De vin in onze vingers

Als kind droomde Neil Shubin van wetenschappelijke expedities. In het Noordpoolgebied vond hij één van de bijzonderste fossielen uit de laatste jaren: ‘Tiktaalik’. In deze primitieve viervoeter ziet hij de overblijfselen van ons verleden als vis.

Michiel van Nieuwstadt

Na vijf vergeefse Noordpoolexpedities zag Neil Shubin in de zomer van 2004 dan toch het puntje van een platte, krokodilachtige snuit uit een rots steken. Hij wist: dit is geen krokodil. Het gesteente onder zijn handen was immers 380 miljoen jaar oud, ontstaan in een tijd dat er nog geen krokodillen bestonden. De Amerikaanse expeditieleider had zojuist Tiktaalik roseae ontdekt. Een vis met rudimentaire poten. Een krokodilachtig dier met vinnen. Het mooiste fossiele bewijs tot nu toe dat onze heel vroege voorouders vissen waren die zich zo aanpasten dat ze aan land konden kruipen.

Shubin – bril, strak getrimde baard – praat snel en lacht veel. Onderwijl omvatten zijn handen in de lucht denkbeeldige botten, organen en hersendelen: Shubin is hoogleraar anatomie aan de universiteit van Chicago. Voor een interview in het Amsterdamse Ambassade Hotel heeft hij een kopie van zijn wereldvondst meegenomen. De platte driehoekige kop met ogen bovenop past niet helemaal op zijn uitgespreide hand. “Het hele fossiel ging moeilijk in mijn koffer”, verontschuldigt Shubin zich. “Stel je de spanning voor toen we uit een blok steen met de vage contouren van dit beest in de herfst van 2004 al bikkend en vegend langzaam maar zeker Tiktaalik tevoorschijn zagen komen. We zagen eerst de platte kop en de schubben. En daarna verschenen decimeter voor decimeter de kenmerken die dit fossiel zo bijzonder maken. De nek, vissen hebben geen nek. De vinnen en ten slotte de vinnen die – zo werd later duidelijk – als poten konden scharnieren.

Shubin haalde de voorpagina’s van vele kranten, waaronder NRC Handelsblad, toen hij twee jaar later publiceerde over in totaal vier Tiktaalik-fossielen die hij in 2004 vlakbij elkaar ontdekte op het Canadese Ellesmere Island, 1600 kilometer onder de Noordpool (Nature, 26 april 2006). Maar de zeggingskracht van de één tot drie meter lange dieren werd hem pas werkelijk duidelijk toen hij het fossiel toonde in de kleuterklas van zijn zoon: “De eerste kleuter zei: wauw, het is een krokodil. Een andere reageerde: nee, het is een vis, hij heeft vinnen. Toen kwam er een derde: hij is het allebei! Dat is de essentie van Tiktaalik, het is een fossiel dat voor zichzelf spreekt. Je hoeft er eigenlijk niets bij uit te leggen.’’

Dat we ‘gemodificeerde vissen’ zijn, wordt sinds Charles Darwin eigenlijk alleen nog door creationisten bestreden. Maar de plaats, ouderdom en uiterlijke kenmerken van Tiktaalik passen wel héél mooi in het plaatje. Shubin: “De evolutietheorie is een voorspellende wetenschap. We konden beredeneren dat we zo’n fossiel in gesteente van deze ouderdom moesten vinden en het is ons gelukt.”

Niet alleen in fossielen, maar ook in levende lichamen vindt Shubin bewijs voor onze roots in een ondiepe vissenpoel. In zijn recente boek De vis in ons wijst hij op de gemodificeerde vinbotten in onze ledematen en de zenuwbanen in ons hoofd die op haaienhersenen zijn terug te voeren. Bovendien belicht Shubin – gepromoveerd in de ontwikkelingsbiologie – de genetische achtergrond van dat alles: “Op mijn lab staan de kasten met fossielen in de kamer naast de DNA-monsters.”

Een jaar na de ontdekking van Tiktaalik stond Shubin alweer in het belangrijkste Britse wetenschapsblad. Dit keer betrof het een studie over een levende missing link in onze afstamming (Nature, 24 mei 2007). De lepelsteur blijkt in zijn ontwikkeling als embryo een aantal langgerekte botjes aan te maken rond het polsgewricht, precies op de manier waarop viervoeters dat ook doen. Andere moderne vissen hebben dat vermogen verloren.

Shubin: “Genetici hebben eerder het DNA van vissen vergeleken met dat van kippen en amfibieën. Het leek erop dat de viervoeters nieuwe genen nodig hadden om de polsen, enkels, tenen en vingers aan te leggen die zij wel hebben en vissen niet. Zelf heb ik ook lang gedacht dat het zo werkte. Maar in deze studies zijn moderne vissen gebruikt. Wij kozen de lepelsteur, een primitieve vis met vlezige lobvinnen en veel kraakbeen. En wat blijkt? In deze vissen ligt de moleculaire machinerie voor het aanleggen van de poten al klaar. Het is in moderne vissen eenvoudigweg verloren gegaan.”

Wat worden we wijzer van zo’n ontdekking?

“Onze jongste Nature-studie biedt inzicht in de manier waarop nieuwe structuren in de evolutie ontstaan. Dat is ook het thema van mijn boek. Alles wat nieuw en speciaal lijkt in ons lichaam is gewoon oud spul dat opnieuw is verpakt, verschoven, verwrongen. Evolutie gebruikt het oude om nieuwe dingen te maken, dat zie je terug in de botten, maar ook in de genen, op elk niveau eigenlijk. Het betekent dat veranderingen in de evolutie zich snel kunnen voltrekken. Al wil ik niet beweren dat alles snel moet gaan.”

Komende zomer reist Shubin voor het zevende achtereenvolgende jaar af naar Ellesmere Island om weer vijf tot zes weken te bivakkeren in een tentje, met stapels stenen verankerd tegen windsnelheden tot tachtig kilometer per uur. “Als kind zag ik in de National Geographic paleontologen in het veld”, zegt Shubin. “Ik wilde zelf ook niets liever dan expedities organiseren. Ik knijp mezelf nog regelmatig in mijn arm om te zien of ik niet droom.”

U schrijft dat fossielen vinden een combinatie is van geluk, goed plannen en kennis van geologische en biologische tekstboeken. Hoe ging dat met Tiktaalik?

“Het verhaal van Tiktaalik begon in de jaren negentig. Ik was geïnteresseerd in de evolutie van viervoeters uit vissen. Dan moet je fossielen gaan zoeken in gesteente van de juiste ouderdom. In Pennsylvania heb je langs de weg rijke vindplaatsen van vroege dieren met ledematen. We hebben er veel over gepubliceerd, maar in het midden van de jaren negentig realiseerden we ons dat we in ouder gesteente moesten gaan zoeken als we meer wilden weten over het ontstaan van die ledematen. ”

“We wisten dat het gesteente dat we nodig hadden tien miljoen jaar ouder moest zijn dan de stenen in Pennsylvania, 375 tot 380 miljoen jaar oud dus. We zochten bovendien een gesteente dat is gevormd uit sediment dat is neergedwarreld in ondiep water, de leefomgeving waarin we de vroege viervoeters vermoedden.”

“Op een dag zaten we wat te discussiëren met geologische tekstboeken op schoot. Al bladerend zag ik een geologische kaart van het Canadees Noordpoolgebied. Bingo! Dit was precies het gesteente dat we nodig hadden. En er had nog nooit iemand gezocht! Maar het Canadees Noordpoolgebied is gigantisch groot. Onze eerste expeditie naar Melville Island was een mislukking. Het was slecht weer en we waren bang. We zagen sneeuwhazen voor ijsberen aan. Het ergste was: we zaten te ver naar het westen. We zochten op een oude zeebodem. We moesten stroomopwaarts zoeken, naar rivierafzettingen.”

Vanaf 1999 zocht Shubin op Ellesmere Island. “Hier ligt een 375 miljoen jaar oude tropische delta in gesteente bewaard. Zeg maar een versteende Amazone. Het gebied lag destijds op de evenaar en heeft zich door plaattektoniek in de loop van honderden miljoenen jaren naar het noorden bewogen. Toch vonden we ook hier niet wat we zochten: longvissen en hun verwanten, allemaal fossielen die al bekend waren.”

“Een expeditie kost al gauw honderdduizenden dollars. In 2004 was het geld bijna op en twijfelden we of we door moesten gaan. Maar op de vierde of vijfde dag van die expeditie zagen we dan toch die platte snuit en de contouren van een driehoekige kop uit het gesteente steken.”

Er zijn eerder fossielen ontdekt van vroege viervoeters, waarom is Tiktaalik zo bijzonder?

“Van primitieve vissen zoals longvissen wisten we dat een vroege viervoeter een boven- en een onderarm zou hebben. Bijzonder aan Tiktaalik is dat je ook een functionele pols ziet en een bot in de handpalm dat we kennen van amfibieën. Maar Tiktaalik had geen vingers, zoals we die kennen van andere vroege viervoeters. Dankzij zijn beweegbare polsgewricht en stevige borstkas kon hij zich opdrukken. De vele botjes in het polsgewricht van Tiktaalik betekenen bovendien dat hij zijn poot kon draaien en aanpassen op de hobbelige rivierbodem waar hij overheen schuifelde.”

Waarom gaat u de komende zomer weer terug?

“We willen meer weten over de leefomgeving van Tiktaalik. Verder gaan we opzoek naar Tiktaalik 2.0 in gesteentelagen boven en onder het oorspronkelijke fossiel. Het liefst zou ik een jongere versie vinden, omdat je daar misschien rudimentaire vingers in kunt vinden. We zouden graag beter willen begrijpen wat die eerste viervoeters met hun vingers deden.”

Heeft uw fossiel nog geholpen om de vraag te beantwoorden waarom vissen aan land kropen?

“Daarover hebben we eigenlijk best een goed idee. Op het land leefden in die tijd veel insecten en andere invertebraten, maar geen dieren met een skelet. Het water zit daarentegen tjokvol vleesetende vissen. Het land is een concurrentievrij, roofdiervrij, voedselrijk gebied. Het is duidelijk dat soorten die konden leven op het land op de interface tussen water en land voordelen hadden vanuit het oogpunt van natuurlijke selectie.”

Maar kroop die vis nu aan land, omdat hij prooidieren zocht of omdat hij op de vlucht was voor een roofdier?

“Ik weet niet of we dat verschil ooit kunnen bepalen. Tiktaalik was in elk geval een roofdier. Achter de kleine tandjes die je ziet aan de buitenkant van zijn bek gaan nog veel grotere tanden schuil. Het was werkelijk een monster.”

Vissenvinnen, salamanderpoten, mensenhanden. De uiteinden van onze ledematen hebben Shubin altijd geïnteresseerd. Toen hij als student voor het eerst in menselijke lichamen sneed, waren de handen het meest fascinerend en het engst. “Ik was bepaald niet de enige die dat vond. Als je in een lichaam gaat snijden, dan ligt het op een tafel met de voeten, benen en het hoofd bedekt. Het lijkt wel een etalagepop. De organen lijken op zakken. Deze zak is een galblaas, so what. Ik had nog nooit een galblaas gezien. Maar de hand, dat is wat anders. Je ziet vingers en nagels, soms zijn die nagels gelakt en je realiseert je: dit is een mensenhand een hand die heeft gestreeld en misschien wel piano heeft gespeeld.”

Shubin laat zijn vingers wriemelen en de polsen draaien. “Bedenk wat een gecompliceerde beweging dit is. Het is verbazend hoe de natuur een basaal bouwplan hergebruikt om zo’n complexe beweging mogelijk te maken. De structuur van een bot, twee botten, polsbotjes en vingerkootjes zat in vissen, het is aangepast voor Tiktaalik, voor amfibieën, reptielen, voor zoogdieren, voor apen en ten slotte voor ons.”

Heeft onze hand als vissenvin ook problemen opgeleverd?

“Zeker. Alle bedrading voor de complexe bewegingen van onze hand loopt door één gaatje in het polsbot. Niet bepaald een handig ontwerp. Het kan leiden tot ontstekingen en een aandoening als Carpaletunnel-syndroom. Een slimme ingenieur was vast tot een beter ontwerp gekomen.”

Kent u nog een duidelijk mankement uit ons vissenverleden?

“De vis heeft ons een zwakke plek in onze buikwand bezorgd.” Shubin gaat wijdbeens naast de tafel staan. “Kijk, mijn gewicht wordt gedragen door mijn heupen, maar mijn bovenlichaam drukt ook omlaag op de buikwand. Dat is het weefsel dat onze organen omsluit, en dus ook onze geslachtsdelen. Een liesbreuk ontstaat als de buikwand onder dit gewicht bezwijkt en de ingewanden naar buiten puilen.”

“Liesbreuken zijn voornamelijk een mannenprobleem en we hebben het aan ons vissenverleden te danken. Onze geslachtsdelen zijn in de loop van de evolutie in ons lichaam afgedaald. In haaien liggen de testikels vlakbij het hart. Omdat ze onderwater leven, hoeven ze die niet gekoeld te houden zoals wij.”

“In het menselijk embryo liggen de testikels net als bij haaien in de borstkas. Om onder het lichaam te hangen, moeten onze testikels afdalen. Dat gebeurt tijdens de ontwikkeling van het embryo en het gebeurde ook in de loop van de evolutie. Je kunt je het scrotum voorstellen als een uitstulping van de buikwand. Het ontstaan van de uitstulping is vergelijkbaar met een een vuist die in een ballon naar buiten drukt. Vanuit de testikels lopen onze zaadleiders omhoog naar de penis, maar op die plaats is wel een fundamentele zwakte in ons lichaam ontstaan.”

Is het van praktisch nut om in detail te weten wat de overeenkomsten zijn tussen onszelf en vissen of andere diersoorten?

“Kijk eens naar wie er de laatste jaren de Nobelprijzen voor fysiologie en medicijnen hebben gekregen. Dan zie je mensen die werken aan vliegen, zee-egels en wormen. Dat is mooi, maar als we die kennis goed willen interpreteren, dan zullen we ook goed in de gaten moeten hebben in hoeverre we lijken op die organismen of er juist van verschillen.”

Kinderen houden van zoeken en verzamelen. Wat vertelt u uw kinderen over uw werk?

“Mijn zoon Nathaniel is zeven, ik kan hem niet meenemen naar de Noordpool. Maar in Illinois zijn ook mooie vindplaatsen. Laatst had ik hem verteld dat we op pad zouden gaan. Ik hoorde lang gerommel boven. Ten slotte kwam hij naar beneden in een sneeuwuitrusting, met een muts en handschoenen. Hij dacht dat we naar de Noordpool gingen. Het was middenin de zomer.”

Neil Shubin: ‘De vis in ons’, uitgeverij Nieuw Amsterdam. 304 blz. €19,95