Bouwplan kwam na embryo Henk Klomp Eerst was er het embryo, pas daarna het genetische bouwplan, betogen natuurkundigen. Maar evolutionisten zijn niet overtuigd. De eerste embryo’s van dieren verschenen op aarde zonder uitgewerkt genetisch bouwplan. In deze embryo’s bepaalden, net als in andere ‘zachte materie’ zoals rubber, lava of pudding, vloeistofwetten de ruimtelijke bestemmingen van cellen. Succesvolle embryo’s ontwikkelden pas hierna genetische programma’s die hun bouwvormen vastlegden. Met deze beweringen gooien natuurkundige Gabor Forgacs van de Universiteit van Missouri, celbioloog Stuart Newman van de New York Medical College en evolutiebioloog Gerd Müller van de Universiteit van Wenen uitdagend de knuppel in het hoenderhok van ontwikkelingsbiologen in een speciale uitgave van de International Journal of Developmental Biology (maart, 2006). Ze bereidden hun coup echter zorgvuldig voor in hun boek Biological Physics of the Developing Embryo (Cambridge University Press, 2005). ‘Genen creëren geen driedimensionale vormen en structuren,’ licht Forgacs toe. ‘Dierlijke cellen wel. Die rangschikken zich vanzelf tot driedimensionale vormen.’ Tot nu toe lukt het ontwikkelingsbiologen maar niet het snelle ontstaan van het dierenrijk op aarde te verklaren. Alle 35 dierenstammen lijken abrupt te verschijnen tijdens de zogeheten Cambrische Explosie, ook wel de Big Bang van het leven genoemd. Elk met zijn eigen embryonaal bouwplan, waaraan in de verdere evolutie niets wezenlijks meer is veranderd. En al die stammen putten uit dezelfde genetische gereedschapskist. Maar evolutie, de naam zegt het al, en uit het niets verschijnende dieren passen niet samen. De hele uitgebreide levensboom lijkt zich vertakt te moeten hebben in de evolutionair korte tijd tussen de Cambrische Explosie, 550 miljoen jaar geleden, en de Varanger-ijstijd, 600 miljoen jaar geleden. En de ijstijd lijkt een harde ondergrens te vormen. Zeedieren kenmerken zich erdoor om te kunnen zwemmen, wat in de Varanger-ijstijd, waarin nagenoeg alle zeeën waren bevroren, gewoonweg niet kon. ‘Het ontstaan van het dierenrijk vereiste geen lange periode van genetische evolutie,’ schrijven Forgacs en Newman nu in hun evolutiepublicatie. ‘Die verliep namelijk grotendeels zonder genetisch programma.’ Met alle aandacht gericht op DNA verzuimden ontwikkelingsbiologen tot nu toe te kijken wat er nu precies fysisch gebeurt in een eitje, of, zoals bij zoogdieren, in de baarmoeder. Forgacs, specialist in ‘zachte materie’, zoals klei, rubber, lava en pudding, herkent in het jonge embryo een schoolvoorbeeld van ‘zachte materie’. ‘Een jong embryo is een soort gelei waarin cellen voortdurend van positie kunnen wisselen. Eigenlijk net als in een vloeistof. Ik kan uitrekenen op welke plekken cellen gaan zitten met behulp van eenvoudige vloeistofwetten. De plakkerigheid van cellen bepaalt hierin de aantrekkingskrachten tussen cellen onderling en de amoebe celbeweging hun onderlinge bewegingen,’ licht Forgacs toe per mail. Die vloeistofwetten zijn werkzaam in celaggregaten, want inderdaad kon Forgacs recent in Physical Review Letters, een prestigieus blad voor de natuurkundige gemeenschap, rapporteren hoe hij, door druppeltjes met epitheel- en spiercellen met een printer op de juiste plek te deponeren een klein bloedvat wist te vormen. De cellen gaan vanzelf een binnen- en buitenlaagje vormen, die daarna tot een vaatje uitgroeien. De NSF, de Amerikaanse NWO, stuurt ondertussen handenvol geld zijn kant op om de kennis te ontwikkelen om, eerst het bloedvatenstelsel, en in de verre toekomst wellicht ook organen te leren printen. Uit die wetten volgt dat een zichzelf tot meer cellen klievende eicel – kenmerkend voor een dierlijke levensvorm - waarvan de dochtercellen plakkerig zijn, vanzelf een holte krijgen, de lichaamsholte: de cellen trekken elkaar namelijk uit het centrum weg. Vervolgens vormen de aan elkaar plakkende cellen een blaasje, de zogeheten kiemblaas, omdat de oppervlaktespanning het oppervlakte zo klein mogelijk probeert te houden, net als bij een zeepbel.

Ook berekende Forgacs dat een blaasje, na een aantal delingen – bij de zeester na 64 delingen -, zal gaan inklappen, of liever, een naar binnen groeiende opening krijgt op zijn zwakste punt. Deze kan het begin zijn van de vorming van een verteringskanaal. Zo’n kanaal is een van de belangrijkste eigenschappen van embryo’s van de zogeheten ‘kopstaartdiertjes’ – wetenschappelijk: het superrijk Bilateria -, waartoe insect, slang, vis, paard, aap of mens, en heel veel andere dieren behoren. Ontwikkelingsbioloog Ronald Plasterk van het Hubrecht Laboratorium in Utrecht, die de genetische groeiprogramma’s van de worm c. elegans en de zebravis in kaart heeft proberen te brengen, wuift de hele suggestie van Forgacs en Newman dat vloeistofwetten een rol spelen weg. ‘Ik ken de heren niet, maar ze lijken me niet te worden gehinderd door enige kennis van evolutiebiologie of ontwikkelingsbiologie.’ In alle levende beestjes van nu staan ontwikkelingsprocessen immers onder strenge genetische controle. En die blijken uiterst ingewikkeld te zijn. Maar helemaal gesloten zijn de linies van de ontwikkelingsbiologen van het Hubrecht Laboratorium ook weer niet. ‘Misschien zien we het als bioloog inderdaad wel tè ingewikkeld,’ erkent bijvoorbeeld onderzoeker Jeroen Akkermans. En onderzoeksleidster Christine Mummery is zelfs een van degenen die het nieuwe debat in de ontwikkelingsbiologie aanzwengelt. Forgacs, die al jaren worstelt met het idee, ziet ook wel in dat het moderne lichaam streng genetisch is gereguleerd, maar volgens hem lag dat een half miljard jaar geleden anders. ‘Toen moeten er simpeler lichaamsvormen – vormen die vanzelf ontstaan uit celaggregraten – zijn geweest,’ schrijft hij in zijn evolutieartikel. ‘Deze zouden niet de embryonale fasen van volwassen dieren zijn geweest, maar de meest geavanceerde organismen van hun tijd.’ Dit ziet hij bevestigd in talrijke ongeveer eentiende millimeter grote fossielen van embryo’s uit een laag in China, de zogeheten Doushanto-laag. Deze laag, die dateert van kort na de Varanger-ijstijd, ligt in de bergen in de provincie Guizhou in Zuidwest China en is een zogeheten Lagerstätte, een laag waarin ook zacht weefsel kan fossiliseren. In de laag liggen duizenden fossielen van embryo’s. De meeste embryo’s zijn maar een paar cellen groot, maar er zijn ook kiemblaasjes en zelfs kiemblaasjes met het begin van een verteringskanaal. Sporen van larven of volwassen dieren zijn echter nooit gevonden. Paleontoloog Jan Smit van de Vrije Universiteit in Amsterdam vindt het inderdaad plausibel dat de fossielen aparte en volwassen diertjes waren. ‘De meercelligen zaten in een schilletje van fosfaat van bepaalde grootte, een teken van volwassenheid. Bovendien was het gehalte aan vrije zuurstof nog laag, slechts 1,5 procent van die van nu. Echt groot en complex kan een diertje onder zulke omstandigheden niet worden.’ Maar als evolutionist betwijfelt hij, dat de fossielen wezens waren zonder genetisch bouwprogramma. Want in de twee-, drie-, vier- en vijfcellige embryo’s die de Chinese paleontologen in Science van 16 juni beschrijven, lijken de cellen al na de eerste deling functionele verschillen te hebben. Na drie delingen zijn de vier bovenste cellen hierdoor kleiner dan de onderste vier. ‘Volgens mij is dit het begin van het ontstaan van een kop en een staart,’ zegt Smit. ‘Er was dan wel degelijk een bouwprogramma aan het werk.’ Ook staat vast dat er 555 miljoen jaar geleden centimetergrote wormpjes leefden, de soort Kimberella. Het is de vraag hoeveel ouder de Chinese embryo’s zijn dan Kimberella. De Chinezen claimen zelf 35 miljoen jaar. Ze zouden van kort na de ijstijd stammen. ‘Tussen de laag met embryo’s en de laag van tilliet, gevormd tijdens de Varangerijstijd, zit toch nog twintig meter sediment. Maar ontstond die laag in een ondiepe zee, dan kan twintig meter inderdaad snel gevormd worden,’ vertelt Smit, die de Doushanto-laag heeft bekeken. Leg je de gevonden fossieltjes als een-, twee-, drie-, vier- en vijfcellig stadium achter elkaar, dan kun je in de reeks inderdaad met goede wil het groeipatroon herkennen van het embryo van sommige moderne weekdieren.

Maar in Forgacs’ optiek zijn de een-, twee-, drie-, vier- en vijfcelligen geen groeistadia, maar volwassen diertjes. Volgens hem gingen ze als twee-, drie-, vier- of vijftal van cellen door het leven, als een soort biologische probeersels die in wisselwerking met de omgeving bepaalden hoe ze zouden uitgroeien. Verder op de weg liggen dan de talrijke blaasjes, waarin meerdere lagen en beginnende inhammen zichtbaar zijn. Een gelei van cellen, meent Forgacs, staat immers bol van potentiële activiteit. Elke cel was een tot de tanden toe met de beste enzymen bewapende strijder, die kon reageren op chemische prikkels door het aan- en uitzetten van genen. Daarnaast tikte er in die strijder een klok – de celcyclus – die vertelde wanneer hij moest gaan delen. Die klok zorgde er immers voor dat genen zich bleven vermenigvuldigen. Zo gebeurde dat al meer dan een miljard jaar, vanaf het ontstaan van de eerste cel totdat de spurt naar het dier begon. Als zulke strijders aan elkaar gaan plakken, ontstaan er uit zichzelf formaties en driedimensionale patronen. Primitieve embryo’s dus. Alleen als alle klokken gelijk tikken, en er overal gelijke concentraties van stoffen heersen, blijft het aggregaat vormloos. Maar loopt er een cel uit het gelid – bijvoorbeeld door een prikkel – dan ontstaan er, door diffusie, ongelijke ruimtelijke verdelingen of oscillaties van stoffen. Prikkelen die stoffen de omringende cellen, dan zetten verschillende cellen hun genen in verschillende standen: het begin van de differentiatie van cellen. Leidt die differentiatie bovendien tot verschillende plakkerigheden van de cellen, dan gaan er uit zichzelf laagjes en compartimenten binnen het embryo ontstaan. Net als olie- en waterdeeltjes in een mengsel van olie en water, zoeken cellen met gelijke plakkerigheid elkaar namelijk op. Zo kunnen bijvoorbeeld de onderlinge gescheiden kiembladen ontstaan: het ectoderm, mesoderm en entoderm, die de kiemhaarden vormen van respectievelijk de huid- en zenuwcellen, de bloed- en orgaancellen en de slijm- en kliercellen in het lichaam. Organen kunnen zich gaan vormen uit compartimenten van gelijke cellen. Met het stijgende zuurstofgehalte na de ijstijd, konden de embryonale uitprobeersels geleidelijk steeds groter en complexer worden. Een mooi voorbeeld daarvan is het plakdiertje van ongeveer een halve millimeter groot, dat, zo blijkt uit het DNA van zijn energiecentrale (zie PNAS van juni), het tussenstadium vormt tussen het eencellige zweepdiertje, de onbetwiste voorloper van de dierencel, en de latere dieren: zijn zuurstofverbruik paste zich aan een stijgend zuurstofgehalte aan. Het diertje, een soort blaasje dat eencelligen opslokt, heeft als eerste de voor dieren kenmerkende plakeiwitten – de cadherinen – en doorliep een vormingsproces, dat lijkt op die van de kiemblaas. De altijd gelijkmatig doortikkende klok van toevallige mutaties in genen heeft volgens Forgacs dus geen bouwplannen beraamt, maar in het ‘tijdperk van het embryo’ de 35 succesvolste ‘vastgelegd’ en bestand tegen wisselende omstandigheden gemaakt. Zo robuust zelfs, dat ze sinds het Cambrium nooit meer zijn veranderd. Jan Smit is niet overtuigd. ‘De theorie prikkelt me zeker, maar hij staat haaks op alles waar ik tot nu toe in heb geloofd, genetisch determinisme en het belang van de omgeving. Ik blijf geloven dat je daarmee ook het ontstaan van het dierenrijk kunt verklaren.’ Deze tekst werd gepubliceerd in NRC Handelsblad.