Hoe slangen (herhaaldelijk) giftanden verkregen hebben

"Het is altijd een mysterie geweest waarom slangen in de loop van de evolutie zo vele malen giftanden hebben ontwikkeld en andere reptielen uiterst zelden. Onze studie geeft daar een antwoord op en toont hoe makkelijk het is voor een normale slangentand om een injectienaald te worden", zei doctor Alessandro Palci van de Flinders University, de hoofdauteur van de nieuwe studie over de giftanden. 

De studie stond onder leiding van onderzoekers van de Flinders University in Adelaide en het South Australian Museum. Naast Australiërs maakten ook Britse en Canadese onderzoekers deel uit van het team en onze landgenote Silke Cleuren, doctoraatsstudente aan de Monash University in Melbourne.  

Van de bijna 4.000 soorten slangen die momenteel op aarde voorkomen, worden er zo'n 600 beschouwd als 'medisch relevant', wat in gewonemensentaal wil zeggen dat je waarschijnlijk naar het dichtsbijzijnde ziekenhuis zal moeten als je door een van die slangen gebeten wordt.

Veel meer soorten hebben echter kleine giftanden en zijn maar licht giftig. Gedacht wordt dat het verschijnen van die milde giffen vooraf is gegaan aan het opduiken van giftanden bij slangen. 

De positie van de giftanden in de bek is samen te vatten in drie grote categorieën: vast achteraan in de bek, wat het geval is bij onder meer in het water levende slangen die krabben eten en de boomslang; vast vooraan in de bek, zoals bij de cobra's, kraits en zeeslangen of scharnierend vooraan in de bek, zodat de tanden opzij of naar achteren kunnen klappen. Dat is het geval bij onder meer adders, ratelslangen en graafadders. 

Het systeem waarmee slangen hun gif toedienen is behoorlijk gesofisticeerd: het bestaat uit gifklieren, sterk aangepaste tanden om het gif in te spuiten en daaraan aangepaste spieren en beenderen. 

Daarom is het opvallend dat dit systeem zich in de loop van de evolutie verschillende keren ontwikkeld heeft, onafhankelijk van elkaar. Alleen al bij de slangen met vaste giftanden vooraan in hun bek, is het waarschijnlijk onafhankelijk bij drie verschillende groepen geëvolueerd. 

Uit de evolutionaire stamboom van slangen kan men afleiden dat de laatste gemeenschappelijke voorouder van de slangen met giftanden waarschijnlijk geen giftanden had. Dat is waarschijnlijker dan het alternatief: dat giftanden zich eenmaal ontwikkeld hebben en vervolgens verloren zijn gegaan bij tientallen verschillende afstammingslijnen van slangen. 

Hoe zijn slangen er dan in geslaagd herhaaldelijk een soort injectienaalden te maken van de eenvoudige kegelvormige tanden van hun voorouders? 

Om die vraag te beantwoorden hebben de onderzoekers de tanden van slangen en hun ontwikkeling nauwkeurig bekeken. Ze onderzochten 19 soorten slangen, zowel giftige als niet-giftige, en één vroege fossiele slang. Daarvoor gebruikten zo zowel de traditionele methodes, zoals het bestuderen van dunne doorsneden onder de microscoop, als de allermodernste microCT-scans en biomechanische modellen.     

De onderzoekers ontdekten dat bijna alle slangen - zowel giftige als niet-giftige - tanden hebben die op hun basis dicht op elkaar zittende instulpingen hebben, waardoor ze er rimpelig uitzien in een dwarsdoorsnede (de rimpels in het rode deel van het diagram hierboven). 

Die rimpels komen voor in een laag van de tand die dentine of tandbeen heet - de laag onder het erg harde glazuur -, en ze worden 'plicidentine' genoemd, naar het Latijnse woord 'plica' dat 'plooi' betekent. Ze ontstaan in het zachte epitheel van de zich ontwikkelende tandbasis en als cellen op het epitheel de harde dentine vormen, krijgt die een gerimpeld uitzicht.

Plicidentine is aangetroffen bij een groot aantal uitgestorven dieren en een handvol nu levende soorten vissen en hagedissen. 

De functie van de plooien is niet duidelijk, maar een theorie stelt dat ze het minder waarschijnlijk maken dat tanden breken of plooien tijdens het bijten. De onderzoekers hebben die theorie echter uitgetest met computersimulaties op digitale modellen van tanden met en zonder plooien en ze bleek niet te kloppen. 

Slangen vervangen hun tanden gedurende heel hun leven en hun tanden zitten niet in diepe holtes. De onderzoekers denken dan ook dat de plooien kunnen helpen bij de initiële aanhechting van nieuwe tanden in de ondiepe holtes door een grotere oppervlakte te bieden voor de aanhechting. 

Wat ook de oorspronkelijke functie is van de rimpels op de slangentanden, echt interessant is volgens de onderzoekers dat bij giftige slangen een van de plooien veel groter is dan de andere en zich uitstrekt over de lengte van de tand om een groef te vormen, de gifgroef.

Die lange, enkele groef wordt soms ook aangetroffen in de tanden van andere soorten, zoals het giftige gilamonster, dat plicidentine plooien heeft en de daarmee geassocieerde groeven in al zijn tanden.

Belangrijk daarbij is dat de gegroefde tanden bij het gilamonster ook kunnen voorkomen uit de buurt van de gifklieren in de bek, wat impliceert dat er een ontkoppeling van de twee is. De onderzoekers stelden ook vast dat sommige gifslangen soms ook groeven hebben op andere tanden dan hun giftanden. Die tanden zijn niet verbonden met de gifklieren.   

Gegroefde tanden kunnen dus in heel de bek voorkomen, ook uit de buurt van de gifklieren en de buisjes die het gif in de bek brengen, en de onderzoekers hadden een duidelijk verband gevonden tussen de aanwezigheid van plicidentine en gifgroeven. Dat bracht hen tot de hypothese dat gifslangen oorspronkelijk willekeurig groeven op hun tanden ontwikkelden, simpelweg als een gevolg van vergrote plicidentine plooien en onafhankelijk van de gifklieren. 

Bij de voorouders van de huidge giftige slangen was de aanwezigheid van gifklieren - of van hun voorgangers, de aangepaste speekselklieren die de klieren van Duvernoy genoemd worden - een noodzakelijke voorwaarde voor het verfijnen van gegroefde tanden tot grote giftanden. 

De onderzoekers denken dat als er een gegroefde tand te voorschijn kwam in de buurt van het opening langswaar het gif naar buiten komt, de natuurlijke selectie waarschijnlijk een toename van de grootte en de efficiëntie van die tand zou bevoordeeld hebben, aangezien die tand dan effectiever zou zijn om gif in te spuiten. 

Dit evolutionaire proces van verfijning zou dan uiteindelijk de grote op een injectienaald lijkende giftanden voortbrengen die we nu zien bij cobra's en adders, waarbij de randen van de gifgroef aan elkaar gegroeid zijn om een buisvormige structuur te vormen waar het gif doorloopt. 

De ontdekking toont aan hoe een eenvoudig voorouderlijk kenmerk als plicidentine aangepast kan worden en een volledig nieuwe functie kan krijgen, zeggen de onderzoekers. En dat helpt verklaren waarom slangen, als enige onder de dieren, giftanden zo vaak hebben kunnen ontwikkelen. 

"Ons werk onderstreept het opportunisme en de efficiëntie van de evolutie. Rimpels die hielpen om de tanden aan de kaak te hechten, zijn hergebruikt om te helpen gif in te spuiten", zei mede-auteur Michael Lee, een professor aan de Flinders University en het South Australian Museum. 

De studie van het internationaal onderzoeksteam is gepubliceerd in Proceedings of the Royal Society B. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Flinders University, een tekst van onderzoekers Palci, Aaron LeBlanc en Olga Panagiotopoulou in The Conversation en de studie.