Inleiding
'Irreducible complexity' (of onherleidbare complexiteit) is een eenvoudig concept en wordt door Michael Behe aangevoerd als een argument pro intelligent ontwerp. Volgens Behe is een systeem onherleidbaar complex als het zijn functie verliest wanneer een (willekeurig) onderdeel verwijderd wordt. Dat wil dus zeggen dat elk onderdeeltje van een systeem absoluut noodzakelijk is voor het functioneren van het geheel. Behe denkt dat onherleidbaar complexe systemen niet kunnen evolueren via directe, graduele evolutionaire mechanismen. Nochtans kunnen gewone genetische processen gemakkelijk zulke systemen produceren. Bijna een eeuw geleden, werden deze exacte systemen voorspeld, beschreven en verklaard door de geneticus en Nobelprijs winnaar H.J. Muller met gebruik van evolutionaire theorie. Dus, zoals verder uitgelegd, zijn zogenaamde onherleidbaar complexe structuren in feite evolueerbaar en reduceerbaar. Behe gaf het concept een slechte naam.
Behes manke argument Behe stelt dat onherleidbaar complexe systemen niet kunnen ontstaan door graduele evolutie. Waarom niet? Zijn redenering gaat als volgt:
- Directe, graduele evolutie verloopt enkel via stapsgewijze additie van onderdelen.
- Een onherleidbaar complex systeem zonder een bepaald onderdeel is, per definitie, niet functioneel.
- Daarom moeten alle directe graduele evolutionaire voorlopers van een onherleidbaar complex systeem disfunctioneel zijn.
Natuurlijk is dat argument foutief omdat de eerste premisse fout is: graduele evolutie kan veel meer doen dan enkel onderdelen bijvoegen. Evolutie kan ook onderdelen veranderen of verwijderen. Daarentegen, als Behe de evolutie van een systeem of structuur bekijkt, probeert hij het te herleiden naar iets meer basisch door enkel onderdelen er af te splitsen (de additie van onderdelen omkeren). Daarom kan onreduceerbare complexiteit ons niets bruikbaars vertellen over hoe een structuur al dan niet evolueerde.
De Mulleriaanse twee-stap
Nu we Behe’s fout hebben blootgelegd, hebben we meteen het beschamend gemakkelijke antwoord op zijn raadsel. Slechts 2 stappen zijn nodig om gradueel een onherleidbaar complex systeem te evolueren uit een functionele voorloper:
- Voeg een onderdeel toe.
- Maak het noodzakelijk.
Zo simpel is het. Na deze 2 stappen zal het verwijderen van het onderdeel het functioneren van het systeem teniet doen (dus het is onherleidbaar complex), maar het systeem is toch direct en gradueel ontstaan uit een simpeler en functionele voorloper. En dit is nu net hetgeen Behe onmogelijk acht.
Als een wetenschappelijke verklaring is de Mulleriaanse twee-stap zeer algemeen en krachtig, sinds het onafhankelijk is van de biologische kenmerken van het systeem in kwestie. Voorwaar, beide stappen kunnen simultaan gebeuren, in een enkele gebeurtenis, zelfs een enkele mutatie. De functie van het systeem kan constant blijven gedurende dit proces of ze kan veranderen. De stappen kunnen functioneel voordelig zijn (adaptief) of niet (neutraal). We hoeven zelfs geen beroep te doen op natuurlijke selectie in het proces – genetische drift of neutrale evolutie volstaat. Het aantal mogelijke manieren om een onderdeel aan een biologische structuur toe te voegen is praktisch ongelimiteerd, net als het aantal manieren om een systeem te veranderen zodat het onderdeel functioneel noodzakelijk wordt. Gewone, ordinaire genetische processen kunnen gemakkelijk beide processen bewerkstelligen.
Voorbeeld 1: de stenen brug
Een stenen brug geeft een goede illustratie van de Mulleriaanse twee-stap. Beschouw een ruwe ‘precursor’ brug gemaakt van drie stenen (Fig 1). Je kan van begin tot eind over de 3 stenen wandelen, dus de brug overspant een gebied en is derhalve functioneel. Als eerste stap van de Mulleriaanse twee-stap voegen we een onderdeel toe: een platte steen bovenop alle drie de onderste stenen (Fig 2). Of dit nu de functionaliteit van de brug verbetert of niet is irrelevant – dit kan of niet, de brug werkt nog steeds en niet slechter dan daarvoor. In de tweede stap van de Mulleriaanse twee-stap verwijderen we de middelste onderste steen (Fig 3). Voila, we hebben nu een onherleidbaar complexe brug, vermits de laatste stap de platte steen (het toegevoegde onderdeel) noodzakelijk heeft gemaakt voor het functioneren van de brug. Het is nu onmogelijk 1 van de stenen te verwijderen zonder de functie van de brug teniet te doen
Fig. 1: de precursor brug met drie stenen
Fig. 2: stap 1, een onderdeel bijvoegen (de platte steen)
Fig. 3: stap 2, het onderdeel noodzakelijk maken. We hebben nu een functionele, onherleidbaar complexe brug.
Voorbeeld 2: hoe pentachlorofenol te eten
Beter dan een abstract voorbeeld, is er eentje uit de praktijk. Pentachlorofenol (PCP) is een heel toxische chemische stof, voor zover bekend niet natuurlijk voorkomend, dat gebruikt wordt als beschermingsmiddel voor hout sinds de jaren dertig van vorige eeuw. Men erkend het nu als een gevaarlijke vervuilende stof die opgeruimd moet worden. Maar hoe?
Evolutie helpt een handje. Enkele bodem bacteriën kunnen PCP afbreken en zelfs 'opeten' (gebruiken). En, handig voor dit relaas, ze doen het op een onherleidbaar complexe manier. De best bekende van deze bacteriën is Sphingomonas chlorophenolica. De PCP molecule is een ring van zes koolstof atomen met vijf chloor atomen en één hydroxyl (OH) groep eraan vast. Chloor en de ring structuur vormen beide een probleem voor bacteriën, chloor omdat het geen natuurlijk verbinding is en er dus weinig of geen enzymen geëvolueerd zijn om ermee om te gaan en de ring structuur omdat het een erg stevige verbinding is die niet gemakkelijk te verbreken valt. S. chlorophenolica gebruikt 3 opeenvolgende enzymen om PCP af te breken: het eerste vervangt 1 chloor met OH. De resulterende verbinding is toxisch, maar niet zo erg als PCP. Het tweede enzym kan op deze verbinding inwerken en in successie 2 chloor atomen vervangen door waterstof atomen. Het resultaat is nog steeds giftig, maar weerom een stuk gemakkelijker om mee te werken en het derde enzym kan uiteindelijk de ring open breken. Op dit punt is wat er over is van PCP goed op weg om voedsel te worden voor de bacterie.
Alle drie de enzymen zijn vereist in het zonet beschreven stappenplan, dus we hebben onreduceerbare complexiteit? Hoe kan dit onherleidbaar complexe systeem geëvolueerd zijn? Eerstens, bacteriën van dit type konden reeds enkele mildere chlorofenolen die natuurlijk in kleine hoeveelheden voorkomen metaboliseren. Het eerste en derde enzym worden hiervoor gebruikt. De cel produceert dus deze enzymen als er chlorofenolen aanwezig zijn. Het tweede enzym (PcpC) is het interessantste; de cel produceert het continu in voldoende mate om effectief te zijn ipv enkel wanneer het nodig is (d.i. aanwezigheid van substraat). Vanwege deze ongewone situatie is er telkens zowiezo PcpC beschikbaar als er PCP te verwerken valt.
De inefficiënte regulatie van PcpC is klaarblijkelijk de sleutel tot het hele proces. Voor zover biologen kunnen zien, is een recente mutatie dat de productie van dit enzym veranderde wat de PCP degradatie mogelijk heeft gemaakt voor de bacteriën (dit is de ‘voeg toe en maak noodzakelijk stap’). Het is ook zo dat PcpC en het eerste enzym in de keten nu lichtjes geoptimaliseerd zijn om met PCP om te gaan; ze verwerken het beter dan de corresponderende enzymen in stammen van S. chlorophenolica die PcpC enkel in de normale rol gebruiken (geen continu productie), maar zeker nog niet zo goed als men zou verwachten voor een oud en goed aangepast systeem. Deze factoren, samen met het feit dat PCP voor zover we weten niet natuurlijk voorkomt, maken een sterke omstandige case dat dit systeem zeer recent is geëvolueerd.
De chemie en waarschijnlijke evolutie van dit systeem worden in veel groter detail uitgelegd in Shelly Copley’s artikel “Evolution of a metabolic pathway for degradation of a toxic xenobiotic: the patchwork approach” in Trends in Biochemical Sciences.