematiek, wat niets anders is dan het reconstrueren van fylogenieën (fylogenetische bomen). Hoe doe je dat en wat kun je vervolgens leren uit zo’n reconstructie? De fylogenetische boom De fylogenie van een taxon wordt weergegeven met een boomvormig diagram. Dit diagram wordt meestal “fylogenie” genoemd of “fylogenetische boom”, of vaak zelfs gewoon “boom”. Andere termen die je zult tegenkomen zijn “cladogram” en “fylogram” en hoewel er subtiele nuances zijn (zie onder), vertegenwoordigen al deze bomen een fylogenetische boom. Het is echter goed te beseffen dat het bijna altijd een hypothese is, een weergave van een op bewijs gebaseerd vermoeden van de fylogenie van het betreffende taxon. Hoe betrouwbaar een fylogenetische boom is hangt af van de data, de gebruikte methode om de boom te “bouwen” en natuurlijk van de mate waarin evolutie sporen van gedeelde voorouders heeft achtergelaten in de kenmerken van de soorten die we bekijken. Hoewel een fylogenetische boom een heel eenvoudig diagram is, is er vaak onduidelijkheid over hoe je hem moet “lezen”. Daarom hier een uitleg van de verschillende onderdelen waar zo’n boom uit is opgebouwd. Om te beginnen de leesrichting. Fylogenieën worden meestal getekend met de takken horizontaal. In oudere literatuur zie je ze vaak met de takken vertikaal, als een echte boom. En een enkele keer, vooral als er veel soorten aan de takken zitten en er te weinig plaats is, tekent men een “cirkelboom”. Ongeacht de richting van de takken moet een boom altijd gelezen worden van de wortel (meestal links of onder) naar de toppen van de takken, dus in de richting van toenemende splitsingen. Dit is de richting van de tijd: een fylogenetische boom stelt expliciet een geschiedenis voor, die we kunnen volgen door de boom in de chronologische leesrichting te doorwandelen. De dichotome splitsingspunten (of knopen) in de boom zijn het belangrijkst. Zij stellen soortvormingsgebeurtenissen voor, waarbij één gemeenschappelijke vooroudersoort zich splitst in twee dochtersoorten. Dat uit de twee takken na een splitsingspunt soms twee genera of nog hogere taxonomische groepen ontstaan, doet niets af aan het feit dat iedere splitsing in de boom begint met het permanent splitsen van één soort in twee soorten: speciatie. De plaatsing van takken ten opzichte van het splitsingspunt heeft geen betekenis: je kunt soort 1 op de linker tak plaatsen en soort 2 op de rechter of andersom. Ook de vorm van de takken na een splitsingspunt is een kwestie van smaak. De meeste auteurs tekenen haakse hoeken, andere scherpe hoeken, weer andere vloeiende lijnen. Twee groepen van takken die beide afstammen van dezelfde voorouder en dus aan hetzelfde splitsingspunt vastzitten worden zustergroepen genoemd. Dat wil zeggen dat ze elkaars nauwste verwanten zijn; niet dat de een uit de ander is geëvolueerd. Een enkele keer is een splitsing in de boom niet dichotoom, maar polytoom: er ontspringen drie of meer takken aan één voorouder. Meestal is dat het gevolg van onvoldoende informatie om de dichotome splitsingen “op te lossen” (een zachte polytomie), maar soms ook is het een harde polytomie en vermoedt men dat drie soorten tegelijkertijd ontstaan zijn uit één vooroudersoort.

De takken van de boom, zowel interne takken tussen splitsingspunten als terminale takken die aan het eind zitten en leiden naar een taxon (vaak een soort) worden in het Engels lineages genoemd. Een lineage volgt het bestaan van een vooroudersoort vanaf een splitsingsmoment tot het volgende splitsingsmoment (bij interne takken) of tot nu (bij terminale takken). Dit wil echter niet zeggen dat er langs die tak geen speciaties hebben plaatsgevonden en ook niet dat er geen evolutionaire verandering heeft plaatsgevonden in die lineage gedurende die periode. Het kan best zijn dat in de periode tussen het ene splitsingspunt en het andere nog vele andere speciaties hebben plaatsgevonden (maar dat die soorten inmiddels zijn uitgestorven) en dat de lineage evolutionair sterk veranderd is—als er geen fossielen zijn hebben we alleen geen manier om die gang van zaken te detecteren. De lengte van een tak is soms wel, soms niet belangrijk. In een zogenoemd fylogram wordt meestal de mate van evolutionaire verandering weergegeven in de lengte van de tak. Een lange tak—veel evolutionaire verandering langs die tak (en meestal ook een lange periode); een korte tak—weinig evolutionaire verandering (gedurende vaak een korte periode). Maar soms wordt die informatie weggelaten en worden alleen de verwantschappen getoond; in zo’n cladogram heeft de taklengte geen betekenis. De groepen die de takken vormen zijn de basis voor classificaties: lagere taxa worden alleen samengevoegd tot hogere taxa wanneer ze een monofyletische groep vormen (een clade). Een monofyletische groep bevat alle taxa die aftakken van één gemeenschappelijke voorouder (inclusief die voorouder zelf). Dit zijn in principe de enige groepen die zijn toegelaten in een classificatie die op evolutionaire principes berust. Niet-monofyletische groepen zijn bijvoorbeeld para- en polyfyletische groepen. Een parafyletische groep bevat, net als een monofyletische groep, afstammelingen van een gemeenschappelijke voorouder, maar niet allemaal: enkele worden apart geplaatst. Een polyfyletische groep bevat taxa van heel onverwante groepen. Eigenlijk is het verschil tussen parafyletische en polyfyletische groepen gradueel: van de groep in Figuur 26.10c (die een polyfyletische groep voorstelt) kan ook worden gezegd dat hij taxa bevat die een gemeenschappelijke voorouder hebben (namelijk de voorouder helemaal in de basis van de boom), maar dat sommige andere taxa die in dezelfde clade thuishoren ontbreken (namelijk taxa E, F en G). De gebruikte gegevens Zoals gezegd, voor het reconstrueren van een fylogenie—het bouwen van een fylogenetische boom—hebben we gegevens nodig. Deze gegevens betreffen erfelijke eigenschappen of kenmerken van de soorten die we in de boom willen plaatsen. Die eigenschappen hebben soorten immers geërfd van hun voorouders en delen ze met hun verwanten, dus de verdeling van kenmerken over soorten levert aanwijzingen over hun vermoedelijke fylogenetische verwantschappen. Vroeger werden hiervoor voornamelijk morfologische eigenschappen gebruikt, maar de laatste decennia worden daar meestal genetische gegevens aan toegevoegd. Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen kenmerken en kenmerkstoestanden (in het Engels: characters en character states). Een morfologisch kenmerk is bijvoorbeeld: staartkleur, met als mogelijke kenmerkstoestanden bijvoorbeeld geel, rood en blauw. Hetzelfde kan toegepast worden op moleculaire kenmerken. Een DNA-kenmerk is bijvoorbeeld “positie 291 in het COI-gen” met als kenmerkstoestanden A, T, C, G, of “-“ (waarbij de vijfde toestand een deletie [“gap”] betreft.

Kenmerkstoestanden kunnen worden gerangschikt van meest primitief (of plesiomorf) tot meest afgeleid (of apomorf), naar gelang ze vroeger of later in de fylogenie ontstaan. Of een kenmerkstoestand plesio- of apomorf is kan soms van tevoren al worden bepaald (aan de hand van fossielen of aan de hand van de kenmerkstoestand die we ook buiten het te bestuderen taxon vinden (“outgroup-comparison”), maar meestal wordt deze polariteit pas bepaald nádat de fylogenie gereconstrueerd is. Het zijn de relatief afgeleide kenmerkstoestanden die uiteindelijk bepalen welke taxa in de boom worden gegroepeerd, omdat taxa deze gezamenlijk van een gemeenschappelijke voorouder moeten hebben geërfd. In de praktijk worden tegenwoordig de meeste fylogenieën opgesteld aan de hand van uitsluitend DNA-sequenties, waarbij iedere base wordt gezien als een kenmerk; niet zelden worden tegelijkertijd duizenden of tienduizenden van zulke DNA-kenmerken vergeleken. De grootste vijanden van het bedrijven van fylogenetica zijn convergente en parallelle evolutie, gezamenlijk homoplasie genoemd. Homoplasie is verraderlijk, omdat het lijkt dat twee soorten een kenmerk delen doordat ze van dezelfde voorouder afstammen, terwijl het eigenlijk niet om hetzelfde kenmerk gaat (convergentie) of wel om hetzelfde kenmerk maar niet om een gemeenschappelijke voorouder (parallellisme). Een andere vijand is evolutie zelf: wanneer evolutionaire snelheden sterk verschillen tussen lineages kunnen sommige lineages sterk gedivergeerd zijn, maar toch nauw verwant. Gelukkig zijn er methoden ontwikkeld om aan al deze risico’s het hoofd te bieden. Voor een deel zit de truc in het kwantitatief werken: door maar grote hoeveelheden kenmerken te evalueren zullen uiteindelijk de kenmerken waar homoplasie en ongelijke evolutiesnelheden een rol bij spelen in de minderheid zijn en de informatieve kenmerken de boventoon voeren. Voor een ander deel is zeer nauwkeurige kenmerkevaluatie een manier om homoplasieën tot een minimum te beperken. Wanneer men homologie van een kenmerk bij twee soorten niet bepaalt op basis van oppervlakkige gelijkvormigheid maar door een nauwgezette analyse van de ontogenie, paleontologie en microstructuur van het kenmerk, kunnen veel homoplasiën opgespoord worden. Ook voor DNA-kenmerken is het bepalen van homologe kenmerken geen sinecure. Wanneer DNA-sequenties van twee soorten worden vergeleken wordt een alignment gemaakt, waarbij iedere positie in de sequentie van de ene soort boven een homologe positie in de sequentie van de andere wordt geplaatst. Bij sequenties die weinig verschillen tussen twee soorten is dit gemakkelijk: de geconserveerde delen vormen de verankering van de sequentie. Maar bij sequenties die nog maar weinig op elkaar lijken is het bepalen van homologe posities veel onzekerder en vaak onmogelijk, zelfs met de beste alignment-programma’s. Tenslotte is het gebruik van fylogenetische algoritmen van groot belang. De rekenkundige technieken om te komen tot de meest betrouwbare fylogenetische reconstructie hebben de laatste decennia een enorme vlucht gemaakt (zie hieronder). Het bouwen van een boom Stel: het is gelukt om een groot aantal variabele kenmerken te vinden voor een groot aantal soorten waarvan we de onderlinge fylogenetische relaties willen bepalen. Deze kenmerken worden dan eerst in een kenmerkmatrix geplaatst. Voor morfologische kenmerken ziet die er bijvoorbeeld uit als: kenmerk: A B C D E F … SOORT 1 1 1 0 0 0 0 SOORT 2 0 0 1 0 1 1 SOORT 3 1 1 0 0 1 1 SOORT 4 0 0 1 1 0 0 SOORT 5 0 1 0 0 1 1

En voor DNA-kenmerken bijvoorbeeld zo: positie: 00 10 20 30… SOORT 1 ACGTACGATCGTACGTACGTGTAGCTACGT SOORT 2 ACGTGCGATCGTGCGTACGTGTAGCTACGT SOORT 3 ACGTGCGTTCGTACGTACGTGTAGGGGGGT SOORT 4 ACGTACGTTCGTCCGTACGTGTAGCTTCGT SOORT 5 ACGTACGTTCGTTCGTACGTGTAGCTTAGT … Er zijn verschillende algoritmes om op basis van zulke matrices een fylogenie te reconstrueren. Deze algoritmes verschillen in hun aanpak, hun bewerkelijkheid en hun geschiktheid voor morfologische cq. moleculaire data. Hieronder volgen korte beschrijvingen van drie veel gebruikte methoden. Let op: bij alle methoden wordt eerst een netwerk bepaald: dat is feitelijk een boom zonder wortel. Pas in de laatste stap wordt van het netwerk een boom gemaakt. Die stap is voor alle methoden gelijk en wordt daarom aan het eind voor allemaal uitgelegd. neighbour-joining (NJ) NJ maakt niet gebruik van de afzonderlijke kenmerken maar van een afstandsmaat die over alle kenmerken wordt berekend, zoals bijvoorbeeld het percentage verschil. De kenmerkmatrix wordt dus eerst omgerekend tot een afstandsmatrix die voor ieder paar taxa aangeeft hoe groot het verschil (of de overeenkomst) is. In de bovenstaande DNA-matrix verschillen soort 1 en soort 2 bijvoorbeeld op twee van de 30 posities (0,067), soort 1 en soort 3 op vijf van de 30 (0,167) en soort 2 en soort 3 op zes van de 30 posities (0,200). Dat stukje van de afstandsmatrix zal er dus als volgt uitzien:

soort 1 soort 2 soort 3 … soort 1 0,000 0,067 0,167 soort 2 0,067 0,000 0,200 soort 3 0,167 0,200 0,000 …

Bij NJ wordt eerst het paar soorten gezocht dat de kleinste onderlinge afstand heeft (in ons voorbeeld

soorten 1 en 2). Deze twee worden met een tak aan elkaar verbonden (joining neighbours). Op basis

van de rest van de afstandsmatrix kan berekend worden (we leggen hier niet uit hoe dat precies in zijn

werk gaat) waar op de tak tussen deze twee “buren” hun gemeenschappelijke voorouder zich

bevindt. Deze gemeenschappelijke voorouder wordt vervolgens gebruikt als nieuw taxon in een

kleinere matrix waarin soorten 1 en 2 vervangen zijn door hun voorouder. De NJ procedure wordt

vervolgens opnieuw uitgevoerd. Deze cyclus wordt herhaald tot alle soorten “op” zijn en het netwerk

ertussen is bepaald.

Maximum parsimony (MP)

Bij MP, een methode die we te danken hebben aan de fylogeneticus Willi Hennig (1913-1976), worden

de kenmerken wel afzonderlijk bekeken en wordt de mate van conflict tussen de kenmerken zo klein

mogelijk gehouden. In de morfologische kenmerkmatrix boven zegt kenmerk A bijvoorbeeld dat

soorten 2 + 4 + 5 een groep vormen en ook soorten 1 + 3, terwijl kenmerk E juist zegt dat soorten 2 +

3 +5 moeten worden samengenomen en ook soorten 1 + 4. Kenmerken A en E zijn dus niet congruent

en er bestaat een conflict tussen hen. Dit conflict kan bijvoorbeeld worden opgelost door aan te

nemen dat kenmerk A de juiste groepering geeft en dat er in kenmerk E extra veranderingen hebben

plaatsgevonden tussen kenmerkstoestanden 0 en 1 (met andere woorden: dat kenmerk E homoplasie

vertoont). Door nu alle mogelijke manieren om de taxa te groeperen te evalueren en steeds te kijken

hoeveel van zulke “noodgrepen” moeten worden uitgevoerd kan het meest parsimone of optimale

netwerk worden geselecteerd, waarin het kleinste aantal van zulke homoplasieën moet worden

verondersteld.

Maximum likelihood (ML) Deze methode wordt eigenlijk alleen toegepast op DNA-gegevens, omdat ze een “evolutiemodel” vereist, dat wil zeggen: een set regels die zegt hoe waarschijnlijk het is voor de ene kenmerkstoestand om in de andere kenmerkstoestand te veranderen. Voor morfologische kenmerken hebben we dergelijke gegevens bijna nooit. Maar voor DNA-sequenties bestaan moleculaire-evolutiemodellen wel. Het Kimura 2-parametermodel, bijvoorbeeld, zegt dat transities (een verandering van C naar T of andersom en een verandering van A naar G of andersom) vaker voorkomen dat transversies. Bij ML wordt berekend welk netwerk tussen een set DNA-sequenties het meest waarschijnlijk is gegeven een bepaald moleculair evolutiemodel. Wortelen Zoals gezegd, alle drie de genoemde methoden (NJ, MP en ML) genereren een netwerk van takken. De “leesrichting” van zo’n netwerk (dus: de plaats waar de wortel zit) wordt achteraf bepaald. Hiervoor is extra informatie nodig, bijvoorbeeld kennis over welk taxon als eerste aftakt. Meestal wordt daarom in de analyse een outgroup-taxon meegenomen waarvan zeker is dat het fylogenetisch weinig verwant is met de andere taxa. De wortel moet dan worden geplaatst op de tak die de outgroup met de rest van het netwerk verbindt. Toepassingen van fylogeniereconstructies Hebben we eenmaal een boom gebouwd voor een groep taxa, dan zijn de toepassingen van zo’n fylogeniereconstructie legio. Ten eerste is er natuurlijk het voordeel dat we nu een evolutionaire classificatie kunnen maken van de taxa in genera, families, etc. die allemaal monofyletisch zijn. Het toepassen van DNA-fylogenetica op alle groepen van organismen (één- en meercelligen) heeft onder andere grote consequenties gehad voor de manier waarop we de levende natuur indelen in rijken en fyla. Maar er zijn nog andere toepassingen, zoals de volgende. Tijdens de colleges worden nog meer toepassingen geïllustreerd. Moleculaire klokken Het aantal stapjes langs elke tak van de boom is evenredig met de verstreken tijd. Hoewel er verschil zal zijn in evolutiesnelheid tussen verschillende lineages, zal er een positieve correlatie bestaan tussen de ouderdom van een lineage en de hoeveelheid evolutionaire verandering die hij heeft ondergaan, zeker als de gebruikte gegevens afkomstig zijn uit niet-coderend DNA (het concept van de moleculaire klok). Ook voor groepen waarvoor we geen of weinig fossielen kennen biedt dit de mogelijkheid om evolutionaire gebeurtenissen te dateren. Zolang we namelijk de ouderdom van tenminste één knoop in de boom kennen (een calibratiepunt), kunnen we schattingen maken van de ouderdommen van alle andere knopen in de boom.

Horizontale gentransfer Wanneer tijdens een fylogenetische analyse blijkt dat grote regio’s van het genoom fylogenetisch incongruent zijn, d.w.z., dat ze verwantschap tussen taxa suggereren die wordt tegengesproken door andere regio’s, dan kan dit een aanwijzing zijn dat de evolutiegeschiedenis van de groep niet strikt vertikaal, boomvormig vertakkend heeft plaatsgevonden, maar dat er horizontale uitwisseling is geweest. Inmiddels is duidelijk dat dit veel voorkomt, en uiteenloopt van het fuseren van complete organismen (onze mitochondriën zijn bijvoorbeeld ontstaan uit prokaryotische symbionten) tot het uitwisselen van korte stukjes DNA, direct uit de omgeving, zoals bij veel bacteriën voorkomt, of via virussen en retrotransposons. Voor het bouwen van een fylogenie is zulke horizontale of laterale gentransfer natuurlijk een probleem, omdat de methoden geen reticulaties (versmeltingen van takken) toelaten, maar het leidt wel tot een beter begrip van de evolutionaire geschiedenis.