E. coli-experiment Richard Lenski: bewijs voor evolutie?

De evolutiebioloog en uitgesproken atheïst Richard Dawkins schreef in 2009 het boek 'Het grootste spektakel ter wereld' (Engels: The greatest show on earth'). Volgens de achterflap maakt Dawkins 'voor eens en voor altijd duidelijk dat evolutie bewezen is en boven alle twijfel verheven'. Bij kritische bestudering blijken Dawkins' bewijzen helemaal geen bewijzen voor het idee dat alle levensvormen vanuit één cel zijn ontstaan. Zo is volgens Dawkins het E. coli-experiment van Richard Lenski 'voor creationisten verontrustend' en wel doordat ze een 'prachtig voorbeeld zijn van evolutie in actie'.¹ Heeft Dawkins het hier bij het rechte eind of slaat hij de plank mis?

E. coli-experiment Richard Lenski: bewijs voor evolutie?

• 'Bacteriën zijn voor de evolutiebioloog een onbetaalbaar geschenk'
• E. Coli-experiment van Richard Lenski
• Evolutie in actie?
• Wat is er veranderd?
• Adaptatie
• Geen evolutie

'Bacteriën zijn voor de evolutiebioloog een onbetaalbaar geschenk'

Dawkins beweert in zijn boek 'Het grootste spektakel ter wereld' dat 'bacteriën voor de evolutiebioloog een onbetaalbaar geschenk zijn'.[2] Hij haalt daarbij het E. coli-experiment van Richard Lenski aan, die van 1988 tot 2008 met zijn team twaalf populaties van een E. coli-stam heeft onderworpen aan een langdurig en grondig onderzoek. Het ging dus om twaalf parallelle, onderling gescheiden lijnen. De generatietijd van deze E.coli‘s is ongeveer 3,5 uur; hij kwam tot circa 45.000 generaties. Om dat in perspectief te plaatsen: 45.000 menselijke generaties staat gelijk aan ongeveer één miljoen jaar. "We kunnen die bacteriën laten herleven en vergelijken met levende cellen van verschillende generaties. We kunnen ze zelfs laten concurreren met hun eigen voorouders van duizend generaties eerder", beschrijft Lenski ergens.[3] Via genoomtechnieken zouden in principe alle successieve mutaties opgespoord kunnen worden.

E. Coli-experiment van Richard Lenski

Richard Lenski van de Michigan State University begon zijn proef in 1988 met één E. coli, die hij liet uitgroeien tot een kolonie en vervolgens verdeelde hij de kolonie over twaalf erlenmeyers (een kegelvormige fles met een cilindrische hals).[4] Hierin zaten dus genetisch identieke bacteriën. Hij liet de bacteriën zich vermenigvuldigen op een voedingsbodem van glucose, een lekkernij voor E-coli, en citraat, dat E. coli niet als voedingsbron kan gebruiken, wanneer zuurstof aanwezig is in de omgeving waarin ze groeien. Elke dag entte Lenski één procent van iedere cultuur in een verse erlenmeyer. Van de rest vroor hij af en toe wat in: het 'fossiele archief' van het experiment. De voedselvoorraad was beperkt, zodat er in de loop van de dag een voedseltekort ontstond. De populatie in de kolf vermeerderde zichzelf enorm en bereikte dus vervolgens een grens omdat ze door het voedsel heen waren. Aan het einde van de dag werd een klein monster, precies eenhonderste van het volume van de oude kolf, eruit gezogen en in een nieuwe kolf gespoten, die een verse voorraad glucose bevatte.

Glucose was echter niet de enige voedingsstof in het brouwsel. Een andere energiebron was citraat. Het brouwsel bevatte hier flinke hoeveelheden van. Normaal gesproken is E. coli niet in staat dit te gebruiken wanneer zuurstof aanwezig is in de omgeving waarin ze groeien. Na 31.500 generaties vond Lenski echter een kweek van E. coli die citraat als voedingsbron kon gebruiken wanneer zuurstof aanwezig was. Deze aanpassing wordt gepresenteerd als bewijs van evolutionaire verandering.

Evolutie in actie?

Volgens Dawkins zijn Lenski's experimenten voor creationisten verontrustend, en wel om een heel goede reden: "Ze zijn een prachtig voorbeeld van evolutie in actie".[5] Diane Eager merkt hierover op:

"E coli was first classified in 1885 and using all the criteria used at that time, any claimed change is still regarded as so insignificant that E. coli is still classified as the same species of bacteria, i.e. E. coli. For all practical purposes the bacteria have multiplied after their kind for many thousands of generations, which is what creationists claim they were made to do. Lenski’s bacteria are still the same species after twenty years of sub-culturing."[6]

De vraag is dan ook wat er is veranderd, hoe het is veranderd en of er überhaupt sprake is van evolutie.

Wat is er veranderd?

Een E. coli-populatie (stam Ara-3) verwierf het vermogen om naast glucose ook citraat als voedingsbron te gebruiken. De hoeveelheid toegankelijk voedsel in alle daaropvolgende kolven was plots groter en hetzelfde gold voor de bovengrens waarop de populatie in iedere daaropvolgende kolf zich stabiliseerde. Deze nieuwe energiebron (citraat) konden ze normaal gesproken niet gebruiken in aanwezigheid van zuurstof (onder aërobe omstandigheden). Het is belangrijk op te merken dat E. coli reeds de mogelijkheid heeft om citraat te transporteren en te metaboliseren, maar de bacterie kan dit niet doen in oxische omstandigheden. De (wilde) bacterie beschikt dus over een proteïne of eiwit om citraat naar de cel te transporteren, alleen niet in aanwezigheid van zuurstof en voorts zijn alle andere enzymen die nodig zijn om citraat te metaboliseren reeds aanwezig[7]:

"The gene for the citrate transporter, citT, that works in the absence of oxygen is directly upstream from the genes for two other proteins that have promoters that are active in the presence of oxygen. A duplication of a segment of this region serendipitously placed the citT gene next to one of these promoters, so the citT gene could then be expressed in the presence of oxygen. Gene duplication is a type of mutation that is known to be fairly common, so this result, although requiring a great deal of careful research to pin down, is unsurprising."[8]

Na verloop van tijd was de mutant beter in staat gebruik te maken van citraat. Dit was te danken aan meerdere duplicaties van het gemuteerde gengebied. Genduplicatie of verdubbeling van genen is een vrij algemeen proces en het is dan ook niet verrassend dat dit optrad. De Ara-3-stam heeft echter nog een andere mutatie ondergaan. Het blijkt dat de oorspronkelijke E. coli waarmee Lenski tientallen jaren geleden begon, niet kon profiteren van de genverdubbeling die een zuurstof-tolerante promoter en een citT-gen samenbracht. Voordat het hiervan kan profiteren, moet er eerst een mutatie plaatsvinden in de bacterie in een ander gebied dan waar de citraat-metabolisme genen zich bevinden. Lenski en zijn medewerkers hebben echter niet kunnen vaststellen om welke mutatie het precies gaat. De biochemicus en aanhanger van intelligent design Michael Behe schrijft hierover:

"However, they examined the bacterium for mutations that may contribute to potentiation, and speculated that 'A mutation in arcB, which encodes a histidine kinase, is noteworthy because disabling that gene upregulates the tricarboxylic acid cycle.' (They tried, but were unable to test this hypothesis.) In other words, the 'potentiation' may involve degradation of an unrelated gene."[9]

Behe merkt op dat ondanks het visueel verrassende resultaat van het experiment van Lenski, de kolf met de Ara-3-stam werd helemaal ondoorzichtig vanwege de overgroei van bacteriën op citraat, er op moleculair niveau, de biochemie, niets nieuws gebeurde.[10] En dat heb je wel nodig om 'evolutie in actie' te zien.

Adaptatie

We nemen variatie, mutatie en natuurlijke selectie in de natuur waar. Dat is boven iedere twijfel verheven en daar is dan ook geen discussie over tussen evolutionisten en creationisten. Evolutionisten noemen deze processen 'evolutie', en daarom stellen ze dat evolutie waar is. Maar als dat zo is, geloven creationisten ook in evolutie. Bij een veronderstelde evolutie van 'eencellige tot mens' moet er echter sprake zijn van een opeenstapeling van niet-repareerbare, voordelige, code-uitbreidende, overerfbare mutaties waarbij de lengte van het DNA groeit dankzij het disfunctioneren van de mutatiebescherming – de herstelmechanismen om onvermijdelijke fouten bij de replicatie van DNA te kunnen herstellen.[11] In het experiment van Lenski is evenwel geen sprake van het toevoegen van nieuwe, code-uitbreidende genetische informatie. Derhalve is een E. coli bacterie die in staat is om citraten te verwerken onder zuurstofbevattende (oxische) condities geen voorbeeld van evolutie maar van adaptatie, aangezien de informatie en de infrastructuur daarvoor reeds aanwezig is.

Aanpassingsmechanismen (adaptatie) in bacteriën werken door het veranderen van reeds aanwezige genetische informatie of functiesystemen die de bacteriën geschikter maken om te (over)leven in een bepaalde omgeving. Voor dit proces van adaptatie (letterlijk: aanpassing) raakt de populatie steeds beter aangepast aan het leven in de kolf, waarbij ze op rantsoen gezet zijn (beperkte hoeveelheid glucose) maar er wel een alternatieve voedingsbron aanwezig is in de vorm van citraat. Er is daarbij geen sprake van een mutationele verandering of een reeks van veranderingen die hebben geleid tot de productie van nieuwe proteïnen, die een specifieke en tot dan toe onbekende activiteit, taak of functie kunnen uitvoeren.

E. coli bezit reeds de genen die nodig zijn voor het transport van citraten naar de cel en het daaropvolgende gebruik ervan. Het enige wat moest gebeuren was het verplaatsen van het citraat-transport-gen naar een nabijgelegen promotor die actief is in een specifieke omgeving. Het gaat om een activering van een reeds bestaande functie in een andere omgeving, namelijk met een hoog zuurstofniveau. In het experiment is geen nieuwe genetische informatie toegevoegd; de onderhavige verandering betekent zelfs verlies aan ordening.

Geen evolutie

Het experiment van Lenski heeft kortom "geen relevantie voor het ontstaan van enzymen en katalytische routes die evolutie zouden moeten kunnen verklaren".[12] De uitkomsten van het experiment zouden voor Dawkins verontrustend moeten zijn: het is veelzeggend dat er na zoveel generaties E. coli in een gecontroleerde laboratoriumomgeving nog geen greintje bewijs is voor het optreden van (opwaartse) evolutie.

Mutaties die leiden tot aanpassing, zogeheten 'adaptieve mutaties', kunnen gemakkelijk binnen een creationistisch model ingepast worden waarbij adaptieve mechanismen een ontwerpkenmerk zijn van bacteriën waardoor ze in staat zijn om te overleven in een gevallen wereld.[13] E. coli beschikt reeds over de mogelijkheid om citraat te vervoeren en te gebruiken. Onder bepaalde omstandigheden (schaarste van glucose en de aanwezigheid van citraat als energiebron) is het alleszins redelijk om te veronderstellen dat ze zich op een gegeven ogenblik aanpassen en de mogelijkheid verwerven om citraat te gebruiken onder aërobe omstandigheden.[14] Hiertoe hoefde er géén nieuwe genetische informatie of functionele systemen toegevoegd worden.

Kortom, er trad adaptatie op en geen (opwaartse) evolutie. Dit past prima binnen een creationistisch model.

Noten:

1. Richard Dawkins. Het grootste spektakel ter wereld: bewijs voor evolutie. Nieuw Amsterdam Uitgevers, tweede druk december 2009, p. 111.
2. Ibid.
3. Gert van Maanen. Jubilerend bacterie-experiment maakt evolutie herhaalbaar. Bionieuws, editie 4, 02-03-2013, http://www.bionieuws.nl/artikel.php?id=7359&print=1 (voor de laatste keer geraadpleegd op 24 september 2015)
4. Blount, Z., C. Borland, and R. Lenski. 2008. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. PNAS 105, no. 23:7899–7906.
5. Richard Dawkins. Het grootste spektakel ter wereld: bewijs voor evolutie. Nieuw Amsterdam Uitgevers, tweede druk december 2009, p. 111.
6. Diane Eager. Bacteria Evolution: Lenski’s E coli experiment. Has it shown bacteria can evolve new information. 17 april 2012, Http://askjohnmackay.com/bacteria-evolution-lenskis-e-coli-experiment-bacteria-evove-information (voor de laatste keer geraadpleegd op 23 september 2015)
7. Blount, Z., J. Barrick, C. Davidson, R. Lenski. 2012. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature 489:513–518.
8. Michael Behe. Rose-Colored Glasses: Lenski, Citrate, and BioLogos. 13 november 2012, http://www.evolutionnews.org/2012/11/rose-colored_gl066361.html (voor de laatste keer geraadpleegd op 24 september 2015)
9. Ibid.
10. Ibid.
11. Wim de Jong en Hans Degens. Schepping en evolutie: de wetenschappelijke stand van zaken. http://www.evoskepsis.nl/docs/ForumC%20bijdrageDeJong-Degens.pdf (voor de laatste keer geraadpleegd op 24 september 2015)
12. "No relevance to the origin of enzymes and catalytic pathways that evolution is supposed to explain". Don Batten. Bacteria ‘evolving in the lab’? ‘A poke in the eye for anti-evolutionists’? 14 juni 2008, http://creation.com/bacteria-evolving-in-the-lab-lenski-citrate-digesting-e-coli (voor de laatste keer geraadpleegd op 24 september 2015)
13. Georgia Purdom and Joseph Francis, “Proceedings of the Microbe Forum, June 2007,” Answers Research Journal 1 (2008): 1–6.
14. Dat zit zo lang duurde komt doordat er meerdere mutaties voor nodig waren. Dit zou evolutionisten te denken moeten geven. Behe schrijft te dienaangaande: "In my own view, in retrospect, the most surprising aspect of the oxygen-tolerant citT mutation was that it proved so difficult to achieve. If, before Lenski's work was done, someone had sketched for me a cartoon of the original duplication that produced the metabolic change, I would have assumed that would be sufficient -- that a single step could achieve it. The fact that it was considerably more difficult than that goes to show that even skeptics like myself overestimate the power of the Darwinian mechanism." (Michael Behe. Rose-Colored Glasses: Lenski, Citrate, and BioLogos. 13 november 2012, http://www.evolutionnews.org/2012/11/rose-colored_gl066361.html (voor de laatste keer geraadpleegd op 24 september 2015))

Lees verder

• Evolutie en geloof: evolutietheorie is een mythe, geen feit
• Nervus laryngeus recurrens: (geen) bewijs van slecht ontwerp
• Nutteloze lichaamsdelen? - Over evolutie en ontwerp
• Zaadleider: bewijs van slecht ontwerp? – Richard Dawkins
• Evolutie als filosofisch argument tegen het naturalisme