Vraag iemand om aan een dier te denken en de kans is groot dat ze een van onze zoogdierverwanten vinden. Sommige mensen gaan misschien verder en noemen andere gewervelde dieren zoals vogels en vissen. Maar deze krassen nauwelijks op het oppervlak van de diversiteit van dieren, met dingen als koppotigen, insecten en stekelhuidigen die allemaal verschillende kenmerken hebben.
En dat is voordat je bij de echt rare dingen komt, zoals radiaal symmetrische Cnidarians of sponzen die spier- en zenuwcellen missen. Of kamkwallen, die zich verplaatsen door veel draadachtige trilhaartjes rond te laten draaien. Of de echt rare plazozoën, schijfachtige wezens die twee kanten hebben maar geen binnenkant en dingen op hun oppervlak verteren.
Voor mensen die geneigd zijn te denken dat evolutie inhoudt dat organismen steeds complexer worden, is het verleidelijk om zich voor te stellen dat de dierenstamboom is ontstaan door geleidelijk meer dingen toe te voegen, zoals zenuwcellen en spieren. Maar er is een gestage stroom van genetische studies geweest die erop wijzen dat er twee afzonderlijke afstammingslijnen zijn die uiteindelijk met zenuwcellen zijn geëindigd. De resultaten van deze onderzoeken waren enigszins afhankelijk van de genen en soorten die voor analyse waren geselecteerd. Maar een nieuwe studie die niet zozeer afhankelijk is van individuele genen, plaatst sponzen nu stevig als nauwer verwant aan mensen dan sommige andere dieren met een zenuwstelsel.
Chromosomale ritmes
De meeste van de vroege studies op dit gebied betroffen het identificeren van verwante genen die aanwezig zijn in alle dieren en het bepalen hoe deze genen verwant zijn. Het is duidelijk dat de organismen zelf op dezelfde manier verwant zijn. Dit kan in veel gevallen zeer informatief zijn, maar de analyse is vaak verwarrend wanneer veel soorten in korte tijd uiteenlopen of wanneer individuele genen veel veranderen als gevolg van evolutionaire druk. Dus het exacte antwoord dat u krijgt, kan soms afhangen van de genen die u kiest om te testen.
De nieuwe studie probeert verwarring te voorkomen door te kijken hoe genen op chromosomen zijn gerangschikt. Het blijkt dat individuele genen de neiging hebben om lange tijd op dezelfde plaats op een chromosoom te blijven. Naar schatting duurt het 40 miljoen jaar voordat slechts één procent van de genen in een typisch dierlijk genoom naar een nieuw chromosoom gaat. Dus de kans is groot dat als vier genen nu naast elkaar liggen, ze ook naast elkaar zaten bij de voorouders van de zoogdieren van vandaag die moesten voorkomen dat ze door de dinosaurussen werden opgegeten.
Dit betekent niet dat deze voorouders exact hetzelfde aantal en dezelfde rangschikking van chromosomen hadden. Herschikkingen op grote schaal vinden plaats, zoals de fusie of breuk van chromosomen, of het overschakelen van een groot stuk van de ene naar de andere. Maar deze grote herschikkingen houden bijna alle nabijgelegen genen naast elkaar, zelfs als de hele groep op een ander chromosoom terechtkomt (de verwisselingen kunnen slechts een breuk in een DNA-molecuul inhouden).
Dit betekent dat het doorbreken van de lineaire rangschikking van een groep genen – technisch gezien syntenie genoemd – vrij zeldzaam is in de evolutionaire geschiedenis van een dier. En door veranderingen in de rangschikking van genen tussen soorten te volgen, kunnen we uitzoeken waar de genenpools van een organisme in het verleden zijn gesplitst en welke andere soorten dezelfde herschikking hebben geërfd. En dit kan ons vertellen welke organisaties het nauwst met ons verbonden zijn.
Nabestellingen volgen
Om dit soort analyses te doen, moet je weten hoe de genen op de chromosomen zijn gerangschikt. We hebben pas onlangs technologie ontwikkeld waarmee we zeer grote stukken DNA kunnen sequensen – vaak tienduizenden basen in een stuk – waardoor het veel gemakkelijker wordt om chromosomen samen te voegen. De onderzoekers putten uit verschillende dierlijke genomen waar dit was gedaan en voltooiden er zelf een paar voor de studie. Bovendien reconstrueerden ze de chromosomen van eencellige organismen waarvan werd aangenomen dat ze nauw verwant waren aan dieren om een basis te vormen voor de oorspronkelijke arrangementen.
Aangenomen wordt dat de oorsprong van dieren ongeveer 800 miljoen jaar geleden heeft plaatsgevonden. Dus hoewel fragmentatie van genclusters zeldzaam is, is dit genoeg tijd om het in een groot deel van het genoom te hebben plaatsgevonden. De onderzoekers waren in staat iets minder dan 300 genen te identificeren die zich in clusters bevonden die zich uitstrekten tot de eencellige verwanten van de dieren, waarbij de grootste cluster 29 genen omvatte. Toen de onderzoekers 10 miljoen simulaties uitvoerden die willekeurige genen verwisselden met de verwachte snelheid over 800 miljoen jaar, kwamen ze nooit met een cluster zo groot als acht genen, dus de meeste van hen zullen waarschijnlijk echte voorouderlijke staten zijn.
Door de herschikkingen te volgen, konden de onderzoekers acht herschikkingen identificeren die worden gedeeld door links- en rechtshandige dieren zoals wij gewervelde dieren, en zaken als kwallen (Cnidaria) en sponzen (Porifera). Geen van deze kwam voor in kamgelei (Ctenophora). Nogmaals, ze hebben 100 miljoen willekeurige simulaties uitgevoerd en hebben dit overervingspatroon nooit gezien, dus het lijkt echt te zijn.
Dit betekent dat dieren zoals wij gewervelde dieren, samen met al het andere dat een linker- en rechterkant heeft, nauwer verwant zijn aan sponzen dan wij aan jellybeans. Dit ondanks het feit dat sponzen geen spieren of zenuwstelsel hebben, terwijl kamkwallen beide met ons delen.
Hoe is dit mogelijk?
Naast het ontbreken van zenuwen en spieren, zijn sponzen ongebruikelijk omdat veel van hen een interne gemineraliseerde structuur hebben die enigszins analoog is aan een skelet. Velen van hen gebruiken calciumcarbonaat om het te vormen, maar sommige soorten maken het van silicium, dat chemisch heel anders is dan alles wat wij dubbelsterren doen. Ze missen ook zoiets als een intern spijsverteringssysteem.
Maar als dit vreemde verwanten lijken, dan zijn platozoa de oom Festers van de dierenfamilie. Deze bestaan als een tweezijdige schijf die op een gecoördineerde manier over de oppervlakken beweegt. Wanneer ze in voedsel terechtkomen, vormen ze eenvoudig een buidel aan de onderkant van de bak en verteren ze op hun plaats. Dit alles gebeurt zonder duidelijke zenuw- of spiercellen, hoewel er meldingen zijn dat ze pieken van elektrische activiteit vertonen die, bij andere dieren, de kenmerken zijn van zenuwcellen.
Nogmaals, deze groepen zijn duidelijk nauwer aan ons verwant dan kamkwallen, die zenuwnetten en spiercellen hebben.
Hiervoor zijn twee mogelijke verklaringen, en het is op dit moment onmogelijk om ze van elkaar te onderscheiden. De eerste is dat de voorouders van sponzen en plakozoën ook spieren en zenuwcellen hadden, maar deze tijdens de evolutie verloren, waardoor hun lichaamsplannen gedurende honderden miljoenen jaren radicaal vereenvoudigd werden. Dit druist in tegen hoe de meeste mensen verwachten dat evolutie werkt, maar er zijn veel organismen die gedijen met vereenvoudigde lichaamsplannen (veel van hen zijn parasieten). En de sponzen hebben gebloeid op de plaats die ze innemen. Placozoën kunnen ook gedijen, maar ze zijn klein en gemakkelijk over het hoofd te zien, dus we hebben hier geen goed begrip van.
Het alternatief is dat zaken als spieren en zenuwcellen twee keer zijn geëvolueerd. Dit lijkt misschien onwaarschijnlijk, maar er zijn een paar dingen die in die richting wijzen. Een daarvan is dat er significante verschillen lijken te zijn tussen de zenuw- en spiercellen van sint-jakobsschelpen en die van links- en rechtszijdige dieren. Placozoën lijken, zoals hierboven vermeld, zenuwcelachtig gedrag te vertonen, ook al hebben ze geen zenuwcellen. En veel van de eiwitcomplexen die nodig zijn voor het functioneren van zenuwcellen worden geproduceerd door sponzen. Het zou dus kunnen zijn dat de voorouders van al deze dieren stukjes op hun plaats hadden waardoor zenuwcellen konden evolueren met minder veranderingen dan anders nodig zou zijn.
Onderscheid maken tussen deze mogelijkheden zal een serieuze uitdaging zijn, en het is onwaarschijnlijk dat het simpelweg verzamelen van meer genoomsequenties ons een antwoord zal geven. In plaats daarvan zouden we waarschijnlijk moeten gaan werken aan het kweken van sint-jakobsschelpgelei in het lab, zodat we hun zenuw- en spiercellen van dichterbij kunnen bekijken.
Natuur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05936-6 (Over DOI’s).
