Fenotypische plasticiteit: omgeving bepaalt welke genen aan staan of uitgeschakeld zijn.

Geen twee cellen of mensen zijn hetzelfde, ook al zijn ze genetisch hetzelfde. Ook de omgeving bepaalt wie je bent en hoe je eruit ziet. Dat komt door fenotypische plasticiteit, een proces waarbij omgevingsfactoren een individu een compleet ander uiterlijk en gedrag kunnen geven, terwijl de genetische volgorde hetzelfde blijft. Omgevingsfactoren bepalen namelijk welke genen tot expressie worden gebracht.

Het klimaat verandert. We krijgen meer hittegolven, overstromingen en zeespiegelstijgingen. En niet alleen vandaag de dag verandert het klimaat. Dat doet het al miljarden jaren lang. En hoe gaat de natuur daar mee om? Die heeft 3 keuzes. Soorten sterven uit, ze verplaatsen zich of ze passen zich aan. Maar hoe passen ze zich dan aan? Gaan ze wachten tot de juiste mutatie ontstaat of maken ze gebruik van een proces genaamd fenotypische plasticiteit.

Fenotypische plasticiteit bij de mens

Fenotypische plasticiteit betekent dat omgevingsfactoren een individu een compleet ander uiterlijk en gedrag kunnen geven terwijl de genetische volgorde hetzelfde blijft. Het komt bij alle organismen voor en heeft invloed op allerlei eigenschappen zoals kleur, grootte of vorm van organismen, maar ook in het gedrag, zoals reproductie, levensduur en groeisnelheid.

Zo heb ik vandaag bijvoorbeeld in de zon gelegen en ben ik bruiner geworden. Daarna ben ik gaan hardlopen, waardoor ik meer spierweefsel krijg en af val. Als ik in mijn leven minder had gerookt en gedronken zou mijn huid er een stuk beter uit hebben gezien en had ik minder kans op kanker. Mijn verleden heeft ook mijn gedrag bepaald. Misschien was ik heel anders geweest als ik in Papoea was opgegroeid. En dat alles gebeurt terwijl mijn genen hetzelfde blijven. Andere voorbeelden van fenotypische plasticiteit bij de mens is dat de mens ouder en langer wordt dan 100 jaar geleden door betere voeding. Ook schijnen mannen meer en beter sperma te produceren als ze naar plaatjes kijken met seksueel rivaliserende mannen ​​(twee mannen, één vrouw). De competitiedrang wordt groter. Al die veranderingen in uiterlijk en gedrag zijn een reactie op omgevingsfactoren.

Fenotypische plasticiteit in het dierenrijk

Een van de meest extreme en bekendste vormen van fenotypische plasticiteit die bekend is, zijn de verschillende kasten bij sociale insecten. Ondanks dat ze hetzelfde genoom hebben, zijn de grootte, vorm en het gedrag van koninginnen en werksters vaak radicaal verschillend. Dat verschil wordt aangestuurd door de verschillende omgeving waarin ze opgroeien.

En ook de vlinder Bicyclus anynana wordt steeds vaker gebruikt als model om het fenomeen fenotypische plasticiteit te bestuderen, legt promovendus Ana Rita Mateus uit in haar promotieonderzoek. Zij laat zien hoe een tropisch vlindertje zich aanpast aan zijn omgeving en zo betere overlevingskansen creëert. ”Vlinders die leven in het natte seizoen hebben over het algemeen grote oogvlekken op hun vleugels, vlinders in het droge seizoen hebben veel kleinere vlekken. Deze vleugelpatronen corresponderen met strategieën om te voorkomen dat de vlinders worden opgegeten door vijanden die op dat moment aanwezig zijn”, schrijft ze.

Genenexpressie

Niet alleen meercelligen, zoals dieren en mensen, maken gebruik van fenotypische plasticiteit. Ook geen twee cellen in je lichaam zijn hetzelfde ook al hebben ze hetzelfde genoom. Je huidcellen hebben hetzelfde DNA als je zenuwcellen, maar werken totaal verschillend. Zelfs twee zenuwcellen zijn niet hetzelfde, zo bioloog Ecker in zijn wetenschappelijk artikel. Volgens hem veroorzaakt het verschil in genetische aansturing, de epigenetica, deze diversiteit. ” Epigenetische en genexpressievariabiliteit zijn belangrijke bijdragen aan fenotypische plasticiteit”, zo schrijft hij. Epigenetica is een extra mechanisme die zich ‘bovenop’ het DNA bevindt en de genen instructies geeft. Het verandert dus niet de genetische code maar bepaalt hoe de cel de genen leest en tot expressie brengt. Ook hoe het DNA ‘opgevouwen’ ligt in de kern veroorzaakt verschillen, schrijft Ecker. ”Het zijn mechanismen waardoor cellen en organismen zich kunnen aanpassen aan en evolueren naar een veranderende omgeving.”

Een mooi voorbeeld is een experiment van NASA met de identieke tweeling Mike en Scott Kelly. Scott verbleef een jaar in de ruimte terwijl zijn broer op aarde vertoefte. Na terugkeer bekeken onderzoekers het verschil in genenexpressie tussen die twee. Scotts genenexpressie verschilde na terugkomst met die van Mike. Rond 93% van de genen van Scott gingen zich na landing op aarde weer normaal gedragen, maar de resterende 7% niet. Het gaat dan voornamelijk om genen die een rol spelen in het immuunsysteem en DNA-herstel.

Klimaatverandering

Dus hoe gaan soorten om met (klimaat)verandering? Maken ze gebruik van fenotypische plasticiteit of zullen de genen moeten muteren? Volgens bioloog Romero-Mujalli hangt dat onder andere af van hoeveel nakomelingen een soort krijgt. Soorten die zich seksueel voortplanten en weinig nakomelingen produceren maken meer gebruik van fenotypische plasticiteit. Volgens zijn onderzoek komen positieve mutaties te weinig voor om voordelig te zijn voor soorten met weinig nakomelingen. De helft van de mutaties zou voordelig moeten zijn om een snelle klimaatverandering te overleven. ”Dat is nogal onwaarschijnlijk”, schijft hij. ”Ze zullen reageren op veranderende omgevingen niet door genetische verandering, maar voornamelijk door fenotypische plasticiteit. Zonder het vermogen tot een plastische reactie kunnen dergelijke soorten – lokaal – uitsterven.”

Voor soorten met meer nakomelingen heeft hij meer hoop dat mutaties hun leven redden. ”Organismen die meer nakomelingen per vrouwtje produceren, kunnen omgevingsfluctuaties het hoofd bieden door alleen te vertrouwen op genetische veranderingen, tenzij de snelheid van omgevingsverandering te hoog is.”

Bronnen: Romero-Mujalli, Simone Ecker, WUR, Miguel Corona, Mateus