In 2006 vloog er een antenne mee de ruimte in die niet door een ingenieur getekend was. Een computerprogramma had haar gekweekt: het maakte honderden varianten, rekende elk ervan door, hield de beste over en begon opnieuw, ronde na ronde. De uitkomst zag eruit als een verbogen paperclip en werkte beter dan het ontwerp van de antennebouwer. Het is een mooi verhaal. Het wordt dan ook dikwijls verteld.
Het wordt ook dikwijls verkeerd verteld, en wel als bewijs dat 'toeval' kan ontwerpen, en dus dat de evolutie werkt. Wie het zo vertelt, kijkt alleen naar het einde van het verhaal, de antenne die uit de machine komt, en niet naar het begin: naar wat de ingenieurs allemaal hadden klaargezet voordat het programma zijn eerste ronde draaide. Daar zit het hele verschil.
Dat leidt tot de vraag: wat laat een gekweekte antenne werkelijk zien, en waar houdt de vergelijking met de biologie op? Wij kijken het na, van de eisenlijst tot aan de eerste cel.

De antenne

NASA had voor haar missie Space Technology 5, drie kleine satellieten, een antenne nodig met een lastige eisenlijst. Zij moest in een brede kraag rondom de as, van 40° tot 80° schuin naar buiten, in elke richting minstens even sterk stralen als een denkbeeldige antenne die naar alle kanten evenveel uitzendt; in vaktaal een winst van minstens 0 dBic. Dat klinkt bescheiden, maar een antenne kan geen vermogen bijmaken: wie in één richting sterk wil zijn, moet het ergens anders weghalen. Een gewone antenne is sterk in het midden en zakt aan de randen ver onder die grens. Daarbij moest zij goed werken op twee ver uiteenliggende frequenties tegelijk, en met een golf die ronddraait. Een brede kraag, een brede band, en een draaiende golf: elk van die drie is op zich haalbaar, alle drie samen niet met een gewoon ontwerp.
In plaats van te tekenen lieten de ingenieurs de antenne kweken. Zo ging dat. Het programma maakte tweehonderd antennes, elk beschreven als een rijtje getallen: hoe lang elk stuk draad is, onder welke hoek het staat, waar het aansluit. Een rekenmodel, de Numerical Electromagnetics Code, berekende voor elk van de tweehonderd hoe goed zij aan de eisen voldeed. De beste bleven, de slechtste vielen af, en uit de beste werden tweehonderd nieuwe gemaakt door hier en daar een getal op goed geluk te wijzigen en door twee goede ontwerpen met elkaar te kruisen. Dat is één ronde. Het programma draaide honderden rondes, en na elke ronde was het gemiddelde iets beter. Alle standen doorrekenen kan niet, daarvoor zijn er veel te veel; het programma proefde er telkens tweehonderd.
Drie gekweekte antennes vlogen op 22 maart 2006 mee en deden ongeveer drie maanden dienst. Het rendement, het deel van het vermogen dat werkelijk uitgezonden wordt, lag op 93 procent, tegen 38 procent voor het klassieke ontwerp van de antennebouwer. Toen de baan van de missie veranderde en de eisen mee, was een nieuwe antenne in minder dan een maand gekweekt. De ontwerpers, Gregory Hornby, Al Globus, Derek Linden en Jason Lohn, kregen er in 2004 de gouden Human-Competitive Award voor, een prijs voor computeruitkomsten die met menselijk ontwerpwerk kunnen wedijveren.

De vier dingen vooraf

Kijk nu naar wat er klaarlag voordat de eerste ronde begon. Het zijn vier dingen, en alle vier kwamen zij van de ingenieurs.

1. Een doel. De eisenlijst hierboven, uitgeschreven in getallen. Het programma wist vooraf precies wat het zocht.
2. Een maatstaf. Het rekenmodel dat elke antenne een cijfer gaf. Zonder dat cijfer valt er niets te kiezen.
3. Een speelruimte. De ingenieurs bepaalden wát er gewijzigd mocht worden: de lengte, de hoek en de plaats van elk stuk draad, en niets anders. Elke wijziging die het programma op goed geluk aanbracht, leverde daardoor nog altijd een antenne op die te bouwen was.
4. Een doorgeefmechanisme. De goede ontwerpen gingen door naar de volgende ronde en werden daar het uitgangspunt.

De willekeur leverde alleen de variatie: de kleine wijzigingen op goed geluk, binnen de speelruimte die vooraf was afgebakend. Meer vinden wij er niet in. Het woord toeval gebruiken wij er daarom niet voor. Een zoektocht met een doel, een maatstaf en een afgebakende speelruimte ligt volgens de kansrekening verder van blind toeval dan het oosten van het westen. De prijs beloonde dan ook een ontwerpgereedschap. Over de oorsprong van het leven spreekt zij zich niet uit. Dat beweren de ontwerpers zelf evenmin. Wij mogen hen dankbaar zijn, want zij hebben zichtbaar gemaakt hoeveel er vooraf moet klaarliggen voordat willekeur iets oplevert.

Gerichte evolutie buiten de computer

Hetzelfde beginsel werkt ook met echte moleculen. Frances Arnold van Caltech liet vanaf de jaren negentig enzymen muteren, de eiwitten die in een cel het werk doen. Zij maakte duizenden varianten, koos er telkens uit wat het dichtst bij haar doel kwam, en herhaalde dat ronde na ronde, tot zij enzymen had die de natuur niet kent. Die werkwijze heet directed evolution, gerichte evolutie. Zij kreeg er in 2018 de halve Nobelprijs voor scheikunde voor. Met de antenne had zij niets te maken; het is een tweede voorbeeld van hetzelfde. Ook zij koos vooraf de speelruimte: welk gen, welke plaatsen daarin, en welke maatstaf.
Het woord dat in beide gevallen vooraan staat is gericht. Het vak zelf zet gerichte tegenover ongerichte processen. Dat onderscheid hoeven wij dus niet te bevechten.

Knoppen of broncode

Merkwaardig is dat zelden gevraagd wordt wát het programma mocht veranderen. Het antwoord is: knoppen. De lengte van een draad, een hoek, een aansluiting. Elke stand van die knoppen was nog een antenne. Wat het programma niet mocht, was in zijn eigen code schrijven, in het rekenmodel zelf. Wie daar op goed geluk tekens in wisselt, heeft na één stap een programma dat niet meer draait. Dat zijn twee heel verschillende dingen: aan instellingen draaien, of in de code schrijven.
Waar zit het DNA in dat onderscheid? Ertussenin. Dat is op zich al opmerkelijk. Een mutatie is een wijziging in de code: één letter van het DNA die verandert. En toch crasht de cel meestal niet. Daar zijn drie redenen voor. Zij zitten alle drie in het systeem ingebouwd.

1. De code heeft reserve. Het DNA wordt per drie letters gelezen, en elk drietal staat voor één bouwsteen van een eiwit. Er zijn vierenzestig mogelijke drietallen voor maar twintig bouwstenen, dus veel drietallen betekenen hetzelfde. Verandert er één letter, dan komt er dikwijls dezelfde bouwsteen uit. De tabel is bovendien zo gerangschikt dat de meest voorkomende fouten een verwante bouwsteen geven: van alle mogelijke tabellen doet er ongeveer één op een miljoen het zo goed (Freeland en Hurst, 1998).
2. De eiwitten zijn verdraagzaam. Een eiwit is een lange keten van bouwstenen die zich tot een bepaalde vorm vouwt. Op veel plaatsen in die keten mag een andere bouwsteen staan zonder dat de vorm verloren gaat. Dat is gemeten, door Keefe en Szostak en door Axe, elk op hun manier.
3. Er is een nalezer. Het enzym dat het DNA kopieert, leest zijn eigen werk na, en een tweede systeem vangt de fouten die daar doorheen glippen. Samen laten zij ongeveer één fout per miljard letters door (Kunkel, 2004).

Het DNA gedraagt zich dus eerder als een paneel met knoppen dan als broncode. Dat hadden wij niet verwacht toen wij eraan begonnen. Een systeem dat fouten verdraagt zonder te crashen, is daarop gebouwd. Bij Creabel lezen wij dat als een teken van degelijk ontwerp van het kopieersysteem. Dat is een gevolgtrekking; de drie redenen erboven zijn waarnemingen.
Die bescherming is niet overal even dik. Dat hoort erbij. De reserve in de code beschermt alleen het deel van het DNA dat eiwitten beschrijft, bij de mens één à twee procent. De rest steunt op de nalezer, die niet kijkt wat er staat en daardoor alles dekt, en op stukken die in vele kopieën voorkomen. Sommige delen hebben helemaal geen speling: daar is elke fout schadelijk. Die delen zijn dan ook de meest onveranderlijke van het hele DNA, omdat wat daar fout gaat niet doorkomt. En één plek werkt zelfs tegen: de post-its waarmee een cel genen aan en uit zet, zitten precies op de letters die het gemakkelijkst van zichzelf veranderen (Bird, 1980). Wie de foutbestendigheid als ontwerpkenmerk voert, zegt er dus bij waar zij ontbreekt.

Wat de willekeur doet en wat niet 

Wat doet zo'n toevallige fout dan wél? Zij draait aan de knoppen. Een gen dat iets vaker afgelezen wordt, een enzym dat iets sneller loopt, een kleur die verschuift, een ras dat kleiner wordt. Dat is wat wij ingebouwde variatie noemen: instellingen in het DNA worden bijgesteld zonder dat er iets nieuws geschreven wordt, terwijl het organisme blijft wat het was. Een hond blijft een hond, hoe verschillend een teckel en een sint-bernard ook zijn. De ST5-antenne is daar een technisch model van.
Wat de willekeur niet doet, is de bouw herschrijven. Een letter die wegvalt zodat alle drietallen erna verschuiven, een eiwit dat zijn vorm verliest, een regelkring die verbroken wordt: dat is rommelen in de broncode. Daar crasht het wél. Nergens is waargenomen dat toevallige fouten een nieuw, samenhangend systeem schrijven van onderdelen die elkaar nodig hebben. Variatie op het niveau van de instellingen is waargenomen en verwacht; verandering op het niveau van de bouw is dat niet.

Doelwit of filter

Wat draagt de antenne dan over naar de biologie? Meer dan een creationist graag toegeeft. Drie van de vier dingen vooraf liggen er wél zodra er leven is: het DNA is de taal, de celdeling is het doorgeefmechanisme, het overleven doet dienst als maatstaf. Wie meer nakomelingen krijgt, heeft daarmee zijn cijfer. Dat vraagt geen vooruitziende blik. Hieruit volgt dus niet dat de biologische evolutie een ontwerper nodig heeft. Die stap zetten wij niet.
Wat er niet ligt, is het eerste van de vier: het doel. Het programma van NASA had een doelwit. Het wist vooraf welke antenne het zocht en mat elke poging daaraan af. De natuurlijke selectie heeft volgens de theorie geen doelwit, alleen een filter: zij bewaart wat toevallig beter uitkwam, zonder te weten waarheen. Dat verschil is precies waar het debat over gaat, en de antenne staat aan de kant van het doelwit. Zij is een model voor het gerichte.
De bioloog zal ook zeggen dat de scheikunde en de ontwikkeling van het embryo de speelruimte afbakenen, zoals de ingenieurs dat voor de antenne deden. Hij zal zeggen dat de verdraagzaamheid voor fouten zelf door selectie gegroeid is. Ons antwoord is niet dat dit onmogelijk is. Het is dat een systeem dat vanaf de eerste cel fouten moest verdragen om te blijven bestaan, die verdraagzaamheid niet ná de eerste cel kan hebben opgebouwd. En vóór de eerste cel valt de vergelijking helemaal weg: daar is geen voortplanting, dus niets dat doorgeeft, niets dat kiest, en van de vier dingen vooraf is er geen enkele aanwezig.

De tussenvormen

Als het leven zich via kleine stappen omhoog heeft gewerkt, zou men verwachten dat de levende wereld vol tussenstappen zit: wezens die half het ene en half het andere zijn. Dat is niet wat wij zien. Wij zien scherp begrensde groepen, elk met haar eigen speelruimte: honden in alle maten, maar altijd honden; katten in alle kleuren, maar altijd katten. In de aardlagen is het niet anders, en Darwin wist dat. Hij noemde het in hoofdstuk 9 van zijn Origin het ernstigste bezwaar dat tegen zijn theorie kon worden ingebracht: waarom is dan niet elke geologische formatie en elke laag vol van zulke tussenschakels? Zijn antwoord was dat het bodemarchief onvolledig is. Ruim een eeuw later schreef Stephen Jay Gould, zelf evolutiebioloog, dat de uiterste zeldzaamheid van tussenvormen het bedrijfsgeheim van de paleontologie blijft.
Twee nuances zetten wij erbij. Darwin zei niet dat het ontbreken zijn dwaling zou bewijzen; hij noemde het een bezwaar en gaf er een antwoord op. Dat antwoord moet gewogen worden, en wij wegen het hieronder bij de degeneratie. En het is niet zo dat er niets wordt aangevoerd: een handvol reeksen, zoals die van de walvissen, wordt als tussenvormen gepresenteerd. Die reeksen zijn in de details omstreden. Wie schrijft dat er geen enkele is, wordt met die reeksen weerlegd. Wie schrijft dat zij zeldzaam zijn tegenover de vele soorten die zonder voorlopers verschijnen, heeft Darwin en Gould aan zijn kant.

De degeneratie

Er is iets wat er nog veel meer moet zijn dan tussenvormen: mislukkingen. Als de weg omhoog loopt via toevallige veranderingen waarvan het filter de beste bewaart, dan moeten de afgekeurde varianten vele malen talrijker zijn dan de geslaagde. Dat zegt de genetica zelf. Van de nieuwe mutaties is het overgrote deel onschadelijk of nadelig, en de nuttige zijn zeldzaam (Eyre-Walker en Keightley, 2007). Elke mens wordt met ongeveer zestig nieuwe mutaties geboren (Kong, 2012). Of de selectie die opstapeling wel bijhoudt, is onder genetici een open discussie (Lynch, 2016).
Die achteruitgang zien wij overal waar wij kijken: in de erfelijke ziekten, in de uitgeschakelde genen die elk mens meedraagt, in kweekproeven waar de fitheid generatie na generatie zakt zodra de selectie wordt weggehaald, en in de kwalen van de rashond. Wat men niet ziet, is de opgaande lijn die dat allemaal zou moeten goedmaken.
Mislukte varianten sterven echter als individu, meestal vóór de geboorte, en laten geen fossiel na. Het bodemarchief bewaart populaties, geen mislukkingen. Daarom is het DNA de plaats om dit na te gaan. Daar is de achteruitgang meetbaar. Daar zoeken wij haar dan ook.

Eén argument voeren wij niet, en de som laat zien waarom. Het gaat zo: een eiwit van 150 bouwstenen kan op 20¹⁵⁰ manieren samengesteld worden, een getal met 195 cijfers; de kans dat de juiste volgorde bij toeval ontstaat is dus nul. Wanneer wordt toeval onmogelijk geeft aan wie op toeval rekent zelfs 10¹⁰⁰ pogingen als toegift: elk atoom in het heelal, elke seconde, gedurende de gangbare ouderdom. Om daaruit te besluiten dat men niet aan één enzym komt, moet dat getal naast de kans op een werkend enzym gelegd worden. En daar zit het probleem: hoe groot die kans is, hangt af van hoeveel van al die volgordes wérken. Dat getal is de breuk die niemand kent.

Alleen de eerste rij, de aanname dat maar één volgorde werkt, laat de toegift tekortschieten. Die aanname is gemeten onjuist: eiwitten zijn verdraagzaam, zoals hierboven bleek. Met elke gemeten breuk is 10¹⁰⁰ ruim voldoende voor één enzym. Wie het kansargument op één enzym bouwt, houdt het niet zodra iemand Axe's eigen getal invult.

De toegift is intussen het probleem van wie erop rekent. Niemand krijgt in werkelijkheid 10¹⁰⁰ pogingen met ketens van 150 bouwstenen: er is geen schudmachine die de bouwstenen na elke mislukking opnieuw uitlegt, wat zich vormt valt weer uiteen, en de pogingen staan niet los van elkaar. Wie op toeval beroep doet, moet dus zeggen met hoeveel echte pogingen hij het doet en met welke breuk. Beide getallen ontbreken nog. Het argument dat draagt, is nooit één enzym geweest. Het is de samenloop van twaalf voorwaarden die elkaar nodig hebben en gedeeltelijk slopen, een code die een afspraak is en geen scheikunde, en een kopieersysteem dat er vanaf de eerste cel moest zijn.

Wie de andere kant aanhangt, volgt de spelregel van zijn vak, alleen natuurlijke oorzaken, en meestal doet hij dat eerlijk. Wat wij hem vragen is alleen dit: kijk naar het werk zelf. Een code die een afspraak is. Een kopieersysteem dat fouten verdraagt omdat het daarop gebouwd is. Een cel die twaalf dingen tegelijk nodig heeft. Wie daar lang genoeg naar kijkt, komt bij een vraag die ouder is dan alle wetenschap. Die vraag gaat over hemzelf: als dit gemaakt is, dan is hij het ook, en dan is hij bedoeld. Daarover gaat De mythe van het toeval. Daar hoort de lezer die tot hier gekomen is thuis…

Feit en gevolgtrekking

• Feit: de eisen, de werkwijze en de meetresultaten van de ST5-antenne; de vier voorzieningen die vooraf klaarlagen; de redundantie van de code, de tolerantie van eiwitten en de foutkans na correctielezing; de meting van Freeland en Hurst; de mutatiesnelheid en de verdeling van fitheidseffecten; de citaten van Darwin en Gould.
• Gevolgtrekking: dat de ruisbestendigheid van het kopieersysteem op ontwerp wijst; dat de antenne een model is van ingebouwde variatie en niet van ongerichte evolutie.
• Wat open blijft: of de biologische evolutie een ontwerper nodig heeft. In een levende populatie doet de voortplanting het werk van drie van de vier voorzieningen. Het argument houdt bij de eerste cel.

Bronnen

• Hornby, G.S., Globus, A., Linden, D.S. en Lohn, J.D., Automated Antenna Design with Evolutionary Algorithms, AIAA Space 2006, San Jose.
• Hornby, G.S. e.a., Computer-Automated Evolution of an X-Band Antenna for NASA's Space Technology 5 Mission, Evolutionary Computation 19 (2011). https://dl.acm.org/doi/10.1162/EVCO_a_00005
• Lohn, J.D., Hornby, G.S. en Linden, D.S., An Evolved Antenna for Deployment on NASA's Space Technology 5 Mission, in Genetic Programming Theory and Practice II, Springer. https://link.springer.com/chapter/10.1007/0-387-23254-0_18
• Human-Competitive Awards, GECCO 2004, gouden medaille voor Lohn, Hornby en Linden. https://www.human-competitive.org/
• Het Nobelcomité voor scheikunde, The Nobel Prize in Chemistry 2018, Frances H. Arnold, voor de gerichte evolutie van enzymen. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/
• Freeland, S.J. en Hurst, L.D., The genetic code is one in a million, Journal of Molecular Evolution 47 (1998), blz. 238-248.
• Kunkel, T.A., DNA replication fidelity, Journal of Biological Chemistry 279 (2004), blz. 16895-16898.
• Bird, A.P., DNA methylation and the frequency of CpG in animal DNA, Nucleic Acids Research 8 (1980), blz. 1499-1504.
• Keefe, A.D. en Szostak, J.W., Functional proteins from a random-sequence library, Nature 410 (2001), blz. 715-718. https://www.nature.com/articles/35070613
• Axe, D.D., Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds, Journal of Molecular Biology 341 (2004), blz. 1295-1315. Axe is verbonden aan het Discovery Institute en zijn schatting is methodisch bestreden; wij voeren haar nooit zonder Keefe en Szostak ernaast.
• Darwin, C., On the Origin of Species, John Murray, Londen 1859, hoofdstuk 9, blz. 280: "Why then is not every geological formation and every stratum full of such intermediate links? Geology assuredly does not reveal any such finely graduated organic chain; and this, perhaps, is the most obvious and gravest objection which can be urged against my theory."
• Gould, S.J., Evolution's erratic pace, Natural History 86 (mei 1977), blz. 12-16: "The extreme rarity of transitional forms in the fossil record persists as the trade secret of paleontology."
• Kong, A. e.a., Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk, Nature 488 (2012), blz. 471-475. https://www.nature.com/articles/nature11396
• Eyre-Walker, A. en Keightley, P.D., The distribution of fitness effects of new mutations, Nature Reviews Genetics 8 (2007), blz. 610-618.
• Lynch, M., Mutation and human exceptionalism: our future genetic load, Genetics 202 (2016), blz. 869-875.