Je leest:

Symbion pandora

Symbion pandora

Auteurs: en | 1 februari 1999

Een diersoort in de mond van de gewone eetbare Noorse kreeft blijkt bij geen enkele bekende diergroep te horen. Met microscopisch onderzoek lukt het niet om te bepalen waar het wonderlijke diertje thuishoort. Moderne biotechnologische technieken moeten de oplossing bieden.

Peter Funch en Reinhardt Kristensen ontdekten in 1995 een nieuwe diersoort die in geen enkele reeds bekende diergroep past. De Denen vonden de diertjes bij een kreeft die was gevangen in het drukbevaren Kattegat (Denemarken). Ze deden hun spectaculaire ontdekking toen ze het diertje aan een microscopisch onderzoek onderwierpen. De wonderlijke diertjes waren al gevonden in 1960. Omdat niemand ze destijds herkende en kon thuisbrengen, raakte het materiaal in de vergeethoek.

Het nieuwe diertje Symbion pandora is ongeveer een halve millimeter groot. Het woont op de monddelen van de Noorse kreeft (langoustine). Het uiterlijk ervan verschilt naargelang het geslacht en het levensstadium.

In het sessiele stadium heeft het diertje een vaste woonplaats op de monddelen van een kreeft. Het bestaat dan uit een zakvormig lichaam met een trechtervormige ‘slurf’ rond de mond en een stam. Aan de stam zit een plaatje dat zorgt voor de vasthechting op de gastheer. Alleen in dit levensstadium neemt het diertje voedsel tot zich. Bovendien vormt het inwendige ‘knoppen’ die naar buiten toe uitgroeien tot een nieuwe ‘slurf’ die de oude vervangt.

Rasterelektronenmicroscoopfoto van Symbion pandora, bovenaan zit de mond met een krans van trilhaartjes, aan de voet van de ‘hals’ is de anus (zie pijl). 3750x vergroot.

Opmerkelijk aan Symbion pandora is de voortplantingswijze. Die verloopt zowel aseksueel als seksueel. Op aseksuele wijze worden larven (pandoralarven) geproduceerd. Vrijkomende larven hechten zich vast op een gastheer en vormen nieuwe sessiele individuen. Naast deze aseksuele voortplanting ontwikkelen zich in het sessiele organisme ook vrouwelijke en mannelijke nakomelingen. De mannetjes zijn minder dan een tiende millimeter groot.

Na hun ‘geboorte’ zwemmen ze naar een andere sessiele voedingsstructuur waarin zich een vrouwtje heeft ontwikkeld. Het dwergmannetje bevrucht het vrouwtje in de sessiele structuur. Na de bevruchting komt ook het vrouwtje vrij en vestigt zij zich op de gastheer. Kort daarna wordt een larve ‘geboren’ en degenereert het vrouwtje. De nieuwe larve gaat eveneens op zoek naar een plaatsje op een kreeft, hecht zich vast en vormt een nieuw sessiel individu.

De volwassen voedingsstuctuur van Symbion pandora met zich ontwikkelende vrouwelijke en mannelijke nakomelingen.

De nieuwe diersoort uit het Kattegat kreeg de naam Symbion pandora. Syn en bios zijn Grieks voor ‘samen met’ en ‘leven’, verwijzend naar het samenleven van dit diertje met zijn gastheer. Bij de ontleding van het diertje bleek dat er in het zakvormige diertje zowel een larve kan groeien die een nieuw individu vormt, als een soort ‘knop’ waaruit een nieuwe voedingsstructuur ontstaat. Die verrassende ontdekking deed de ontdekkers denken aan de doos van de mythologische vrouwenfiguur Pandora.

De Denen beschreven de ontdekte nieuwe soort Symbion pandora in het gezaghebbende tijdschrift Nature. Het natuurhistorisch museum van Kopenhagen bewaart stukjes kieuw van de Noorse kreeft met het nieuwe diertje erop in alcohol. Latere onderzoekers moeten immers een nieuw dier kunnen bekijken en vergelijken met andere organismen. Een ontdekker beschrijft daarom een nieuwe soort in een wetenschappelijke publicatie, vergezeld van uitgebreid beeldmateriaal en microscopische opnamen. Daarnaast deponeert hij één of meer zogenaamde type-exemplaren van de nieuwe soort in een natuurhistorisch museum of universiteit.

Orde scheppen

Van oudsher probeert de mens zijn kennis te ordenen en in te delen. Zo is het ook gegaan met zijn kennis over de levende wezens. Soorten rangschikt hij in een hiërarchisch systeem van groepen, een studiedomein met de naam taxonomie. Daar waar soorten een biologische identiteit vormen, zijn taxonomische groepen meer abstracte, arbitraire begrippen. Binnen een rijk (bijvoorbeeld het dierenrijk, Animalia) vormt een fylum of stam het meest omvattende indelingsniveau.

De miljoenen soorten geleedpotigen zijn bijvoorbeeld gegroepeerd in het fylum Arthropoda (waartoe behalve insecten, spinnen en mijten ook schorpioenen, kreeften en krabben horen) en alle stekelhuidigen in het fylum Echinodermata (met zeesterren, zee-egels en zeekomkommers).

Binnen het dierenrijk onderscheidt men momenteel 30 à 35 fyla. Biologen zijn het niet eens over het precieze aantal. Het toekennen van de status van apart fylum is namelijk arbitrair. De ene onderzoeker kan een groep als een apart fylum beschouwen terwijl een andere hem als klasse bij een reeds bestaand fylum indeelt.

Mede daardoor is het moeilijk aan de meeste fyla een echte ontdekkingsdatum toe te kennen. Vaak zijn de dieren al lang bekend voor hun indeling bij een bepaalde taxonomische groep. Bovendien gebeurt het dat een diergroep reeds bekend is als onderdeel van een ander fylum voor het de status van zelfstandig fylum krijgt. Zo verliep het bijvoorbeeld met de Vestimentifera. Dit is een wormengroep, die op grote diepten leeft. Zij waren reeds rond de eeuwwisseling ontdekt, maar kregen pas in 1985 de status van apart fylum.

Microscoop

De ontdekkers wilden onderzoeken bij welk fylum ze de nieuwe soort konden indelen. Zij observeerden Symbion pandora onder de microscoop. Hoewel er gelijkenissen bestonden met sommige andere dierfyla was er geen enkel fylum voldoende gelijkend om Symbion pandora erin onder te brengen.

Vooral de knopvorming bij de sessiele individuen en het voorkomen van twee verschillende larven was zo apart binnen het dierenrijk, dat de Deense onderzoekers Symbion pandora de status van nieuw fylum toekenden. Zij noemden dit fylum Cycliophora. Deze naam is afgeleid van het Grieks cyclion (klein wiel) en phoros (dragende) en verwijst naar de kring van trilhaartjes (cilieën) rond de mond van het beestje. Cycliophora is daarmee het eerste nieuw beschreven fylum sinds 1985 en pas het vijfde in de 20e eeuw.

De meeste andere fyla dateren uit de 18e eeuw. Men kan zich afvragen of Cycliophora wel terecht de status van nieuw fylum kreeg. Feit blijft dat Symbion pandora zeer speciale kenmerken heeft en afwijkend is van alle bekende dieren. Of dit voldoende is om een nieuw fylum op te richten, zal verder onderzoek moeten uitwijzen.

Afstammingsonderzoek

De verscheidenheid aan levensvormen die momenteel onze aarde bewoont, is het resultaat van honderden miljoenen jaren evolutie waarbij sommige diergroepen uitstierven en andere ontstonden. Eén van de grote vraagstukken die biologen reeds sinds de bevindingen van Darwin bezighoudt, is de ontstaansgeschiedenis en de natuurlijke verwantschap van al deze levensvormen. Deze evolutiegeschiedenis wordt ook wel fylogenie genoemd.

De onderzoekers richtten voor Symbion pandora weliswaar een nieuw fylum op, maar door de unieke eigenschappen van de nieuwe soort is het niet duidelijk met welke andere diergroep ze verwant is of met welke groepen ze een gemeenschappelijke voorouder heeft.

Diepgaand microscopisch onderzoek gaf hierover geen uitsluitsel. Op basis van de algemene verschijningsvorm van de sessiele individuen en het voorkomen van dwergmannetjes is een verwantschap met de raderdiertjes (Rotifera) mogelijk. De structuur van de huid (cuticula) daarentegen suggereert een verwantschap met de draadwormen (Nematoda), terwijl de innerlijke knopvorming en het uitbroeden van de larven een verwantschap met de mosdiertjes (Ectoprocta) doet vermoeden.

De meest waarschijnlijke verwanten lijken de entoprocten, die eveneens innerlijke knopvorming vertonen en die net als de Cycliophoralarven speciale niercellen hebben, protonephridia genoemd, bezet met vele trilhaartjes.

DNA-onderzoek

Cycliophora is het eerst beschreven dierfylum in het moderne biotechnologische tijdperk. Complexe DNA-technieken kunnen thans de aparte status en evolutionaire verwantschappen ontrafelen. Vooral de in 1988 ontdekte PCR-techniek gaf het genetisch onderzoek, en bijgevolg ook de moleculaire fylogenetica (leer van de ontstaansgeschiedenis), een enorme impuls. Het vergelijken van de volgorde van de vier nucleotiden in het genoom (DNA) kan ons informatie opleveren over verwantschappen tussen diergroepen doordat DNA de drager is van alle erfelijke kenmerken en wordt doorgegeven van generatie op generatie.

De Amerikaanse onderzoekers Emile Zuckerkandl en Linus Pauling ontwikkelden dit idee al in 1965. Zij stelden dat het aantal verschillen tussen genomen een maat is voor de evolutionaire afstand tussen de organismen. Het bepalen van een volledig genoom blijft echter titanenwerk. Bij hogere dieren bestaat het genoom immers uit ongeveer tien miljard nucleotiden.

Meestal bepaalt men de nucleotidevolgorde van één of enkele genen in plaats van het volledige genoom. Vooral de nucleotidevolgorde van het gen dat codeert voor het RNA dat deel uitmaakt van de kleine sub-eenheid van het ribosoom (18S-rRNA) is populair bij fylogenetische studies. Dat gen bestaat uit het overzichtelijke aantal van ongeveer 1800 nucleotiden en is bij alle levende wezens aanwezig.

Moleculaire technieken

Bij het bepalen van de nucleotidevolgorde van het 18S-rRNA-gen, of van een DNA-fragment in het algemeen, is de eerste stap het isoleren en in grote hoeveelheden aanmaken van het stukje doelwit-DNA of -gen. Het polykopiëren gebeurt in ‘de reageerbuis’ met de polymerase-kettingreactie (PCR) en een klein weefselfragmentje van het te bestuderen organisme, in dit geval Symbion pandora.

Hierbij bestaat een probleem. De PCR is zeer gevoelig. Tijdens dit proces kan ook het 18S-rRNA van parasieten, bijvoorbeeld schimmels, of van de gastheer meegekopieerd worden. Als gevolg daarvan krijgt men een mengsel van 18S-rRNA-genen van verschillende organismen. Om dat te voorkomen, vermenigvuldigt men elke via PCR verkregen kopie nog eens afzonderlijk in bacteriën.

DNA-fragmenten worden daarbij niet ingebouwd in het bacterieel genoom maar blijven aanwezig als extrachromosomaal element. Na een nachtje kweken, hebben de betrokken bacteriën zich zo vaak vermenigvuldigd dat men hieruit een enorm aantal kopieën van het extrachromosomale DNA-fragment kan isoleren. Vervolgens bepaalt men de nucleotidevolgorden van de afzonderlijke kopieën. De nucleotidevolgorde van het 18S-rRNA van Symbion pandora kan gemakkelijk onderscheiden worden van die van parasieten door vergelijking met reeds bekende nucleotidevolgorden van het 18S-rRNA van andere diersoorten.

Om de verwantschappen van Symbion na te gaan, bepaalden onderzoekers van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen in Brussel de nucleotidevolgorde van het 18S-rRNA van deze soort. Van de meeste andere dierlijke fyla zijn reeds 18S-rRNA gegevens voorhanden, waarmee die van Symbion pandora onmiddellijk kunnen worden vergeleken. Dit vergelijken en het opstellen van stambomen is een complex werk dat vrijwel onmogelijk is zonder computers.

Symbions nauwste verwant

De Nederlander Antonie Van Leeuwenhoek ontdekte het fylum Rotifera (raderdiertje) reeds op het einde van de 17e eeuw. Het 18S-rRNA genetisch onderzoek ontsluierde een nauwe verwantschap tussen raderdiertjes en Cycliophora. Het genetisch materiaal van Symbion toont meer overeenkomst met dat van raderdiertjes (Rotifera) dan met dat van andere dierfyla. De huidige genoomgegevens zijn doorslaggevend om te stellen dat Cycliophora een gemeenschappelijke voorouder met de raderdiertjes heeft, waarvan ook de parasitaire acanthocephalen een afsplitsing zijn. De relatie van Cycliophora met Rotifera is als een zusterrelatie, vandaar dat men ze ook wel zustergroepen noemt.

Raderdiertjes hebben een ‘hoofd’, een ‘romp’ en een ‘voet’ en zijn meestal kleiner dan een millimeter. Hun vorm en structuur lijken op die van Symbion. Net als Cycliophora hebben ze rond hun mond een krans van trilhaartjes. Bovendien komen zowel bij Rotifera als Symbion dwergmannetjes voor en gebeurt de bevruchting inwendig. De gelijkenis is vooral treffend tussen Symbion en sessiele raderdiertjes. Beide hebben een U-vormige darm die uitmondt in de nekstreek. Op anatomisch vlak zijn er ook aanwijzingen voor hun gemeenschappelijke oorsprong. Rotifera, Acanthocephala en Cycliophora hebben niercellen (protonephridia) met meerdere trilhaartjes. In de andere dierfyla, uitgezonderd Entoprocta, zijn de protonephridia slechts bezet met één of twee trilhaartjes.

Er bestaat echter een belangrijk verschilpunt tussen Rotifera en Cycliophora: de mastax, een soort kauwapparaat bezet met rijen tandjes. Deze structuur typeert de Rotifera. Bij sommige raderdiersoorten vermalen de tanden voedseldeeltjes die via cilieën (trilharen) in de mond komen, bij andere kan de mastax uitgestoken worden om te grazen. Bij Cycliophora is er geen spoor van een mastax. Hiervoor zijn twee verklaringen mogelijk: de mastax is enkel ontstaan bij de Rotifera óf de mastax was reeds aanwezig bij de Rotifera-Cycliophoravoorouder, maar is bij Cycliophora verloren gegaan.

Bio-informatica

Alle over de hele wereld verzamelde gegevens over de genetische nucleotidevolgorde van organismen slaat men op in enorme databanken. Bij evolutieonderzoek zetten krachtige computeralgoritmen de nucleotiden die voorkomen op de overeenkomstige posities van een zelfde gen onder elkaar om een vergelijking tussen twee organismen mogelijk te maken. De onderzoeksgroep Moleculaire Biologie van de Universiteit Antwerpen onderhoudt een dergelijk alignement van het 18S-rRNA. Om uit alignements evolutionaire verwantschappen af te leiden, is het tellen van verschillen onvoldoende. Meestal gebruikt men twee rekenintensieve methoden: afstandsmatrix- en spaarzaamheidsmethoden.

Bij afstandsmatrixmethoden telt men in eerste instantie het aantal genetische verschillen tussen twee organismen. Deze zet men om in evolutionaire afstanden via mathematische formules. De methode houdt rekening met het voorkomen van veranderingen van nucleotiden (mutaties) waarvan men het resultaat in de huidige gegevens niet meer ziet. Het kan zijn dat er in de loop van de evolutie meer mutaties gebeuren op dezelfde nucleotidepositie. In dat geval ziet men enkel het resultaat van de laatste mutatie en telt men slechts één verschil ten opzichte van andere organismen. Hiervoor corrigeert men bij de omzetting van verschillen naar afstanden. De afstanden tussen alle organismen zet men in een matrix en op basis van deze ‘afstandsmatrix’ stelt men stambomen op. Daarbij neemt men aan dat de twee organismen die de kleinste afstandswaarden in de matrix hebben, nauwer aan elkaar verwant zijn dan aan de andere organismen. Zo ontstaat stapsgewijs een stamboom..

Spaarzaamheidsmethoden daarentegen zijn gebaseerd op het biologische principe dat evolutie zo ‘spaarzaam’ mogelijk verloopt, met andere woorden dat er zo weinig mogelijk mutaties zijn gebeurd om tot de huidige situatie te komen. Van alle mogelijke stambomen die voor een bepaalde groep organismen bestaan, gaat men na hoeveel mutaties er theoretisch in de loop van de jaren gebeurd moeten zijn om te komen tot de waargenomen nucleotidevolgorde. Zelfs als men de relaties tussen een beperkt aantal organismen tracht na te gaan, is het aantal mogelijke verwantschapsbomen fenomenaal. Voor vijftig organismen zijn er 2,8.1074 mogelijke stambomen. Zonder bioinformatica is het onmogelijk om hieruit de meest waarschijnlijke stamboom te vissen.

Biodiversiteit

Op onze planeet wonen bijna twee miljoen bekende diersoorten, variërend van ongewervelde wezentjes kleiner dan een millimeter tot metersgrote walvissen. Dagelijks worden nog nieuwe diersoorten ontdekt. Naar schatting kennen we twintig tot vijftig miljoen soorten nog niet. Biologen verwachten dat alleen al diepzeeonderzoek meer dan tien miljoen nieuwe soorten kan opleveren. Hetzelfde geldt voor de tropische regenwouden.

De ontdekking van Symbion pandora is op zich geen ophefmakend feit, ware het niet dat het gebeurde op een doordeweekse Noorse kreeft, die vaak voorkomt in zeevruchtenschotels, en die bovendien werd gevangen in het Kattegat, één van de best bestudeerde gebieden ter wereld. Dat schudde de wetenschappelijke wereld wakker. Jaarlijks worden honderden nieuwe diersoorten ontdekt, maar meestal in voor de mens moeilijk toegankelijke gebieden.

Door de technische vooruitgang kan de mens doordringen in gebieden die voordien onbereikbaar waren, zoals de sub-antarctische zone, de diepste zeetroggen of de ondoordringbare regenwouden. Dergelijke expedities leidden tot de ontdekking van onbekende levensvormen, zoals in 1977 de ontdekking van leefgemeenschappen van bacteriën en dieren rond hydrothermale bronnen in een diepzeetrog bij de Galapagos.

In 1992 riepen de Verenigde Naties de Conventie van Biologische Diversiteit in het leven. Biodiversiteit is de variabiliteit die bestaat binnen en tussen alle levende soorten en hun ecologische omgeving. De conventie beoogt het behoud van biodiversiteit op het land en in het water. In eerste instantie vereist dit een grondige kennis van de levensvormen en hun natuurlijke woongebieden. De ontdekking van Symbion pandora op de Noorse kreeft toont duidelijk aan hoe gebrekkig onze kennis van biodiversiteit momenteel nog is, zelfs in onze nabije omgeving.

Literatuur

Lewin R., Evolutiepatronen: De nieuwste moleculaire inzichten, deel 54 van de Wetenschappelijke Bibliotheek van Natuur en Techniek (1997), ISBN 9073035929. Whitfield P., De evolutie van het leven, Natuur & Techniek (1994), ISBN 9073035295 Winnepenninckx B., Backeljau T. en Kristensen R., Relations of the new phylum Cycliophora, Nature 393: 636-638 (1998).

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 februari 1999
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.