Hoog in het Andesgebergte kruipt een hagedis tussen de rotsen. Plotseling stopt ze en spreidt ze haar achterpoten. Even later steekt er een klein kopje van achteren uit, omgeven door een dun, doorzichtig vlies, dat de moeder direct stukbijt. Een kwartiertje later lopen er drie pasgeboren jongen om haar heen.
Zo krijgen de kleine hagedis en haar soortgenoten al jongen sinds hun voorouder 30 miljoen jaar geleden een evolutionaire reuzenstap zette door levende jongen te gaan baren in plaats van eieren te leggen. Die omwenteling was zo ingrijpend dat de wetenschappers het tot dusver onmogelijk achtten dat de hagedis terug kon gaan naar eieren leggen.
Maar uit een onderzoek van wetenschappers uit Chili en Australië bleek in 2018 dat sommige hagedissen al om zijn.
Bergen laten evolutie heen en weer golven
50 miljoen jaar geleden: Verre voorouders legden eieren
Net als de meeste andere hagedissen legden de voorouders van het geslacht Liolaemus uit Zuid-Amerika eieren. De Andes was toen nog niet geheel gevormd.
30 miljoen jaar geleden: Bergen brengen geboorte op gang
De Andes schoot de lucht in en in de hoogte is het koud. Dan is het een voordeel als de jongen in de warme moederbuik kunnen groeien en dan pas ter wereld komen.
20 miljoen jaar geleden: Laagland brengt eieren terug
Later trokken sommige hagedissen naar het laagland. Hier was het warmer, waardoor het weer gunstiger was om de jongen zich in een ei te laten ontwikkelen.
De ontdekking heeft samen met allerlei nieuwe onderzoeken aangetoond dat dieren weer eigenschappen kunnen krijgen die hun voorouders honderden miljoenen jaren geleden hebben verloren. De evolutie gaat dus veel sterker heen en weer dan gedacht. En zelfs ons lichaam getuigt daarvan.
Wet verbiedt omgekeerde evolutie
Grote evolutionaire veranderingen, zoals de overgang van de Zuid-Amerikaanse hagedis van eierleggend naar levendbarend, zijn in de natuur heel normaal. Slangen verloren hun poten, mensen hun staart en pinguïns kunnen nu niet meer vliegen.
Door nieuwe omstandigheden zijn eigenschappen soms overbodig of ondoelmatig geworden. Maar eenmaal verloren is voor altijd verloren – althans volgens de wet van Dollo. Deze wet, die in 1890 werd gepresenteerd door de Belgische paleontoloog Louis Dollo, stelt dat de evolutie niet achteruit kan gaan.
Sindsdien maakt dit idee deel uit van de evolutieleer. Want voor het herstel van een verloren eigenschap is een onwaarschijnlijk proces nodig, waarbij de veranderde genen moeten worden teruggebracht in hun oude staat. In het geval van de hagedis lijken de genetische veranderingen flink te zijn.
De meeste hagedissen en slangen leggen eieren, maar zo’n 20 procent van de soorten baart levende jongen.
De overgang van eieren leggen naar levende jongen baren vereist een herstructurering van het geboortekanaal, een verdunning van de eierschaal, de ontwikkeling van een placenta en veranderingen in het immuunsysteem, zodat de moeder het jong niet
afstoot als een vreemd lichaam.
De wet van Dollo geldt al ruim een eeuw, en wetenschappers hebben nog nooit de middelen gehad om hem te weerleggen. Maar met verfijnde algoritmen en nieuwe methoden om het DNA te bepalen is het nu mogelijk een overzicht van miljoenen jaren ontwikkeling te maken waarbij de grootste geheimen van de evolutie worden onthuld.
Algoritmen spoelen de tijd terug
Stambomen zijn de sleutel tot het verleden van dier en mens. Een stamboom vertelt ons dat onze meest nabije en verre verwanten onder de zoogdieren een vacht hebben. Dus stammen wij ook van pelsdieren af.
Zo hebben onderzoekers uit Australië en Chili in 2018 achterhaald dat enkele groepen eierleggende hagedissen uit Zuid-Amerika afstammen van levendbarende voorouders. In hun ontwikkelingsgeschiedenis hebben de Zuid-Amerikaanse hagedissen dus de stap gezet van eieren naar levende jongen en weer terug.
Dat valt op te maken uit het feit dat de eierleggende hagedissen op de stamboom worden geflankeerd door soortgenoten die levende jongen baren.
4500 meter boven zee – zo hoog leven sommige hagedissen in Zuid-Amerika.
De methode lijkt simpel, maar tot voor kort was dit onderzoek niet mogelijk. Om een stamboom te kunnen opstellen moeten onderzoekers eerst een overzicht hebben van alle manieren waarop de soorten van die stamboom gerelateerd kunnen zijn.
Met vier soorten zijn er 15 mogelijke versies van de stamboom, dus moet berekend worden welke de meest waarschijnlijke is, bijvoorbeeld op basis van de genen. Tien soorten kunnen op 34 miljoen manieren verwant zijn, en dan is het al veel moeilijker om de meest waarschijnlijke stamboom te vinden.
Het onderzoek naar de Zuid-Amerikaanse hagedissen omvat genen van 258 soorten. Het in kaart brengen van DNA van zoveel soorten was tot voor kort een groot obstakel, maar nu is het mogelijk dankzij nieuwe en goedkope DNA-sequentiemethoden.
En de analyse van verwantschappen vereist zoveel rekenkracht dat we daar nu pas iets mee kunnen. In totaal hebben de algoritmen 500 miljoen mogelijke stambomen beoordeeld – een proces dat weken kan duren – om tot de waarschijnlijkste stamboom te komen.
Insect herstelt verloren vleugels
Wandelende takken waren ruim 50 miljoen jaar vleugelloos, maar konden ineens weer vliegen.
Rond 95 miljoen jaar geleden raakte de wandelende tak zijn vleugels kwijt. Dat is de conclusie van een onderzoek van Amerikaanse en Duitse wetenschappers die de stamboom van het insect opstelden. Toch heeft van de wandelende takken nu 40 procent een stel vleugels. De stamboom toont aan dat er zo veel gevleugelde soorten zijn doordat wel vier groepen wandelende takken onafhankelijk van elkaar weer vleugels kregen – voor het eerst sinds circa 40 miljoen jaar geleden. De vleugels van wandelende takken lijken op die van andere insecten, dus de onderzoekers weten zeker dat de wandelende tak dezelfde genen gebruikt om ze aan te leggen. Die genen zijn dus intact gebleven, al hebben de dieren meer dan 50 miljoen jaar geen vleugels gehad, en de oorzaak is waarschijnlijk dat de vleugelgenen ook een grote rol spelen bij de vorming van de poten.
Naast de hagedissengenen voerden de onderzoekers ook informatie over fossielen van uitgestorven hagedissen in, en over de omgeving waarin elke soort leefde. Daaruit bleek dat de eerste overgang van eieren naar levende jongen vermoedelijk plaatsvond toen de Andes 30 miljoen jaar terug verrees.
Deze bergen namen de hagedissen mee de hoge, koudere lucht in, en kou is gevaarlijk voor foetussen die groeien in een ei buiten het lichaam van hun moeder. Daardoor begonnen de hagedissen de jongen binnen te houden tot het stadium van foetus voorbij was.
De eierschaal werd vervangen door een dun vlies en de jongen waren levensvatbaar bij de geboorte. Later verhuisden sommige hagedissen naar het warmere laagland aan de voet van het gebergte, waar ze vanwege de temperatuur weer eieren gingen leggen.
Naarmate de technologie vordert, vinden onderzoekers steeds meer dieren die de wet van Dollo overtreden. Zo bleek in 2011 dat een van de meer dan 6000 kikkersoorten op aarde tanden in de onderkaak heeft – een eigenschap die de voorouder van de kikkers minstens 225 miljoen jaar geleden verloor.
Kikker kopieerde tanden in de bovenkaak
1. Signaalstoffen brengen vorming van gebit op gang
Tijdens de ontwikkeling van een kikkerfoetus worden diverse genen in de bek geactiveerd. Daardoor worden signaalstoffen (blauwe stippen) gevormd die ervoor zorgen dat een laag cellen een zogeheten tandknop (roze Y) vormt. Bij de meeste kikkers zijn die genen niet actief.
2. Genen zijn actief in boven- en onderkaak
Bij een enkele kikkersoort, de Zuid-Amerikaanse tandboomkikker, zijn de tandgenen in zowel de boven- als de onderkaak geactiveerd, en signaalstoffen brengen daardoor de vorming van de onder- en boventanden op gang.
3. Kikker eindigt met oeroud gebit
De tandboomkikker heeft uiteindelijk een volledig boven- en ondergebit. De vorming van het ondergebit vindt waarschijnlijk plaats op dezelfde manier als bij een voorouder van de kikker die zeker 230 miljoen jaar geleden leefde.
En ook mensen lijken deze wet te hebben overtreden. Twee spieren boven in onze rug zijn 89 miljoen jaar geleden bij onze verre, muisachtige voorouders tot één versmolten. Maar een paar miljoen jaar geleden werd de evolutionaire stap teruggedraaid en werd de spier weer in tweeën gesplitst.
De meeste genen overleven het
Door die vele overtredingen van de wet van Dollo moeten wetenschappers de evolutie opnieuw bezien. In plaats van te denken dat de genen voor een eigenschap vergaan als deze eigenschap verdwijnt, veronderstellen ze nu dat de genen vaak intact blijven maar inactief zijn. En zolang de genen intact zijn, kan de verloren eigenschap zich herstellen.
Je hebt oerspieren in je rug
95 miljoen jaar geleden: Voorouder: twee spieren
De voorouder die we met de knaagdieren delen, had in het krijt twee ruitvormige spieren, Rhomboideus minor en major, vanaf het schouderblad naar de ruggengraat. De knaagdieren hebben ze behouden.
89 miljoen jaar geleden: Twee spieren worden één
89 miljoen jaar geleden groeiden de twee spieren bij de voorouder van de apen samen. De meeste apen, waaronder onze naaste verwant de chimpansee, hebben deze versmolten spier boven in de rug geërfd.
2,4 miljoen jaar geleden: Spieren gaan uit elkaar
Circa 2,4 miljoen jaar geleden scheidde de spier zich weer bij de voorouder van de mens. De oorzaak is nog niet bekend, maar het lijkt erop dat iets vergelijkbaars is gebeurd bij bavianen en bij zijdeaapjes.
Onderzoekers hebben een voorbeeld van dit verschijnsel gevonden bij kippen. Vogels verloren hun tanden ruim 60 miljoen jaar geleden, maar de meeste genen die tanden kunnen vormen, werken nog steeds. Door slechts één gen te veranderen, kunnen de wetenschappers al deze genen activeren en kunnen kippen weer tanden krijgen.
De reden dat de tandgenen van vogels nog aanwezig zijn is waarschijnlijk dat ze ook andere functies vervullen. Veruit de meeste genen zijn betrokken bij meer dan één proces en ze spelen ieder een rol in verschillende soorten weefsels.
De genen voor tanden bij vogels blijven bijvoorbeeld eveneens een grote rol spelen voor de veren, al zijn ze inactief in de snavel.
Omslag naar baren is een eitje
Veranderingen in de activiteit van de genen in plaats van in de genen zelf lijken ook de sleutel te zijn tot de wisseling tussen eieren en jongen baren bij de hagedissen.
In 2019 bestudeerde een internationaal onderzoeksteam een eierleggende en een levendbarende hagedissensoort uit China, die nauw verwant waren. De onderzoekers identificeerden de genen die voor de beide manieren verantwoordelijk waren, en tot hun verbazing bleek uit hun onderzoek dat de wisseling tussen eieren leggen en jongen baren genetisch niet erg ingewikkeld is.
Sommige soorten paddenkopagamen baren levende jongen en andere leggen eieren – ook al zijn de soorten in genetisch opzicht vrijwel gelijk.
Het verschil tussen de twee soorten zit ’m vooral in de activiteit van de genen. De genen voor de eierschaal zijn bijvoorbeeld ook aanwezig bij levendbarende hagedissen, maar komen minder tot expressie. Omdat ze er nog wel zijn, is de stap terug naar eieren leggen niet zo groot als eerder gedacht.
Deze conclusie wordt gesteund door het feit dat deze verandering ook bij bepaalde slangen heeft plaatsgevonden.
De meeste wurgslangen baren momenteel jongen, maar de zandboa Eryx jayakari is vanwege de voedselschaarste in de woestijn weer overgestapt op eieren leggen. Dat blijkt uit een groot onderzoek van Yale University in de VS, waarbij een stamboom is opgesteld van 41 soorten wurgslangen.
Een ander reptiel geeft een nog directer beeld van de overgang tussen eieren leggen en jongen baren. De Australische hagedis Saipho equalis zit tussen twee strategieën in: aan de kust is de soort eierleggend en in de bergen levendbarend. Dat één soort zulke grote verschillen vertoont, bewijst dat de evolutie reuzenstappen kan zetten zonder grote genetische veranderingen.
Foetus met oude eigenschappen
Dieren en mensen behouden de genetische instrumenten om oude taken uit te voeren of om lang verloren lichaamsdelen aan te leggen. Dit zien we vooral in het foetale stadium. Walvissen en dolfijnen, afkomstig van een vierpotig landdier, ontwikkelen in een zeer vroeg stadium bijvoorbeeld kleine achterpootjes.
In veruit de meeste gevallen verdwijnen die volledig vóór de geboorte, maar er zijn uitzonderingen.
Menselijke embryo’s leggen in week zes van de ontwikkeling een staartje aan, dat doorgaans weer verdwijnt – maar heel soms niet. Er zijn verschillende kinderen met een staart geboren, en onderzoekers zijn het er nog niet over eens hoe en waarom de staart precies wordt gevormd.
Mutaties zetten genen voor staart en gebit aan
Mensen met een staart, kippen met tanden en dolfijnen met achterpoten – oude eigenschappen ontstaan weer bij individuen nadat ze miljoenen jaren waren verdwenen. Dit verschijnsel, atavisme, is mogelijk doordat de verantwoordelijke genen nooit helemaal zijn weggeweest.
Mensen worden geboren met een staart
Menselijke embryo’s leggen in de vierde week van hun ontwikkeling een staartje aan, maar dat wordt afgebroken tussen week zes en acht. Er zijn echter uitzonderingen; zeker 40 mensen in de nieuwere tijd zijn geboren met een echte staart. Meestal wordt die bij de geboorte verwijderd, maar in India hield een jongen zijn staart 18 jaar, en die werd 18 centimeter lang.
Kippen krijgen krokodillentanden
Wetenschappers kennen al tientallen jaren de mutatie bij kippen die talpid2 wordt genoemd. Door deze mutatie gaan kuikens in het ei dood, maar ze krijgen ook tanden in hun kaken. De tandjes zijn kegelvormig en lijken erg op de tanden van de huidige naaste verwanten van de vogels: de krokodillen.
Dolfijn heeft een extra paar vinnen
Dolfijnen hebben één stel vinnen, ontwikkeld uit de voorpoten van hun voorouders. Het vermogen om achterpoten te vormen, is al lang verdwenen. Maar een ongewone dolfijn die in 2006 bij Japan uit zee werd gevist, heeft twee extra vinnen. De oorzaak is vermoedelijk dat het dier het vermogen om achterpoten te vormen teruggekregen heeft.
Ook een nog oudere eigenschap zie je wel bij embryo’s: kieuwen, al zijn onze voorouders die al meer dan 350 miljoen jaar geleden kwijtgeraakt.Het behoud van de oude eigenschappen biedt verrassende mogelijkheden voor de toekomstige ontwikkeling van dieren.
Dinosauriërs komen terug
De afgelopen jaren hebben wetenschappers geprobeerd om te achterhalen wat er nodig is om de evolutie van dieren terug te draaien, bijvoorbeeld om uitgestorven soorten als mammoeten en dinosaurussen opnieuw te creëren.
Maar verschillende veranderingen kunnen zo eenvoudig blijken te zijn dat ze ook zonder onze hulp kunnen optreden, zoals het geval is met de eierleggende hagedissen en de kikkers met ondertanden.
De tandboomkikker (Gastrotheca guentheri) heeft als enige kikkersoort tanden in de onderkaak.
Sinds de vogels zijn geëvolueerd uit de dinosauriërs, zijn ze sterk veranderd. Zo hebben ze hun tanden verloren. Maar een kleine aanpassing in de activiteit van twee genen kan ze hun tanden teruggeven. Een mutatie die van nature voorkomt, kan voor deze aanpassing zorgen, maar verhindert dat de eieren uitkomen en is dus dodelijk.
In de toekomst kan een andere, onschadelijke mutatie wellicht leiden tot een vogelgebit. Onderzoekers hebben in het laboratorium ook kleine aanpassingen ontdekt waarmee vogels botten en schedels kunnen krijgen die lijken op die van dinosauriërs, zoals de Velociraptor uit het krijt. Daarmee hebben vogels meer kansen om een stap of twee naar hun verre voorouders terug te zetten.
En de Zuid-Amerikaanse vogel hoatzin heeft waarschijnlijk al zo’n stap gezet. De meeste vogels hebben geen of slechts kleine klauwen, maar bij de jonge hoatzins lijken de klauwen op die van hun voorouders. De hoatzin gebruikt zijn klauwen al lang niet meer, maar kan ze terug hebben gekregen omdat het handig is voor de jongen om in bomen te kunnen klimmen.