Het dier – een bouwpakket - de Nederlandse Boekengids

door Gerdien de Jong
Het dier – een bouwpakket
Niet het materiaal maar het schema bepaalt het verschil tussen worm en mens
De Academische Boekengids 58, september 2006, pp. 7-9.
Hoe maak je een dier? De handleiding is ingewikkelder dan die van een bouwmarkt of Ikea,
maar essentieel zijn ook hier niet de onderdelen maar de manier waarop ze aan elkaar
geschakeld worden. Evolutie is de ontwikkeling van toepassingen.
Hoe verschillend zijn dieren van elkaar? Hebben alle dieren, van kwallen tot mensen, in principe
hetzelfde bouwplan? Of bestaan er fundamentele verschillen tussen de bouwplannen van elke diergroep?
Het antwoord op deze vraag is van groot belang voor de evolutiebiologie. Als er sprake is van een
gemeenschappelijk grondplan, dan betekent dit dat er in de evolutie voornamelijk gevarieerd wordt op
eenzelfde thema. Elk dier bezit dan zijn eigen ‘interpretatie’ van dat grondplan, met gebruik van dezelfde
genen. Maar als er fundamentele verschillen bestaan tussen de bouwplannen, dan moeten telkens, voor
elke groep dieren, volledig nieuwe genen uitgevonden worden.
Dan is er de vraag naar complexiteit in de evolutie en naar een eventuele toename daarvan. Hoe ontstaat
complexiteit? Het ligt voor de hand aan te nemen dat een complexer dier een complexer bouwplan heeft,
maar om dat vast te stellen moeten de bouwplannen bekend zijn. Eigenlijk zouden we ook een goede
definitie van biologische complexiteit moeten hebben. Maar die ontbreekt; in de biologie blijft
complexiteit vooralsnog een losse notie.
Een derde, hiermee samenhangende vraag, betreft het ontstaan van nieuwe functies en structuren. Bij
een gemeenschappelijk bouwplan voor alle dieren is veel minder nieuwbouw nodig dan bij geheel
verschillende bouwplannen voor elke diergroep. Vernieuwing – en toename van complexiteit – betekent
dan voornamelijk meer van hetzelfde, namelijk geleidelijke verandering en uitbouw.
Dit zijn drie kernvragen in de evolutiebiologie én in de ontwikkelingsbiologie. Voor het vinden van de
antwoorden moeten we de ontwikkeling van bevrucht ei tot volwassen individu doorgronden. Het
bouwplan is immers de kern van de ontwikkeling van het individu en stelt grenzen aan complexiteit en
vernieuwing. Evolutie betekent altijd dat de ontwikkeling van dieren van ei tot volwassene verandert,
evolueert.
In de aanvaarding van het idee van evolutie als afstamming onder verandering hebben de anatomie en
ontwikkelingspatronen van dieren een grote rol gespeeld. Maar daarna gingen de evolutie- en
ontwikkelingsbiologie elk hun eigen weg. Een nieuw raakvlak ontbrak zolang de genetica binnen de
embryologie geen rol speelde. Embryologen zagen een moeilijkheid in de genetische bepaling van
ontwikkeling: hoe zou lineair DNA kunnen coderen voor driedimensionale structuren? In 1980-1984 werd
de genetica van de embryonale ontwikkeling ontraadseld; in 1984 bleek dat de embryonale ontwikkeling
van zeer verschillende dieren gebruikmaakte van dezelfde genen. Als gevolg van deze genetische
revolutie in de ontwikkelingsbiologie ontstond het vakgebied Evolutionary Developmental Biology,
‘evo-devo’.
‘EVOLUTIE BETEKENT ALTIJD DAT DE ONTWIKKELING VAN DIEREN VAN EI TOT
VOLWASSENE VERANDERT, EVOLUEERT.’
De hier besproken boeken Endless Forms Most Beautiful van Sean Carroll en The Plausibility of Life van
Marc Kirschner en John Gerhart gaan beide over evo-devo, evolutie en ontwikkeling. Daarbij richten zij
zich tot de algemene lezer zonder speciale voorkennis. Toch zijn het heel verschillende boeken, met
andere invalshoeken en doelen. Carrolls boek gaat over evolutionaire inzichten in de ontwikkeling. Het
thema van Kirschner en Gerhart is de rol van ontwikkeling in evolutie.
Carroll, een van de eerste onderzoekers op het gebied van ontwikkelingsgenen en evo-devo, behandelt
genen en evolutiepatronen. Zijn studie sluit aan bij standaard evolutiebiologische opvattingen over
variatie en selectie als bepalend voor het evolutieproces. Het boek is toegankelijk geschreven: het jargon
is minimaal, gewichtige termen zijn vervangen door heldere woorden en de auteur geeft goede
voorbeelden.
Evolutiepatronen vormen de achtergrond in The Plausibility of Life, maar zijn hier niet het thema. Naast
een uitleg van ontwikkeling, geven Kirschner en Gerhart een nieuwe, aanvullende opvatting over
evolutieprocessen. Hun behandeling van die alternatieve theorie blijft echter uiterst abstract. Hoewel de
auteurs aangeven dat ook hun boek bedoeld is voor de algemene lezer, is het zonder een biologische
achtergrond moeilijk te volgen.
In Endless Forms Most Beautiful vertelt Carroll het detectiveverhaal van de ontdekking van de
genetische gereedschapskist van de ontwikkeling van het individu. Dit verhaal begint in 1894, met het
overzicht van William Bateson van de variatie die in de natuur voorkomt. Mutanten waarbij een
onderdeel van een dier lijkt te zijn vervangen door een ander onderdeel noemde Bateson ‘homoeotische
mutanten’. Bij de fruitvlieg (Drosophila melanogaster), vanaf 1915 het standaardproefdier voor genetisch
onderzoek, blijken vrij veel homoeotische mutanten te bestaan. Antennes in de vorm van pootjes en een
schijnbare verdubbeling van het borstschild komen voor.
In 1980 werd duidelijk dat de fruitvlieg acht genen voor homoeotische mutanten heeft. Deze genen
bepalen in het embryo de functie (identiteit) van de al gevormde segmenten, werkend van voor naar
achter in dezelfde volgorde als ze in het DNA liggen. De grote doorbraken in de daaropvolgende jaren
kwamen voort uit moleculair onderzoek aan deze acht genen. Ze bleken een stukje DNA
gemeenschappelijk te hebben (1984). Dit DNA leidde tot een eiwit met als belangrijkste functie de
regeling van andere genen. De acht genen voor homoeotische mutanten – nu Hox-genen geheten –
leveren het ‘gereedschap’ voor het aan- of uitzetten van ‘schakelaars’. De stand van deze schakelaars
bepaalt of een bijbehorend gen aan- of uitstaat. De uiteindelijke functie/vorm van een segment langs de
voor-achter as wordt bepaald door de specifieke aan/uit combinatie van de Hox-genen, op basis waarvan
andere genen aan- of uitgezet worden. In 1984 vond men dat de regenworm, de pad, de kip, de muis en
de mens dezelfde Hox-genen hebben, die in dezelfde volgorde werken om de identiteit van de onderdelen
langs de voor-achter as aan te geven (zie Figuur 1).
Figuur 1. Expressie van de genen pax 6 (‘maak hier oog’), otx en emx (‘maak hier hersenen’) en
de Hox-genen langs de voor-achter as, bij embryo’s van de fruitvlieg, de muis en de eikelworm,
een primitief beest uit de Deuterostomia, de groep waartoe de gewervelde dieren behoren.
Naast Hox werden vele andere genen voor gereedschapseiwitten gevonden. Deze geven commando’s als
‘maak hier oog’, ‘maak hier hart’, ‘maak hier brein’. Wat voor een oog, hart of brein het wordt, hangt af
van het dier. Hersenen bij zoogdieren en insecten hebben weliswaar een totaal verschillende anatomie,
maar de achterliggende genen zijn hetzelfde.
Hoe maak je nu een dier? Men neme een beginnend embryo. Specificeer de voor-achter as en de
onder-boven as. Zet coördinaten langs beide assen. Specificeer aan de hand van dit coördinatenstelsel
waar een derde as aangrijpt: de van-binnen-naar-buiten as. Zet een eigen coördinatenstelsel op in de
uitstulping. Specificeer nu de onderverdeling van het lichaam, de identiteit van de onderdelen. Dit alles
is wat ontwikkelingsgenen doen: de plaats in het embryo bepalen en die plaats een identiteit geven,
onder andere met behulp van Hox-combinaties. De zeven segmenten van de spinnenkop werken
bijvoorbeeld met Hox 1-6; de negen segmenten van het spinnenachterlijf met Hox 7-10. De zes
segmenten van de insectenkop werken met Hox 1-2, 4-5; de drie segmenten van het borststuk met Hox 7
en de acht segmenten van het achterlijf met Hox 8-10. Insecten en spinnen vertonen verschil in bouw bij
dezelfde elementen van het bouwplan.
Hoe maak je nu iets nieuws? Door het schakelschema te veranderen of door onderdelen te hergebruiken.
Zo komen de vleugels van insecten genetisch overeen met de kieuwen van kreeften. Schakelaars
hergebruiken is een andere mogelijkheid. Het gen Distal-less wordt aangeschakeld in het embryo van
insecten voor de plaatsbepaling van poten en monddelen: in de poot voor de klauwtjes, maar ook voor de
aanleg van de vleugel en voor de plaats van de toekomstige vleugelrand. Vlinders hebben daarbij nog
een mogelijkheid voor Distal-less: dit aangeschakelde gen vertelt waar in de vleugel een oogvlek moet
komen (Figuur 2). De ontwikkeling van een nieuwe tentakel aan de monddelen van Yuccamotten gebruikt
ook Distal-less voor de plaatsbepaling.
Soms lijkt er niet zoveel nodig voor een nieuw bouwplan. Vleermuizen evolueerden omstreeks 53-50
miljoen jaar geleden, op het hoogtepunt van de diversiteit in insecten. Vleermuizen zijn een succesvolle
groep: één op de vijf zoogdiersoorten is een vleermuis. De groep dankt dit succes onder andere aan de
goede vleugels. Die zijn bij alle vleermuizen hetzelfde gebouwd, namelijk door een verlenging van de
vingers. Tussen vingers, lijf en achterpoten is een vlieghuid gespannen. Zo’n vlieghuid is op zich niet
bijzonder, een aantal niet-verwante zoogdieren heeft er ook een, zoals de sugarglider, de vliegende
eekhoorn en de vliegende lemur. Het grote verschil tussen de vliegende lemur en de vleermuis zit in de
lange vleermuisvingers.
Die ontwikkelen zich als volgt. De hand van de vleermuis wordt op vergelijkbare wijze aangelegd als de
hand van de muis. Wanneer het kraakbeen zich begint te vormen, zijn de vingers van muis en vleermuis
nog identiek. Groei en differentiatie van de vingerbotjes staan onder controle van een aantal genen,
onder andere Bmp2. Dit gen is actiever in de vleermuis, wat leidt tot een snellere groei en langzamere
differentiatie van het weefsel, dus tot langere vingers. Het schakelsysteem tussen muis en vleermuis is
veranderd, zodat het gen Bmp2 bij vleermuizen sterker werkt. Dit is het cruciale verschil, een
vernieuwing die heeft geleid tot de snelle verspreiding van vleermuizen. Geen grote verandering in de
ontwikkeling, wel een grote evolutionaire vernieuwing.
Figuur 2. Distal-less schakelaars: een extra schakelaar voor oogvlekken op de vleugel van een
vlinder.
Kirschner en Gerhart benadrukken in The Plausibility of Life het aanpassingsvermogen van het
organisme. Wat is nodig voor een robuuste maar flexibele bouw? Terwijl bij Carroll patronen als gevolg
van regulatie voorop lijken te staan, hebben Kirschner en Gerhart vooral aandacht voor
ontwikkelingsprocessen en de flexibiliteit van het actieve organisme. Voor Carroll is slechts een deel van
de ontwikkeling van het organisme belangrijk, het deel dat Kirschner en Gerhart de onzichtbare
anatomie noemen. Zij vragen zich af of er een direct verband bestaat tussen het ontwikkelings- en het
evolutieproces.
In de middelste vier hoofdstukken van hun boek geven Kirschner en Gerhart een magistraal overzicht
van de principes van de ontwikkeling van embryo tot volwassen individu. De vier hoofdpunten zijn
aanpassingsvermogen, zwakke maar flexibele regeling, het vermogen van sommige weefsels hun eigen
patroon te genereren en het principe dat de bouw van de organismen georganiseerd is volgens een
onzichtbare kaart.
Ten eerste kan aanpassingsvermogen aan het milieu genetisch of fysiologisch zijn. Een bekend voorbeeld
van fysiologische aanpassing bij de mens is bruin kleuren in de zon. Een bekende genetische aanpassing
is lactosetolerantie. Over de hele wereld gezien kunnen de meeste volwassenen geen melk drinken
omdat ze geen melksuiker kunnen afbreken: het gen voor ‘melksuiker afbreken’ stond alleen aan toen ze
jong waren. Daar waar melk een belangrijke voedingsbron voor volwassenen is, zijn er veel mensen bij
wie het gen voor ‘melksuiker afbreken’ niet uitgeschakeld wordt.
Zwak maar flexibel regelen houdt in dat genetische schakelingen geen informatie geven over de
specifieke functie van het schakelschema. Hele schakelschema’s kunnen hergebruikt worden, met een
andere betekenis. Zwakke regulatie houdt ook in dat een uitkomst door veel schakelschema’s samen
bepaald wordt. Organismen hebben heel veel back-upsystemen. Ze worden opgebouwd uit
schakelschema’s die hergebruikt kunnen worden, die niet erg nauwkeurig werken en veel back-up nodig
hebben. Niet regelprecisie, maar wendbaarheid is belangrijk.
Daarnaast genereren sommige weefsels hun eigen patroon, aan de hand van toevallige variatie gevolgd
door selectie binnen de weefsels. Wat overerft is bijvoorbeeld niet een sterk gereguleerd en vastgelegd
patroon van zenuwen en bloedvaten, maar de wijze waarop zenuwen en bloedvaten groeien. Zij volgen –
evenals spieren – eerder gevormde structuren, zoals het skelet. De weefsels hebben de ‘vrijheid’ om een
kader in te vullen. De groei van het organisme is daardoor wendbaar maar ook robuust.
Dit betekent dat een orgaan van een grote perfectie niet in alle detail hoeft te evolueren. Bij een
vleermuis is het bijvoorbeeld niet nodig botten, spieren, zenuwen en bloedvaten onafhankelijk van elkaar
te muteren en te selecteren om een functionerende vleugel te verkrijgen. Van evolutionair belang is de
veranderde ontwikkeling van het skelet van de vingers. Vlieghuid, spieren, zenuwen en bloedvaten
volgen de verandering in het skelet zonder dat hiervoor een genetische aanpassing nodig is.
Ontwikkeling maakt evolutie eenvoudig. Variatie op een thema is niet moeilijk.
Ten slotte begint elk embryo met het maken van een compartimentenkaart die zijn onzichtbare anatomie
aangeeft. Deze kaart is genetisch vastgelegd en vormt de schakel tussen erfelijkheid en ontwikkeling.
Een compartiment werkt met zijn eigen combinatie van werkzame genen. Een relatief klein genoom van
circa 25.000 genen kan door de opdeling in compartimenten en de opeenvolging van nieuwe
compartimentsgrenzen op honderden of duizenden manieren gebruikt worden. In Endless Forms Most
Beautiful ziet Carroll deze compartimentenkaart als het belangrijkste element van het bouwplan van
dieren. Kirschner en Gerhart leggen de nadruk niet zozeer op het bestaan van de kaart, maar op de
werking van de compartimenten. Het assenstelsel, de coördinaten en de kaart van het embryo geven een
bouw in modules aan. Deze modulaire opbouw is oud en gehandhaafd over het hele dierenrijk.
‘HERSENEN BIJ ZOOGDIEREN EN INSECTEN HEBBEN WELISWAAR EEN TOTAAL
VERSCHILLENDE ANATOMIE, MAAR DE ACHTERLIGGENDE GENEN ZIJN HETZELFDE.’
Bij een dergelijke opbouw zijn er kernmodules die niet kunnen veranderen naast modules die veel
variatie toelaten. Modules die vroeg in de evolutie variatie toelaten, kunnen later opgenomen worden in
de kern. Een voorbeeld van zo’n kernmodule vinden we in het aantal nekwervels bij zoogdieren.
Zoogdieren hebben zeven halswervels, ook de giraffe. Dit aantal is opgenomen in de kernmodule van de
ontwikkeling van een individu. Ontwikkelingsafwijkingen met meer of minder halswervels leiden tot een
miskraam. Het is onduidelijk waarom zoogdieren zeven halswervels hebben, ongeacht hun neklengte.
Een dergelijke eigenschap binnen een bepaalde groep, zonder enige functionele onderbouwing, heet
toevallig. In de biologie betekent dit ‘zonder bekende oorzaak of reden’.
Kirschner en Gerhart vragen zich af of de grote toename van kennis over de ontwikkelingsprocessen van
dieren een herziening van de rol die ontwikkeling in de evolutie speelt nodig maakt. In de eerste en
laatste hoofdstukken van hun boek leggen zij hierop de nadruk. Maar deze delen zijn minder helder
geschreven en sommige conclusies zijn betwistbaar. De auteurs willen hier een belangrijke nieuwe
wetenschappelijke theorie voorstellen: ‘facilitated variation that deals with the means of producing
useful variation’. Maar ‘facilitated’ is een lastig begrip – toegelaten variatie? gemakkelijk gemaakte
variatie? mogelijk gemaakte variatie? bevorderde variatie? – het wordt niet helder uitgelegd. Het
vaststellen van de precieze betekenis van ‘facilitated’ is echter van belang voor het beantwoorden van de
vraag of Kirschner en Gerhart werkelijk een nieuwe wetenschappelijke theorie voorstellen. Facilitated
variatie in de zin van toegelaten, mogelijk of gemakkelijk gemaakte variatie, is een mooie stap in de
klassieke evolutiebiologie, maar niet meer dan dat. Facilitated variatie als bevorderde variatie
daarentegen is een nieuwe theorie. Het verschil is of ontwikkeling een actieve, met selectie vergelijkbare
rol in de evolutie krijgt.
Kirschner en Gerhart werken een theorie over variatie uit. Hun eerste vraag gaat over genetische
variatie en de vraag of er zoiets als facilitated genetische variatie bestaat. Daaronder verstaan zij nieuwe
genetische variatie gericht op (1) het ontstaan van levensvatbare individuen, (2) een bepaalde functie
van het individu en (3) aanpassing aan de omgeving. Zulke genetische variatie is nooit waargenomen. De
waarneming is immers dat genetische mutaties geen verband houden met hun eigen werking of met het
milieu van het individu. Dit drukt men uit door te zeggen dat een mutatie toevallig is, dat wil zeggen:
ongericht.
‘DE GENEN VOOR GEREEDSCHAPSEIWITTEN GEVEN COMMANDO’S ALS “MAAK HIER
OOG”, “MAAK HIER HART”, “MAAK HIER BREIN”. WAT VOOR EEN OOG, HART OF
BREIN HET WORDT, HANGT AF VAN HET DIER.’
Kirschner en Gerhart zijn geïnteresseerd in facilitated fenotypische variatie, dus ‘mogelijk gemaakte’
variatie in de verschijningsvorm van individuen. De hierboven genoemde drie punten zouden ook hier
moeten gelden. Het is aantoonbaar dat het ontwikkelingssysteem mutanten kan neutraliseren, dus de
overleving kan bevorderen. Maar het is de vraag of dit systeem fenotypische variatie op een specifieke
functie kan richten en daardoor aanpassing aan de omgeving bevordert zonder voorafgaande selectie.
Niets in de uitleg van het ontwikkelingsconcept door Kirschner en Gerhart maakt aannemelijk dat
ontwikkeling zich richt op een specifieke (gewenste) rol van het individu of dat zij een aanpassing aan
het aanwezige milieu inhoudt. De auteurs lijken te veronderstellen dat de determinanten voor het min of
meer perfect functioneren in elke omgeving zijn ingebouwd in de ontwikkeling en dat ontwikkeling
zonder enige selectie directe ecologische aanpassing betekent. Maar hiervoor geven zij geen verklaring
en geen voorbeelden.
In beide boeken is evolutie een aanvaard feit. Bij Carroll betekent evolutie het ontwikkelen van nieuwe
schakelschema’s, met de mogelijkheid van meer schakelingen. Het idee werkt zowel bij relatief kleine
veranderingen als bij grote verschillen tussen groepen. Carroll beschouwt kleine veranderingen in
genetische schakelschema’s als de voorbode van grote differentiatie, onder invloed van voortgaande
selectie en aanpassing. Voor Kirschner en Gerhart is facilitated variatie een kernpunt in de evolutie. Het
gaat om het aanpassingsvermogen binnen het zich ontwikkelende individu. Dit vermogen vormt voor hen
de grondslag van het evolutionaire proces. Deze gedachte komen we vaker tegen. Biologen die het
individuele organisme als functionerend geheel centraal stellen, komt selectie te kaal, te mechanistisch
en te reductionistisch voor. Binnen de evolutiebiologie is aanpassingsvermogen aan het milieu een
gevolg van selectie en niet een proces dat evolutie helpt, naast selectie.
Dit artikel opende met drie vragen. Beide besproken boeken geven daarop hun eigen antwoorden, op
basis van de revolutionaire inzichten die de ontwikkelingsbiologie voor evolutie heeft opgeleverd. Ze
laten zien dat er een fundamentele genetische eenheid bestaat in het bouwplan van dieren. Dieren
vormen variaties op een thema en zijn niet fundamenteel verschillend van elkaar. Complexiteit is het
gevolg van netwerken van schakelingen, van compartimenten en modules in de ontwikkeling, van
decentrale sturing. Complexiteit is ook een serie afgesloten wegen in de ontwikkeling.
Beide boeken geven aan dat nieuwe structuren steeds gebruikmaken van al bestaande structuren, maar
die op een nieuwe manier uitbouwen. De genetische kennis maakt het mogelijk nieuwe functies en
nieuwe structuren beter te herkennen, als variatie op een thema of als kleine verandering in de
ontwikkeling met grote functionele gevolgen. Evolutie geeft een onmisbaar perspectief aan de
ontwikkeling van dieren. De genetische ontrafeling van de ontwikkeling blijkt antwoorden te geven op de
belangrijkste evolutionaire vragen.
Gerdien de Jong is UHD Populatiegenetica aan de Universiteit Utrecht.
Besproken boeken:
Endless Forms Most Beautiful - The New Science of Evo Devo and the Making of the Animal
Kingdom
door Sean B. Carroll
W.W. Norton & Company. New York 2005.
350 pag. , € 21,95
The Plausibility of Life. Resolving Darwin’s Dilemma
door Marc W. Kirschner en John C. Gerhart
Yale University Press. New Haven 2005.
352 pag. , € 34,70
Literatuur:
- D.R. Angelino en T.C. Kauffman (2005). ‘Comparative Developmental Genetics and the Evolution of
Arthropod Body Plans’, Annual Review of Genetics 39, p. 95-119.
- P.M. Brakefield et al. (1996). ‘Development, Plasticity and Evolution of Butterfly Eyespot Patterns’,
Nature 384, p. 236-242.
- W.G.M. Damen, T. Saridaki en M. Averof (2002). ‘Diverse Adaptations of an Ancestral Gill. A
Common Evolutionary Origin for Wings, Breathing Organs, and Spinnerets’, Current Biology, 12, p.
1711-1716.
- O. Pellmyr en H.W. Krenn (2002). ‘Origin of a Complex Key Innovation in an Obligate Insect-Plant
Mutualism’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 99, p.
5498-5502.
- K.E. Sears et al. (25 april 2006). ‘Development of Bat Flight. Morphologic and Molecular Evolution of
Bat Wing Digits’, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103,
p. 6581-6586.