De kleine rondworm C. elegans wordt veel gebruikt in wetenschappelijke onderzoeken.
Heiti Paves/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Oorloze wormen 'horen' met hun huid

Een soort rondworm die veel gebruikt wordt in biologisch onderzoek, kan geluiden gewaarworden en er op reageren, hoewel hij geen op een oor lijkende organen heeft. Uit een nieuwe studie blijkt dat Caenorhabditis elegans 'hoort' met zijn huid. De ontdekking levert een nieuw biologisch instrument op om de genetische mechanismen van het gehoor te bestuderen.   

De beroemde Engelse natuurwetenschapper Charles Darwin was gefascineerd door regenwormen en hij onderwierp hen aan experimenten om na te gaan of ze konden horen. Hij blies hard op een metalen fluitje, schreeuwde tegen de wormen, liet zijn zoon zo hard hij kon op zijn fagot spelen en speelde op een piano met de wormen op een tafeltje ernaast. 

De wormen vertoonden geen enkele reactie, maar toen Darwin ze op de piano zette, reageerden ze heftig. Darwin besloot dan ook dat wormen niet konden horen, maar reageerden op trillingen. Misschien had hij het echter wel bij het verkeerde eind, aangezien nu gebleken is dat een ander, minuscuul rondwormpje wel geluiden kan waarnemen. 

Dat hebben onderzoekers in het laboratorium van Shawn Xu in het Life Sciences Institute van de University of Michigan ontdekt. Xu is professor moleculaire en integratieve fysiologie aan de University of Michigan en de hoofdauteur van de nieuwe studie.

C. elegans wordt maar zowat 1 millimeter lang.
Kbradnam/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.5

Al 15 jaar studieobject

Het lab van Shawn Xu gebruikt al meer dan 15 jaar Caenorhabditis elegans om de biologie van de zintuigen te bestuderen. Toen hij en zijn medewerkers hun studie begonnen, dacht men dat de kleine wormpjes maar drie zintuigen hadden: tastzin, reukzin en smaak. 

Intussen heeft het lab vastgesteld dat de wormen licht kunnen gewaarworden, hoewel ze geen ogen hebben, en dat ze het vermogen hebben om hun eigen lichaamshouding te voelen terwijl ze bewegen, wat men proprioceptie of positiezin noemt. 

"Er ontbrak nog slecht één primair zintuiglijk vermogen - auditieve gewaarwording of gehoor", zei Xu. "Maar het gehoor verschilt van de andere zintuigen, die gevonden worden in veel andere stammen van het dierenrijk. Gehoor daarentegen is enkel nog maar ontdekt bij de gewervelden en sommige geleedpotigen. En dus denken we dat de grote meerderheid van de ongewervelde soorten niet gevoelig zijn voor geluid."

De onderzoekers ontdekten echter dat de C. elegans-wormen reageerden op door de lucht verspreide klanken met een frequentie tussen 100 hertz tot 5 kilohertz - een ruimer bereik dan sommige gewervelden kunnen horen. Waneer een klank in dat bereik werd afgespeeld, verwijderden de wormen zich snel van de bron van het geluid, waarmee ze aantoonden dat ze niet alleen de klank hoorden maar ook gewaarwerden waar hij vandaan kwam. 

De onderzoekers voerden verschillende experimenten uit om er zeker van te zijn dat de wormen wel degelijk reageerden op de door de lucht verspreide geluidsgolven en niet op trillingen van het oppervlak waarop ze lagen. 

In plaats van de trillingen te 'voelen' met hun tastzin, denkt Xu dat de wormen die klanken waarnemen doordat hun hele lichaam fungeert als een soort van slakkenhuis, het spiraalvormige, met vloeistof gevulde orgaan in het binnenoor van gewervelde dieren.  

Afbeelding van het rechtse benige labyrint van een gewervelde, namelijk de mens, met de vestibule, de halfcirkelvormige kanalen en de cochlea of het slakkenhuis.
Henry Gray (1918) Anatomy of the Human Body /Public domain

Twee soorten gevoelszenuwen

De wormen hebben twee soorten auditieve zintuiglijke zenuwen die nauw verbonden zijn met de huid van de wormen. Als geluidsgolven op de huid van de worm botsen, doen ze de huid trillen, wat op zijn beurt kan maken dat de vloeistof in de worm op dezelfde manier gaat trillen als de vloeistof in het slakkenhuis. Deze trillingen activeren de auditieve zenuwcellen die vastzitten aan de huid van de worm, en die zenuwcellen zetten dan de trillingen om in zenuwimpulsen. 

En omdat de twee soorten zenuwcellen in verschillende delen van het lichaam van de worm zitten, kan de worm de bron van het geluid vinden aan de hand van welke zenuwcellen geactiveerd worden. 

Dat kan de wormen helpen hun vijanden op te sporen en er aan te ontsnappen, aangezien veel van die 'roofdieren' hoorbare geluiden voortbrengen als ze op jacht zijn. 

Het onderzoek opent de mogelijkheid dat ook andere oorloze dieren met een rond lichaam zoals C. elegans - zoals weekdieren, platwormen en regenwormen - ook in staat zouden kunnen zijn geluid waar te nemen, in tegenstelling met wat Darwin ervan dacht. 

"Ons onderzoek toont aan dat we niet zomaar mogen aannemen dat organismen die geen oren hebben, geen geluid kunnen waarnemen", zei Xu. 

Caenorhabditis elegans-wormen waarvan de zenuwcellen groen gekleurd zijn door opname van groen fluorescentie-eiwit. .
Heiti Paves/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Onafhankelijke evolutie

Hoewel de gehoorzin van de wormen wel enige overeenkomsten vertoont met hoe het auditief systeem werkt bij gewervelden, legt het nieuwe onderzoek aanzienlijke verschillen bloot met hoe gewervelden of geleedpotigen geluid waarnemen. 

"Op basis van die verschillen, die tot op het moleculaire niveau bestaan, denken we dat de gehoorzin waarschijnlijk onafhankelijk geëvolueerd is, verschillende keren in verschillende stammen van het dierenrijk", zei Xu. "We wisten al dat de gehoorzin er zeer verschillend uitziet bij de gewervelden en de geleedpotigen."

"Nu hebben we bij C. elegans nog een ander traject gevonden voor de ontwikkeling van deze sensorische functie, wat wijst op convergente evolutie. Dit staat in scherp contrast met de evolutie van het zicht, die, zoals Darwin al voorgesteld had, erg vroeg gebeurd is en waarschijnlijk slechts één keer, met een gemeenschappelijke voorouder", zei Xu. 

Nu al de belangrijkste zintuigen zijn gevonden bij C. elegans, willen Xu en zijn collega's de genetische mechanismen en de neurobiologie die achter deze waarnemingen zitten verder onderzoeken.

"Dit opent een heel nieuw gebied voor de studie van de auditieve waarneming en de mechanosensatie [het omzetten van mechanische prikkels in zenuwsignalen] in haar geheel", zei Xu.

"Met deze nieuwe toevoeging van auditieve waarneming hebben we nu ten volle bewezen dat alle primaire zintuigen bij C. elegans aangetroffen worden. Dat maakt van C. elegans een uitzonderlijk model om de zintuiglijke biologie te bestuderen." 

De studie van het lab van professor Xu en een onderzoeker van de Chinese Huazhong Universiteit is gepubliceerd in Neuron. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of Michigan.  

Meest gelezen