What Is Evo Devo?

DEFINING EVO DEVO

NOVA: There has been all this buzz about evo devo. Wat is het belangrijkste idee, en waarom is het zo spannend?

Cliff Tabin: Evolutionaire ontwikkelingsbiologie, of “evo devo,” is een brede term die een heleboel dingen omvat. En verschillende mensen gebruiken de term net iets anders, en ook wat het voor hen interessant maakt verschilt van wetenschapper tot wetenschapper.

Voor mij, ik begin met een blik op de ontwikkelingskant. De revolutie in de ontwikkelingsbiologie, en de revolutie in de biologische wetenschappen als geheel, heeft ons op het punt gebracht waar we feitelijk kunnen beginnen te begrijpen hoe genen een embryo doen vormen zoals het doet, waarom een ledemaat zich in de eerste plaats vormt, en dan waarom de arm anders is dan het been, waarom het hart dat begint als een buis in het midden zich opvouwt om links te zitten en niet rechts. We beginnen dat soort echt fundamentele vragen te begrijpen, en dat is op zichzelf al verbazingwekkend.

We komen ook op het punt waarop we niet alleen kunnen begrijpen hoe je een ledemaat maakt, maar ook hoe het proces kan worden veranderd op wat eigenlijk subtiele manieren zijn, zodat het ledemaat de vorm aanneemt van een vleermuisvleugel versus een menselijke hand versus een zwemvliezen. En dat is voor mij enorm opwindend.

Dus, voor mij is het fundamentele aspect van evo devo het begrijpen hoe de ontwikkeling in de loop van de evolutionaire tijd wordt aangepast.

Een van de belangrijkste ontdekkingen op het gebied van evo devo is hoezeer onze genen lijken op die van alle andere dieren, toch?

Ja. Een van de meest verbazingwekkende verrassingen in de tijd dat ik in de wetenschap zit, is de ontdekking dat de genen die betrokken zijn bij het maken van dieren die zo verschillend zijn als een fruitvlieg en een mens, in wezen dezelfde genen zijn. Toen we, laten we zeggen, 20 jaar geleden over zulke dingen nadachten, moest men ervan uitgaan dat de genen om een fruitvlieg te maken instructies voor vleugels zouden bevatten, genen die we niet nodig hadden. En, omgekeerd, dat wij genen zouden hebben voor het maken van een menselijk ledemaat of een menselijk hart die een vlieg nooit zou hebben. De verbluffende bevinding was dat, tot een eerste benadering, dezelfde genen in beide aanwezig zijn en in beide worden gebruikt.

Het is het mooiste proces om organisatie te zien ontstaan.

Nu, achteraf, beseffen we natuurlijk dat vliegen en mensen beide dieren zijn. We hadden een gemeenschappelijke voorouder. Misschien was het een onopvallend klein wormachtig ding, maar dat kleine wormachtige ding had al de reeks genen die zijn kop anders maakten dan zijn staart en zijn darmen anders dan zijn hart. Om die worm te laten evolueren tot een vlieg, of om uiteindelijk te evolueren tot een mens, werden die genen op verschillende manieren gebruikt, in verschillende combinaties, met verschillende timing.

Fundamenteel was de genetische gereedschapskist, zoals wij die noemen, al aanwezig in de gemeenschappelijke voorouder. En die voorouderlijke set genen was krachtig en veelzijdig genoeg om het materiaal te leveren voor het genereren van de diverse vormen van dierlijk leven die we nu op aarde zien. Dat had niemand verwacht, en het heeft de studie van verschillende organismen zeer diepgaand gemaakt. Wat je leert van het bestuderen van de ontwikkeling van een vlieg heeft directe implicaties voor het begrijpen van de manier waarop wij zelf zijn gemaakt, want hoe verschillend een vlieg ook is van een mens en hoe lang geleden we ook uit elkaar zijn gegroeid, we gebruiken in wezen dezelfde genen om hetzelfde te doen – organisatie te laten ontstaan in een embryo.

En u en andere biologen hebben dit nooit zien aankomen.

Ik zou er alles om verwed hebben dat dat niet het geval zou zijn. Ik had gedacht dat de genen die een vlieg maken, anders zouden zijn dan die van een mens. Ik had ook gedacht dat er veel meer fundamentele genen binnen die gereedschapskist nodig zouden zijn om een mens te maken. Ik zou gedacht hebben dat de genen die je gebruikt om de vorming van een hart op gang te brengen, totaal verschillend zouden zijn van de genen die je gebruikt om een bot te maken, die totaal verschillend zouden zijn van de genen die je gebruikt om de voorkant van een embryo anders te maken dan de achterkant van een embryo, enzovoort.

Het blijkt dat hetzelfde gen of dezelfde genen steeds opnieuw worden gebruikt, alleen op verschillende manieren en in combinaties met andere genen in een cel. En we gebruiken wat ik, op basis van mijn eerdere intuïtie, als een belachelijk klein aantal genen zou beschouwen.

ALLES OVER DE EMBRYO

Het feit dat we allemaal een gemeenschappelijke set genen delen, is in het embryonale stadium al duidelijk, nietwaar? Heel vroeg in hun ontwikkeling, lijken alle dieren grotendeels op elkaar.

Ja. Een van de dingen die al sinds de jaren 1800 worden besproken, is dat als je kijkt naar embryo’s van verschillende gewervelde dieren – of het nu een vis, salamander, kikker, kip, muis of mens is – ze in een vroeg stadium erg op elkaar lijken. In feite doorlopen ze stappen waarbij ze bijna niet van elkaar te onderscheiden zijn. Een serieuze professional die ze nauwkeurig onder een microscoop bekijkt, kan natuurlijk vanaf het begin verschillen zien. Maar de gelijkenis in de vroege stadia is echt opmerkelijk.

Eén van de redenen waarom ik denk dat dit het geval is, is dat de vroege aspecten van het op de juiste plaats zetten van poten, het hoofd anders maken dan het lichaam, die zeer vroege en zeer fundamentele dingen moeten plaatsvinden op een bepaalde schaal die wordt gedicteerd door het bereik waarop sleutelmoleculen in staat zijn te handelen. Dus wanneer we allemaal ongeveer even groot zijn, of je nu een bruinvis, een mens of een aap bent, vinden dezelfde soort processen plaats. Daarna ga je de verschillen uitwerken. Dus in de vroege stadia is het niet alleen een leek die denkt dat ze op elkaar lijken; in fundamentele opzichten zijn ze echt gelijk.

Een van de grote momenten in de geschiedenis van de evolutie is toen een vin voor het eerst evolueerde in een ledemaat.

Het is verbazingwekkend om naar een time-lapse te kijken van een zich ontwikkelend embryo, van welk dier dan ook. U moet een leuke baan hebben.

Een van de leuke dingen van mijn vak is de mogelijkheid om embryo’s te zien ontstaan. Het is het mooiste proces om een organisatie te zien ontstaan, of je het nu ziet in time-lapse fotografie of onder een microscoop in de loop van de tijd. Het is verbluffend mooi om het te zien gebeuren, en het hele proces zelf is zo fundamenteel mooi dat de esthetiek gecombineerd met de logica gewoon overweldigend is.

TWEAKING THE BEAK

Waarom besloot u de snavelvorming bij Darwins vinken te bestuderen?

Wel, naarmate de technologie vorderde en onze kennis over ontwikkeling toenam, kwam men op het punt dat het realistisch werd om te proberen te begrijpen hoe ontwikkelingsinstructies werden aangepast om variatie in de natuur te krijgen. We wilden niet kijken naar enorm verschillende dieren, omdat daartussen veel verschillen zouden zijn, en het te moeilijk zou zijn om uit te zoeken wat er werkelijk aan de hand is. We wilden kijken naar dieren die zeer nauw verwant zijn en die idealiter slechts één structuur hebben die op een zeer belangrijke manier verschilt tussen de soorten.

Darwin’s vinken op de Galapagos zijn daar een goed voorbeeld van. Het zijn vogels die in wezen hetzelfde organisme zijn, maar ze hebben snavels die heel verschillend van vorm zijn. Die verscheidenheid in snavelvorm heeft hen in staat gesteld een zeer verschillende levensstijl te hebben. Een snavel is een fundamenteel belangrijke structuur – het heeft een groot ecologisch belang – en deze verschillende vinkensoorten waren een miljoen jaar geleden slechts één enkele vogelsoort. Dus dat is een van de redenen waarom Darwin’s vinken ons erg aanspraken.

En wat hebben jullie gevonden?

Voordat we ons onderzoek deden, was het mogelijk dat totaal verschillende genen betrokken waren bij het maken van snavels met verschillende vormen. We achtten dat niet waarschijnlijk, op basis van wat we wisten over hoe genen de ontwikkeling sturen, maar het was mogelijk. Wat we vonden, bevestigde het algemene beeld dat naar voren kwam: dat dezelfde genen betrokken zijn bij het maken van een scherpe, puntige snavel of een grote, brede, noten krakende snavel. Wat het verschil maakt, is hoeveel je een gen aanzet, wanneer je het aanzet, wanneer je het uitzet – de subtiele verschillen in regulatie. Specifieke genen zijn essentieel om een snavel te maken, maar het is de afstelling – de hoeveelheid van het gen, de timing van het gen, de duur van het gen – die eigenlijk de truc doet.

AN ARM AND A LEG

Zorgen dezelfde soort aanpassingen ook voor de vorming van ledematen?

Ja, en op dit moment begrijpen we, op een zeer fundamentele manier, een groot deel van de moleculaire regulatie, de genen die de ledematen vertellen hoe ze zich moeten vormen. We begrijpen hoe een vroege massa cellen informatie krijgt die de ene groep vertelt om de ene structuur te worden en de andere groep om een andere te worden. We begrijpen hoe weefsel een bot begint te vormen in plaats van een pees, bijvoorbeeld. Op een zeer fundamentele manier kennen we nu de genen die verantwoordelijk zijn voor het maken van je ledemaat zoals het is.

Die maken een arm in tegenstelling tot een been, bijvoorbeeld?

Ja. Zoals ik al eerder zei, de fundamentele structuur van een ledemaat die we in onze arm zien, bijvoorbeeld, wordt gerepliceerd met enige variatie in verschillende dieren om te dienen als een vleugel of een zwemvliezen. Maar je zult ook variatie zien in de structuur die een ledemaat aanneemt in je eigen lichaam. Een arm en een been zijn fundamenteel vergelijkbare structuren – als je bijvoorbeeld van de schouder of de heup naar de vingers of tenen gaat, heb je een enkel bot in het bovenste lidmaat, gevolgd door twee botten in het onderste lidmaat, en dan vele botten die de vijf vingers vormen. De voorste en achterste ledematen zijn gebouwd op hetzelfde basisplan.

Ik denk niet dat je naar natuurprogramma’s hoeft te kijken om versteld te staan van de diversiteit van het leven op Aarde.

We weten nu dat er specifieke genen zijn die worden aangezet in de achterste ledematen, in het been, die niet worden aangezet in de voorste ledematen, de arm. Als ze worden aangezet, krijgt die vroege ledemaatknop meer het karakter van een been. Er zijn andere genen die alleen aanwezig zijn in de voorpoot of de arm in de vroege stadia van de knop van de ledemaat. In wezen kan het verschil tussen een arm en een been dus worden teruggevoerd op verschillen in genen binnen de vroege ledemaatknop. Deze voorste of achterste ledemaat-specifieke genen beïnvloeden de algemene set van ledemaat-instructies die door andere genen worden vastgelegd, zodanig dat het resultaat een arm of een been is.

We beschouwen onze ledematen als vanzelfsprekend, maar de evolutie van een ledemaat uit de vin van een vis, lang geleden, was een enorme sprong voorwaarts, nietwaar?

Een van de grote momenten in de geschiedenis van de evolutie is toen een vin voor het eerst evolueerde in een ledemaat. Dit gebeurde bij een vis die in ondiep water leefde en leerde zichzelf in het ondiepe te manipuleren. Hij ontwikkelde een structuur die kon draaien en die segmenten had die onafhankelijk van elkaar konden bewegen, eindigend in vingers, wat deze vis het grote vermogen gaf om zich in de modder te bewegen. Het bleek een basiskenmerk te zijn dat een enorm potentieel had, een enorme flexibiliteit.

Want wat we zien is dat het basisplan van die ledemaat – één bot in het bovenste lidmaat, twee botten in het onderste lidmaat, polsen die draaien, een reeks van vijf of minder vingers – is uitgewerkt om je alles te geven, van de vleugel van een vleermuis om te zweven, tot de zwemvliezen van een bruinvis om te zwemmen en over de oceanen te navigeren, tot een hand om vast te grijpen of piano te spelen, tot de ledematen van een mol om te graven. De enorme verschillen in het gebruik van ledematen hebben de daaropvolgende dieren -amfibieën, reptielen, vogels, zoogdieren- in staat gesteld zich te ontwikkelen tot een buitengewoon scala van levenswijzen.

Een EVOLUTIE REVOLUTIE

Het gebied van evo devo is echt aan het exploderen, is het niet?

Het is gewoon verbazingwekkend. Het snelle tempo, denk ik meer dan iets anders, is wat ik niet zou hebben verwacht. Ik denk dat ik wel voorspeld zou hebben dat we uiteindelijk zouden komen tot waar we nu zijn in termen van begrip; ik had alleen nooit gedacht dat het zo snel zou gaan als het is gegaan. Er zijn technologische revoluties geweest – de sequentie-revolutie die ons in staat stelde volledige genomen te sequencen, de technologie om enorme hoeveelheden informatie tegelijk te verwerken en dingen uit te zoeken. Het is ongelooflijk wat je kunt doen en hoeveel gemakkelijker en sneller het nu is dan toen ik begon. Ik had nooit gedacht dat het zo snel zou gaan.

Hoe blijf je bij?

Het is heel moeilijk om bij te blijven als kennis zo snel gaat. Ik denk dat je de dingen bijhoudt die je het meest interesseren. Toen ik in de biologie begon, las ik alles op het gebied van de moleculaire biologie, omdat er, vergeleken met vandaag, relatief weinig werd gedaan. Je kon twee of drie tijdschriften lezen, en je was in principe in staat om op de hoogte te blijven van celbiologie en fysiologie en immunologie en ontwikkelingsbiologie en kankerbiologie. Maar nu kun je niet eens meer bijblijven over ontwikkelingsbiologie of evolutiebiologie. Je kiest je vakgebied, je kiest je onderwerpen, je kiest je vragen, en in principe blijf je op de hoogte van wat je het meest boeit.

En de diversiteit van het leven zoals die door evo devo wordt onthuld, is wat je echt enthousiast maakt.

Ik denk niet dat je naar natuurprogramma’s hoeft te kijken om je te laten overweldigen door de diversiteit van het leven op aarde. Je kunt gewoon thuis een wandeling maken. Je ziet vogels, eekhoorns, honden. Je komt thuis en knuffelt je kind. Dit zijn dingen die je als vanzelfsprekend beschouwt. Maar als je een stapje terug doet en kijkt hoe verbazingwekkend de vogel is in de vlucht, de eekhoorn die zo perfect aangepast de boom in en uit rent, enzovoort, dan is het gewoon zo’n verbazingwekkende wereld. En wat ongelooflijk is aan deze tijd in de geschiedenis vanuit een wetenschappelijk perspectief is dat we in staat zullen zijn om die diversiteit te begrijpen, en dat maakt het alleen maar opwindender. Het demystificeert het niet. Het maakt het des te meer magisch.