Een van de grootste transformaties in de geschiedenis van het leven vond meer dan 600 miljoen jaar geleden plaats, toen een eencellig organisme de eerste dieren voortbracht. Met hun meercellige lichamen evolueerden dieren tot een verbazingwekkende reeks vormen, zoals walvissen die 200 ton wegen, vogels die zes mijl de lucht in vliegen en bultruggen die over woestijnduinen glijden.
Wetenschappers hebben zich lang afgevraagd hoe de eerste dieren waren, inclusief vragen over hun anatomie en hoe ze voedsel vonden. In een woensdag gepubliceerde studie vonden wetenschappers verleidelijke antwoorden in een weinig bekende groep gelatineuze wezens die kamgelei worden genoemd. Terwijl de eerste dieren een mysterie blijven, hebben wetenschappers ontdekt dat kamkwallen tot de diepste tak van de dierenstamboom behoren.
Het debat over de oorsprong van dieren woedt al tientallen jaren. Aanvankelijk vertrouwden onderzoekers sterk op het fossielenbestand voor aanwijzingen. De oudste definitieve fossielen van dieren dateren van ongeveer 580 miljoen jaar geleden, hoewel sommige onderzoekers beweren dat ze zelfs eerder zijn gevonden. In 2021 meldde Elizabeth Turner, een Canadese paleontoloog, bijvoorbeeld dat ze fossielen van sponzen had gevonden die mogelijk 890 miljoen jaar oud waren.
Sponzen zouden logisch zijn als het oudste dier. Het zijn eenvoudige wezens, zonder spieren of zenuwstelsel. Ze verankeren zich op de oceaanbodem, waar ze het water door een labyrint van poriën filteren en stukjes voedsel vasthouden.
Sponzen zijn zelfs zo eenvoudig dat het misschien als een verrassing komt dat het dieren zijn, maar hun moleculaire samenstelling verraadt hun verwantschap. Ze produceren bepaalde eiwitten, zoals collageen, die alleen door dieren worden geproduceerd. Bovendien laat hun DNA zien dat ze nauwer verwant zijn aan dieren dan aan andere levensvormen.
Vanaf de jaren negentig, toen wetenschappers DNA van meer diersoorten verzamelden, probeerden ze de dierenstamboom in kaart te brengen. In sommige onderzoeken kwamen sponzen in de diepste tak van de boom terecht. In dit scenario ontwikkelden dieren pas een zenuwstelsel nadat de sponzen waren afgetakt.
Maar in de vroege jaren 2000 kwamen andere wetenschappers tot een verrassend andere conclusie. Ze ontdekten dat de diepste tak van dieren kamgelei was – dunne, ovale wezens die vaak een kenmerkende reeks iriserende strepen ontwikkelen die flikkeren in de duisternis van de diepe oceaan.
Veel experts waren terughoudend om deze conclusie te accepteren, omdat het betekende dat de evolutie van dieren vreemder was dan ze hadden beseft. Om te beginnen waren stylinggels niet zo eenvoudig als sponzen. Ze hebben een zenuwstelsel: een netwerk van neuronen rondom hun lichaam bestuurt hun spieren.
Om het debat over sint-jakobsschelp versus spons op te lossen, verzamelden onderzoekers van over de hele wereld DNA van meerdere soorten oceaandieren. En in plaats van naar individuele genen te kijken, ontdekten onderzoekers hoe ze hele genomen konden sequensen.
Maar de lawine van nieuwe gegevens heeft het debat niet kunnen beslechten. Sommige wetenschappers stelden uiteindelijk een boom samen waarin de sponzen de diepste tak waren, terwijl anderen eindigden met haargel.
De nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, was gebaseerd op een nieuwe methode om DNA te gebruiken om de evolutie van dieren te volgen.
In eerdere studies keken wetenschappers naar hoe bepaalde mutaties ontstaan in verschillende takken van dieren. Een mutatie kan ervoor zorgen dat een enkele genetische letter, een basis genoemd, verandert in een andere letter. Deze mutatie wordt vervolgens geërfd door de nakomelingen van een dier.
Maar deze mutaties kunnen onbetrouwbare markeringen van de geschiedenis zijn. Een basis kan van de ene letter in de andere veranderen en miljoenen jaren later kan het teruggaan naar het origineel. Als alternatief kan dezelfde basis worden gewijzigd in dezelfde letter op twee niet-gerelateerde regels. Deze parallelle evolutie wekt de illusie dat de twee genealogieën nauw verwant zijn.
In de nieuwe studie keken Darrin Schultz, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Wenen, en zijn collega’s in plaats daarvan naar een ander soort genetische verandering. In zeldzame gevallen zal een groot stuk DNA per ongeluk van het ene chromosoom naar het andere gaan.
Deze enorme mutatie zal wetenschappers minder snel voor de gek houden. De kans dat exact hetzelfde stukje DNA een tweede keer naar exact dezelfde locatie wordt verplaatst, is astronomisch klein. Het is ook bijna onmogelijk voor dit stuk om precies terug te keren naar waar het vandaan kwam.
“Het is direct bewijs van iets dat is gebeurd,” zei Dr. Schultz.
Zijn team volgde de bewegingen van genetisch materiaal in de chromosomen van negen dieren, samen met drie eencellige dierlijke verwanten. Ze vonden veel stukjes DNA op precies dezelfde plek in het genoom van sponzen en andere dieren. Maar deze stukken bevonden zich op een andere locatie in kamgelei en eencellige dierlijke verwanten. Deze bevinding bracht Dr. Schultz en zijn collega’s tot de conclusie dat kamgelei eerst afweek van andere dieren.
“Het is een frisse kijk met een nieuwe benadering van de vraag”, zegt Antonis Rokas, een evolutiebioloog aan de Vanderbilt University die niet betrokken was bij het onderzoek.
In een onderzoek uit 2021 pleitten Dr. Rokas en collega’s voor geleikammen. Hij zei dat de nieuwe analyse een sterke bevestiging was.
“Ik heb geleerd om nooit te zeggen dat het gesprek voorbij is,” zei Dr. Rokas. “Maar dit beweegt de naald.”
De studie werpt interessante nieuwe mogelijkheden op over hoe de gemeenschappelijke voorouder van levende dieren eruit zag. Als kamkwallen, met zenuwstelsel en spieren, de diepste tak van de dierenboom zijn, dan waren vroege dieren misschien niet eenvoudig en sponsachtig. Ze hadden ook een zenuwstelsel en spieren. Pas later lieten sponzen hun zenuwstelsel los.
Dr. Schultz waarschuwde tegen het zien van kamkwallen als levende fossielen, onveranderd sinds het begin van dieren. “Iets dat vandaag leeft, kan niet de voorouder zijn van iets dat vandaag leeft”, zei hij.
In plaats daarvan proberen onderzoekers nu gelei te kammen om te zien hoe vergelijkbaar en verschillend hun zenuwstelsel is van dat van andere dieren. Onlangs bevroor Maike Kittelmann, een celbioloog aan de Brookes University in Oxford, en haar collega’s kamgeleilarven zodat ze een microscopische blik op hun zenuwstelsel konden krijgen. Wat ze zagen, liet hen verbijsterd achter.
In het hele dierenrijk worden neuronen meestal van elkaar gescheiden door kleine openingen die synapsen worden genoemd. Ze kunnen over de leegte communiceren door chemicaliën vrij te geven.
Maar wanneer dr. Kittelmann en haar collega’s begonnen kamgelei-neuronen te inspecteren en probeerden een synaps tussen neuronen te vinden. “Op dat moment hadden we zoiets van ‘Dit is raar’,” zei hij.
Uiteindelijk konden ze geen synapsen met elkaar vinden. Daarentegen vormt het gegeleerde kamzenuwstelsel een doorlopend weefsel.
Toen Dr. Kittelmann en haar collega’s vorige maand hun bevindingen rapporteerden, veronderstelden ze nog een andere mogelijkheid voor de oorsprong van de dieren. Kamkwallen hebben mogelijk hun eigen eigenaardige zenuwstelsel ontwikkeld, onafhankelijk van andere dieren, met behulp van enkele van dezelfde bouwstenen.
Dr. Kittelmann en haar collega’s inspecteren nu andere soorten kamgelei om te zien of dit idee standhoudt. Maar ze zullen niet verrast zijn om opnieuw verrast te worden. “Je moet niets aannemen,” zei hij.
