Enkele algencellen klampen zich aan elkaar vast in een compact bolletje – tot het uit elkaar valt. De onderdelen drijven weg en beginnen elk voor zich nieuwe, grotere bolletjes te vormen.
De van huis uit eencellige algen hebben zo een primitieve vorm van meercellig leven ontwikkeld. Maar die belangrijke evolutionaire sprong duurde geen miljoenen jaren. In 350 dagen was het gepiept – in een Amerikaans laboratorium.
De onderzoekers achter dit experiment uit 2017 wisten een eencellige groene alge zover te krijgen dat hij meercellig werd door hem bloot te stellen aan een gulzig roofdier: een eencellige ciliaat, die leeft van algen of wieren.
Dankzij de aanwezigheid van het ciliaat hadden de algen die makkelijk aan elkaar klonteren, dubbel zo veel overlevingskansen als hun eenzame familieleden.
Toen het eencellige groenwier Chlamydomonas werd blootgesteld aan het piepkleine roofdier Paramecium, maakte het wier er snel cellen bij. De nieuwe, meercellige vorm had circa 2,5 keer zo veel kans om de aanval van het roofdier te overleven als de oude, eencellige vorm.
De overgang naar meercelligheid is een van de belangrijkste gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven, en die overstap blijkt nu dus verrassend makkelijk te zijn.
Uit fossielen en DNA blijkt dat het leven op aarde die stap minstens 25 keer heeft gezet, en mogelijk veel vaker. En het begint ons nu te dagen waarom eencellige organismen zo goed kunnen samenwerken.
Meercelligheid blijft nog uit
Zo’n beetje alle huidige levensvormen zijn meercellig. Dit geldt voor jou, de bloemen in de vaas, de merel voor het raam en de paddenstoelen in het bos. Sommige meercellige organismen zijn zeer simpel – ze bestaan uit cellen die een permanente kolonie vormen.
Andere, zoals jijzelf, zijn veel geavanceerder. Een kenmerk is dat de geslachtscellen een voltooid nageslacht kunnen voortbrengen. Individuele cellen zijn bovendien zeer gespecialiseerd, hoewel elke cel exact hetzelfde DNA bevat.
Specialisatie betekent dat cellen evolueren om specifieke taken uit te voeren, zoals de zenuwcellen elektrische signalen door het organisme vervoeren, en zoals immuuncellen je tegen ziekten beschermen. Planten op het land en meercellige schimmels hebben vaak 10 tot 20 celtypen, terwijl dieren, inclusief de mens, er wel 200 kunnen bevatten.
De onderzoekers hebben de enorme diversiteit aan meercellige organismen van vandaag de dag bestudeerd en ontdekten dat deze ieder voor zich meercelligheid ontwikkelden.
Meercelligheid biedt organismen enkele duidelijke voordelen. Ze kunnen efficiënt bewegen en een goede omgeving vinden om te jagen, en ze kunnen vluchten. Meercelligheid heeft echter niet altijd bestaan en de onderzoekers weten niet precies wanneer het eerste meercellige organisme opkwam.
Sommige vondsten duiden erop dat er 2 tot 3 miljard jaar geleden al eenvoudige versies waren. Deze bestonden waarschijnlijk uit losjes samenwerkende cellen, die meer aan algenbolletjes doen denken dan aan dieren, planten en schimmels.
Het eerste meer ontwikkelde meercellige leven zag waarschijnlijk 750 tot 660 miljoen jaar geleden het daglicht. Op dat tijdstip hadden de eencellige levensvormen al meer dan 3 miljard jaar over de aarde geregeerd.
Die lange wachttijd suggereert dat de overstap lastig was, maar die conclusie is niet consistent met ander bewijsmateriaal.
De vroegste meercellige organismen waren heel eenvoudig. Dit is de 560 miljoen jaar oude Dickinsonia tenuis.
De onderzoekers hebben de enorme diversiteit van meercellige organismen op onze aarde grondig bestudeerd en ontdekt dat ze hun meercelligheid onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld. Planten, dieren en schimmels zijn uit drie typen eencellige voorouders geëvolueerd.
En bij rood-, groen-, bruin- en kiezelwieren is de meercelligheid minstens vijf keer ontstaan. Het meercellige leven van vandaag de dag is terug te voeren tot minstens 25 eencellige voorouders – en waarschijnlijk zijn het er zelfs meer dan 50.
Nu vragen wetenschappers zich af waardoor deze enorme explosie van meercellig leven pas na 3 miljard jaar op gang kwam.
Levensboom
Aan de genen van meercellige organismen is te zien dat vele hun eigen meercelligheid hebben ontwikkeld, dus los van elkaar.
Wieren staan los van elkaar
Planten en wieren – meercellige algen – zijn ontstaan uit een aantal verschillende eencellige algen, en veel van deze algen waren niet eens bijster nauw verwant aan elkaar.
Pogingen tot meercelligheid: ≥ 9.
Schimmel is een vergaarbak
Slijmzwammen, oomycota, echte schimmels en andere organismen werden ooit allemaal als schimmel aangemerkt. Nu weten we dat ze voortkomen uit verschillende eencellige voorlopers.
Pogingen tot meercelligheid: ≥ 6.
Dieren wagen de sprong
Dieren – van de simpelste kwal tot de grootste walvis – stammen hoogstwaarschijnlijk uit één organisme, dat circa 800 miljoen jaar geleden meercelligheid ontwikkelde.
Pogingen tot meercelligheid: ≥1.
Cellen vormen simpele kolonie
Protisten – een oud woord voor alle organismen die geen plant, dier, bacterie of schimmel zijn – hebben meermaals een simpele meercelligheid ontwikkeld, zoals veervormige kolonies.
Pogingen tot meercelligheid: ≥ 5.
Bacteriën maken bloemen
Bacteriën en oerbacteriën (archaea) zijn veelal eencellig, maar sommige, zoals myxobacteriën, kunnen bloemstructuren vormen die met het blote oog te zien zijn.
Pogingen tot meercelligheid: ≥ 4.
Eendracht maakt macht
Het zuurstofgehalte van de aarde was de eerste 3 à 4 miljard jaar veel lager dan nu. Pas 850 miljoen jaar geleden steeg het – kort voor het meercellige leven op gang kwam.
Door die samenloop van omstandigheden denken sommige wetenschappers dat het lage zuurstofgehalte het meercellige leven dwarszat.
De Britse paleontoloog Nicholas Butterfield denkt echter dat de meercellige organismen dat zuurstofgebrek best hadden kunnen omzeilen door water te pompen over een oppervlak dat zuurstof opneemt – net zoals vissen doen met hun kieuwen.
Butterfield oppert dat het geavanceerde meercellige leven op zich liet wachten doordat de cellen hun coördinatievermogen nog niet op orde hadden.
In organismen zoals wij zorgt zo’n vermogen ervoor dat iedere cel op het juiste moment de juiste eiwitten produceert.
Daardoor kunnen onze cellen verschillende taken uitvoeren, al hebben ze hetzelfde DNA, delen ze zich niet langer als ze niet meer hoeven te groeien en plegen sommige zelfmoord om het voortbestaan van de hele groep veilig te stellen.
Video: Zo verdelen je cellen het werk
Als betere coördinatie lastig te bereiken was, snappen we dat de meercelligheid op zich liet wachten – maar niet waarom deze ineens ontstond bij de meest uiteenlopende organismen.
Dus mogelijk is die overstap helemaal niet zo moeilijk, zolang de juiste evolutionaire motivatie maar aanwezig is. Het grote voordeel van meercelligheid is dat deze bescherming biedt tegen roofdieren.
Maar de eerste 3 miljard jaar van het leven waren roofdieren klein en primitief – dus het leven hoefde nog niet per se meercellig te worden. 800 miljoen jaar terug ontstond er echter een geavanceerder roofdier, dus vele andere organismen klampten zich bij wijze van zelfverdediging aan elkaar vast.
Vroege roofdieren, zoals de 530 miljoen jaar oude Anomalocaris, brachten de ontwikkeling van meercellige organismen pas goed op gang.
De Amerikaanse bioloog Nicole King heeft misschien achterhaald waardoor veel groepen zo snel meercellig zijn geworden.
Door zogeheten eencellige kraagflagellaten te onderzoeken, kwam Kings team erachter dat eencellige organismen varianten van veel genen kunnen hebben die essentieel zijn voor onze eigen meercelligheid: genen die ervoor zorgen dat onze cellen bij elkaar blijven, kunnen communiceren of zichzelf om zeep helpen om ziekten als kanker, die de groep bedreigen, te voorkomen.
Alleen gebruiken eencellige organismen die genen voor andere taken, zoals het vangen van voedsel of het waarnemen van de omgeving; er is echter niet veel voor nodig om de functie van deze genen te veranderen.
Cellen zijn gemaakt om samen te werken
1. Bacterievanger houdt cellen bijeen
Op kraagflagellaten zitten cadherinen (lichte vlekken), die ze helpen bacteriën te vangen. In ons lichaam houden de cadherinen echter de cellen bij elkaar, zodat we niet in stukken uiteenvallen.
2. Gevoelige cellen ontvangen signalen
Om moleculen in het omgevingswater op te sporen, gebruiken kraagflagellaten zogeheten tyrosinekinasereceptoren (lichtgroen). Bij de mens zorgen die receptoren ervoor dat onze cellen signalen – zoals hormonen – kunnen ontvangen van andere cellen.
3. Herstelwerktuig remt kanker
Het eiwit p53 (turquoise) herstelt bij mensen en kraagflagellaten beschadigd DNA (rood). En bij ons zet dit eiwit de cellen aan tot zelfmoord als het DNA niet te repareren valt. Dit voorkomt dat beschadigde cellen zich ontwikkelen tot een tumor.
Eencellige organismen hebben dus alles in huis om meercellig te worden, en daarom heeft meercelligheid steeds weer kunnen ontstaan.
Sinds onze eigen voorouders de sprong waagden, zijn onze genen gedurende miljoenen jaren aangepast, waardoor ons lichaam nu ieder van zijn 37 biljoen cellen onwaarschijnlijk goed kan coördineren. Er is echter ook ontdekt dat we soms naar het eencellige stadium terugvallen.
Terugval verklaart kanker
Australische wetenschappers onder leiding van de bioloog David Goode onderzochten in 2017 hoe de activiteit van een aantal genen in kankercellen afwijkt van wat normaal is.
Goode ontdekte dat de genen die het minst zijn veranderd sinds we meercellig werden, zeer actief in kankercellen zijn. Omgekeerd zijn de meer ontwikkelde genen inactief in de kankercellen.
Kanker ontstaat dus zodra mutaties de mechanismen afbreken die de coördinatie van cellen mogelijk maken, en die de egoïstische mechanismen die een eencellig organisme nodig heeft, stimuleren.
Kankercellen delen zich ongecontroleerd en vernietigen het gezonde weefsel in hun omgeving.
Kanker is de terugval van meercelligheid naar eencelligheid, en woekerende cellen doen zich voor als eencellige parasieten die ons lichaam aanvallen.
Zeldzame vormen van kanker, zoals het sarcoom van Sticker, dat bij honden voorkomt, kunnen zich zelfs via seksueel contact verspreiden, net zoals gonorroe en andere bacteriën.
De laatste jaren hebben onderzoekers heel wat bijgeleerd over de overstap van onze voorouders van een- naar meercelligheid.
En hun ontdekkingen kunnen ons niet alleen iets over het verleden vertellen, maar ook verduidelijken hoe onze cellen kunnen terugvallen tot eencelligheid. Dat maakt de weg vrij naar nieuwe kankertherapieën.