Onze ogen beginnen bij de borstelworm

Biologie

Slechts een paar centimeter groot. En lastig te kweken. Maar de borstelworm verraadt veel over de evolutie van onze ogen en hersenen.

Uit: Frontiers in Zoology

Elke paar weken rijdt er een tankwagen met vers zeewater van de Duitse Noordzeekust naar Heidelberg, een toeristisch universiteitstadje 600 kilometer verderop. Ontwikkelingsbioloog Detlev Arendt heeft het water nodig voor de kweek van zijn favoriete proefdieren: borstelwormen, kleine zeewormen van slechts een paar centimeter groot. “In kunstmatig zeewater doen ze het niet zo goed.”

Detlev Arendt, zwaar montuur, kalme stem, kweekt de wormen omdat hij wil begrijpen hoe onze hersenen en ogen zijn ontstaan, zo’n 600 miljoen jaar geleden. Onze eigen hersenen en ogen zijn voor zijn onderzoek ongeschikt: te nieuw, evolutionair gezien. Ook insecten, met hun facetoogjes en steelvormige breintjes, hebben te veel gemorreld aan het oorspronkelijke bouwplan. Alleen de wormen bleven trouw aan dat bouwplan. Hun ogen zijn oerogen, hun brein een oerbrein.

Als Arendt over zijn wormen praat, noemt hij ze steevast bij hun familienaam. Platynereis. Het zijn borstelwormen, zo genoemd naar de borsteltjes waarmee ze door het water peddelen.

Zodra Arendt zich over één van de vele plastic bakken in het kleine kweeklab buigt, schieten overal wormpjes uit hun slijmbuisjes tevoorschijn. “Ah”, mompelt Arendt. “Ze denken dat het etenstijd is.”

Het wormpje dat Arendt heeft uitgekozen heeft pech. Hij krijgt geen eten, maar een pipet voor zijn neus. Het dier stribbelt nog even tegen, maar wordt dan opgezogen. De bioloog kijkt naar zijn proefdier. “Dit is een mannetje”, zegt hij dan. “Bijna volwassen.”

De kleine studiekamer van Arendt grenst direct aan het lab. Ook om vijf uur ’s middags zijn studenten en onderzoekers hier nog druk in de weer met pipetten en reagentia. Tijdens het gesprek klinkt er af en toe gebrom uit het lab, als er weer een centrifuge wordt aangezet.

Waarom borstelwormen? Wat is er mis met muizen en fruitvliegjes?

“Vijftien jaar geleden zocht ik een modelorganisme dat op onze verre evolutionaire voorouders leek, meer dan muizen of vliegen. Iedereen zal het erover eens zijn dat er ooit een gemeenschappelijke voorouder van insecten, inktvissen en mensen leefde. Ik vond het spannend om na te denken over hoe deze verre voorouder eruit zag.

“Mijn vermoeden was dat ringwormen in de loop van de evolutie het minst veranderd waren. En dan niet die ringworm die iedereen kent, de regenworm, maar een borstelworm die in zee leeft en zich kronkelend door het water beweegt.

“Platynereis was voor mij een logische keuze omdat deze soort voorhanden was. Een handvol zoölogen kweekte deze wormen al sinds de jaren 50. Zij deden er wat experimenten mee en keken ernaar, maar er was nog geen gen bekend.”

Dan heb je een stel wormen in een tank. Hoe begin je dan?

“De eerste stap was om genen te isoleren. De tweede om zichtbaar te maken waar en wanneer die genen actief waren tijdens de embryonale ontwikkeling van Platynereis. Dit deden we jarenlang. Langzaam begonnen we de ontwikkeling van het dier te begrijpen, in het bijzonder de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel en het oog.”

Naar wat voor genen keek u?

“Walter Gehring had in 1999 laten zien dat in muizen en fruitvliegen één en hetzelfde gen, PAX6, de aanleg van ogen coördineert. Vliegenogen en muizenogen moesten dus op een of andere manier aan elkaar verwant zijn, maar niemand wist nog hoe je hun ogen nu met elkaar moest vergelijken.

“Het probleem was dat de lichtgevoelige cellen in het netvlies van insecten en gewervelden totaal verschillen. Bij vliegen hebben de cellen in het oog een gericheld oppervlak. Gewervelden hebben staafjes en kegeltjes, en die zijn van een compleet ander celtype, met één uitstekend celhaartje. Dus je hebt twee verschillende afstammingslijnen, met twee verschillende lichtgevoelige cellen. Het idee leefde dat die twee soorten cellen onafhankelijk van elkaar waar geëvolueerd.

“Maar door naar de activiteit van ooggenen te kijken ontdekten wij dat Platynereis allebei de celtypes heeft. In zijn piepkleine ogen troffen we het type cellen aan dat we bij insecten vinden. Maar het type van de gewervelden, die met celhaartjes, vonden we bij Platynereis in het midden van zijn brein.

“Onze ogen hebben dus een vreemde evolutionaire route bewandeld. Om de een of andere reden heeft onze voorouder de lichtgevoelige cellen in de hersenen gerekruteerd en naar voren gevouwen om ogen te vormen. De cellen van het andere type liet hij links liggen. Het is al lang bekend dat onze ogen zich vormen als uitstulpingen van de hersenen. Onze ontdekking weerspiegelt dat.”

Hoe kan het dat zo’n wormpje ons zoveel over onze eigen evolutie kan vertellen?

“We kunnen ons lichaam onderverdelen in gespecialiseerde en in oeroude eigenschappen. Onze lichtgevoelige cellen zijn oud. Onze hersencellen zijn oud. Zelfs wat wij als ons knapste pronkstuk beschouwen, is oud...” Arendt tikt op zijn hoofd.

“Zelfs van de hersenschors kun je voorlopers in deze wormen vinden. Ze hebben natuurlijk geen cortex met zeven lagen zoals wij, maar zo kun je wel zien wat er in onze evolutie aan is toegevoegd. Door de vergelijking zie je de oude kern, waar het allemaal mee begon.

“Als je de simpele bedrading van de wormencortex begrijpt, kun je ook de chaotische situatie in ons hoofd beter begrijpen. Oude paden wijzen de weg naar de functie van vandaag.”

En deze oude paden zijn goed zichtbaar in Platynereis?

“Precies. Het is fijn voor ons dat de hersenen van Platynereis zich al zeer vroeg vormen. Ze beginnen met maar een paar cellen. Er is dan al wat organisatie zichtbaar, maar het is allemaal nog piepklein en heel duidelijk. Als je met muizen werkt moet je het dier ontleden en cellen aankleuren. Het is dan erg moeilijk te zien wat wat is. Een rommeltje.”

Waarom bent u zo geïnteresseerd in het ontstaan van ogen en het zenuwstelsel? Waarom geen spieren bijvoorbeeld?

“Je kunt de spieren niet los van het zenuwstelsel zien. Spieren zijn als het ware de output van het zenuwstelsel: elke samentrekking van een spier is aangestuurd door een zenuwcel. Ik wil achterhalen hoe dieren in hun totaliteit zijn geëvolueerd.

“Hoe de allereerste dieren er ook uitzagen, ze moesten in de eerste plaats eten kunnen vinden. Daar heb je waarneming voor nodig, en dan heb je het al over ogen. Die waarneming moet je vervolgens kunnen vertalen in beweging. Dan zit je vanzelf op het niveau van zenuwcellen en spieren.”

Een terugkerend personage in uw onderzoek is de oer-Bilateriaan.

“Ja, dat was een bijzonder dier. Het was de stamvader van alle tweezijdig symmetrische dieren, de Bilateria. Zijn nakomelingen zijn enorm divers. Wormen, vliegen, mensen, zelfs zee-egels en inktvissen. Bilateria hebben de hele aardbol bevolkt. Op de neteldieren en dooskwallen na zijn eigenlijk alle dieren Bilateria.”

Hoe zag de oer-Bilateriaan eruit?

“Nog niet iedereen is het erover eens, maar de oer-Bilateriaan had waarschijnlijk ogen, misschien hele kleine, net als Platynereis. Dat denken we omdat de pigmentcellen in onze ogen en die van Platynereis dezelfde genetische vingerafdruk hebben.

“De oer-Bilateriaan had een brein dat al was onderverdeeld in verschillende delen met elk een eigen functie, zoals werkgeheugen. Alle moderne wormen hebben een zenuwkoord, zoals wij, dus de oer-Bilateriaan ook.

“De oer-Bilateriaan had ook een goed ontwikkeld stelsel van spieren waarmee hij kon kruipen als een regenworm of kronkelen zoals een zeeslang. Hij had ook al darmen, simpele nieren en een hart. Van bijna elk van onze organen bezat de oer-Bilateriaan een voorloper. Het hart van de fruitvlieg is evengoed een nazaat van zijn hart als het onze. Eigenlijk was de oer-Bilateriaan een complex beest.”

Een recept voor succes?

“Zeker. Hersens, ogen, dan heb je het over een dier dat zich efficiënt kan voortbewegen om eten te zoeken en daarna de weg ook weer terug kan vinden. Dat is hoofdstuk twee. Als je succesvol wilt foerageren, moet je je ook kunnen terugtrekken. Naar een tunnel, steen of plant bijvoorbeeld. ”

Denkt u dat we ooit fossielen van deze stamvader zullen vinden?

“In sommige zeebodems uit het pre-Cambrium [gesteenten ouder dan 540 miljoen jaar, red.] zijn versteende sporen gevonden van dieren die over de bodem kronkelden. Ze bestaan, maar we weten niet welke dieren deze sporen hebben gemaakt.

“Naast deze spoorfossielen duiken ook steeds meer fossielen van complete dieren op. Misschien zit de oer-Bilateriaan er al tussen, maar dat zal tot op zekere hoogte altijd speculatie blijven. Dat is het probleem van fossielen: ze dragen geen label.”

U werkt nu vijftien jaar met Platynereis. Heeft de borstelworm nog wel geheimen voor u?

“Ik zie geen reden om met Platynereis te stoppen, maar we werken inmiddels ook met andere modelorganismen. We houden ook lancetvisjes. En een postdoc heeft zee-anemonen naar het lab gebracht.

“Al deze dieren staan op spannende knooppunten in de evolutie. Met lancetvisjes kunnen we het ontstaan van gewervelden begrijpen. Met Platynereis doen we onderzoek naar de oer-Bilateriaan. En met de zee-anemoon kunnen we nog verder terug, tot wat tegenwoordig de Neuralia heten, de eerste dieren met een zenuwstelsel. Dat zijn de voorouders van neteldieren en Bilateria.”

Wat bent u met al die dieren van plan?

“Mijn vijf- tot tienjarenplan is om te begrijpen hoe het zenuwstelsel is ontstaan, van begin tot eind. Dat is nog steeds niet opgelost. Echt historisch werk. Wat was het doel van dat eerste zenuwstelsel? Wat voor dieren waren dat? Dit alles speelde zich af in de oceaan, zo’n 650 miljoen jaar geleden, dus we zullen de oceaanbiologie van toen moeten leren begrijpen.”

Uw eerste publicatie stamt uit 1994. U kwam toen gelijk in Nature terecht. Waar ging dat over?

“Dat was prachtig. Ik studeerde nog en was net geïnteresseerd geraakt in ontwikkelingsbiologie. Het was de tijd dat genen werden ontdekt die de blauwdruk van het embryo bepalen, de Hox-genen. Daarmee drong de genetica het vakgebied binnen. Tot dan toe was ontwikkelingsbiologie vooral een experimentele discipline.

“Als student las ik al deze nieuwe literatuur in de universiteitsbibliotheek van Freiburg. Op een dag viel mij op hoe de genen die de zenuwbundels in de rug van gewervelden aanleggen precies hetzelfde doen in insecten, maar dan aan de buikzijde.

“Dit verklaarde waarom normale dieren zoals wormen en insecten hun zenuwbundels in hun buik dragen en wij in onze rug. Gewervelden zijn gedurende de evolutie ondersteboven gekeerd. Toen onze voorouder de zeebodem verliet en ging zwemmen, zwom hij waarschijnlijk op zijn rug.

“Achteraf gezien was het een triviale observatie, maar niemand had tot dan toe de link naar de evolutie van gewervelden gelegd. Ontwikkelingsbiologen waren er niet in geïnteresseerd. Evolutionair biologen hadden er geen idee van – zij hadden het al druk genoeg met hun eigen literatuur. Voor een student was dat prachtig natuurlijk.

“Toen ik steeds meer bewijs vond, in moleculaire én klassieke studies, benaderde ik mijn prof, Katharina Nübler-Jung. Samen hebben we toen een stuk geschreven en naar Nature opgestuurd. Daar ben ik haar nog altijd dankbaar voor.”

U hebt de hypothese gepresenteerd. Heeft u er later experimenteel bewijs voor gevonden?

“Ja. We hebben onder andere gekeken naar hoe het centrale zenuwstelsel zich in onze wormen ontwikkelt. De resultaten waren echt overduidelijk. De genen die het zenuwkoord in Platynereis aanleggen kwamen één op één overeen met genen in gewervelden. Het enige verschil was dat bij wormen het zenuwkoord zich aan de buikzijde naar binnen vouwt en bij gewervelden aan de rugzijde.

“Het idee van inversie heeft sindsdien goed stand gehouden. Er zijn nog maar een paar onderzoekers die het niet geloven. Zij denken dat de zenuwkoorden van gewervelden en ongewervelden onafhankelijk van elkaar zijn ontstaan. Convergente evolutie dus.”

Waarom is dat onwaarschijnlijk?

“Natuurlijk kunnen bepaalde eigenschappen onder gelijke omstandigheden tweemaal evolueren, maar het uitgangspunt zal altijd verschillen. Convergente evolutie produceert structuren die oppervlakkig overeenkomen, maar totaal verschillen in hun fijne structuur.

“Neem de ogen van inktvissen en onze eigen ogen. Op het eerste gezicht zijn die zeer vergelijkbaar. Het zijn allebei lensdragende ogen bijvoorbeeld. Pas als je goed naar de anatomie en ontwikkeling kijkt zie je dat de architectuur fundamenteel verschilt. Ons netvlies ligt achter een laag van zenuwcellen die de lichtsignalen doorgeven aan de hersenen, bij inktvissen is dat precies andersom. Door die constructie hebben wij een blinde vlek hebben, en zij niet.”

“Maar als dezelfde organen op dezelfde plek onder invloed van dezelfde genen ontstaan, zoals de zenuwbundels van gewervelden en insecten, wijst dat op homologie. Homologie betekent dat het een oude eigenschap is die al bestond in een gemeenschappelijke voorouder.”

Dieren dragen hun geschiedenis als het ware met zich mee?

“Ja. Veel van wat er tijdens de ontwikkeling van een embryo gebeurt, kan alleen verklaard worden vanuit evolutionair perspectief. Als embryo doorlopen we een korte samenvatting van onze evolutionaire geschiedenis.”

    • Lucas Brouwers