Niemand is volmaakt, zelfs niet de grootste wetenschappelijke genieën aller tijden. In zijn nieuwe boek Briljante Blunders toont Mario Livio dat aan met een voortreffelijk verhaal van wetenschappelijke missers en doorbraken. Van Darwin tot Einstein, van Lord Kelvin tot Linus Pauling, ze hebben allemaal wel eens een pijnlijke uitglijder gemaakt. Een voorpublicatie over de blunder van Darwin.
De oorsprong van Darwins blunder ligt in het feit dat enkele opvattingen die men in de 19e eeuw over erfelijkheid had, in de basis niet klopten. Darwin was zich bewust van de destijds bestaande tekortkomingen, zoals hij eerlijk toegaf in zijn boek Het ontstaan van soorten (1859). Daarin stelt hij dat ‘de wetten die de erfelijkheid regeren vrijwel onbekend zijn.’ Dat was nogal zacht uitgedrukt.
Darwin had als student de destijds algemene opvatting meegekregen dat de eigenschappen van twee ouders simpelweg in de nakomelingen werden gemengd – zoals bij het door elkaar roeren van twee kleuren verf. Volgens die ‘verfpottheorie’ werd per generatie de erfelijke bijdrage van iedere voorouder gehalveerd. Zo zou elke nakomeling van twee partners eigenschappen meekrijgen die tussen die van de ouders in lagen. Darwin: ‘Na twaalf generaties is de verhouding van het bloed, van om het even welke voorouder slechts 1 op 2048.’ Om de analogie van bijvoorbeeld een bacardi-cola te gebruiken: blijf je cola bijmengen, dan proef je uiteindelijk de rum niet meer. Op die manier worden nieuwe variaties in een populatie, die uiteindelijk kunnen leiden tot een nieuwe soort, meteen ‘uitgewist’.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Desondanks verwachtte Darwin toch dat natuurlijke selectie zou werken. Over wolven schrijft hij bijvoorbeeld: ‘Als een of andere geringe aangeboren verandering van gewoonte of van structuur een individuele wolf ten goede zou komen, zou die wolf de meeste kans hebben om te overleven en nakomelingen na te laten. Enkele van zijn jongen zouden waarschijnlijk dezelfde gewoonte of structuur erven, en door de herhaling van dit proces zou een nieuwe variëteit kunnen worden gevormd.’
Maar het simpele feit dat die verwachting absoluut onhoudbaar was bij erfelijke vermenging, zag Darwin zomaar over het hoofd. Die tegenstelling werd voor het eerst ontdekt door de Schotse ingenieur Fleeming Jenkin.
Verdunnen
Jenkin was een multigetalenteerd man, wiens bezigheden uiteenliepen van het portretteren van toevallige passanten tot aan het ontwerpen van onderzeese telegraafkabels. Zijn kritiek op Darwin was rechtdoorzee. Jenkin wierp op dat natuurlijke selectie volkomen ineffectief zou zijn in het selecteren van een enkele variant (een zeldzame, door toeval ontstane nieuwigheid, wat we tegenwoordig een mutatie noemen). De reden daarvoor was dat zo’n variant als het ware zou verdrinken in het zeer veel grotere aantal normale, ongewijzigde varianten in de populatie. Al na enkele generaties zou elke nieuwe variant zodanig zijn verdund door de normale vormen in de populatie, dat die compleet zou zijn weggepoetst.
Het valt Darwin niet aan te rekenen dat hij meeging in de wetenschappelijk geaccepteerde erfelijkheidstheorie van die tijd. Daarom beschouw ik het niet als een blunder dat Darwin de theorie van erfelijke vermenging overnam. Wél was het een blunder dat Darwin aanvankelijk compleet over het hoofd zag dat zijn mechanisme van natuurlijke selectie onmogelijk kan werken als je uitgaat van erfelijke vermenging.
Eiland
Jenkin publiceerde zijn aanval op Darwin anoniem in de North British Review van juni 1867. Om zijn punt te maken, ging Jenkin uit van een situatie waarin elk individu honderd nakomelingen krijgt, maar gemiddeld slechts één daarvan overleeft en zelf nakomelingen krijgt. Een mutatie, zo stelde hij, heeft een tweemaal zo hoge kans om te overleven en zich voort te planten.
Jenkin redeneerde verder dat zelfs onder de meest extreme vorm van selectie niet kon worden verwacht dat een wijdverbreide eigenschap – zoals bijvoorbeeld huidskleur – zou veranderen in iets nieuws, nadat de nieuwe eigenschap slechts eenmaal in de populatie werd ingebracht. Om dat verdunningseffect te illustreren, koos Jenkin het verbazend reactionaire voorbeeld van een blanke man met – uiteraard – verheven eigenschappen, die schipbreuk lijdt op een eiland met zwarte inwoners. De racistische en imperialistische ondertoon vinden we nu schokkend, maar was in het Victoriaanse Engeland heel normaal. Jenkin: ‘Zelfs als de blanke schipbreukeling heel veel zwarten zou doden in de strijd om het bestaan, heel veel vrouwen en kinderen zou krijgen, en er in de eerste generatie talloze intelligente halfbloeden zouden voorkomen, dan nog zal niemand kunnen geloven dat op den duur het eiland bevolkt zal zijn door uitsluitend blanken, of zelfs maar een gele populatie.’
Naar later bleek, had Jenkin in zijn berekeningen een ernstige logische fout gemaakt. Hij nam aan dat elk ouderpaar honderd nakomelingen kreeg, waarvan maar één zich voortplantte. Maar aangezien alleen vrouwen nakomelingen krijgen en mannen niet, moeten uit elk ouderpaar gemiddeld genomen twee nakomelingen (een man en een vrouw) overleven. De populatie zou anders met elke generatie gehalveerd worden – en snel uitsterven.
Verbazend genoeg ontdekte alleen ene Arthur Sladen Davis die fout. Davis lichtte dat toe in een ingezonden brief in het wetenschapstijdschrift Nature in 1871. Davis toonde aan dat wanneer er een correctie werd doorgevoerd om de populatie ongeveer even groot te houden, het effect van een mutatie niet vrij snel zou verdwijnen uit de populatie. Het zou zich zelfs, zij het verdund, door de gehele populatie verdelen.
Een zwarte kat, bijvoorbeeld, die wordt ingebracht in een populatie witte katten zou (volgens de erfelijke vermenging) gemiddeld genomen twee grijze kittens moeten opleveren, vier lichter gekleurde ‘kleinkittens’ enzovoort. Achtereenvolgende generaties zouden steeds lichter kleuren, maar de donkere kleur zou nooit helemaal verdwijnen. Daarnaast concludeerde Davis correct: ‘Een gunstige mutatie die maar eens en nooit weer opduikt, en dus alleen door overerving kan worden verkregen, zal nauwelijks enige verandering in een ras bewerkstelligen. Maar een variatie die herhaaldelijk en onafhankelijk opduikt in verschillende generaties, maar niet vaker dan eens per generatie, kan aanzienlijke verandering sorteren.’
Jenkin had ondanks zijn rekenfout in grote lijnen gelijk. Uitgaande van erfelijke vermenging zou zelfs onder de gunstigste omstandigheden een zwarte kat onmogelijk een populatie witte katten in zwarte katten kunnen veranderen – hoe voordelig een zwarte kleur ook moge zijn.
Tussengen
Voordat we nagaan hoe Darwin kennelijk zo blind kon zijn voor deze op het oog fatale ondermijning van zijn theorie, is het nuttig om de theorie van erfelijke vermenging te bekijken vanuit het perspectief van de moderne genetica.
Volgens de huidige kennis van de genetica levert DNA het mechanisme dat verantwoordelijk is voor erfelijkheid in alle levende organismen. Heel ruw gezegd is DNA opgebouwd uit genen, die de informatie bevatten die codeert voor de fabricage van eiwitten, en enkele niet-coderende stukken. Het DNA is ingebouwd in structuren genaamd chromosomen. Die komen in paren voor in alle organismen die zich seksueel voortplanten. Een deel van het chromosoom is afkomstig van de moeder en een van de vader. Zodoende bezit elk individu twee kopieën van al zijn genen, waarbij de genenparen identiek kunnen zijn, of iets verschillend (in geval van een mutatie afkomstig van een van de ouders).
De moderne theorie van de genetica ontsproot aan het brein van een onwaarschijnlijke ontdekker: een 19e-eeuwse Moravische monnik genaamd Gregor Mendel. In een serie eenvoudig lijkende experimenten liet hij duizenden erwtenplanten die alleen groene zaden voortbrachten, kruisen met exemplaren met uitsluitend gele zaden. Tot zijn grote verbazing hadden de nakomelingen in de eerste kruisingsgeneratie uitsluitend gele zaden. Maar in de volgende generatie, na onderlinge kruising van de eerste generatie, was de verhouding tussen gele en groene zaden ineens 3:1.
Uit die raadselachtige resultaten wist Mendel vervolgens te destilleren dat genen ondeelbare eenheden moesten zijn. Volgens Mendels theorie waren afzonderlijke genen (hij noemde ze ‘factoren’) niet alleen al aanwezig tijdens de vroegste ontwikkeling van een organisme, maar werden zij absoluut ongewijzigd doorgegeven aan de volgende generatie. Mendel voegde daaraan toe dat elke nakomeling van elke ouder een zo’n gen (‘factor’) erft. Een bepaalde eigenschap kon, zónder tot uiting te komen in een nakomeling, worden doorgegeven aan de daaropvolgende generaties.
Mendels gevolgtrekkingen waren zonder meer briljant. Gedurende tienduizend jaar landbouw en de daarbij behorende plantenveredeling was niemand tot soortgelijke conclusies gekomen. De resultaten veegden direct het idee van erfelijke vermenging van tafel, want al in de eerste generatie waren de nakomelingen overduidelijk géén soortgemiddelde van de ouders.
Een eenvoudig voorbeeld volstaat om de essentiële verschillen tussen het Mendelisme en erfelijke vermenging voor Darwins verhaal te illustreren. Stel dat organismen die allemaal het gen ‘A’ dragen zwart zijn, en die met het gen ‘a’ wit. We beginnen met twee individuen, waarvan één zwart en één wit, elk met twee kopieën van het bewuste gen (zie grafiek op pag. 83). Wanneer geen enkel gen dominant is over een ander, dan zullen zowel volgens erfelijke vermenging als volgens Mendeliaanse overerving de nakomelingen van zo’n paar de genencombinatie ‘Aa’ hebben – en dus allemaal grijs zijn.
Verwarring
Maar nu komt het cruciale verschil. In de theorie van erfelijke vermenging zouden ‘A’ en ‘a’ zich fysiek vermengen tot een nieuw type tussenliggend gen ‘A(1)’, dat aan de drager ervan de kleur grijs geeft. In de Mendeliaanse overerving, waarin alle genen onveranderd blijven, is zo’n tussengen onmogelijk. In de generatie kleinkinderen van het oorspronkelijke ouderpaar zullen volgens erfelijke vermenging alle nakomelingen grijs gekleurd zijn. Maar onder de Mendeliaanse overerving zijn ze zwart (‘AA’), wit (‘aa’) of grijs (‘Aa’). Met andere woorden: volgens de Mendeliaanse overerving worden extreme genetische vormen doorgegeven van generatie op generatie, waarbij de genetische variatie effectief bewaard blijft. Bij erfelijke vermenging daarentegen, dooft de genetische variatie onherroepelijk uit, omdat de extreme varianten al snel verdund worden tot tussenliggende vormen.
De onvermijdelijke conclusie is simpel: Darwins evolutietheorie kon alleen werken met Mendeliaanse overerving. Darwin was echter niet op de hoogte van Mendels genetica. Hoe verdedigde hij zich dan tegen Jenkins kritiek?
In een van zijn brieven aan collega-bioloog Alfred Russel Wallace biechtte Darwin na op dat Jenkin een punt had. ‘Ik was blind, en dacht dat enkele variaties veel vaker behouden zouden blijven dan, zoals ik nu inzie, mogelijk of waarschijnlijk is.’
Darwins blunder en trage herkennen van Jenkins punt weerspiegelde waarschijnlijk aan de ene kant de inhoudelijke moeilijkheden die hij had met erfelijkheid in het algemeen, en aan de andere een wellicht overdreven hechten aan het idee dat variaties zeldzaam moesten zijn. Het laatste zal gedeeltelijk te wijten zijn geweest aan zijn algemene theorie over voortplanting en ontwikkeling, waarin hij aannam dat alleen stressopwekkende invloeden tijdens de ontwikkeling variaties opriepen.
Maar Darwins verwarring over erfelijkheid ging dieper, zoals blijkt uit de volgende tegenstrijdige passage. Op zeker punt in Het ontstaan noteert Darwin: ‘Wanneer een kenmerk dat in een ras verloren is gegaan opnieuw verschijnt na een groot aantal generaties, is de meest waarschijnlijke hypothese niet dat de nakomeling plotseling weer gelijk wordt aan een voorouder die enkele honderden generaties verwijderd is. Maar wel dat er in iedere opeenvolgende generatie een tendens aanwezig was om het kenmerk in kwestie te reproduceren, en dat die uiteindelijk, onder onbekende gunstige omstandigheden, de overhand heeft gekregen.’
Daarmee verliet Darwin overduidelijk het speelveld van normale erfelijke vermenging, en schurkte in gedachten al in veel opzichten aan tegen Mendeliaanse overerving. Maar kennelijk daagde het niet bij Darwin om dat inzicht op te pakken bij zijn poging Jenkin van repliek te dienen. In plaats daarvan besloot Darwin de nadruk te verleggen van de eerdere rol die hij aan enkele variaties had toegekend, naar individuele verschillen (de hele reeks algemeen voorkomende minuscule verschillen tussen individuen, die, zo werd aangenomen, populatiebreed verspreid moesten zijn). Daarmee leverde hij het ‘ruwe materiaal’ waarop natuurlijke selectie kon inwerken. Met andere woorden: Darwin verliet zich nu op een continuüm aan variaties, om evolutie door natuurlijke selectie over vele generaties te laten plaatsvinden.
Monstrum
In een brief aan Wallace van 22 januari 1869 schreef een geagiteerde Darwin: ‘Ik heb mijn normale werk moeten onderbreken om een nieuwe editie van Het ontstaan te verzorgen. Het heeft mij veel werk gekost, en ik hoop dat ik twee of drie belangrijke punten aanmerkelijk heb verbeterd. Altijd al meende ik dat individuele verschillen belangrijker waren dan enkele variaties, maar nu ben ik ervan overtuigd dat zij (de individuele verschillen, red) van het opperste belang zijn. Daarin ben ik het met u eens. Fleeming Jenkins argumenten hebben mij overtuigd.’
In lijn met die overtuiging voegde Darwin in de vijfde editie van Het ontstaan enkele nieuwe alinea’s toe, waarvan er met name twee interessant zijn. In een daarvan gaf hij openlijk toe: ‘Ik zag al in dat het behoud van een voorkomende afwijking van vorm in de natuur, zoals een monstrum, een zeldzame aangelegenheid zou zijn; en dat zelfs als het behouden werd, het alweer verloren zou gaan door latere kruisingen met normale individuen. Toch zag ik pas na het lezen van een kundig artikel in de North British Review (1867) in hoe zelden enkele varianten, hoe gering of uitgesproken ook, blijven bestaan.’
In de andere alinea gaf Darwin zijn eigen korte samenvatting van Jenkins argument over verdunning ten beste. Het is fascinerend leesvoer, vanwege twee op het eerste gezicht kleine, maar zeer saillante afwijkingen van Jenkins oorspronkelijke tekst. Ten eerste neemt Darwin in de passage aan dat een ouderpaar tweehonderd nakomelingen krijgt, waarvan er twee overleven en zich voortplanten. Ondanks zijn gebrekkige wiskunde lijkt Darwin hiermee al in 1869 te hebben geanticipeerd op het argument van A.S. Davis in zijn brief aan Nature van 1871: wil een populatie niet uitsterven, dan zullen van elk ouderpaar gemiddeld twee nakomelingen moeten overleven.
Nog veel intrigerender is Darwins tweede aanname: slechts de helft van de nakomelingen van een mutatie erft de gunstige variatie. Dat gaat lijnrecht in tegen de voorspellingen van erfelijke vermenging.
Helaas was Darwin destijds niet in staat deze kiemen voor een alternatieve theorie voor erfelijke vermenging verder uit te werken, en legde hij zich zonder verdere discussie neer bij Jenkins conclusies.