Toen Leonid Moroz, neurowetenschapper aan het Whitney Laboratory for Marine Bioscience in St. Augustine, Fla., voor het eerst kamkwallen begon te bestuderen, stond hij voor een raadsel. Hij wist dat de primitieve zeediertjes zenuwcellen hadden – onder andere verantwoordelijk voor het orkestreren van het bewegen van hun tentakels en het ritme van hun iriserende trilharen. Maar die neuronen bleken onzichtbaar te zijn. De kleurstoffen die wetenschappers gewoonlijk gebruiken om deze cellen te kleuren en te bestuderen, werkten gewoon niet. De neurale anatomie van de kamkwallen leek op niets anders dat hij ooit was tegengekomen.
Na jaren van studie, denkt hij te weten waarom. Volgens de traditionele evolutiebiologie zijn neuronen slechts één keer geëvolueerd, honderden miljoenen jaren geleden, waarschijnlijk nadat zeesponzen van de evolutionaire boom aftakelden. Maar Moroz denkt dat het twee keer gebeurde – één keer in de voorouders van de kamkwallen, die zich rond dezelfde tijd afsplitsten als de zeesponzen, en één keer in de dieren waaruit de kwallen en alle daaropvolgende dieren, waaronder wij, zijn voortgekomen. Als bewijs noemt hij het feit dat kamkwallen een relatief vreemd neuraal systeem hebben, dat gebruik maakt van andere chemicaliën en een andere architectuur dan het onze. “Als we naar het genoom en andere informatie kijken, zien we niet alleen een andere grammatica, maar ook een ander alfabet,” zei Moroz.
Toen Moroz zijn theorie voorstelde, waren evolutionaire biologen sceptisch. Volgens critici zijn neuronen het meest complexe celtype dat er bestaat, dat in staat is informatie op te vangen, berekeningen uit te voeren en beslissingen te nemen. Omdat ze zo gecompliceerd zijn, is het onwaarschijnlijk dat ze twee keer zijn geëvolueerd.
Maar nieuwe steun voor Moroz’ idee komt van recent genetisch werk dat suggereert dat kamkwallen oeroud zijn – de eerste groep die zich vertakt heeft van de dierlijke stamboom. Als dat waar is, zou dat de kans vergroten dat zij op eigen kracht neuronen hebben ontwikkeld.
Het debat heeft grote belangstelling gewekt onder evolutiebiologen. Het werk van Moroz stelt niet alleen de oorsprong van de hersenen en de evolutionaire geschiedenis van dieren ter discussie. Het stelt ook het diepgewortelde idee ter discussie dat de evolutie gestaag voortschrijdt en in de loop van de tijd complexiteit opbouwt.
De Eerste Splitsing
Ergens in de buurt van 540 miljoen jaar geleden, was de oceaan klaar voor een explosie van dierlijk leven. De gemeenschappelijke voorouder van alle dieren zwierf door de zeeën, klaar om zich te diversifiëren in de rijke fauna die we vandaag de dag zien. Wetenschappers hebben lang aangenomen dat sponzen de eerste waren die zich aftakelden van de hoofdstam van de dierlijke stamboom. Zij behoren tot de eenvoudigste diergroepen, zonder gespecialiseerde structuren, zoals zenuwen of een spijsverteringsstelsel. De meeste vertrouwen op de omringende stroom van water om voedsel te verzamelen en afval te verwijderen.
Later, zoals algemeen wordt aangenomen, splitste de rest van de dierlijke stam zich in kamkwallen, ook bekend als ctenophora (spreek uit TEN-oh-fours); cnidaria (kwallen, koralen en anemonen); zeer eenvoudige meercellige dieren, placozoa genaamd; en uiteindelijk bilateria, de tak die leidde tot insecten, mensen en alles daartussenin.
Maar het uitzoeken van de precieze volgorde waarin de vroege dierentakken zich hebben afgesplitst, is een notoir netelig probleem geweest. We hebben weinig idee van hoe dieren er zo vele miljoenen jaren geleden uitzagen, omdat hun zachte lichamen weinig tastbaar bewijs achterlieten in gesteenten. “Het fossielenbestand is vlekkerig”, zegt Linda Holland, een evolutiebiologe aan het Scripps Institution of Oceanography van de Universiteit van Californië, San Diego.
Om ons onvermogen om in het verleden te kijken te compenseren, gebruiken wetenschappers de morfologie (structuur) en genetica van levende dieren om te proberen de verwantschappen van de oude dieren te reconstrueren. Maar in het geval van de kamkwallen stelt de studie van levende dieren ons voor grote uitdagingen.
Er is weinig bekend over de basisbiologie van de kamkwallen. De dieren zijn ongelooflijk kwetsbaar en vallen vaak in stukken zodra ze in een net gevangen zijn. En het is moeilijk om ze in gevangenschap groot te brengen, waardoor het bijna onmogelijk is om de routine-experimenten uit te voeren die wetenschappers op andere dieren zouden kunnen uitvoeren.
Lange tijd werd gedacht dat kamkwallen nauw verwant waren aan kwallen. Met hun symmetrische lichaamsbouw en gelatineachtige samenstelling lijken de twee soorten uiterlijk op elkaar. Toch zwemmen en jagen de dieren anders – kwallen hebben stekende tentakels, terwijl kamkwallen kleverige tentakels hebben. En op genoom-niveau staan kamkwallen dichter bij sponzen, die helemaal geen zenuwstelsel hebben.
Bij kamkwallen of bij welk ander dier dan ook kan een evolutionaire analyse die zich baseert op morfologie leiden tot de ene evolutionaire stamboom, terwijl een stamboom die gebruik maakt van genomische gegevens, of zelfs verschillende soorten genomische gegevens, kan leiden tot een andere. De discrepanties leiden vaak tot verhitte discussies in het veld.
Een dergelijk debat ontstond in 2008, toen Mark Martindale, nu directeur van het Whitney Laboratory, Gonzalo Giribet, een evolutionair bioloog aan de Harvard University, en medewerkers een studie publiceerden waarin gensequenties van 29 verschillende dieren werden geanalyseerd. Na bestudering van de genetische gegevens stelden de onderzoekers een aantal veranderingen in de dierenboom voor.
Verreweg de meest controversiële van deze veranderingen was de suggestie dat ctenoforen sponzen zouden moeten vervangen als de vroegste tak van dieren. Als de evolutie de complexiteit met de tijd doet toenemen, zoals biologen van oudsher geloven, dan zou een ogenschijnlijk eenvoudig organisme als de spons vooraf moeten gaan aan een ogenschijnlijk complexer organisme als de kamkwal. De genetische gegevens van Martindale en Giribet deden anders vermoeden, maar critici hadden hun twijfels. “We werden zo’n beetje belachelijk gemaakt door de hele wetenschappelijke gemeenschap,” zei Martindale.
Martindale en zijn medewerkers moesten meer bewijs verzamelen voor hun voorstel. Ze overtuigden het National Institutes of Health om het genoom van een kamkwal, de zeewalnoot, te sequencen, wat in 2013 in Science werd gepubliceerd. Moroz en zijn medewerkers publiceerden in 2014 een tweede genoom van een ctenophoor, de zeeanemoon, in Nature. Beide publicaties, die uitgebreidere gegevens en meer verfijnde analysemethoden gebruikten dan de publicatie uit 2008, ondersteunen de ctenophore-first boom. Een derde artikel, waarin openbaar beschikbare genoomgegevens worden geanalyseerd en dat eerder dit jaar op de preprint server biorxiv.org is geplaatst, ondersteunt ook het idee dat kamkwallen zich het eerst vertakten.
In het licht van het nieuwe bewijsmateriaal beginnen wetenschappers het idee serieus te nemen, hoewel velen in het veld zeggen dat er niet genoeg gegevens zijn om sterke beweringen te doen. Dit standpunt is weerspiegeld in een golf van overzichtsartikelen die het afgelopen jaar zijn gepubliceerd en waarvan vele beweren dat kamkwallen niet echt de oudste tak zijn; ze lijken het alleen maar te zijn.
Kamkwallen zijn sneller geëvolueerd dan de andere oude diergroepen, wat betekent dat hun gensequenties in de loop van de tijd snel zijn veranderd. Dit betekent op zijn beurt dat de genetische analyse van hun plaats in de evolutionaire boom onderhevig kan zijn aan een computationeel artefact dat “lange-tak aantrekkingskracht” wordt genoemd, een soort storing die snel evoluerende organismen naar de basis van de boom kan trekken. “Lang vertakte diergroepen zijn vaak moeilijk te plaatsen,” zegt Detlev Arendt, een evolutiebioloog aan het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie in Duitsland. “Tot nu toe zijn de fylogenetische gegevens niet echt overtuigend over waar ze thuishoren.”
Wetenschappers hopen dat meer gegevens – waaronder genomen van extra ctenophore-soorten – zullen helpen de diepste takken van de dierenboom op te lossen. En dat zou op zijn beurt diepgaande implicaties kunnen hebben voor ons begrip van neuronen en waar ze vandaan komen. “De vertakkingsvolgorde heeft een grote invloed op hoe we de evolutie van het zenuwstelsel interpreteren,” zegt Gáspár Jékely, een bioloog aan het Max Planck Instituut voor Ontwikkelingsbiologie in Duitsland.
Inderdaad, zelfs degenen die het erover eens zijn dat kamkwallen het eerst ontstonden, zijn het oneens over de vraag hoe neuronen ontstonden.
De vonk van de gedachte
Het ontstaan van neuronen was een opmerkelijke gebeurtenis in de evolutie van dieren. Deze cellen kunnen communiceren – informatie ontvangen, overdragen en verwerken met behulp van een nauwkeurige chemische en elektrische taal. Hun kracht komt voort uit het complexe netwerk dat ze creëren. “Een enkel neuron is als het geluid van een hand die klapt,” zei Martindale. “Het hele idee is dat je er een heleboel bij elkaar zet en dat ze dingen kunnen doen die een paar afzonderlijke cellen niet kunnen.”
Dit niveau van complexiteit vereist een onwaarschijnlijke samenloop van evolutionaire gebeurtenissen. Er moeten mechanismen ontstaan die cellen niet alleen fysiek met elkaar verbinden, maar ze ook in staat stellen signalen door te geven en te interpreteren. “De reden waarom de meeste mensen niet denken dat ze meerdere keren geëvolueerd kunnen zijn, is het idee dat neuronen praten – specifiek met andere neuronen,” zei Martindale.
Dat maakt het voorstel van Moroz – dat neuronen twee keer geëvolueerd zijn, één keer in kamkwallen en één keer in andere dieren – zo controversieel.
Volgens Moroz’ versie van de evolutionaire boom, begonnen dieren met een gemeenschappelijke voorouder die geen neuronen had. Kamkwallen splitsten zich af en ontwikkelden hun vreemde soort neuronen. Daarna vertakten de voorouders van sponzen en placozoën zich af. Net als hun voorouders hadden zij geen neuronen. Rudimentaire neuronen, of protoneuronen, ontwikkelden zich vervolgens voor een tweede keer in de voorouders van kwallen en bilataren, en vormden de basis van het zenuwstelsel dat in alle daaropvolgende nakomelingen, inclusief de mens, werd aangetroffen. “Naar mijn mening is het eenvoudiger en realistischer dat de gemeenschappelijke voorouder geen zenuwstelsel had,” zei Moroz. (Hij denkt dat zelfs als de kamkwallen zich na de sponzen hebben afgesplitst, zij nog steeds onafhankelijk neuronen hebben ontwikkeld.)
Maar sommige wetenschappers die geloven dat de ctenophora zich eerst hebben afgesplitst, schetsen een ander beeld. Zij stellen dat de gemeenschappelijke voorouder van alle dieren een eenvoudig zenuwstelsel had, dat de sponzen vervolgens verloren. Kamkwallen en de resterende tak, waartoe onze voorouders, de bilateralen, behoren, bouwden op verschillende manieren voort op die protoneuronen en ontwikkelden steeds verfijndere zenuwstelsels.
“Het ctenoforen-eerst idee, als het juist is, suggereert dat er iets heel interessants aan de hand is,” zei Christopher Lowe, een bioloog aan het Hopkins Marine Station van de Stanford University. “Beide interpretaties zijn diepgaand.” Aan de ene kant zouden twee onafhankelijke oorsprongen van neuronen verrassend zijn, omdat het onwaarschijnlijk lijkt dat de precieze volgorde van genetische ongelukken die neuronen creëerden, meer dan eens zou kunnen gebeuren. Maar het lijkt ook onwaarschijnlijk dat sponzen zoiets waardevols als een neuron zouden verliezen. “Het enige voorbeeld dat we kennen van bilaterianen waarbij het zenuwstelsel volledig verloren ging, is bij parasieten,” zei Lowe.
De twee mogelijkheden weerspiegelen een klassiek raadsel voor evolutionaire biologen. “Heeft dit dier iets verloren of had het het niet om mee te beginnen?” zei Holland. In dit specifieke geval, “vind ik het moeilijk om een standpunt in te nemen,” zei ze.
Evolutie is wijdverspreid met voorbeelden van zowel verlies als parallelle evolutie. Sommige wormen en andere dieren hebben regelgevende moleculen of ontwikkelingsgenen afgeworpen die door de rest van het dierenrijk worden gebruikt. “Het is niet ongebruikelijk dat belangrijke complementen van genen verloren gaan in belangrijke dierlijke lijnen,” zei Lowe. Convergente evolutie, waarbij natuurlijke selectie twee gelijksoortige structuren onafhankelijk van elkaar voortbrengt, komt in de natuur vrij vaak voor. Het netvlies, bijvoorbeeld, is verschillende keren onafhankelijk van elkaar geëvolueerd. “Verschillende dieren gebruiken soms extreem verschillende gereedschapskisten om morfologisch vergelijkbare neuronen, circuits en hersenen te maken,” zei Moroz. “Iedereen accepteert het geval van het oog, maar ze denken dat de hersenen of neuronen maar één keer zijn gebeurd.”
Moroz’s belangrijkste bewijs voor een onafhankelijke oorsprong van neuronen in kamkwallen komt van hun ongewone zenuwstelsels. “Het zenuwstelsel van de ctenophore verschilt dramatisch van elk ander zenuwstelsel,” zei Andrea Kohn, een moleculair bioloog die samenwerkt met Moroz. Kamkwallen blijken niet de algemeen gebruikte chemische boodschappers te hebben die andere dieren wel hebben, zoals serotonine, dopamine en acetylcholine. (Ze gebruiken wel glutamaat, een eenvoudige molecule die een belangrijke rol speelt bij neuronale signaaltransmissie bij dieren). In plaats daarvan hebben ze genen waarvan voorspeld is dat ze een hele reeks neurale peptiden produceren, kleine eiwitten die ook als chemische boodschappers kunnen fungeren. “Geen enkel ander dier, behalve in deze phylum, heeft iets dergelijks,” zei Kohn.
Maar critici trekken deze bewering ook in twijfel. Misschien hebben kamkwallen echt wel de genen voor serotonine en andere neurale signaalmoleculen, maar zijn die genen onherkenbaar geëvolueerd, zei Arendt. “Het zou gewoon kunnen betekenen dat ze zeer gespecialiseerd zijn,” zei hij.
Wetenschappers aan alle kanten van het debat zeggen dat het alleen kan worden beantwoord met meer gegevens, en, wat nog belangrijker is, een beter begrip van de biologie van de kamkwal. Hoewel ze een aantal genen delen met modelorganismen, zoals muizen en fruitvliegen, is het onduidelijk wat die genen doen in kamkwallen. Evenmin begrijpen wetenschappers hun basiscelbiologie, zoals hoe kamkwalneuronen communiceren.
Maar het voortdurende debat heeft de belangstelling voor ctenophora aangewakkerd, en meer onderzoekers bestuderen hun zenuwstelsels, ontwikkeling en genen. “Moroz en medewerkers hebben het licht op dit deel van de boom laten schijnen, en dat is een goede zaak,” zei Holland. “We moeten die jongens daar beneden niet negeren.”
Correctie op 26 maart 2015: Een oorspronkelijk bijschrift dat twee kamkwallen beschreef, draaide hun posities om. De zee kruisbes staat links, de gelobde kamgelei rechts.
Dit artikel werd herdrukt op BusinessInsider.com.