Evolutie om ons heen
Geschreven door: Cynthia de Beer Anita de Groot Boersma Beoordelend docent: Werner Pauchli
Inhoudsopgave Inleiding 1. Wat is evolutie 2. De evolutie van virussen en bacterien 3. Evolutie die nu plaats vindt 4. Geschiedenis van de evolutietheorie 5. Populaties die niet evolueren 6. Vakgebieden die me evolutie bezig zijn 7. Evolutie en HIV
blz. blz. blz. blz. blz. blz. blz. blz.
3 4 6 7 8 9 12 15
Inleiding Bij het woord evolutie, denkt men al snel aan een langzaam langdurig proces. Maar, dat hoeft niet zo te zijn. De komende weken gaan jullie aan de slag met evolutie. Jullie gaan eerst ontdekken wat evolutie is, wat het niet is, en hoe je er aan kunt rekenen. Ook laten we jullie kort kennis maken met verschillende stromingen binnen de wetenschap die momenteel bezig zijn met evolutie. Aan het einde maken jullie een grote eindopdracht. Hierbij kijken jullie wat het effect is van evolutie op een ernstige ziekte: AIDS.
1. Wat is evolutie? Veel soorten organismen die nu op aarde leven, hebben niet altijd op aarde rond gelopen. Een schaap bijvoorbeeld is nog maar 20.000 jaar op aarde. Daarvoor kende de aarde nog geen schapen zoals wij ze nu kennen. En andersom zijn er ook veel soorten organismen die vroeger wel op aarde rond liepen, die er nu niet meer zijn. Denk bijvoorbeeld aan de wolharige mammoet. Op aarde is het in de loop van duizenden/miljoenen jaren een komen en gaan van soorten geweest. Maar nieuwe soorten kunnen niet uit het niets ontstaan. Elk organisme heeft een voorouder. Dus ook elke soort moet voorouders hebben. Maar waar komen dan die voorouders vandaan? En op welke manier kan een soort die vroeger leefde veranderen in een soort die nu leeft maar er totaal anders uit ziet? Hier komt de evolutietheorie om de hoek kijken. De evolutietheorie gaat er van uit dat nieuwe soorten ontstaan, dat soorten veranderen en dat soorten ook weer kunnen verdwijnen. Hieronder is een deel van de evolutie die op aarde heeft plaats gevonden schematisch weergegeven in een diagram.
Afbeelding 1: afstamming van de dieren Zo zie je dat door veel veranderingen een oeramfibie uiteindelijk nakomelingen heeft onder de knaagdieren. Maar ook onder de katachtigen en de schildpadden. We komen nu uit een soort definitie van evolutie: Evolutie is het proces waarbij erfelijke veranderingen plaatsvinden (en de daaruit voortvloeiende veranderingen in fenotype) in een populatie gedurende vele generaties.
En dat vele generaties kan een tijdsspanne hebben van duizenden jaren. Hoe groter de tijdsspanne, hoe meer generaties er zijn gekomen en hoe meer veranderingen er plaats kunnen vinden. We hebben het tot nu toe gehad over evolutie van lang geleden. Alsof evolutie een proces is wat zich jaren geleden heeft afgespeeld en nu misschien wel klaar is. Dat is volgens de biologen echter beslist niet het geval. Evolutie vond vroeger plaats maar vindt nog steeds plaats. En zal ook altijd doorgaan. Soms gaat evolutie heel langzaam, soms gaan evolutie ook best snel. En soms gaat evolutie ook zo snel dat je die evolutie als mens kunt aanschouwen. Denk nog even aan de definitie van evolutie: Evolutie is het proces waarbij erfelijke veranderingen plaatsvinden (en de daaruit voortvloeiende veranderingen in fenotype) in een populatie gedurende vele generaties. Het gaat hier met name om de vele generaties die je nodig hebt. Bij een soort die een lange generatieduur heeft zullen de erfelijke veranderingen maar langzaam plaats vinden. De mens bijvoorbeeld heeft een generatieduur van 25-30 jaar. Dat is de leeftijd waarop een vrouw gemiddeld haar nakomelingen krijgt. Muizen hebben al een veel kortere generatieduur. Muizen kunnen na een paar weken al nakomelingen krijgen. Dus er ontstaan in dezelfde tijd veel meer nieuwe generaties muizen dan dat er generaties mensen ontstaan. Als je een soort hebt die een nog veel kortere generatieduur heeft, zal er ook in veel kortere duur veranderingen, mutaties, optreden in het erfelijk materiaal. Hoe treden dan die mutaties op? Bij het krijgen van nakomelingen wordt het DNA van de ouders gekopieerd. Een kopie zou exact gelijk moeten zijn aan het origineel. In de praktijk is dit echter niet altijd het geval. Je weet zelf wel dat als je een blaadje onder een kopieerapparaat legt, het kopietje vaak niet zo mooi is als het origineel. Ook al zou je dat kopiëren doen met een bijna perfecte kopieermachine, dan nog gaat er wel eens iets fout bij het kopiëren en treedt er een kleine verandering op.
(Afbeelding 2: hoe vaker je iets kopieert, hoe makkelijker er foutjes in ontstaan. Bron: Evolutionary Analysis, Freeman (2007)) Hoe meer kopieën er worden gemaakt, hoe meer veranderingen er optreden. Dat geldt niet alleen voor blaadjes onder een kopieerapparaat, dat geldt ook voor organismen die hun DNA kopiëren voor hun nakomelingen. Als een organisme in korte tijd nieuwe kopieën (nakomelingen) van zichzelf maken, dan heeft dat organisme een korte generatieduur.
2. De evolutie van virussen en bacteriën In deze lessenserie gaan we straks kijken naar de evolutie bij HIV. HIV is zoals je waarschijnlijk wel weet het virus dat aids kan veroorzaken. HIV is een virus, geen bacterie. Veel mensen denken vaak dat virussen en bacteriën hetzelfde zijn, dit is echter beslist niet het geval . Een overeenkomst is dat zowel virussen als bacteriën ziektes kunnen veroorzaken Er zijn echter veel meer verschillen. Ten eerste is een virus veel kleiner dan een bacterie. Een virus is namelijk zo’n honderd keer kleiner dan een bacterie. Een virus met een bacterie vergelijken wat grootte betreft, staat gelijk aan een mens met een honderdtachtig meter hoog gebouw vergelijken. Ten tweede zijn onderzoekers er nog steeds niet over eens of een virus nu wel of niet leeft. Veel biologen rekenen virussen niet tot de levende organismen. Een bacterie daarentegen is wel een levend organisme. Een bacterie is een levende cel met celwand en het bestaat uit zeer veel onderdelen en chemische stoffen. Een virus is alleen maar een pakketje DNA of RNA. Ten derde is een bacterie zelf in staat om zich voort te planten door zich te delen, terwijl een virus een gastheercel nodig heeft om te overleven en zich voort te kunnen planten. Het virus heeft namelijk de moleculen en de chemicaliën van de gastheercel nodig voordat hij zich kan voortplanten. Nu het verschil tussen een bacterie en een virus duidelijk is, gaan we eens beter kijken naar een virus. In de volgende aflevering van Biobits worden verschillende virussen besproken, waaronder hiv. Bekijk de aflevering “gevaarlijk boek” via onderstaande link en maak daarna de vragen die bij deze aflevering horen. http://player.omroep.nl/?aflID=4337318 Afbeelding 3: het vogelgriep visus. OPDRACHT 1. Wanneer is een theorie een wetenschappelijke theorie? 2. Noem drie redenen waardoor virussen zo snel kunnen evolueren. 3. Leg uit dat de volgende factoren een selectiedruk kunnen vormen bij het evolueren van HIV: A medicijnen B conditie patiënt C andere ziekteverwekkers 4. Leg uit hoe het evolutionair proces bij de aanpassing van HIV in het lichaam van een HIV-geïnfecteerde verloopt. Gebruik de drie mechanismen waarop Darwin zijn evolutietheorie baseerde: 1 variatie 2 concurrentie 3 erfelijkheid 5. Waarom wordt er met betrekking tot de vogelgriep een ophokbeleid gevoerd? 6. Welke bijdrage kan onderzoek naar HIV leveren aan het voorkómen van een vogelgriepepidemie bij de mens? 7. Waarom vormt het vogelgriepvirus een grotere bedreiging voor de mensheid dan HIV 8. Waarom moet iemand met vogelgriep wel in quarantaine en een HIV-besmet iemand niet 9. Welke hypothese van de econoom Malthus gebruikte Darwin voor de ontwikkeling van zijn evolutietheorie? 10. Welke waarneming deed Darwin op de Galapagos eilanden? 11. Welke conclusie trok Darwin in zijn boek The origin of species by means of natural selection? 12. Waarom is de erfelijkheidstheorie belangrijk geweest bij het ontwikkelen van de neodarwinistische evolutietheorie? 13. Welk element uit Darwins boek veroorzaakte veel opschudding en is tegenwoordig ook nog punt van discussie?
3. Evolutie die nu plaats vindt Een voorbeeld van organismen met een korte generatieduur zijn bacteriën. Bacteriën kunnen zich in ideale omstandigheden ieder uur voortplanten. Bij bacteriën zouden er dus ook in vrij korte tijd veranderingen moeten optreden in het erfelijk materiaal. Dit blijkt ook het geval te zijn. Bacteriën kunnen zich heel snel aanpassen aan nieuwe situaties omdat zij heel snel heel veel nakomelingen krijgen. Lees het volgende stukje over resistente bacteriën:
Experimenteren met evolutie “Stel je voor dat je oog in oog komt te staan met een verre voorouder. In een gevecht om wie de sterkste is.” Aan het woord is evolutionair bioloog dr. Bertus Beaumont. Hij bedrijft experimentele evolutie met bacteriën. “Met bacteriën kun je dat doen. Ik bewaar een suspensie met bacteriën in een vriezer en laat de rest door evolueren. Soms wel acht generaties op een dag. Na een paar honderd generaties kan ik de bacteriën vergelijken met hun verre voorouders.” Bertus Beaumont (36) promoveerde in 2004 als moleculair bioloog aan de Vrije Universiteit van Amsterdam. Hij werkte als postdoc aan de universiteit van Auckland en met een NWO Veni-beurs onder professor Brakefield aan de Universiteit Leiden. “Wat we weten van evolutie, weten we door vergelijkend onderzoek”, stelt Beaumont. Vergelijkingen tussen fossielen onderling, tussen fossielen en huidige levensvormen en tussen huidige soorten onderling. Zo is de hele evolutietheorie tot stand gekomen op basis van vergelijkende observaties. Maar de wetenschap doet ook graag experimenten om hypothesen te testen. En dat is met de huidige techniek mogelijk, hoewel de noodzakelijke opeenvolging van generaties nog steeds noopt tot geduld en toewijding. In het langstlopende experiment van Beaumont ging het om vijfhonderd generaties. In menselijke termen zou dat vijftienduizend jaar zijn, middenin de laatste IJstijd. “Het gaat mij er niet om te laten zien dat bacteriën zich aanpassen aan veranderende omstandigheden”, zegt Beaumont. “Dat is geen nieuws. Maar hoe precies kan zo’n complexe machinerie als een bacterie zich aanpassen door toevallige veranderingen in het dna? Dát is de vraag.” Het dna van de bacterie in het onderzoek heeft zes miljoen genetische letters. Bij iedere deling wordt het dna gekopieerd waarbij er een kans van één op tienduizend is op een verschrijving. De meeste mutaties (een verandering in het dna) blijven zonder gevolgen, legt Beaumont uit. Sommige zorgen ervoor dat een bacterie minder snel groeit, zodat die mutatie op den duur uitsterft. En heel soms groeit een bacterie toevallig sneller waardoor op den duur de hele populatie die eigenschap zal hebben. “Dan ben je één stapje geëvolueerd”, vat Beaumont samen. In Delft zal hij aan de slag gaan met onderzoek naar de evolutie van zweepstaartjes (‘flagella’). Een flagellum is een soort moleculaire buitenboordmotor waarmee bepaalde bacteriesoorten zijn uitgerust. Door gerichte mutaties te bestuderen die alleen betrekking hebben op de zweepstaart hoopt Beaumont meer inzicht te krijgen in de evolutie van dergelijke biologische nanomachines. Daarnaast wil hij met die kennis zelf gerichte veranderingen aanbrengen. De evolutie ontwerpt blind, een wetenschapper weet graag wat hij doet.
OPDRACHT: 1. Waarom zijn bacteriën zo geschikt om evolutie mee aan te tonen? 2. Eerder heb je de definitie van evolutie gekregen. Laat zien dat de experimenten en de resultaten van dr. Bertus Beaumont voldoen aan deze definitie. 3. Bacteriën kunnen in vergelijking met mensen een snelle evolutie ondergaan. Dit is fijn voor wetenschappers die graag onderzoek doen. Het heeft echter ook nadelen voor de mens. Bedenk een groot nadeel van de grote evolutiesnelheid van bacteriën voor de mens.
4. Geschiedenis van de evolutietheorie Voor de huidige generatie wetenschappers is de evolutietheorie een uitgangspunt die je niet meer weg kunt denken uit de hedendaagse biologie. Toch hebben mensen vele jaren een heel andere kijk gehad op het ontstaan van soorten organismen op aarde. Vroeger gebruikte men de theorie van generatio spontanea voor het verklaren van de verschillende soorten organismen op aarde. Zo dacht men dat muizen konden ontstaan uit graan. En dat vliegen ontstonden uit kadavers. Uit onderzoek bleek echter dat dit niet het geval kon zijn. Vervolgens kwam men met het idee dat veranderingen die tijdens het leven van een organisme waren ontstaan, door werden gegeven aan de nakomelingen. Zo had men de theorie dat de lange nek van de giraffe was ontstaan doordat giraffes hun nek strekten om bij de boomblaadjes te kunnen. Daardoor rekte de nek van de giraffe uit en gaf de giraffe die eigenschap door aan zijn kinderen. Waardoor de jongere giraffes een langere nek zouden hebben dan hun ouders. Ook dit bleek bij nader onderzoek niet een theorie te zijn die stand kon houden. En toen kwam Charles Darwin. Hij schreef een boek, on the origin of species, dat werd uitgegeven in 1859. In dit boek kwam Darwin als eerste met het idee dat soorten kunnen veranderen. En dat bij genoeg veranderingen de ene soort kan ontstaan uit de andere soort. Hij was op dit idee gekomen toen hij een paar jaar daarvoor op reis was geweest met het schip the Beagle. Met dat schip was Darwin de wereld rondgereisd. Door de dingen die hij zag en beleefde, kreeg Darwin het idee dat soorten niet onveranderlijk zijn. Vervolgens ging hij nadenken over hoe dan die veranderingen plaats zouden vinden en waarom die veranderingen plaats vonden. Dat alles schreef hij op in zijn boek. De gedachtengang achter zijn idee dat soorten niet onveranderlijk zijn maar juist kunnen veranderen in andere soorten. Later hebben mensen dat de naam evolutietheorie bedacht voor Darwin zijn ideeën. En niet alleen hebben ze zijn idee een naam gegeven, ze zijn ook verder gaan nadenken over zijn theorie. Wetenschappers gingen bezig op zoek naar meer bewijzen voor Darwin zijn theorie. Of ze gingen juist op zoek naar bewijzen van het tegendeel. Al het wetenschappelijk onderzoek van de 150 jaar na het verschijnen vanDarwin zijn boek heeft er in geresulteerd dat er in de wetenschap nog steeds uit wordt gegaan van de evolutietheorie. De huidige theorie is niet exact gelijk aan die van Darwin. Door meer kennis en meer onderzoek is de evolutietheorie uitgebreider en specifieker geworden. Met de komst van onderzoek naar bijvoorbeeld DNA kunnen we de evolutietheorie nog beter onderbouwen. Maar het idee van Darwin dat soorten niet onveranderlijk zijn maar juist kunnen veranderen in andere soorten is al die jaren overeind gebleven.
Afbeelding 4: Charles Darwin in zijn jongere jaren
Afbeelding 5: De HSM Beagle: het schip waarop Darwin over de wereld vaarde
5. Populaties die niet evolueren: De theorie van Hardy & Weinberg Evolutie vindt zoals eerder is gezegd plaats gedurende meerdere generaties. Maar heb je ook altijd meerdere generaties nodig om evolutie aan te tonen? Kun je ook vandaag zien dat er op dit moment sprake is van evolutie in een populatie? Met die vraag zijn Harold Hardy en Wilhelm Weinberg zich mee bezig gehouden. Zij kwamen met een wiskundig model aanzetten waarmee je kunt berekenen of er wel of geen sprake is van evolutie. Klinkt misschien wat vaag. Want hoe kun je nou rekenen aan evolutie? Dat kan ook niet direct. Waar je zoals je weet wel aan kunt rekenen, dat is aan de genen en de allelen. Bij evolutie is er sprake van een verandering in de genen. Als er geen verandering optreedt in de genen, is er ook geen sprake van evolutie. Omgekeerd kun je dan zeggen dat als er wel verandering optreedt in de genen, er wel sprake is van evolutie. En dan gaat het niet om de genen van een individu. Dan gaat het om de genenpool binnen een populatie. Even een stapje terug. Erfelijkheid, hoe zat het ook al weer. Je hebt dominante allelen en recessieve allelen. Al onze genen komen in tweevoud voor dus aan mogelijkheden heb je: AA, Aa en aa. Allel frequentie Hardy en Weinbergen zeiden dat de hele populatie 100% bestaat uit een percentage AA, een percentage Aa en een percentage aa. Dus: AA + Aa + aa = 100% Ook zeiden ze dat het aantal keer dat het dominante allel voorkomt en het aantal keer dat het recessieve allel voorkomt, ook 100% is. In plaats van met A en a te werken, werkten Hardy en Weinbergen met p en q. Daarbij stellen ze p = A (dominant allel) q = a (recessief allel) Een voorbeeld: Bij een grasveld vol bloemen is de bloemkleur bepaald door gen gen met 2 alellen: R (rood) en r(wit). Ieder individu is dus of RR, of Rr of rr We hebben een populatie planten met 500 individuen 320 rood (RR), 160 roze (Rr), 20 wit (rr) Met deze gegevens kun je berekenen wat de verschillende frequenties zijn voor p en q. Hoeveel kopieën van het gen voor bloemkleur zijn aanwezig in deze populatie? (antw 1000) Hoeveel allelen R zijn er aanwezig? (320+320+160=800) Hoeveel allelen r zijn er aanwezig? (20+20+160=200 ) Wat is de frequentie van R? (p) 0.8 Wat is de frequentie van r? (q) 0.2 OPDRACHT 1 Met enige regelmaat doet men onderzoek naar allel frequenties binnen populaties. In de tabel op de volgende pagina zie je de resultaten van een dergelijk onderzoek. Het betreft een onderzoek naar een gen genaamd CCR5, er zijn twee allelen: een daarvan wordt in de literatuur aangeduidt als +, de ander als Δ32. Bereken in de tabel alle allel frequenties van de populaties. Je hebt deze gegevens later nog nodig.
Tabel: Diversiteit van CCR5 genotypen in verschillende populaties Aantal Aantal per genotype Allel frequentie proefpersonen Populatie +/+ +/Δ32 Δ32/Δ32 + Δ32 Ashkenazi Joden 43
26
16
7
79.1
20.9
Ijsland
102
75
24
3
85.3
14.7
Groot Brittanie
283
223
57
3
Italie
91
81
10
0
Saudi Arabie
241
231
10
0
Yemen
34
34
0
0
Rusland
46
38
7
1
Pakistan
34
32
2
0
Hong Kong
50
50
0
0
Mongolie
59
59
0
0
Philipijnen
26
26
0
0
Nigeria
111
110
1
0
Congo
52
52
0
0
Kenia
80
80
0
0
Midden-oosten en Azie
Africa
Hardy- Weinberg-evenwicht Hardy en Weinbergen hielden niet op bij een allel frequentie. Ze kwamen uit op een rekenkundig model: P2 + 2pq + q2 =1 En p+q=1 Dus:
AA = p2 Aa = pq aa = q2
OPDRACHT 2 Herinner je het grasveld nog met 500 bloemen? 320 rood (RR), 160 roze (Rr), 20 wit (rr) Reken P2 ,2pq en q2 uit. Tel de frequenties bij elkaar op en controleer of je op 1.0 uitkomt. Maar we gaan nu een stap verder: Als je nu de frequentie van een bepaald gen weet, dan kun je met behulp van de Hardy-Weinberg regel de andere uitrekenen. Voorbeeld: Stel je voor, op een grasveld groeien 100 bloemen. Er zijn 4 witte bloemen. De rest is rood. Witte bloemen zijn een uiting van een recessief gen. Met 4 witte bloemen op een populatie van heb je dan een frequentie van 0,04 voor witte bloemen.
Vraag: welk deel van de rode bloemen is heterozygoot (dus heeft een allel voor witte kleur en een allel voor rode kleur) voor de rode kleur? En welk deel van de bloemen is homozygoot voor de rode kleur? Er geldt nu dus: q2 = aa = 0,04 q = 0,2 Als geldt p + q = 1, dan moet p 0,8 zijn. De rode bloemen die heterozygoot zijn, zijn de bloemen die in de theorie van HardyWeinberg pq hebben. Als p = 0,8 en q = 0,2 dan geldt: 2 x 0,8 x 0,2 = 0,32 Dus 32% van de rode bloemen zal heterozygoot zijn. De rode bloemen die homozygoot zijn, hebben in het theorema p2. Als p = 0,8 dan geldt: P2 = 0,8 x 0,8 = 0,64 Alles bij elkaar opgeteld kom je dan uit op: P2 + 2pq + q2 = 0,64 + 0,32 + 0,04 = 1 Als bij een populatie in Hardy – Weinberg-evenwicht is, dat wil zeggen: P2 + 2pq + q2 = 1 Dan is er sprake van een stabiele populatie, er is op dit moment dus geen sprake van evolutie. Met behulp van de Hardy-Weinbergen theorie kunnen biologen dus berekenen of er in een bepaalde populatie sprake is van evolutie. OPDRACHT 3: Bereken aan onderstaande populaties uit of er wel of niet sprake is van evolutie: A. Er zijn 423 planten met rode bloemen, 455 met roze bloemen en 122 met witte bloemen. Eén gen met twee allelen blijkt verantwoordelijk. Rode bloemen hebben genotype AA, witte aa en roze Aa. B Neem aan dat er van duizend planten 500 rode bloemen hebben, 300 roze en 200 witte.
6. Vakgebieden die met Evolutie bezig zijn Eens zei de biologie Dobzhansky: “Noting makes sence in biology, except in the light of evolution”. En daarmee heeft hij gelijk. Alle biologen hebben in meer of mindere mate te maken met evolutie. Sommige biologen hebben alleen te maken met de resultaten van de evolutie, andere hebben dagelijks te maken met de kleine aanpassingen van fenotype en genotype van organismen. Zelfs medici hebben te maken met evolutie, Zie bijvoorbeeld in hoofdstuk 3 het artikel over experimenteren met evolutie. In deze paragraaf gaan we kijken naar enkele vakgebieden die zeer veel met evolutie te maken hebben en die zelfs voor een groot deel evolutie aan het bestuderen zijn. Elk vakgebied heeft zo zijn eigen insteek in het verhaal, maar met de kennis uit al deze vakgebieden is de evolutietheorie uitgegroeid van een wankele hypothese naar een goed gefundeerde wetenschappelijke theorie. Sinds Darwin zijn er vele wetenschappers, uit verschillende vakgebieden bezig geweest met evolutie en de daarmee samenhangende kennis in hun vakgebied. In deze paragraaf lichten we enkele van deze vakgebieden toe. Deze zijn: 1. 2. 3. 4. 5.
Anatomie en morfologie Paleontologie Populatiegenetica Moleculaire biologie Bio-informatica:
Anatomie en Morfologie Anatomie is de wetenschap die de structuren en functies van organismen en hun organen behandelt. Morfologie bestudeert de uitwendige bouw en vorm van organismen en hun organen. Dit kan zowel bij levende wezens als bij fossielen gedaan worden. Dit zijn twee takken van wetenschap die veel overeenkomsten hebben. Bij anatomie kijkt men bijvoorbeeld naar de bouw van de menselijke hand. Bij morfologie wordt vervolgens gekeken naar de overeenkomsten tussen de menselijke hand en de bouw van de voorpoot van een hond of kat. Wat deze twee wetenschappen met de evolutietheorie van Darwin te maken hebben, bewijst hij zelf in een zeer belangrijk onderzoek naar vinken. Darwin is beroemd geworden om zijn onderzoek naar vinken op de Galapagoseilanden. In de herfst van 1835 zat Darwin enkele maanden op de Galapagoseilanden bij Equador. Hier observeerde hij dat veel verschillende vinken waren, die in te delen waren per eiland, per broedplaats, per schuilplaats, per voedingsgewoonten en snavelvorm. Hij voelde dat er een logica achter zat en besloot zoveel mogelijk gegevens te verzamelen. Dus mat hij de snavels van alle vogels en noteerde hij hun voedsel patroon. Thuis gekomen begon hij met het verwerken van de gegevens en ontstond er een stamboon die samenloopt met de verplaatsing van de vinkjes van eiland naar eiland. De 14 vinkensoorten die hij in zijn boek beschrijft zijn de geschiedenis in gegaan als “De Darwinvinken”.
Afbeelding 6: de fylogenetische stamboom van de galapagosvinken Paleontologie Een paleontoloog bestudeerd fossielen. Men probeert men name te achter halen hoe oud fossielen zijn en wat de verwantschap is tussen gevonden fossielen en nu levende organismen. Bij het bepalen van de ouderdom maakt men gebruik van bepaalde technieken. Ten eerste kijken ze naar de geologische laag waarin een fossiel gevonden is. Deze lagen zijn door geologen al gedateerd en geven daardoor een grove schatting aan van de leeftijd van een fossiel. Populatiegenetica Behalve de genetica van individuen, denk aan Mendel met zijn doperwten, is er ook de genetica van populaties. Populatie-genetica houdt zich bezig met de verdeling van allelen en genen in een populatie en de eventuele veranderingen die daarbij horen. Veranderingen kunnen plaats vinden door verschillende oorzaken. Mutaties lijken de meest voor de hand liggende vorm van veranderingen. Dit zijn echter niet de meest voorkomende. Andere vormen van verandering zijn bijvoorbeeld immigratie en emigratie van individuen met afwijkende genotypen of als bepaalde genotype een verhoogde (of verlaagde) kans op voortplanting hebben. Om het effect van dit soort veranderingen te kunnen bepalen, moet men eerst weten wat de juiste stand van zaken is. Het Hardy-Weinberg-evenwicht (je kent ze wel uit de vorige paragraaf) geeft duidelijk weer hoe de stand van zaken is als er geen verandering plaats vindt. Diverse andere onderzoekers zijn met hun rekenmodel verder gegaan om bijvoorbeeld zelfs evolutie of de kans op evolutie te kunnen voorspellen. Moleculaire biologie Terwijl de genetica en populatiegenetica steeds meer te weten kwam over erfelijkheid, bleef het medium van de genetica, het DNA, lang nog in mysteriën gehuld. Het waren de microbiologen Watson en Kirk die in 1953 ontrafelde hoe het DNA als molecuul is opgebouwd. Hun ontdekking liep allerlei vragen op zoals: “als dit het DNA is, hoe werkt het dan?” en “hoe komen genen tot expressie” en “hoe groot is de kans op een mutatie”. Het vakgebied 'Moleculaire biologie' houdt zich bezig met alle vragen die we rondom DNA kunnen stellen. Er wordt dan ook veel onderzoek gedaan naar DNA.
In een ultieme poging om het DNA van de mens te begrijpen is men jaren geleden begonnen aan het “Human Genome Project”, waarbij men probeert het DNA volledig uit te schrijven. Na het uitschrijven komt de tweede stap: bepalen welk gen waar zit en welk stuk DNA codeert voor wat voor soort eiwit. Op deze wijze probeert men te ontdekken of je aan het DNA kunt zien of iemand ziek is of niet. (Meer weten over het HGP? Kijk op hun site: http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about.shtml) De ontdekking van het DNA leverde ook een versteviging van de evolutietheorie op. Alle organismen op aarde, voor zover wij ze op dit moment kennen, hebben DNA dat op dezelfde wijze is opgebouwd. Die overeenkomsten in opbouw bij de verschillende organismen zijn zo groot dat men zelfs kan spreken over verwantschap op basis van DNA. Zo komt het DNA van een Chimpansee voor 98% overeen met dat van de mens. Terwijl het DNA van andere organismen meer verschilt van de mens Fylogenie Door te kijken naar de overeenkomsten van het DNA komt men er achter welke organismen aan elkaar verwant zijn, en welke minder verwant zijn. Dit uit zich in een stamboom van verwantschappen. Een speciale tak van de biologie die zich bezig houd met het maken van deze stambomen is de fylogenie. Fylogenie is de wetenschap die zich bezig houdt met de ontstaansgeschiedenis van groepen organismen. Dit doet men door de kennis van diverse vak gebieden te combineren en vervolgens de overeenkomsten grafisch weer te geven in een fylogenetische stamboom. Vak gebieden van waaruit men kennis put zijn: • paleontologie (het vergelijken van fossielen) • embryologie • moleculaire biologie • anatomie • morfologie Een specifieke groep van fylogenen zijn de bio-informatici. Zij maken gebruik van rekenmodules en computers om de stamboom te kunnen weer geven. OPDRACHT1: Nu is het aan jou om jouw kennis van Morfologie los te laten op de evolutie van Pacman. Hier onder zie je verschillende pacmans. Een deel van de gegevens komen uit morfologisch onderzoek naar pacman fossielen. Slechts 2 van de hier afgebeelde pacmans zijn nu levende vormen. Probeer de stamboom van de evolutie van pacman weer te geven op basis van deze gegevens.
OPDRACHT 2 Hieronder staan stukjes DNA die coderen voor een specifiek eiwit. Probeer zelf te achter halen welke organismen het meest verwant zijn aan elkaar. Organisme Organisme Organisme Organisme
1 2 3 4
ATGGAGGAGCCGCAGTCAGATCCTAGCGTCGAGCCCCCTCTGAGTCAGG ATGGAGGAGCCGCAGTCAGATCCTAGCGTCGAGCGGCCTCTGAGTCAGG ATGGAGGAGCCGCAGTCAGATCCTACCCTCGAGCGGCCTCTGAGTCAGG ATGGAGGAGCCGCAGTCAGATCCTAGCGTCGAGCGCCCTCTGAGTCAGG
7. Evolutie en HIV HIV in het menselijk lichaam Globaal weet je misschien wel hoe het gaat: HIV komt ons lichaam binnen, gebruikt de witte bloedcellen om veel meer HIV deeltjes te maken. Daarbij worden de witte bloedcellen uitgeschakeld wat andere ziekte verwekkers de kans geeft om het lichaam binnen te dringen. Wanneer iemand met HIV erg weinig witte bloedcellen heeft en daardoor een andere ziekte verwekkers oploopt, is er sprake van AIDS. AIDS zal, onbehandeld, leiden tot de dood. OK, dat is het globale verhaal. Maar nu de diepte in. We gaan kijken wat HIV precies rondom die witte bloedcellen doet. Het werkt als volgt: Het HIV virion (=virusdeeltje in zijn extracellulaire vorm) koppelt zich aan twee receptoren, de CD4 receptor en de CCR5 receptor. Door aan deze receptoren te koppelen kan er een fusie plaatsvinden tussen het viraal membraan en het celmembraan van een Thelpercel. Met behulp van reverse transcriptase wordt het RNA van het Virus omgezet in een stukje DNA, wat vervolgens door integrase wordt geïntegreerd in het DNA van de gastheercel. Vervolgens worden de genen op dit DNA afgelezen en maakt de cel de benodigde bouwstenen voor nieuwe virions (RNA; reverse transcriptase; integrase; eiwitcoating)
Afbeelding 7: de levenscyclus van HIV
Medicijnen Een aantal jaar geleden dachten wetenschappers het medicijn tegen HIV gevonden te hebben. Het medicijn azidothymidine (AZT), blokkeert namelijk de werking van reverse transcriptase. Als het reverse transcriptase niet meer werkt, kan het RNA van het virus niet meer worden omgezet in een stukje DNA. Daarmee zou het virus zich niet meer kunen vermenigvuldigen. Je ziet dit afgebeeld in onderstaande illustratie.
Afbeelding 8: de werking van AZT op reverse transcriptase
Het was vanaf het begin wel duidelijk dat AZ niet een ideaal medicijn was omdat het nogal wat nare bijwerkingen had. Maar in het begin boekten de artsen er toch wel zeer goede resultaten mee. Die resultaten namen na een tijdje echter af. Wat bleek het geval te zijn, HIV heeft een zeer hoge mutatiesnelheid. En door die hoge mutatiesnelheid kan het virus zich zeer snel aanpassen aan veranderde omstandigheden. Sommige HIVvirusdeeltjes bleken resistent te zijn tegen AZT. De resistente virusdeeltjes konden zichzelf blijven kopiëren. De niet-resistente virusdeeltjes konden zichzelf niet meer vermenigvuldigen. Wat dus overbleef waren de virusdeeltjes die resistent waren. Hoe langer AZT werd gebruikt, hoe meer de virusdeeltjes die resistent waren tegen AZT de overhand kregen. Deze virusdeeltjes kunnen dan vervolgens weer doorgegeven worden aan andere mensen die geïnfecteerd worden met HIV.
Afbeelding 9: het effect van AZT op de resistentie van HIV Stel nu dat de persoon in het plaatje iemand anders besmet met het virus, dan zal AZT bij de nieuw besmette persoon niet meer werken. Het virus zal zo op deze manier een evolutie ondergaan waarbij de resistente hiv-deeltjes wel worden doorgegeven en de nietresistente hiv-deeltjes niet. De niet-resistente hiv-deeltjes zullen op een gegeven moment uitsterven en de resistente hiv-deeltjes blijven over.
Afbeelding 9: het effect van AZT op de resistentie van HIV Hiv ontwikkelt niet alleen zeer snel een resistentie tegen azt maar ook tegen andere medicijnen. Dat maakt het zo vreselijke moeilijk om hiv met medicijnen te bestrijden. Maar niet alleen virussen kunnen resistent zijn. Ook andere organismen kunnen resistent zijn. Bijvoorbeeld tegen bepaalde virussen. En laat dit nou net het geval zijn bij de men en bij hiv. OPDRACHT 1 Waarom is kennis van evolutie belangrijk in de strijd tegen HIV-AIDS?
HIV resistentie in de mens Terwijl de AIDS-epidemie over de aarde woedt, blijken sommige mensen resistent te zijn. Voor onderzoekers zijn deze “HIV-resistente mensen” van grote waarde, omdat zij de sleutel kunnen zijn voor een HIV-medicijn. Moleculair biologen hebben lang gezocht naar de oorsprong van hun resistentie en vonden het antwoord op een bijzondere plaats: de CCR5-receptor. Het bleek dat deze mensen een afwijkende vorm hadden van de CCR5-receptor, waardoor HIV de cellen niet in kan. In het gen dat voor CCR5 codeert missen deze mensen het basepaar dat thuishoort op plaats 32. Hierdoor krijgt CCR5 een nieuwe vorm. De onderzoekers hebben dit allel delta 32 (Δ32) genoemd. Er zijn dus op dit moment 2 allelen voor CCR5 bekend. Het allel dat voor het 'normale CCR5' codeert, afgekort: + ; en het allel dat voor de afwijkende vorm codeert, afgekort Δ32. Alleen mensen die homozygoot voor Δ32 zijn, zijn 100% resistent tegen HIV. Mensen die heterozygoot zijn voor CCR5 bezitten een intermediair fenotype. Zij zijn dus gedeeltelijk resistent. Mensen die homozygoot zijn voor het allel +, zijn niet resistent. Er bestaat in de populatiegenetica een maat voor de overlevingskans. Deze maat heet 'fitness'. De fitness geeft aan hoe groot de kans is dat iemand het overleeft en zich kan voortplanten. Fitness wordt uitgedrukt in een getal gelijk aan of kleiner dan 1. Mensen met genotype Δ32 Δ32 hebben een fitness van 1.0 De fitness van mensen met genotype Δ32 + of mensen met genotype ++ is afhankelijk van de selectie druk, oftewel is afhankelijk van hoe erg de epidemie op die locatie is.
Hardy en Weinbergen gaven aan dat, als er niets gebeurt in een populatie, de frequentie van allelen gelijk blijft. Echter, de HIV epidemie zorgt voor een natuurlijke selectie voor het Δ32 allel en tegen het + allel. Dat betekent dat de mensheid wat betreft dit gen niet in het HW-equelibrium is. Een populatie die niet in HW-equilibrium is, evolueert. Om de snelheid van de evolutie te kunnen bepalen heb je twee gegevens nodig: de fitness voor de verschillende allelen en de allelfrequentie.
EINDOPDRACHT: Stel je werkt als moleculair bioloog voor UNAIDS. Men vraagt je een aanbeveling te doen om HIV binnen 40 generaties de wereld uit te krijgen. Schrijf een aanbeveling van maximaal 1 kantje. Maak hierbij gebruik van het bijgeleverde rekenkundig model. Onderzoek wat de ideale combinatie is tussen fitness; en initiële frequentie om een HIV-resistent mensen ras te krijgen. Voeg een printje van je gegevens aan je aanbeveling toe. Hieronder staat een tabel met de gegevens van fitness en de allelfrequentie heb je al (pagina 10). Country
HIV prevalence
Botswana
25.2
Congo
3.2
Groot Brittannië
0.4
Hong Kong
0.2
Ijsland
0.4
Italië
0.4
Kenya
7.8
Mongolië
0.2
Niger
0.7
Pakistan
0.2
Rusland
0.6
Saudi Arabië
0.25
Yemen 0.25 Tabel 2: percentage mensen dat sterft aan AIDS
