Pijlwormen bestaan al zo’n 500 miljoen jaar, maar nu pas hebben wetenschappers – onder wie marien biologe Katja Peijnenburg van Naturalis Biodiversity Center – hun plek in de evolutionaire geschiedenis weten te bepalen. In hun publicatie in Current Biology van 10 januari 2019 stellen zij ook de klassieke opvatting ter discussie dat complexe organismen afstammen van eenvoudige voorouders.
Pijlwormen, of chaetognaten (‘borstelkaken’), zijn overal ter wereld te vinden: ze zwemmen in brakke riviermondingen, in tropische zeeën en in de donkere diepzee. De tot de verbeelding sprekende zeewezens bestaan al sinds het Cambrium, zo’n 500 miljoen jaar geleden.
De onderzoekers probeerden de relatie van de pijlworm met andere spiralia te verifiëren - leden van een gevarieerde groep organismen waarvan werd aangenomen dat ze een gemeenschappelijke voorouder hebben. De spiralia-groep bevat weekdieren, ringwormen en platwormen. De onderzoekers ontdekten dat pijlwormen niet bij de spiralia horen, maar bij een nieuwe diergroep die een ‘zustergroep’ vormt van de spiralia.
De pijlworm Pterosagitta draco, opgevist uit de Atlantische oceaan en levend gefotografeerd aan boord van een onderzoeksschip door Katja Peijnenburg. Dit is één van de soorten gebruikt in het onderzoek.
Unieke kaakstructuur
‘Pijlwormen zijn roofdieren, ze hebben een zenuwstelsel en ze hebben sensorische organen ontwikkeld. Maar de andere organismen in de groep waarin ze thuishoren zijn veel eenvoudiger,’ zegt Ferdinand Marlétaz, eerste auteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in de Okinawa Institute of Science and Technology Molecular Genetics Unit. ‘Dat betekent dat er waarschijnlijk veel onafhankelijke vereenvoudiging was, in plaats van onafhankelijke opkomst van complexiteit.’
Hoewel ze uiterlijk erg verschillen, blijken pijlwormen en hun fylogenetische verwanten, zoals de microscopische dieren die bekend staan als raderdiertjes, een unieke kaakstructuur te delen. Deze kaakstructuur bestaat uit chitine en bevindt zich in de buurt van de monden van deze organismen. Ze stellen hen in staat prooien te grijpen. Dat deze diersoorten deze kaakstructuur delen, was tot nu toe niet duidelijk.
De kop van de pijlworm Sagitta setosa, verzameld in de Noordzee. De unieke kaakstructuur is hier goed op te zien: twee rijen met scherpe tanden en haken om prooien vast te grijpen en te verorberen. Gefotografeerd door Jan van Arkel en Katja Peijnenburg.
De ongeveer tweehonderd soorten pijlwormen lijken op kleine speren en variëren van slechts één millimeter lang tot wel zo’n 15 centimeter lang. De roofwormen eten vooral kleine roeipootkreeftjes. De vreemde, wormachtige wezens delen veel morfologische en ontwikkelingskenmerken met andere organismen, waardoor hun evolutionaire ontwikkeling moeilijk traceerbaar was. Dieren die dezelfde vroege ontwikkeling delen zijn vaak verwant; een van de redenen waarom onderzoekers moeite hadden om pijlwormen te karakteriseren, was dat hun vroege ontwikkelingspatronen dubbelzinnig zijn. Ze lijken op patronen die worden waargenomen in twee verschillende evolutionaire ‘supergroepen’, Deuterostomia (ook wel 'nieuwmondigen' genoemd) en Protostomia (ofwel 'oermondigen'). Organismen in deze groepen hebben allemaal een enkele darm van hun mond naar het andere uiteinde; bij de vroege ontwikkeling vormt de deuterostoom-darm zich van onder naar boven, terwijl de protostoom-darmvorming begint bij de mond. Hoewel pijlwormen zich 'bottom-up' ontwikkelen zoals deuterostomen lijken ze verder sterk op protostomen, zowel morfologisch als genetisch.
Verwantschap vastgesteld
Om deze discrepantie op te helderen, verzamelden de auteurs van het Current Biology-artikel gegevens van tien soorten pijlwormen en vergeleken die met beschikbare gegevens van andere dieren. Ze onderzochten de transcriptomen, die dienen als een momentopname van alle genen die in een bepaalde cel tot expressie komen. De wetenschappers visten de verschillende soorten pijlwormen op uit de Atlantische Oceaan, het Gullmarfjord in Zweden, de Amakusa in Japan en uit Middelandse zee bij Marseille in Frankrijk. Dr. Katja Peijnenburg van Naturalis Biodiversity Center verzamelde en prepareerde monsters voor het onderzoek.
De vergelijking plaatst pijlwormen stevig in de Protostomia-supergroep, in een subgroep die microscopische organismen als raderdiertjes, Gnathostomulida en Micrognathozoa omvat. Dit resultaat is aanleiding om veel andere verwantschappen tussen dieren in de Protostomia-groep opnieuw onder de loep te nemen. 'Ik geloofde het eerste eerlijk gezegd niet,' zegt Katja Peijnenburg van Naturalis Biodiversity Center. 'Ik had nooit vermoed dat pijlwormen verwant zouden zijn met raderdiertjes, maar de genetische data zijn heel overtuigend.’
De focus van toekomstig onderzoek zal zijn om die verwantschap verder op te helderen en om bijvoorbeeld te onderzoeken welke genen verantwoordelijk zijn voor de unieke kaken van deze bijzondere dieren. Volgende week vertrekt Katja Peijnenburg met een gekoeld vat vol nieuwe pijlwormen naar Okinawa om de samenwerking voort te zetten.