Monsters van de diepzeebodem

Michiel van Nieuwstadt

CHEMISCHE FOSSIELEN EENCELLIGEN BLIJKEN OERTHERMOMETER VOOR HET KRIJT

Chemisch paleontoloog Jaap Sinninghe Damsté reconstrueert uit restanten van uitgestorven eencelligen het vroege leven op aarde. Ook maakte hij een oerthermometer voor het Krijt. Woensdag krijgt hij de NWO-Spinozapremie.

GRAVEN NAAR dinosaurusbotten mag spectaculair zijn, het is niet de beste methode om inzicht te krijgen in het verre verleden van onze aarde. Chemisch paleontoloog Jaap Sinninghe Damsté bestudeert liever uitgestorven algen, bacteriën en aanverwanten. Van deze microscopische organismen is weinig bewaard gebleven: geen skeletten en vaak ook geen minuscule kalkschaaltjes. In sedimenten, begraven in de oceaanbodem, speurt Damsté daarom naar chemische resten van deze eencelligen. Resten van celwanden van deze microben zijn voor hem een gewild studieobject. Beter dan een schedel van Tyrannosaurus rex helpen ze bij de reconstructie van processen die zich op aarde al miljarden jaren afspelen.

``Fossielen vertegenwoordigen maar een fractie van het vroegere leven op aarde'', zegt Damsté op zijn kamer op het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), gevestigd aan de rand van de duinen op Texel. ``Microben zijn minstens zo belangrijk. Neem de cyanobacteriën. Die hebben met hun productie van zuurstof miljarden jaren geleden de basis gelegd voor een groot deel van het huidige leven op aarde. Zo zijn er vele andere voorbeelden. Micro-organismen spelen een cruciale rol in bio-geochemische kringlopen op aarde.''

Woensdag ontvangt Damsté van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) de Spinozapremie van 1,5 miljoen euro die hij naar eigen inzicht mag besteden: ``Wat betreft onderzoeksapparatuur zijn we op het moment goed voorzien. Maar postdocs die met interessant onderzoek bezig zijn kan ik dankzij dit geld wel makkelijker voor een half jaar hier naar toe halen.''

Volgens de jury van de Spinozapremie herschreef Damsté met zijn onderzoek de theorieën over de koolstofkringloop en de zwavelcyclus. De koolstofkringloop is bepalend voor de samenstelling van de atmosfeer. In die cyclus zetten planten via fotosynthese CO2 uit lucht en water om in organisch materiaal dat voor veel andere organismen onmisbaar is als voedselbron. Vergane resten van planten of dieren genereren uiteindelijk weer CO2 dat planten kunnen gebruiken.

eencelligenHeeft Damsté dit fundamentele proces daadwerkelijk herschreven? Zelf vindt hij dat hij nog maar net is begonnen. Samen met collega's van het NIOZ en de Universiteit van Utrecht, voortbouwend op het werk van buitenlandse biologen, heeft Damsté een tot voor kort onbekende groep eencelligen beschreven die qua aantal het leven in de oceanen domineert. Van het astronomische aantal prokaryotische cellen in de wereldzeeën behoort eenderde tot deze zogeheten koudwaterarchaea. De ontdekking is vooral belangrijk omdat deze micro-organismen net als planten in staat zijn om CO2 vast te leggen.

De nieuw ontdekte bewoners van de wereldzeeën behoren tot de zogeheten archaea en dat verklaart voor een deel de fascinatie voor de ontdekkingen van Damsté onder collega's. De naam archaea verwijst naar de hoge evolutionaire ouderdom van deze organismen die tot voor kort werd verondersteld. Archaea zijn lang beschouwd als extremofielen: organismen die zich bij voorkeur ophouden in een leefomgeving die uitzonderlijk warm, zuur of zout is. Wetenschappers zien deze eencelligen als een dermate extravagante vorm van leven dat ze er een apart domein voor hebben gecreëerd, naast de prokaryoten (bacteriën) en eukaryoten (waartoe de planten en dieren behoren). Een voorbeeld zijn de archaea die de Amerikaan Robbert Ballard eind jaren zeventig op de zeebodem aantrof rond heetwaterbronnen (de `hydrothermale schoorstenen'), in water van meer dan 100 graden Celsius.

Damsté: ``Acht jaar geleden vonden wij in oceaanwater resten van membraanlipiden [bouwstenen van de celwand] van koudwaterarchaea. Kort daarvoor was er van deze organismen ook al erfelijk materiaal opgedoken. We vonden de membraanlipiden eigenlijk overal, in de tropische oceanen en van Antarctica tot op de noordpool. Intussen zijn we er achter dat ze zelfs in zoetwater voorkomen. Dat deze archaea op zo'n grote schaal voorkwamen in gewoon oceaanwater kwam als een grote schok. We zijn er immers lang vanuit gegaan dat archaea een levensvorm zijn die zich beperkt tot extreme milieus.''

Bovendien was onduidelijk hoe de koudwaterarchaea zich in leven hielden. Alleen al de vaststelling dat deze eencelligen koolstof kunnen vastleggen was een hele klus. Damsté: ``De groep van microbioloog Ed de Long had in 2001 al vastgesteld dat archaea op grotere diepte weliswaar in aantal afnemen, maar in mindere mate dan andere micro-organismen, zodat ze in diep water dominant zijn. Dat suggereerde dat ze geen licht nodig hebben. Wij hebben intussen experimenten gedaan die aantonen dat het net als planten autotrofen zijn, wat betekent dat ze kunnen leven zonder materiaal van andere organismen tot zich te nemen, zoals dieren. Maar in tegenstelling tot planten kunnen ze dus ook zonder licht.''

Een promovenda in de groep van Damsté kweekte koudwaterarchaea in donker Waddenzeewater met bicarbonaationen, gelabeld in de vorm van koolstof-13 (de normale variant is koolstof-12). Damsté: ``We ontdekten dat ruim 70 procent van het koolstoflabel in het Waddenwater werd vastgelegd in membraanlipiden van koudwaterarchaea. Daarmee was duidelijk dat ze koolstof kunnen kunnen vastleggen zonder dat daarvoor licht nodig is. De grote vraag blijft: welke energiebron gebruiken ze wél?''

Intussen heeft het werk aan de koudwaterarchaea Damsté en zijn collega's een stevige lijst van publicaties opgeleverd in onder andere Science en Nature. Zo achterhaalde Damsté waarom de meeste archaea niet, maar sommige wel kunnen overleven in relatief koud water. Archaea die onder extreem warme omstandigheden overleven, hebben daartoe speciale aanpassingen ontwikkeld in de moleculen van het celmembraan. Die aanpassingen zorgen ervoor dat deze membraanlipiden hecht kunnen worden samengepakt zodat ze hoge temperaturen kunnen weerstaan. Die speciale eigenschap maakt de archaea tegelijk ongeschikt voor water aan de oppervlakte van onze oceanen.

Damsté ontdekte een subtiele aanpassing in het membraan van koudwaterarchaea die afstammen van warmteminnende archaea. Ze hebben in de moleculen van het celmembraan een extra ring ingebouwd, een soort kink in de kabel waardoor de moleculen minder hecht worden samengepakt. Uit analyse van sedimenten op de zeebodem kon Damsté bovendien vaststellen dat deze `koude tak' 112 miljoen jaar gelden was ontstaan. Damsté: ``Ons idee is dat een genetische mutatie in een voorouder van deze archaea een ander membraan heeft opgeleverd. Onder warme omstandigheden zou deze variant het loodje leggen, maar hij is ontsnapt en kwam in kouder oceaanwater terecht waar hij wel kon floreren.''

Het onderzoek van Damsté levert niet alleen inzicht op in de evolutie van een buitennissige levensvorm, het biedt ook praktische toepassingen. Zo gebruikt zijn groep de moleculaire resten van eencelligen om zeewatertemperaturen uit het verleden te reconstrueren. Damsté: ``Koudwaterarchaea kunnen de fluïditeit van hun membraan reguleren door het aantal zogeheten cyclopentaanringen in de bouwstenen daarvan te variëren. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer ringen. Die eigenschap gebruiken wij om temperaturen in het verleden te reconstrueren. Het aantal ringen dat koudwaterarchaea hebben ingebouwd blijkt vandaag de dag overal op aarde nauw samen te hangen met de temperatuur van het zeewater. Op basis van het aantal ringen in fossiele resten van deze membraanlipiden kunnen we daarom een reconstructie maken van historische oceaanwatertemperaturen over de hele aarde. Anders dan methoden die nu gangbaar zijn hebben we daarvoor geen goed bewaarde kalkschaaltjes van eencelligen nodig.''

warme oceaanDamsté's onderzoeksgroep heeft deze oerthermometer ingezet om het klimaat in het midden-Krijt (circa 90 miljoen jaar geleden) te reconstrueren. De verbluffende uitkomst was een tropisch warme oceaan van 35 oC. In aantocht is een publicatie die op grond van dezelfde methodiek aantoont dat het water op de noordpool aan het einde van het Krijt (70 miljoen jaar geleden) circa 15 graden Celsius was. Wat leert de reconstructie van het klimaat in het Krijt ons over het klimaat van vandaag? Maken invloeden die werken op zeer lange termijn (verschuiving van continenten, grootschalig vulkanisme) een zinvolle vergelijking niet bij voorbaat onmogelijk?

Damsté: ``Het interessante van het Krijt is dat de CO2-concentratie in de atmosfeer vier tot twaalf keer zo hoog ligt als kort voor de industriële revolutie. Sindsdien is de CO2-concentratie sterk gestegen en die zal nog verder toenemen. Daarom is het nuttig te kijken naar het klimaat in een tijdperk met een nog aanzienlijk hogere CO2-concentratie. Als je precies weet hoe warm het toen op verschillende plekken op aarde was, dan kun je met die cijfers je klimaatmodellen voeden. In feite hadden we in het Krijt te maken met een soort broeikasaarde. We weten dat er in het midden van het Krijt geen ijskappen waren en dat de zeespiegel 250 meter hoger lag. West-Europa was dus ondergelopen, er liep een zeestraat dwars door Noord-Amerika, waardoor het continent was opgedeeld in een westelijk en oostelijk gedeelte, en hele stukken Afrika lagen onder water. Natuurlijk is het simplistisch dat allemaal te relateren aan CO2-concentraties, er zijn allerlei terugkoppelingsmechanismen waarmee je rekening moet houden, maar het geeft je wel een indringend beeld van de mogelijke consequenties.''

Vergissingen met biologische klok De Amerikaanse microbioloog Carl Woese construeerde in de jaren zeventig een stamboom van het leven die bestaat uit drie grote takken: eukaryoten, bacteriën en archaea. Die takken vallen op hun beurt uiteen in vele kleinere twijgjes: tot de eukaryoten behoren bijvoorbeeld de planten, dieren en gistcellen. Bij het maken van de boom gebruiken biologen een stukje DNA dat codeert voor RNA in de ribosomen, de eiwitfabriekjes in een cel: van organismen met een sterk gelijkend gen wordt verondersteld dat ze nauwe verwanten zijn. Maar de verwantschap tussen micro-organismen valt ook te bepalen aan de hand van verschillen en overeenkomsten in hun membraanlipiden. Damsté: ``Wat we vaak zien is dat de groeperingen die wij vinden goed overeenkomen met de fylogenetische stamboom in grote lijnen zoals die is opgesteld op grond van genetische analyse.'' Heel anders ligt het als het gaat om de exacte datering van verschillende afsplitsingen in die stamboom. De volgorde van de reeks basenparen in het gen dat codeert voor ribosomen verandert langzaam in de loop van de evolutie. Er zijn moleculair biologen die ervan uitgaan dat de mate van verandering een maat is voor de tijd die verstreken is. Als twee vergelijkbare stukken DNA van twee organismen met een gemeenschappelijke voorouder in een bepaalde mate verschillen, levert dat in principe de datering van de gemeenschappelijke voorouder. DNA-moleculen waaruit erfelijk materiaal is opgebouwd functioneren dus als een moleculaire klok. Maar die moleculaire klok werkt alleen als de mutaties in het erfelijk materiaal optreden met de regelmaat van een (zeer langzame) klok. Damsté: ``De veronderstelling dat genen met een constante snelheid muteren blijkt in de praktijk een te simpele aanname. Chemische resten van organismen vertellen ons wanneer bepaalde organismen geleefd hebben. Die gegevens kunnen we gebruiken om de moleculaire klok te ijken.'' Hoe moleculair biologen kunnen miskleunen met hun moleculaire klokberekeningen bleek eerder dit jaar toen Damsté in Science concludeerde dat een groep naaldvormige kiezelalgen (Rhizosolenia) ongeveer 90 miljoen jaar geleden is ontstaan: zo oud zijn de vroegste sedimenten waarin Damsté en zijn collega's een herkenbare chemische verbinding aantroffen die door deze kiezelalgen wordt gemaakt. Deze groep kiezelalgen, of diatomeën, was volgens schattingen van moleculair biologen tussen 120 en 170 miljoen jaar geleden ontstaan. Biologen lijken een moleculaire klok te hanteren die te langzaam tikt. Hebben zij er in het verleden vaker naast gezeten? Damsté: ``Dat is wel zeker.''

Foto-onderschrift:

Koudwaterarchaea (links) zijn eencelligen die de wereldzeen domineren. Ze zijn verwant aan de archaea die leven in extreme milieus zoals geisers in Yosemite Park (uiterst rechts) of zogeheten `black smokers' op de oceaanbodem (daarnaast). Tussenin staat de boot van het Ocean Drilling Program die chemische fossielen opdiept uit de bodem van de zee. FOTO MICHIEL VAN NIEUWSTADT FOTO AFP Foto's NIOZ, Ocean Drilling Program, Science