Het trilhaardiertje Stentor roeselii (links en midden) kan verschillend reageren op eenzelfde stimulans. Rechts staat de macronucleus, de grote kern, van het diertje.
Public domain

Kan een eencellige van mening veranderen? Volgens een nieuwe studie wel

Eencelligen waren ooit de enige levensvormen op aarde, maar nu staat de benaming zowat gelijk aan primitief en eenvoudig. Dankzij de lichte obsessie voor een oud experiment van een onderzoeker is nu echter uit een nieuwe studie gebleken dat het eencellige trilhaardiertje Stentor roeselii tot meer in staat is dan we zouden verwachten. S. roeselii vertoont een hiërarchie van ontwijkingsgedragingen: het kan zijn mening veranderen over hoe het moet reageren op herhaaldelijke stimulatie. Dat wijst erop dat het diertje relatief complexe processen kan gebruiken om tot een beslissing te komen. 

Lang geleden hadden eencelligen het alleenrijk over de aarde, en gedurende drie miljard jaar kenden ze een grote bloei en verspreidden ze zich in en over het water en land. Ze evolueerden tot roofdier en prooi en vormden complexe en dynamische ecosystemen in elke ecologische niche op de planeet. 

Zo'n 600 miljoen jaar geleden zetten sommige eencelligen de stap naar meercelligheid, en nu worden ze door hun verre menselijke verwanten bekeken als primitief en weinig complex. Een nieuwe studie toont hen nu echter in een ander licht. 

Bij een poging om een experiment te repliceren dat minstens een eeuw oud was, vonden systeembiologen van de Harvard Medical School in de VS immers overtuigend bewijs dat minstens één eencellige, het opvallende trompetvormige trilhaardiertje Stentor roeselii, over een hiërarchie van ontwijkingsgedragingen beschikt om te reageren op een bepaalde herhaalde stimulans. 

Als het diertje herhaaldelijk wordt blootgesteld aan dezelfde stimulans - in dit experiment een spervuur van irriterende deeltjes - kan S. roeselii 'van mening veranderen' over hoe het reageert, zeggen de auteurs, en dat wijst op het vermogen tot relatief complexe beslissingsprocessen. 

"Onze bevindingen tonen aan dat eencelligen veel gesofisticeerder kunnen zijn dan we doorgaans denken", zei Jeremy Gunawardena, correspondent-auteur van de studie en hoogleraar systeembiologie aan het Blavatnik Institute van de Harvard Medical School.  

De auteurs van de studie zeggen dat een dergelijke complexiteit evolutionair gezien wel degelijk zin heeft. 

"Organismen als S. roeselii waren de toproofdieren voor het meercellige leven, en ze zijn bijzonder wijdverspreid in allerlei verschillende watermilieus", zo zei Gunawardena. "Ze moeten wel 'slim' zijn in het uitwerken van wat ze moeten vermijden, waar ze moeten eten en al de andere zaken die organismen moeten doen om te leven. Ik denk dat het duidelijk is dat ze er complexe manieren kunnen op na houden om dat te doen."

Een fascinerend maar vergeten experiment

Een tiental jaar geleden ontdekte Gunawardena bij een lezing van de Engelse bioloog Dennis Bray het werk van de vooraanstaande Amerikaanse zoöloog Herbert Spencer Jennings, die in 1906 de invloedrijke tekst 'Behavior of the Lower Organisms' (Gedrag van de lagere organismen) publiceerde. Een bepaald experiment trok daarbij de aandacht van Gunawardena. 

Jennings bestudeerde S. roeselii, een lid van een wijdverspreid geslacht van zoetwater protisten. Die eencelligen zijn opmerkelijk door hun relatief grote omvang - ze kunnen zo'n 2 millimeter lang worden - en hun unieke trompetvormige lichaampjes. Hun oppervlak en de 'toeter' van de trompet zijn afgezet met haarachtige uitstulpingen die cilia genoemd worden -trilhaartjes. Ze gebruiken die om te zwemmen en om in de vloeistof die hen omringt een draaikolk te creëren die voedsel in hun 'mond' spoelt. Aan de andere kant van hun lichaam hebben ze een hechtorgaan, waarmee ze zich vastmaken aan de bodem om op dezelfde plaats te blijven terwijl ze zich voeden. 

Met een microscoop, een pipet en een vaste hand legde Jennings nauwgezet het gedrag van S. roeselii vast als het diertje werd blootgesteld aan een irritante stof in de vorm van karmijnpoeder. Karmijn of karmijnzuur is een natuurlijke rode kleurstof die gewonnen wordt uit een bepaald soort luizen. 

Jennings observeerde een geordende reeks van gedragingen. Hij stelde vast dat S. roeselii normaal gezien herhaaldelijk zijn lichaam boog om het poeder uit de weg te gaan. Als de irritatie bleef voortduren, keerde het de bewegingen van zijn trilhaartjes om, om de deeltjes weg te blazen van zijn mond. Als ook dat niet hielp, trok het diertje zich samen op zijn houvast zoals een eendenmossel zich terugtrekt in haar schelp. Als alle voorgaande inspanningen geen resultaat hadden, maakte S. roeselii zich uiteindelijk los van zijn houvast en zwom het weg. 

Die gedragingen vormen een hiërachie, een escalatie van acties die het organisme uitvoert gebaseerd op gerangschikte voorkeuren. De waarnemingen suggereerden dat het diertje een aantal van de meest complexe gedragingen vertoonde die we kennen bij eencelligen met één enkele kern. 

Het experiment kreeg heel wat belangstelling, maar latere pogingen om het te repliceren - in het bijzonder een studie die gepubliceerd werd in 1967 - kenden geen succes. Als gevolg daarvan werd er aan de bevindingen van Jennings geen geloof meer gehecht en kwamen ze in het vergeetboek terecht. 

De hiërarchie van de ontwijkingsgedragingen van S. roeselii volgens de beschrijvingen van Jennings. Eerst buigt het diertje weg van de irritante stof, vervolgens keert het de bewegingen van zijn trilhaartjes om, daarna trekt het zich samen en uiteindelijk zwemt het weg.
Dexter et al. in Current Biology

'Niemands vaste job'

Het zat Gunawardena dwars dat de studie volledig uit de belangstelling verdwenen was, en dus spoorde hij de studie uit 1967 op. Tot zijn verbazing ontdekte hij dat de auteurs, die S. roeselii niet hadden kunnen vinden, een andere soort trilhaardiertje gebruikt hadden om het experiment van Jennings te repliceren - Stentor coeruleus namelijk. Dat is echter een soort die verkiest rond te zwemmen terwijl ze zich voedt, in plaats van zich vast te hechten.

Niet verwonderlijk dat ze er niet in geslaagd waren om de resultaten te reproduceren, dacht Gunawardena, die intussen een lichte obsessie had omtwikkeld om te proberen het experiment van Jennings accuraat te herhalen. Maar als wiskundige van opleiding die in een medische school een labo leidde, dat zich toelegde op het verwerken van moleculaire informatie, had hij het niet gemakkelijk om andere mensen te overtuigen. 

"Ik bleef het ter sprake brengen op de vergaderingen van mijn labogroep, en ik haalde aan dat het ons iets vertelt over de capaciteiten van eencelligen. We denken niet meer op die manier over hoe cellen werken", zei Gunawardena. "En, niet verrassend, niemand was geïnteresseerd. Het is verleden tijd, het is beschrijvende biologie - allemaal zaken waar jonge, pientere stagairs niets mee te maken willen hebben."

Maar hij hield vol en een van zijn postdoctorale onderzoekers, Sudhakaran Prabakaran, die nu een goep leidt aan de University of Cambridge, raakte geïnteresseerd. En een achttal jaar geleden sloeg het idee ook aan bij Joseph Dexter, een toenmalige student die later zou doctoreren bij Gunawardena. 

Enkel gedreven door een onbedwingbare nieuwsgierigheid en zonder enige financiële steun, begonnen de drie aan een project dat jaren zou duren. "Het was een volledig onofficieel, skunkworks project", zei Gunawardena. "Het was niemands vaste job." Skunk Works was de officieuze naam van de onderzoeksafdeling van vliegtuigbouwer Lockheed Martin die zich met geheime projecten bezig hield, en een skunkworks project is een project van een kleine, weinig gestructureerde groep die zich 'in het zwart" bezig houdt met een project dat vaak gericht is op radicale vernieuwing. 

Dexter en Prabakaran ontwierpen de experimenten en voerden ze ook uit, maar hun eerste uitdaging was het vinden van S. roeselii. Ze joegen het diertje overal na en zochten zelfs in plaatselijke poelen. Uiteindelijk vonden ze een leverancier in Engeland, die de organismen uit een poel in een golfbaan haalde en verstuurde over de oceaan. 

Het team stelde een experimenteel apparaat op dat uitgerust was met video-microscopie en een systeem om op microscopisch niveau te kunnen richten, zodat ze nauwkeurig een irriterende stof konden afleveren in de buurt van de mond van hun S. roeselii proefkonijnen. In het begin gebruikten ze net als Jennings karmijnpoeder, maar daarmee zagen ze weinig reactie. Met vallen en opstaan ontdekten ze dat microscopische plastic bolletjes wel effectief waren. 

Met een systeem dat op microscopisch niveau kan richten, konden de onderzoekers bolletjes afvuren naar de mond van het trilhaardiertje.
Dexter et al., Current Biology

Verborgen in de wiskunde

Tot hun grote vreugde slaagde het trio erin al de gedragingen die Jennings eerder beschreven had, uit te lokken en te reproduceren. 

Ze zagen echter niet de keurige, ordelijke hiërarchie van gedragingen die Jennings had opgetekend. Er leek integendeel een aanzienlijke variatie aanwezig te zijn bij hun proefkonijnen - één specimen boog zich weg en veranderde de beweging van zijn trilhaartjes voor hij zich samentrok, maar een ander exemplaar trok zich enkel maar samen, terwijl een derde afwisselde tussen buigen en zich samentrekken. 

Dus vielen de drie onderzoekers terug op hun basisexpertise van kwantitatieve biologen. Ze ontwikkelden een methode om de verschillende gedragingen die ze zagen te coderen in een reeks symbolen, en gebruikten vervolgens statistische analyses om te zoeken naar patronen. 

En waar hun observaties eerder tot niets hadden geleid, triomfeerde de wiskunde. Er was inderdaad een gedragshiërarchie, zo bleek uit de analyses. 

Geconfronteerd met een irritante stof, zal S. roeselii meestal beginnen met te buigen en zijn trilhaartjes aan te passen, vaak tegelijkertijd. Als de irritatie voortduurt, zal het diertje zich samentrekken of zich losmaken en wegzwemmen. Die laatste twee gedragingen vinden altijd plaats na de eerste, en de organismen maken zich nooit los voor ze zich eerst samengetrokken hebben, wat aanduidt dat ze een rangorde van acties hebben die hun voorkeur geniet. 

"Ze doen de eenvoudige zaken eerst, maar als je ze blijft stimuleren, 'beslissen' ze om iets anders te proberen. S. roeselii heeft geen hersenen, maar er lijkt een of ander mechanisme te zijn dat het in feite 'van mening laat veranderen', eens het het gevoel heeft dat de irritatie al te lang aan de gang is", zei Gunawardena. 

"Deze hiërarchie geeft heel erg het gevoel dat er een andere vorm van een tamelijk complexe berekening om tot een beslissing te komen aan de gang is in het organisme, dat afweegt of het beter is om één gedraging uit te voeren of een andere."

Een eerlijke toss met een munt

Het team rond Gunawardena hoopt de historische verwarring over de juistheid van de bevindingen van Jennings weggewerkt te hebben door met succes het experiment over te doen, en daarbij ook nieuwe kwantitatieve waarnemingen over de gedragscapaciteiten van S. roeselii aan het licht te brengen. 

Maar de resultaten van de nieuwe studie werpen ook heel wat nieuwe vragen op. 

Uit de analyses blijkt dat er een bijna perfect gelijke kans is dat om het even welke individuele S. roeselii zal kiezen om zich samen te trekken of los te maken, een gegeven dat bijzonder intrigerend is voor wetenschappers die bestuderen hoe cellen informatie verwerken op het moleculaire niveau. De keuze tussen de twee gedragingen is consistent, en elk organisme gooit daarbij onafhankelijk een muntstuk op, zonder rekening te houden met eerdere acties, zo zeiden de auteurs.

"Het baseert op het moleculaire niveau op een of andere manier zijn beslissingen op een eerlijke toss met een munt", zei Gunawardena. "Ik kan geen enkel bekend mechanisme bedenken dat hen zou toelaten dit toe te passen. Dat is ongelooflijk fascinerend en iets dat Jennings nooit waargenomen heeft, omdat we kwantitatieve metingen nodig hadden om het bloot te leggen." 

Ruimer bekeken, zeiden de onderzoekers, zou de waarneming dat enkele cellen tot complexe gedragingen in staat zijn, andere terreinen van de biologie kunnen inspireren. In ontwikkelingsbiologie of bij kankeronderzoek bijvoorbeeld wordt naar de processen die de cellen doormaken, vaak verwezen als 'programma's', zei Gunawardena, wat doet veronderstellen dat cellen 'geprogrammeerd' zijn om te doen wat ze doen. "Maar cellen bestaan in een zeer complex ecosysteem, en ze praten en onderhandelen als het ware met elkaar, waarbij ze reageren op signalen en beslissingen nemen."

"Ik denk dat dit experiment ons dwingt om te denken over het bestaan van - zeer speculatief - een of andere vorm van kenvermogen op celniveau, waardoor afzonderlijke cellen in staat kunnen zijn complexe informatie te verwerken en als reactie daarop beslissingen te nemen" zo vervolgde Gunawardena. 

"Al het leven heeft dezelfde basis en onze resultaten geven minstens één aanwijzing waarom we onze zienswijze zouden moeten verbreden en dit soort van denkwijze zouden moeten opnemen in modern biologisch onderzoek."

"Het illustreert ook hoe we soms de neiging hebben om dingen te negeren, niet omdat ze niet bestaan, maar omdat we denken dat het niet belangrijk is om ze te bekijken", zo voegde hij eraan toe. "Ik denk dat dit deze studie zo interessant maakt." 

De studie van Jeremy Gunawardena, Joseph Dexter en Sudhakaran Prabakaran is eerder deze maand gepubliceerd in Current Biology. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Harvard Medical School. 

Stentor coeruleus, het trilhaardiertje dat zich niet vasthecht als het zich voedt en dat gebruikt werd in de studie van 1967.
Martin Kreutz/Wikimedia Ciommons/CC BY-SA 3.0

Meest gelezen