Waarom deze pasgeboren amfibieën in kannibalen veranderen

Hoog in het bergmassief van de Three Sisters, in de Cascade Range in Centraal-Oregon, moesten onderzoekers een lange bergwandeling maken – en daarna skiën – om een serene en tijdelijke bergpoel te bereiken. In het vijvertje leefden vreemd ogende salamanders, en weinig meer dan dat.

“Ik merkte meteen dat de salamanderlarven erg mager waren en dikke koppen hadden,” zegt Susan Walls, tegenwoordig biologe bij de United States Geological Survey (USGS). Toen ze nog eens goed keek, zag ze dat de koppen en kaken van deze populatie van langteensalamanders veel groter waren dan normaal. Het blijkt dat die grotere bekken goed van pas kwamen voor een zeer specifiek doel: kannibalisme.

In een van de eerste wetenschappelijke artikelen op dit gebied over salamanders beschrijft Walls dat de grotere kaken ook plaats bieden aan grotere vomerische uitsteeksels of ‘tandjes’ (die bij deze soort gewoonlijk weinig meer zijn dan kleine bultjes van hoorn achter een rij voortandjes), die zijn uitgegroeid tot iets wat op echte tanden lijkt. Dat alles dient om hun neefjes beter te kunnen opschrokken – maar waarom?

Het proces waarbij dieren onder druk van hun omgeving een ‘gedaanteverwisseling’ ondergaan, wordt ‘fenotypische plasticiteit’ genoemd. Langteensalamanders doen dat alleen gedurende hun larvale fase. Wanneer ze eenmaal zijn volgroeid, zoals het exemplaar op de foto, zijn dit soort aanpassingen niet meer mogelijk.

In de juveniele waterfase, voordat ze zich geleidelijk aanpassen aan een leven op land, kunnen langteensalamanders zichzelf transformeren: in vergelijking tot hun lichaamsomvang worden hun koppen en kaken groter terwijl hun vomerische uitsteeksels veel prominenter worden. Als er genoeg voedsel en water is, ontwikkelen ze deze kenmerken niet, maar als ze dagenlang moeten hongeren en zo snel mogelijk uit de vijver moeten ontsnappen (bijvoorbeeld in een droge lente of zomer), dan worden hun koppen en ‘tanden’ groter, iets wat later weer ongedaan wordt gemaakt. De grotere bekken en tanden helpen ze bij het verorberen van grotere prooidieren – waaronder soortgenoten. Dat proteïnerijke dieet voorkomt dat ze verhongeren en zorgt ervoor dat ze snel tot wasdom komen en de vijver kunnen verlaten voordat deze is opgedroogd.

Het fenomeen is een voorbeeld van ‘fenotypische plasticiteit’, het vermogen om van uiterlijk te veranderen als het milieu dat vereist. Het verschijnsel doet zich niet alleen bij langteensalamanders voor, maar ook bij talloze amfibische soorten en andere diergroepen. “Er zijn insecten die zich tot versies met een grote en een kleine kop ontwikkelen, sommige nematoden (wormpjes) kennen een kannibalistisch fenotype met tandjes, en er zijn ook protisten (eencellige wezens) die als antwoord op overbevolking een kannibalistisch fenotype produceren,” zegt David Pfennig, een professor in de biologie van de University of North Carolina die het fenomeen bij tijgersalamanders en woelpadden heeft onderzocht.

Een beter inzicht in het mechanisme achter fenotypische plasticiteit is van groot belang voor het behoud van deze amfibieën, want wereldwijd zijn hun aantallen al met 43 procent afgenomen – het hoogste percentage aan biodiversiteitsverlies onder alle gewervelde dieren.

Jonge kannibalen

De meeste amfibieën kennen twee levensfasen, waarbij ze de eerste weken van hun leven in het water en hun volwassen leven op land doorbrengen. Het is tijdens die eerste waterfase dat fenotypische plasticiteit kan optreden.

De larven van langteensalamanders, die doen denken aan kikkervisjes, eten elkaar normaliter niet op, maar ze zijn wél agressief: “Ik zag veel gebijt en gesnauw toen ik deze diertjes observeerde,” zegt Erica Wildy, een assistent-professor in de biologie van de California State University in East Bay die dezelfde ondersoort van langteensalamanders als Walls en ook andere soorten bestudeerde.

Normaliter ontwikkelt de woelpad zich als omnivoor fenotype (links), maar als hij als kikkervisje relatief grote prooien moet eten, zoals een garnaal (midden), ontwikkelt hij zich tot een duidelijk carnivoor fenotype (rechts) dat is gespecialiseerd in het eten van grotere prooidiertjes als garnalen en andere kikkervisjes.

In de loop van haar onderzoek naar invloed van het voedselaanbod op de agressiviteit bij de larven van langteensalamanders merkte ze dat salamanders die op geïsoleerde plekken in de bergen leefden, zich anders gedroegen dan hun soortgenoten die in de valleien voorkwamen, waar genoeg voedsel en water beschikbaar was. Ze ontdekte dat de salamanders in de valleien weinig agressie vertoonden en geen enkel “kannibalistisch fenotype” produceerden, oftewel breedmuilige versies van langteensalamanders met grote ‘tanden’. Uit Wildy’s onderzoek bleek verder dat de stress van een omgeving met weinig beschikbare voedingsstoffen een belangrijke oorzaak is voor agressief gedrag en kannibalisme bij salamanders in geïsoleerde habitats in de bergen.

Wildy observeerde ook dat de kannibalistische fenotypen in een hoger tempo leken te groeien dan soortgenoten die zich voedden met zoöplankton, het gebruikelijke dieet van deze larven. Dat komt waarschijnlijk doordat ze sneller moeten groeien en hun vijver moeten verlaten voordat deze is opgedroogd, zo denkt Walls. In een opgedroogde poel zou een salamander in het larvale stadium meteen sterven.

Bovendien bleek volgens Walls dat de kannibalistische fenotypen zich weer transformeerden tot doodnormale larven als ze eenmaal naar een gunstiger omgeving waren getrokken en hun gebruikelijke voeding hadden hervat.

Transformerende soorten

Welke vormen van omgevingsstress kunnen tot zulke dramatische veranderingen leiden? In het geval van de langteensalamander was het een gebrek aan voedsel en snel opdrogende poelen, die alleen in bepaalde tijden van het jaar water houden. Voor tijgersalamanders gaat het om ruimte: in omstandigheden waarin sprake is van overbevolking, brengt het voortdurende lichaamscontact met soortgenoten waarschijnlijk de ontwikkeling van kannibalistische fenotypen op gang, die ervoor zorgen dat de overbevolking afneemt.

Bij woelpadden reageren de kikkervisjes met verschillende kopgrootten op het soort voedsel dat beschikbaar is. Als de larven in hun eerste levensfase relatief grote prooidiertjes moeten eten, kunnen sommige zich transformeren tot fenotypen met grote koppen, legt Pfennig uit. De normale fenotypen en de ‘dikkopjes’ zien er zó verschillend uit dat wetenschappers lange tijd dachten dat het om twee aparte soorten ging.

De kikkervisjes van boomkikkers uit Midden- en Zuid-Amerika kunnen zich tot verschillende fenotypen ontwikkelen, afhankelijk van de roofdieren in hun omgeving. Het ‘libelle-fenotype’ (links) ontwikkelt een kleurrijke staart om libellen in verwarring te brengen.

Bij sommige fenotypen draait hem om het vermijden van roofdieren. De kikkervisjes van boomkikkers in Midden- en Zuid-Amerika produceren fenotypen die zowel in kleur als spiermassa verschillen, als antwoord op het soort roofdieren waarmee ze te maken krijgen.

“Als ze vissen in het water ruiken, ontwikkelen ze een lange, doorschijnende staart en krijgen ze krachtigere staartspieren,” zegt Justin Touchon, assistent-professor in de biologie aan het Vassar College. Daardoor wordt het voor vissen lastiger om ze te spotten en voor de kikkervisjes gemakkelijker om snel weg te zwemmen.

“Maar als ze de larven van libellen ruiken, ontwikkelen ze een grote en kleurrijke staartvin,” zegt Touchon. Bij een aanval van een libelle zal dit roofinsect zich op de vervangbare staart richten in plaats van op het kwetsbaardere en zachtere lichaam van het kikkervisje.

Evolutie in actie?

We weten niet precies waardoor deze veranderingen worden veroorzaakt, zegt Touchon, maar alles draait om de expressie van verschillende genen. “Een dier ruikt het roofdier dat op hem jaagt of registreert dat het water opwarmt, waarna het sommige genen ‘in- of uitschakelt’ om snelle veranderingen in zijn lichaam door te voeren.”

Touchon werkt momenteel aan onderzoek naar de genen van boomkikkers die mogelijk verantwoordelijk zijn voor dit soort schakelaars.

In het geval van fenotypische plasticiteit lijkt het wel alsof de evolutie plotseling in een stroomversnelling terechtkomt, en dat is misschien ook zo: “Veel onderzoekers denken dat fenotypische plasticiteit geen invloed heeft op de evolutie van de dieren in kwestie, omdat deze veranderingen door milieufactoren worden opgeroepen en niet erfelijk zijn. Anderen menen dat de plasticiteit de evolutie zelfs vertraagt. En weer anderen stellen dat fenotypische plasticiteit evolutie op topsnelheid is,” zegt Pfennig.

De mogelijkheid om meteen op diverse omgevingsfactoren te reageren biedt deze soorten een duidelijk voordeel en dat is belangrijk in een wereld van klimaatverandering. De woelpadden die Pfennig in Arizona bestudeert, hebben een steeds kortere tijdspanne om zich van kikkervisje tot kikker te ontwikkelen, want het westen van de VS wordt geconfronteerd met meer droogteperioden en natuurbranden. Vleesetende (of kannibalistische) fenotypen kunnen daardoor vaker voorkomen, want hun proteïnerijkere dieet betekent dat ze sneller zijn volgroeid, sneller hun waterige kraamkamer kunnen verlaten en zich daarna ook sneller kunnen voortplanten.

“Plasticiteit zou soorten een buffer kunnen geven. Als je een beetje flexibel bent, kun je als soort onder veranderende milieuomstandigheden toch overleven,” zegt Touchon.

De kikkervisjes van boomkikkers uit Midden- en Zuid-Amerika kunnen zich tot verschillende fenotypen ontwikkelen, afhankelijk van de roofdieren in hun omgeving. Het ‘vis-fenotype’ laat een doorschijnende staart groeien om zich beter voor vissen te kunnen verbergen.

Dat zou kunnen werken, maar alleen als de plasticiteit van de soort in kwestie al is voorbereid op zo’n verandering. “Het vermogen van een organisme om te overleven hangt af van de plek waar het leeft, van de omstandigheden waaraan het zich door natuurlijke selectie in het verleden heeft aangepast en van het soort klimaatverandering dat zich op die plek zal voordoen,” zegt Mary Jane West-Eberhard, emeritus-onderzoekster aan het Smithsonian Tropical Research Institute, een in Panama gevestigde afdeling van het Smithsonian Institution die zich richt op de ecologie van de tropen.

Een vorm van plasticiteit die een soort kan helpen bij zijn aanpassing aan de klimaatverandering is te vinden bij de met uitsterving bedreigde nestsalamander in Florida. In oktober 2018 werd het St. Marks National Wildlife Refuge aan de kust van de Golf van Mexico als gevolg van hurricane Michael overspoeld met zeewater. In dit reservaat planten deze salamanders zich in zoetwaterpoelen voort. Maar na de storm vond Susan Walls, die in het gebied werkt, ook op plekken die door zout zeewater waren overstroomd, nog talloze levende salamanders.

Hoe hadden ze het zoute water overleefd? Volgens Walls is uit “studies gebleken dat verwante soorten die in kustgebieden leefden, beter tegen het zeewater konden dan exemplaren die verder landinwaarts leefden. Dat is een vorm van fenotypische plasticiteit, namelijk dat ze zich kunnen aanpassen aan heel plaatselijke omstandigheden,” zegt Walls.

Naarmate wetenschappers meer te weten komen over de wijze waarop amfibieën zich aanpassen aan omgevingsstress (die nog wordt versterkt door de klimaatverandering), kunnen ze die informatie gebruiken om slimmere beslissingen te nemen over het behoud van deze soorten, zo hoopt Walls.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com