Evolutie lijkt deel van veel bredere natuurwet
Wie aan evolutie denkt, denkt doorgaans aan Darwin en zijn theorie over de natuurlijke selectie van levende organismen. Maar wat als evolutie veel verder reikt dan alleen het biologische domein? Robert Hazen, mineraloog aan het Carnegie Institution for Science, gelooft dat Darwin niet ver genoeg keek. "Kijk eens uit het raam," zegt hij. "Je ziet bloemen, bomen, gebouwen, alles wat we hebben gecreëerd, inclusief onze taal. Hoe kunnen we verklaren dat alles op aarde en niet alleen levende wezens steeds rijker en complexer wordt?"
In een baanbrekend artikel, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, hebben Hazen en Michael Wong, astrobioloog bij Carnegie, een gedurfde hypothese voorgesteld. Ze stellen dat er een ontbrekende ‘natuurwet’ is die het concept van evolutie verbreedt, waardoor de complexiteit niet alleen in het leven, maar ook in mineralogie, chemie en zelfs in de kern van sterren toeneemt. Vorige week verwelkomden Wong en Hazen een diverse groep van bijna 100 zeer diverse wetenschappers, van microbiologie tot neurowetenschap, voor een workshop over hoe complexiteit ontstaat en evolueert. Deze bijeenkomst diende ook als conferentie over hun gedurfde voorstel, dat volgens Wong ‘een verklarend kader is voor de evolutie van fysieke systemen in het algemeen, inclusief, maar niet beperkt tot, biologie.’
Simpel gezegd beschrijft het artikel van Hazen en Wong hoe systemen die bestaan uit diverse, interactieve componenten, wanneer ze zich bevinden in omgevingen die sommige configuraties beter laten voortbestaan dan andere, onvermijdelijk zullen streven naar toestanden van ‘toenemende functionele informatie’. Met andere woorden: naarmate de tijd verstrijkt, zal een systeem diverser en complexer worden, verrijkt met de functies die nodig zijn voor overleving, door een vorm van natuurlijke selectie. Biologische evolutie, waarbij toevallige DNA-mutaties zorgen voor de configuraties die voortbestaan door reproductie en natuurlijke selectie, zou dan slechts een onderdeel zijn van deze bredere wet.
Voor velen is dit een aantrekkelijk idee. Loren Williams, een biochemicus aan het Georgia Institute of Technology die de oorsprong van het leven bestudeert en de workshop bijwoonde, zegt: "Voor mij is het duidelijk dat er evolutie is buiten de biologie." Hij wijst op de polypeptide-ruggengraat, de keten van moleculen die de basis vormt van alle aminozuren. "De biologische evolutie raakt dat niet aan. Het is hetzelfde in alles wat leeft en is altijd zo geweest. Maar het is een product van evolutie, daar ben ik van overtuigd." Volgens hem vond die evolutie plaats voordat het leven begon. "Toen Hazen en zijn co-auteurs hun overkoepelende theorie voorstelden, resoneerde dat meteen bij mij."
Het idee vindt zijn oorsprong in de bijna twee decennia die Hazen heeft besteed aan het documenteren van de evolutie van mineralen, de kristallijne bouwstenen van gesteenten. In de geschiedenis van de aarde evolueerden mineralen van slechts enkele tientallen aan het begin tot duizenden soorten vandaag de dag. De vroegste vormen van calciet op aarde ontwikkelden zich bijvoorbeeld door de waterrijke veranderingen van meteorieten; later begonnen microben andere calcietstructuren te bouwen, zo'n 2,5 miljard jaar geleden, terwijl slakken en schelpen pas 100 miljoen jaar geleden nieuwe combinaties creëerden.
Toen Hazen het idee voor het eerst in 2008 naar voren bracht, waren collega's sceptisch. "Het was als een verhaaltje uit een boekje," zegt hij. Maar sindsdien heeft onderzoek dat duizenden mineralen koppelt aan de data waarop ze voor het eerst verschenen in het geologische archief bevestigd dat ze een boom vormen die zich in de loop van de tijd vertakt, vergelijkbaar met fylogenetische bomen in de biologie. Deze discipline begint nu nauwkeurig te bepalen waar en wanneer bepaalde kostbare of kritieke mineralen verschenen en in welke gesteenten, iets wat niet onopgemerkt is gebleven door de mijnindustrie. "Er is een oude uitdrukking: goud is waar je het vindt," zegt Hazen. "Welnu, nu zeggen we dat goud is waar onze machine learning-algoritmen voorspellen dat het zal zijn."
Mineralen zijn ook de meest ontwikkelde casestudy voor de nieuwe wet van Hazen en Wong. In een artikel gepubliceerd in juli in PNAS Nexus lopen ze door meerdere stadia van minerale evolutie, waarbij ze het aantal mogelijke minerale chemische configuraties berekenen en aantonen dat in de loop van de tijd het aantal van deze mineralen dat blijft bestaan gestaag toeneemt, een groei in hun totale functionele informatie.
Hoewel sommigen het idee van Hazen en Wong accepteren, betwijfelen ze of het noodzakelijkerwijs tot een nieuwe natuurwet verheven moet worden. "Ik zou het geen nieuwe natuurwet noemen, om de natuurkundigen niet boos te maken," zegt Johannes Jäger, een systeembioloog die een project leidt over de biologie van agency aan de Universiteit van Wenen. Anderen zeggen dat het niet gemakkelijk hypotheses genereert om te testen. "We kunnen het nog niet echt gebruiken," zegt Elisa Biondi, astrobioloog bij de Foundation for Applied Molecular Evolution, hoewel ze benadrukt dat ze het idee waardeert. "Althans, niet voor de algemeenheid die ze proberen te dekken."
Desalniettemin lijken Hazen en Wong aanhangers te winnen in andere vakgebieden. "Toen ik het artikel voor het eerst zag, kon ik twee nachten niet slapen," zegt Frédéric Thomas, evolutionair bioloog aan de Universiteit van Montpellier die tumorgroei bestudeert. In tegenstelling tot de cellen waaruit ze bestaan en de dieren die ze doden, volgen tumoren zelf niet de traditionele Darwiniaanse evolutie: een tumor streeft er niet naar zich voort te planten of concurreert meestal niet met andere tumoren in een orgaan. "Maar we weten dat bepaalde tumoren evolueren en complexer en geavanceerder worden," zegt Thomas. In een studie gepubliceerd in september in Evolution, Medicine, & Public Health, lenen Thomas en zijn collega's van Hazen en Wong in hun beschrijving van tumorevolutie.
De hypothese van het duo is ook overgenomen in de microbiële ecologie. In een preprint die eerder dit jaar is gepost op EcoEvoRxiv, passen twee mycorrhiza-ecologen, Nancy Johnson van de Northern Arizona University en César Marín van de Universiteit van Santo Tomas, het idee aan om ‘functionele teamselectie’ voor te stellen als een manier om te verklaren hoe inheemse planten en hun wortels elk jaar verschillende combinaties van bodemmicroben en schimmels selecteren om hun veerkracht tegen verstoringen te vergroten. "Deze wet is echt noodzakelijk," zegt Johnson. "In mijn wereld, in de microbiële ecologie, is het zo behulpzaam."
Zelfs in de computerwetenschappen zijn er echo's van het idee te vinden, met onderzoek naar kunstmatige intelligentie. "Ik sta er volledig achter," zegt Blaise Agüera y Arcas, Chief Technology Officer van technologie & samenleving bij Google. "Wat blijft bestaan, bestaat."
Tijdens de workshop presenteerde Agüera y Arcas het werk dat zijn team heeft gedaan met behulp van minimalistische programmeertalen om willekeurige reeksen computerinstructies te creëren in een virtuele soep, gepubliceerd als een preprint op arXiv in augustus. In elke ronde worden twee codereeksen samengevoegd, uitgevoerd en weer uit elkaar gehaald. Er worden geen mutaties toegevoegd en de omgeving heeft geen fitnessdruk. In eerste instantie leverde dit niets op, alleen fouten wanneer de gecombineerde codes werden uitgevoerd. Maar na miljoenen rondes ontstond er complexe code, alsof er een natuurlijke evolutionaire wet aan het werk was.
Het was lastig om uit te zoeken wat deze complexe, lusvormige codefragmenten aan het doen waren, zei hij. "Maar wat ze natuurlijk aan het doen waren, was reproduceren."
Het voorstel van Hazen en Wong opent nieuwe perspectieven op hoe we evolutie en complexiteit kunnen begrijpen. Het stelt dat er universele principes zijn die de groei van complexiteit in alle systemen sturen en niet alleen in het leven zoals we dat uit de evolutietheorie kennen. Hoewel er nog vragen zijn over de toetsbaarheid en de status als natuurwet, biedt het een kader dat onderzoekers in verschillende disciplines kan inspireren en nieuwe richtingen kan geven.
De komende jaren zullen uitwijzen of deze hypothese standhoudt en of het inderdaad de basis kan leggen voor een nieuwe tak van de wetenschap die de evolutie van complexiteit in het universum verklaart. Tot die tijd zet het wetenschappelijke gemeenschap aan tot nadenken en discussie, wat op zichzelf natuurlijk al een waardevolle bijdrage is aan onze zoektocht naar kennis.
