Dieren

Ogen van kwallen en mensen hebben dezelfde genetische bouwstenen

"Het is geen geen hogere wiskunde." Een blog van Ed Yong. woensdag, 1 november 2017

Door Ed Yong

Kwallen mogen dan lijken op klodders slijm, in werkelijkheid zijn sommige soorten verrassend geavanceerd. Zo is de dooskwal Tripedelia cystophora een snelle en actieve jager die zijn prooi met behulp van 24 volledig functionerende ogen opspoort. De ogen zijn gegroepeerd in vier clusters genaamd ‘rhopalia’, die aan weerszijden op zijn kubusvormige lichaam liggen. Samen geven ze de dooskwal een panoramisch blikveld van 360o graden op de wereld om hem heen en maken het dier zeer wendbaar.

Van elke cluster zijn vier ogen niet meer dan kuiltjes met lichtgevoelige pigmenten, maar de twee andere ogen zijn verrassend ver ontwikkeld en hebben elk hun eigen lenzen, netvliezen en cornea’s. De lenzen zijn goed genoeg om beelden zonder vervorming te produceren en hoewel het zicht van de kwal vager is dan dat van de mens, lijken deze ‘gaatjescamera’-ogen sterk op de ogen van hogere diersoorten als de mens en andere gewervelde dieren.

Maar de overeenkomsten gaan nog verder. Hoewel kwallen tot de oudste groep dieren behoren die een goed ontwikkeld gezichtsvermogen hebben ontwikkeld, blijken hun ogen uit dezelfde genetische bouwstenen te bestaan als die van de mens.

Oog voor detail

Alle ogen, van het mensenoog tot de samengestelde ogen van insecten, zijn opgebouwd uit twee basiscomponenten: ze hebben lichtgevoelige cellen oftewel fotoreceptoren, die lichtgolven in chemische signalen omzetten, en een donker pigment waarmee deze golven worden gebundeld. De fotoreceptoren werken altijd met behulp van een combinatie van het eiwit opsine en de stof retinal. Wanneer retinal door licht wordt bestraald, verandert de vorm van het molecuul en scheidt het zich af van het opsine. Dat veroorzaakt een chemisch signaal dat als een elektrische impuls naar de hersenen wordt gestuurd.

Gewervelde en ongewervelde dieren zijn verschillend wat betreft de pigmenten en de fotoreceptoren die ze gebruiken en beide groepen hebben hun eigen specifieke opsinen en signaalpaden ontwikkeld. Zbynek Kozmik van de Tsjechische Academie van Wetenschappen ontdekte dat de dooskwal uitzonderlijk is omdat de structuur van zijn fotoreceptoren meer lijkt op die van gewervelde dieren dan die van ongewervelden.

Toen Kozmik onderzoek deed naar de genen die voor het gezichtsvermogen van de dooskwal verantwoordelijk zijn, ontdekte hij dat ook hun opsine-eiwit lijkt op de opsinen die bij gewervelde dieren voorkomen. Na nog meer tests kon Kozmik bevestigen dat het opsine van de dooskwal een volledig functionerend visueel eiwit is. Het verbindt zich met retinal en is vooral gevoelig voor blauwgroen licht.

Maar daarmee hielden de overeenkomsten nog niet op. Kozmik ontdekte dat ook de keten van eiwitten die het signaal van het opsine doorgeven, sterk lijkt op soortgelijke eiwitten bij gewervelde dieren. En dat in de ogen van de dooskwal hetzelfde donkere pigment wordt gebruikt als in de ogen van de mens: melanine. In het genoom van de dooskwal vond Kozmik de kwallenversie van de menselijke genen ‘Oca2’ en ‘Mitf’, die essentieel zijn voor het aanmaken van melanine. De genen worden ingeschakeld in een gedeelte van het dooskwallenoog waar het wemelt van de pigmentkorrels, die in chemische tests als melanine werden geïdentificeerd.

Parallel of voortgezet?

Ondanks de enorme evolutionaire kloof die tussen de kwal en de gewervelde dieren gaapt, zijn de ogen van beide groepen dus opgebouwd uit dezelfde genetische bouwstenen. Het is mogelijk dat beide groepen gebruikmaakten van het oude ‘oogprogramma’ van hun gemeenschappelijke voorouder, maar Kozmik denkt dat dit niet erg waarschijnlijk is. Als er al zo’n programma zou zijn geweest, zou het door veel diergroepen zijn verworpen omdat de meeste ongewervelde dieren met gezichtsvermogen, zoals octopussen en insecten, hun ogen met behulp van een heel andere groep genen hebben ontwikkeld. Kozmik stelt dat het gezichtsvermogen zó veel voordeel oplevert dat geen enkele diergroep een logische reden heeft om een goed werkend bouwplan voor de ogen op te geven ten gunste van een geheel nieuw systeem.

In plaats daarvan is het waarschijnlijker dat kwallen en gewervelde dieren hun ogen onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld op basis van dezelfde genetische bouwstenen, als een voorbeeld van parallelle evolutie. Dat is plausibel, want er zijn meer voorbeelden van omvangrijke netwerken van genen die voor nieuwe functies zijn ingezet. Volgens schattingen op basis van computermodellen zou het slechts een half miljoen generaties duren om vanuit een stel eenvoudig vlekjes van fotoreceptoren op de huid tot een geavanceerd gaatjescamera-oog te komen.

Het is zelfs waarschijnlijk dat het ontwikkelde gaatjescamera-oog van de kwal ontstond uit de primitieve kuiltjes die zich samen met zijn ontwikkelde ogen in de rhopalia bevinden. Deze eenvoudiger ogen bevatten eiwitten genaamd kristallinen, waarmee de lenzen van ontwikkelde ogen worden opgebouwd. Het Mitf-gen, waarmee in gaatjescamera-ogen melanine wordt geproduceerd, is ook werkzaam in de kuiltjesogen.

Uit de ogen van de dooskwal kan eens te meer worden opgemaakt dat belangrijke innovaties, zoals het gezichtsvermogen, zijn geëvolueerd door bestaande groepen van genen op een nieuwe manier te gebruiken, in plaats van geheel nieuwe genen te ontwikkelen.

Lees meer