Ontregelde kwalslak met spaakwielvorm

In de evolutie ontstaan af en toe plotseling nieuwe bouwplannen voor dieren.

Bij embryo’s kun je die zelf soms makkelijk veranderen.

Een embryonaal gedrocht. Dat is wat ontwikkelingsbioloog Eric Edsinger Gonzales zag ontstaan in een laboratorium van de Universiteit Utrecht toen hij de vroege celdelingen van de zeeslak Lottia scutum doelgericht in de war stuurde. Het gedrocht dat hij maakte voor zijn promotieonderzoek was bijzonder. „Het was een kwalachtige zeeslak.”

Edsinger: „Het was een dier geworden met een radiale symmetrie.” Dat heeft de structuur van een spaakwiel of een appeltaart, die je ook ziet in een kwal. Dit gedrocht is belangrijk omdat het laat zien dat een dierlijk bouwplan met een betrekkelijk eenvoudige ingreep is om te zetten in een fundamenteel ander bouwplan. Als embryo, in elk geval.”

Misschien, denkt Edsinger, die gisteren aan de Universiteit Utrecht promoveerde, is in de evolutie honderden miljoenen jaren geleden wel ongeveer hetzelfde gebeurd.

In het misvormde vroege embryo dat Edsinger maakte was een begin van slakkenogen aanwezig. Niet één keer, maar vele malen gekopieerd rond het centrum. „Als een mens met vele paren armen rond zijn lichaam.” Zoals ook de tentakels van een kwal of anemoon als identieke kopieën rond een centrum liggen. Ook de structuur van een slakkenhuis vond Edsinger in cirkelvorm in het embryo terug, in plaats van alleen maar bovenop zijn rug, zoals het hoort bij een slak.

Dat in de evolutie dieren met nieuwe architectuur of bouwplan vrij plotseling kunnen opduiken, is iets waarover biologen zich al verbazen sinds de tijd van Darwin. Het beroemdste voorbeeld is de zogeheten Cambrische Explosie, als vanaf circa 540 miljoen jaar geleden plotseling de meest uiteenlopende dieren op het toneel verschijnen, zoals schaaldieren en geleedpotigen. De harde skeletten van deze zeedieren zijn gefossiliseerd en teruggevonden op beroemde geologische vindplaatsen zoals de Burgess Shale in de Canadese Rocky Mountains. Biologen zijn het erover eens dat er sinds het Cambrium geen nieuwe bodyplans zijn bijgekomen. Maar waar kwamen ze zo plotseling vandaan?

De ‘bouwplannen’ uit het Cambrium – al dan niet herkenbaar in een embryo – zijn nog steeds het cruciale criterium op basis waarvan biologen dieren indelen in ruim dertig verschillende grote groepen of fyla. Een bekend voorbeeld van een fylum zijn de geleedpotigen (insecten, spinnen): dieren met gelede poten en een lichaam dat uit segmenten bestaat. Een andere zijn weekdieren zoals de zeeslakken waarmee Edsinger heeft geëxperimenteerd. Het zijn zachte dieren met een schaal van calciumcarbonaat die voortkruipen op een enkele gespierde ‘voet’.

De eerste dieren zonder skelet of harde schaal met een tweezijdige symmetrie stammen van vóór de Cambrische explosie, vanaf 630 miljoen jaar geleden. Sommige van deze uitgestorven dieren lijken de rudimentaire spaakwielstructuur te hebben van kwallen en anemonen. Maar er zijn ook dieren die nog het meest lijken op een veer of boomblad. Zij hebben een linker- en rechterkant die elkaars spiegelbeeld zijn, maar nog geen duidelijke kop of staart.

„Al sinds Darwin vragen biologen zich af hoe deze vroege diversiteit aan dieren zo plotseling kon ontstaan en waarom we geen fossielen van tussenvormen vinden”, zegt Gonzales. „Mijn onderzoek is een aanwijzing dat het voor dieren helemaal niet zo ingewikkeld was om een nieuw bouwplan te ontwikkelen.” Het bouwplan van de zeeslak is symmetrisch, met een rechter- en linkerkant die elkaars spiegelbeeld zijn. De kwal heeft geen linker- of rechterzijde, maar een zogeheten radiale symmetrie, als een ster.

Dit betrekkelijke gemak waarmee de ene vorm in de andere overgaat zou kunnen verklaren waarom paleontologen nooit een missing link hebben gevonden: een fossiel van een diersoort die de overgang in de evolutie markeert van dieren met de lichaamsbouw van een wiel met spaken naar symmetrische dieren met links en rechts.

Als ontwikkelingsbioloog verdiept Edsinger zich in de manier waarop uit een bevruchte cel door een lange reeks delingen een dier wordt opgebouwd. Hoe uit een kluitje cellen op de juiste plaats organen ontstaan en weefsels zoals spieren en zenuwweefsel wordt bepaald vanuit een ‘signaalcentrum’ in de kern van het embryo.

Dit signaalcentrum of organizer voorziet cellen eromheen van positionele informatie zodat ze ‘weten’ hoe ze moeten delen. Het bestaan van zo’n organizer werd al in de jaren twintig van de vorige eeuw voor het eerst aangetoond door de Duitse bioloog Hans Spemann. Spemann isoleerde de organizercellen uit het embryo van een watersalamander en zette deze op een ander embryo van een watersalamander. Daaruit groeide een dubbele watersalamander met twee ruggegraten die in het midden aan elkaar vastzaten.

Met zijn zeeslakken deed Edsinger een vergelijkbaar experiment. Door bij de embryo’s op het juiste moment met een schimmelgif te behandelen slaagde hij erin het signaalcentrum te verdubbelen of juist geheel te verwijderen. Door het signaalcentrum stil te leggen ontstond het slakachtige embryo in de spaakwielvorm van een slak. Met een verdubbeling van het signaalcentrum ontstond een soort verdubbelde slak. Edsinger: „Dat resultaat is te vergelijken met de watersalamander van Spemann. Zeeslakken en watersalamanders verschillen enorm van elkaar, maar hun embryonale ontwikkeling wordt blijkbaar op eenzelfde manier aangestuurd. Ik concludeer dat we hier te maken hebben met een oeroud mechanisme. Het is niet zo heel gek om te denken dat zich in de loop van de evolutie iets vergelijkbaars heeft afgespeeld.”