Levende elektrische bedrading

Er is wederom nieuws over een onderwerp waar ik al eerder over blogde. Het betrof de studie van micro-organismen in de zeebodem, een studie uit 2010. Hierin lieten de onderzoekers zien dat er in een laag modder van de zeebodem een elektrische stroom gegenereerd werd door de aanwezigheid van bacteriën en hun metabolisme. Het ging daarin om zwavelbacteriën die waterstofsulfide metaboliseren.

Uit Nature

De figuur laat zien dat er in de zeebodem een bovengelegen zone is die normaal zuurstof bevat. De onderste laag daarentegen bevat geen zuurstof. Nu is zuurstof een erg sterke elektronenacceptor die nodig is om de elektronen te accepteren die vrij komen gedurende het metabolisme van een cel. De bacteriën in de onderste laag missen zuurstof en dus een elektronenacceptor. Ondanks dit gemis waren de bacteriën in de onderste laag toch in staat elektronen kwijt te raken. Men hypotiseerde twee jaar geleden al dat deze bacteriën in staat waren nanodraden te creëren waarlangs zich het elektronentransport voltrok. Het was slechts nog een kwestie van zoeken of men deze in de modder terug kon vinden leek het.

De studie die gisteren door dezelfde groep gepubliceerd werd laat daarentegen zien dat het de bacteriën zelf zijn die draden vormen door als een meercellig organisme aan elkaar te kleven. De auteurs vermoeden dat de elektronenstroom zich langs deze bacteriedraden verplaatst en zodoende alle bacteriën die deel uitmaken van dit collectief in staat stelt hun metabolisme te voltooien, dat wil zeggen waterstofsulfide te metaboliseren.

De verschillende gegevens bij elkaar laten zien dat het gaat om draden van één of enkele centimeters lang terwijl deze bacteriën ongeveer één micrometer lang zijn. Het gaat om draden van miljoenen bacteriën en de auteurs spreken van meercellige organismen. Ze zouden zelfs lijken op onze elektriciteitsdraden, lang en dun met geleidend materiaal binnenin en isolerend materiaal aan de buitenkant. Nielsen, de leider van dit onderzoek denkt dat het zou kunnen gaan om één individu dat dus uit meerdere cellen bestaat.

Uit Nature

De bacteriën maken deel uit van een familie van Desulfobulbaceae maar hun genen verschillen zo veel van de andere leden van deze familie dat ze misschien wel een eigen plaats verdienen. Onder de elektronenmicroscoop zien de onderzoekers een 15 tot 17 richels aan het oppervlak van de bacteriën. In een transversale coupe zien zij eruit als tandwielen. De opeenvolgende cellen zijn omgeven door een continu en gemeenschappelijk membraan. Nielsen vermoedt dat het transport van elektronen zich in de richels voltrekt en dat het omhullende membraan als isolatiemateriaal fungeert.

Het transport van elektronen is kenmerkend voor het leven. Eigenlijk bezitten alle cellen de mogelijkheid op nanoniveau elektrische stroom te genereren. Eencellige organismen produceren stroom wanneer zij metaboliseren en elektronen transporteren langs de elektrontransportketen in het celmembraan die deel uitmaakt van het ademhalingsmechanisme ofwel de verbranding van voedsel van de cel. Maar wat deze bacteriën laten zien is uniek. Het belangrijkste dat de onderzoekers nu te doen staat is aan te tonen dat de stroom inderdaad door deze bacteriën gaat.

Uit: Nature Article, News and Views en Ed Yong

Zie ook het voorgaande blog over dit onderwerp.

 

Stikstof en het klimaat

De opname van kooldioxide door de biosfeer wordt gelimiteerd door de stikstofkringloop. De assimilatie van stikstof door planten hangt af van de beschikbare hoeveelheid van dit element in de bodem. Is deze hoeveelheid beperkt, dan kunnen planten niet genoeg groeien en kunnen ze dus ook niet genoeg kooldioxide (CO₂) omzetten in carbohydraten. Met dit gegeven is in de klimaatmodellen geen rekening gehouden, waardoor de schattingen ten aanzien van de opwarming van de Aarde te laag uitkomen, zo wordt beweerd door een artikel in Geophysical Research Letters.

Van internet: Stikstofwortelknobbel met Rhizobium

Stikstof (N), ofwel N₂ (want het komt in de atmosfeer bijna uitsluitend in deze gasvorm voor), vormt bijna  80% van de atmosfeer. Het maakt deel uit van vele organsiche moleculen, zoals DNA, RNA, aminozuren en de daaruit opgebouwde eiwitten. Dit organisch gebonden stikstof komt voort uit de stikstofkringloop, die begint met de fixatie van stikstof uit de atmosfeer door stikstofbindende bodembacteriën. Sommige van deze bacteriën, zoals Rhizobium, zijn symbionten van de wortels van vlinderbloemigen (peulvruchten). Ze zetten het stikstof om in ammoniak en vervolgens in stikstofhoudende organische stoffen, die direct door de plant opgenomen kunnen worden. De plant voorziet op haar buurt de bacteriën weer van carbohydraten die voortkomen uit de fotosynthese van de plant. Andere bodembacteriën zetten het stikstof uit de atmosfeer om in ammonium, weer andere daarna in nitraat en uiteindelijk in nitriet. Alleen deze laatste stof kan door de plantenwortels opgenomen worden.

De symbionten kunnen dus stikstof uit de atmosfeer gebruiken en worden in hun groei niet beperkt door de hoeveelheid stikstof in de bodem. Helaas gaat het om een relatief kleine groep planten, de peulvruchten. De meeste planten zijn afhankelijk van een keten van bodembacteriën die stikstof stapje voor stapje omzetten in nitriet. Het is moeilijk voor te stellen dat met zo een overdaad aan N₂ in de atmosfeer, er een limiet zou zijn voor de groei van planten. Toch bestaat er volgens dit artikel in veel gebieden op Aarde een gebrek aan stikstof in de bodem. Vele klimaatmodellen die deze variabele niet opgenomen hebben in hun berekeningen, geven dus een te lage schatting van de toekomstige globale opwarming.

De bijdrage van de mens aan het broeikasgas kooldioxide (CO₂) bedraagt 6% van de

Van internet:  Venus heeft een atmosfeer die voornamelijk uit kooldioxide bestaat. Dit broeikasgas zorgt ervoor dat de temperatuur er rond de 480°C ligt, waardoor elke vorm van leven uitgesloten lijkt.

totale uitstoot. Er wordt wel verondersteld dat het broeikaseffect dat veroorzaakt wordt door een teveel aan kooldioxide in de atmosfeer, de planten sneller zou kunnen laten groeien, waardoor er weer meer CO₂ opgenomen zou worden. Dit zou het broeikaseffect kunnen compenseren. Maar als er inderdaad een limiet is aan de hoeveelheid stikstof in de bodem, dan zou dit wel eens onmogelijk kunnen blijken. Zo zijn er nog andere physiologische haken en ogen: het enzym rubisco, bijvoorbeeld, dat verantwoordelijk is voor de fixatie van CO₂ in de plant gedurende de fotosynthese, werkt bij hogere temperaturen langzamer: CO₂ wordt dan minder effectief gefixeerd en de plant groeit langzamer. Het is duidelijk dat klimaatmodellen met bijzonder veel kleine en grote factoren rekening moeten houden wanneer het om zo een complex ecosysteem gaat.

Bron: Geophysical Research Letters,
ScienceDailiy 1 en 2, Wikipedia