Oervissen hadden botten die als accu’s fungeerden

De eerste botten die uit levende cellen waren opgebouwd, waren een bron van belangrijke mineralen voor vissen, die daardoor langere afstanden konden afleggen – een doorbraak in de evolutie van gewervelde dieren.

Gepubliceerd 6 apr. 2021 11:01 CEST
Bothriolepis

Kaakloze en gepantserde vissen die circa vierhonderd miljoen jaar geleden leefden, ontwikkelden de allereerste botten die uit levende cellen waren opgebouwd. De belangrijke mineralen die in deze vroege botten lagen opgeslagen, konden indien nodig aan het spierweefsel van de oervissen worden afgegeven.

Foto van Illustration by Brian Engh

Door onderzoek te doen naar gefossiliseerde resten van oervissen hebben wetenschappers een doorbraak ontdekt in de evolutie van een van de belangrijkste onderdelen van de anatomie van mens en dier: de botten. Hoewel botten voornamelijk tot doel hebben het lichaam te ondersteunen, zijn deze harde structuren altijd aan verandering onderhevig en bieden gewervelde dieren ook andere voordelen. Botweefsel onderhoudt zichzelf, repareert verwondingen en voorziet het bloed van belangrijke voedingsstoffen.

Maar de vroegste botten verschilden sterk van het skelet van de moderne mens. In de vroege prehistorie leek botweefsel meer op beton, dat op de buitenkant van oervissen groeide en daar een beschermend schild vormde. Volgens een nieuwe studie die in het tijdschrift Science Advances is verschenen, fungeerden de allereerste botten met levende cellen erin, die zich zo’n vierhonderd miljoen jaar geleden ontwikkelden, aanvankelijk als benige accu’s: ze voorzagen de oervissen indien nodig van mineralen die ze nodig hadden om grotere afstanden te kunnen afleggen.

De gefossiliseerde wezens die voor deze studie zijn onderzocht, behoren tot de groep van Osteostraci. “Ik noem ze het liefst kevermeerminnen,” zegt Yara Haridy, promovenda aan het Museum für Naturkunde Berlin en hoofdauteur van de nieuwe studie. Deze vissen hadden een gepantserd kopschild met daarachter een flexibele staart. Ze hadden geen kaken, en hun botweefsel groeide rond de buitenzijde van hun lichaam. Deze oervissen vormen een cruciale schakel in de evolutie van verbeende lichaamsdelen die zo’n belangrijke rol spelen in de anatomie van alle gewervelde dieren.

Haridy’s onderzoek richtte zich op osteocyten, de cellen die tijdens de groei van het skelet worden omsloten door de harde, gemineraliseerde delen van het botweefsel. Maar de eerste dieren met botten hadden geen osteocyten, en ook sommige moderne vissen hebben ze niet, wat bij paleontologen de vraag opriep wanneer en waarom deze botcellen zich voor het eerst ontwikkelden.

“Ik raakte zo’n beetje geobsedeerd door de vraag waarom osteocyten zich hebben ontwikkeld,” zegt Haridy.

Nieuwe 3D-technologie

Het oplossen van het raadsel van de oerbotten bleek voor paleontologen geen eenvoudige opgave. Volgens Haridy waren onderzoekers van oudsher gewend om de interne structuren van botweefsel te bestuderen door het in flinterdunne plakjes te snijden en dan onder de microscoop te bekijken. Maar met deze tweedimensionale methode kan niet het hele, driedimensionale beeld van de eigenlijke botcellen worden verkregen.

Maar dankzij een methode die ten behoeve van de materiaalkunde en andere toegepaste wetenschappen is ontwikkeld, konden Haridy en haar collega’s botstructuren onderzoeken die nog niet eerder in zoveel detail zichtbaar waren gemaakt. “In de gang bij het kantoor van een van mijn collega’s zag ik een poster hangen met daarop verbluffende foto’s van poriën in batterijen, en die zagen eruit als cellen,” herinnert Haridy zich. De methode die voor het maken van dat soort opnamen werd gebruikt, wordt in het Engels ‘focused ion beam milling and scanning electron microscopy’ of FIB-SEM genoemd, oftewel ‘vrezen met geconcentreerde ionenbundels en rasterelektronenmicroscopie’. De technologie levert gedetailleerde, driedimensionale scans op en Haridy vroeg zich af op welke voorwerpen deze methode kon worden toegepast. Toen ze vernam dat de technologie het best werkt bij stabiele en droge objecten, “zette ik het zo’n beetje op een gillen, want wat is nou stabieler dan steen [gemineraliseerde fossielen]?” zegt Haridy.

De scans die werden gemaakt van de Osteostraci-fossielen, overtroffen Haridy’s stoutste verwachtingen. “Mijn geweldige collega Markus Osenberg stuurde me achteloos een e-mailtje met daarin de eerste resultaten,” herinnert ze zich, “en ik belde hem meteen op om te checken of het niet om foto’s van een model ging in plaats van echt botweefsel. Zo ongelooflijk was het.”

Op de scans was niet het botweefsel zelf te zien – dat al lang geleden was vergaan – maar wel de holten die waren achtergebleven op de plekken waar de botcellen in de oervissen hadden geleefd. “Ik keek naar een holte waarin vierhonderd miljoen jaar geleden een celletje had geleefd,” zegt Haridy.

Fossielen 101
Fossielen zijn echo's uit een eeuwenoud verleden. Kom meer te weten over twee belangrijke soorten fossielen, hoe fossilisatie plaatsvindt en hoe we aan de hand van fossielen een beeld kunnen krijgen van de geschiedenis van onze planeet.

Accu's van bot

Terwijl ze de scans analyseerden, zagen Haridy en haar team dat het botweefsel rond de celholten was aangetast. Maar de kleine kuiltjes waren geen sporen van ziekte of verwonding. De botcellen hadden een heel klein beetje van het gemineraliseerde weefsel opgelost om het calcium en fosfor en de andere mineralen in het omringende weefsel ter beschikking te stellen aan de bloedsomloop van de oervis.

Kortom, de cellen veranderden het botweefsel in een soort accu, die opgeslagen mineralen kon afgeven ten behoeve van processen als het voeden van de zwemspieren. De behoefte aan extra voedingsstoffen zwengelde op zijn beurt de evolutie van cellulaire botten aan, een verandering die van grote invloed was op de ontwikkeling van alle gewervelde dieren.

“Deze hypothese gaat al enige tijd rond, maar kon tot nu toe niet met bewijzen worden onderbouwd,” zegt Martin Brazeau, een paleontoloog van Imperial College London die niet bij de nieuwe studie was betrokken. Het onderzoek levert nieuwe aanwijzingen op voor de stelling dat de eerste botcellen het gepantserde weefsel van Osteostraci gebruikten voor wat extra energie. “Haridy en haar collega’s hebben ontdekt dat de marges rond de osteocyten een lagere dichtheid hebben dan het omringende botweefsel en komen met overtuigende argumenten dat dit een bewijs is voor de metabolisering van mineralen,” zegt Sam Giles, een paleontoloog van de University of Birmingham die evenmin bij het nieuwe onderzoek was betrokken.

Helaas kunnen bij de FIB-SEM-techniek die werd toegepast alleen beelden in hoge definitie worden gecreëerd van botweefsel aan het oppervlak van het gescande object. Bovendien wordt het onderzochte deel van het fossiel tijdens het proces vernietigd, dus is het niet altijd de ideale methode voor het onderzoeken van botfossielen. Niettemin kan de toepassing van de techniek op een selecte keuze van gefossiliseerde botfragmenten interessante ontdekkingen over de evolutionaire functie van het skelet opleveren.

De onderzoekers onthulden niet alleen de holten in het botweefsel waarin ooit cellen hadden geleefd, ze brachten ook de vorm en de verbindingen tussen de cellen en het harde botweefsel in beeld, iets wat niet eerder was gedaan. “Deze benadering is zeer veelbelovend,” zegt Sophie Sanchez, een anatome van de Universiteit Uppsala in Zweden die niet bij de nieuwe studie was betrokken. Volgens haar zou de techniek vooral zeer bruikbaar kunnen zijn als ze wordt gecombineerd met andere methoden waarbij dieper onder het oppervlak van gefossiliseerd botweefsel kan worden gekeken.

Het feit dat de oervissen indien nodig een voorraad mineralen konden aanspreken die in hun eigen skelet lag opgeslagen, had grote gevolgen voor de evolutie van het leven op aarde. Volgens Haridy zouden vissen zonder de ontwikkeling van cellulaire botten waarschijnlijk niet in staat zijn geweest om over grote afstanden te trekken, omdat ze niet genoeg mineralen hadden om hun spierweefsel te voeden.

Gewervelde dieren zouden zonder de osteocyten misschien nooit de overstap van zee naar land hebben gemaakt, zegt zij, aangezien de ‘botaccu’s’ ook het calcium leverden voor de aanmaak van eierschalen en moedermelk. De evolutie zou mogelijk een heel andere weg zijn ingeslagen, een weg die heel andere dieren dan dinosauriërs of zoogdieren zou hebben opgeleverd.

Wat het team uit deze oerbotten heeft kunnen opmaken, is volgens Haridy nog maar het begin. Het feit dat botcellen vierhonderd miljoen jaar na hun afsterven zichtbaar gemaakt kunnen worden, biedt talloze mogelijkheden voor het ontdekken van de geheimen van botweefsels. “Een beetje zoals de eerste CT-scans het terrein van de paleontologie enorm hebben geholpen en tot nieuwe methodologieën hebben geleid,” zegt Haridy. “Ik voorspel dat deze techniek ons in de toekomst zal blijven verrassen.”

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

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.