Stilstaande evolutie, de nulhypothese

Evolutie van leven veronderstelt een ontwikkeling van organismen. De evolutietheorie van Darwin stelt dat soorten ontstaan door natuurlijke selectie. Het is moeilijk te testen of er bij afwezigheid van selectie toch evolutie plaatsvindt. Bijna elke omgeving of niche betekent competitie voor schaarse voedselbronnen en daaruit volgt een survival of the fittest. Nu heeft een groep onderzoekers organismen gevonden die al meer dan 2 miljard jaar niet geëvolueerd zijn. Het gaat hierbij om zwavel bacteriën.

Zij bestudeerden met speciale instrumenten zoals Raman spectrografie en confocale laser scan microscopie fossiele gesteenten van de zeebodem en vonden daarin fossiele filamenten van zwavel bacteriën. Wanneer ze deze vergeleken met de huidige zwavel bacteriën die op andere locaties leven zagen ze duidelijke overeenkomsten in de vorm en lengte van de filamenten. Zie de onderstaande figuur.

Hedendaagse en precambriaanse filamenteuze zwavelcyclerende micro-organismen. A en E Hedendaagse microben 7 – 9 micrometer in diameter vergeleken met fossielen van het 2,3 miljard jaar oude Turee Creek gesteente (B en F) en het 1,8 miljard jaar oude Duree Creek gesteente (C,D,G en H)

 

De gesteenten, die in het Australische Turee Creek en Duck Creek gevonden werden, dateren van resp. ca. 2,3 miljard jaar en 1,8 miljard jaar geleden. Deze perioden volgen op de Great Oxidation Event (GEO) en de ontwikkeling van deze zwavel bacteriën wordt gezien als een antwoord op de langzame toename van zuurstof in de atmosfeer. Daardoor konden deze bacteriën sulfaat (SO4^2-) en nitraat (NO^3-) metaboliseren, stoffen die alleen na oxidatie van zwavel en stikstof beschikbaar zijn. De tegenwoordige zwavel bacteriën, die zoveel op hun fossiele voorouders lijken, bevinden zich in de bodem in een relatief zuurstofloze omgeving, maar profiteren van het sulfaat en nitraat uit de iets hoger gelegen diepten. Zij nemen deel aan de zwavelcyclus waarin bacteriën het sulfaat reduceren tot waterstofsulfide, dat opnieuw geoxideerd kan worden tot het element zwavel met behulp van zuurstof uit de bovenliggende lagen. Het zwavel kan dan weer geoxideerd worden tot sulfaat door andere bacteriën.

De betreffende zwavel bacteriën worden gekenmerkt door hypobradytelic lifetyles ofwel, een leefstijl die niet veranderd is gedurende meer dan 2 miljard jaar. Deze onveranderde leefstijl vindt men ook bij de cyanobacteriën, die zeer competitief waren door de productie van het toenmalige voor veel organismen giftige zuurstof. Voor de zwavel bacteriën geldt dat er, sinds het ontstaan van de eerste microbiële groepen, weinig tot geen stimulering was tot aanpassing aan veranderende condities. Het zijn bewoners van relatief koude, rustige, zuurstofvrije sedimenten, waar geen dagelijks licht doordringt. Deze condities zijn hetzelfde sinds de vroege geschiedenis van de Aarde. Een omgeving die dus niet veranderde.

Het is daarom verleidelijk deze zwavel bacterie gemeenschappen als bewijs te zien van de “negatieve” nulhypothese van Darwiniaanse evolutie: als er geen verandering plaatsvindt in de biofysische omgeving van een goed aangepast ecosysteem, dan zou er geen soortvorming, geen evolutie van de vorm, de functie of de metabolische eisen van biotische componenten zijn. Maar er moet rekening gehouden worden met het feit dat de morfologie van de bacteriën uit convergente evolutie voortkomt en dat het metabolisme en de genomen van de precambriaanse bacteriën wellicht anders was. Het DNA kan helaas niet vergeleken worden. Er zijn bovendien relatief weinig fossielen gevonden, waardoor er ‘missing links’ lijken te bestaan. Mochten er meer van dergelijke fossielen gevonden worden die dit gat wat kunnen dichten dan zal het mogelijk zijn de nulhypothese voor Darwiniaanse evolutie te bevestigen.

Eerdere hier verschenen berichten behandelen zwavel bacteriën die elektriciteit in de zeebodem genereren en geven wat extra informatie over hun metabolisme en leefwijze (1, 2) .

 

Uit:  J. W. Schopf, A. B. Kudryavtsev, M. R. Walter, M. J. Van Kranendonk, K. H. Williforde, R. Kozdone, J. W. Valleye, V. A. Gallardol, C. Espinozal, D. T. Flannery; Sulfur-cycling fossil bacteria from the 1.8-Ga Duck Creek Formation provide promising evidence of evolution’s null hypothesis; PNAS 5 january 2015 J. William Schopf, doi: 10.1073/pnas.1419241112

Het microbioom van de mens

Nog niet zo lang geleden begon men zich te realiseren dat wij mensen een enorme flora aan microben bezitten die normaal gesproken grotendeels uit ‘goede’ bacteriën bestaat. Voor die tijd werden bacteriën voornamelijk beschouwd als ziekteverwekkers en zonder pardon bestreden met antibiotica. Dit laatste heeft niet alleen grote gevolgen voor de ontwikkeling van resistentie bij bacteriën, maar betekent ook voor ieder individu een aanslag op zijn of haar gezondheid die heel ingrijpende en langdurige gevolgen kan hebben.

Een kaart van de verscheidenheid binnen het menselijke microbioom (klik op de foto voor een grotere versie)

Het microbioom van de mens is het totaal aan microben (bacteriën, archaea en virussen) dat te vinden is op de huid, in holtes en spleten en vooral in het darmkanaal. Het aantal microben ligt rond de 10 voor elke menselijke cel. De afgelopen 5 jaar is voor het eerst het microbioom van 242 gezonde mensen gescreend. Deze gegevens maken deel uit van het Human Microbiome Project (HMP) waarvan de resultaten afgelopen juni gepubliceerd werden. De mensen zijn zorgvuldig geselecteerd omdat hun microbioom dat van een gezond mens moest vertegenwoordigen. Bij kleine infecties in de neus of bij een teen werden deze mensen van de studie uitgesloten. Hun microbioom moest dat van een zo gezond mogelijk mens zijn.

De bacteriën van het microbioom houden bijvoorbeeld onze huid soepel en vormen een barrière waardoor de slechte bacteriën niet tot de huid kunnen doordringen. Andere bacteriën zijn, zoals iedereen inmiddels weet, uitermate belangrijk voor het welzijn van onze darmen en de absorptie van voedsel. Uit deze studie is gebleken dat er enorme variaties van het microbioom zijn tussen mensen onderling en tussen de verschillende plekken van het lichaam. Ieder mens heeft een eigen identiteit voor wat betreft het microbioom. De verschillende microbiomen worden gekenmerkt door de variatie aan type bacteriën en door de relatieve hoeveelheid van elk type bacterie.

Nu er bij zowel wetenschappers als medici het besef begint te komen dat het microbioom zo belangrijk is voor onze gezondheid is er een nieuwe biomedische tak ontstaan die wel medische ecologie genoemd wordt. Hierin worden wij met ons microbioom beschouwd als ecologische systemen met hun eigen evenwicht. Dit evenwicht kan drastisch verstoord worden door gebruik van antibiotica waarbij het niet zo zeker is of het oude evenwicht na de kuur weer hersteld wordt. Nu wil niemand antibiotica uitbannen, maar er zijn aanwijzingen dat het gebruik ervan ook kan leiden tot obesitas en diabetes.

Het microbioom ontstaat bij de geboorte. Reeds in de vagina van de zwangere vrouw zijn er lactobacillen aanwezig die normaal alleen in de darmen gevonden worden. De zojuist geboren baby wordt ermee bedekt en sommige lactobacillen gaan deel uitmaken van de darmflora waar ze de melk verteren. Er zijn onder 16 zogende moeders wel 600 verschillende bacteriën gevonden in de melk. Er kwamen ook oligosachariden in voor, suikers die baby’s niet kunnen verteren, maar bepaalde bacteriën wel. Met de groei van het kind wordt het microbioom complexer en wordt het de ‘leermeester’ van het immuunsysteem. Experimenten op ‘steriele’ muizen hebben aangetoond dat het immuunsysteem in afwezigheid van microbioom juist ontstekingen veroorzaakt. Als volwassenen werden de muizen dan vaak astmatisch of leden aan chronische ontsteking van de darmen. Daar was niets meer tegen te doen. Als de jonge muizen daarentegen een microbioom ontvingen werden deze problemen voorkomen.

Nu het microbioom beter bekend is, is het wellicht mogelijk een verstoord microbioom te redden. Bijvoorbeeld door middel van huidcrèmes waarop de ‘goede’ bacterien zich kunnen voeden en de plaats innemen van een schadelijke Staphylococcus aureus bijvoorbeeld. Of door middel van een transplantatie van ontlasting van een gezonde naar een zieke darmflora. In 83% van de 124 transplantatiegevallen is dit met succes beloond. Het onderzoek is wetenschappelijk nog niet goedgekeurd omdat er geen controlegroep bestond. Deze methode is veelbelovend. Temeer het mogelijk is het metabolisme van suiker te veranderen door een transplantatie van darmflora van dunne mensen naar mensen met obesitas.

Het is nu nog een kwestie van overtuigen van artsen. Dezen houden vaak van smetteloze omgevingen en steriele handen, dus kan het wel even duren voordat zij ons ecosysteem met microbioom als iets positiefs beschouwen, iets dat zoveel mogelijk beschermd of geïntegreerd dient te worden.

Uit: Nature, Carl Zimmer, Ed Yong op de radio, Jonathan Eisen.

Darmflora verdeelt mensen in drie groepen

Het aantal bacteriecellen in onze darmen is wel 10 keer zo groot ons aantal lichaamscellen dat ongeveer 10 triljoen bedraagt. Deze flora beschermt ons tegen schadelijke bacteriën, helpt ons voedsel te verteren en produceert onmisbare vitaminen. We kunnen eigenlijk niet zonder ze. Een recente studie toont aan dat er drie soorten darmflora bestaan die losstaan van cultuur en voeding.

Darmflora

Men veronderstelde altijd dat iedereen een andere combinatie aan darmbacteriën bezit en dacht dat dit te maken had met cultuur en het soort voedsel. Het blijkt nu dat er tussen mensen uit verschillende landen en wereldstreken juist grote overeenkomsten kunnen zijn en dat de mens eigenlijk maar drie soorten darmflora bezit. Net als de vier bloedgroepen A, B, AB en O bestaan er drie soorten darmflora. Deze drie verschillende enterotypen worden bepaald door een evenwicht tussen de verschillend bacteriën. In het type 1 bijvoorbeeld is de soort Bacterioides relatief overvloedig aanwezig. In het type 2 is Prevotella de meest voorkomende bacterie.

Het onderzoek maakt gebruik van het screenen van feces waarbij er gekeken wordt naar de aanwezigheid van genen die specifiek zijn voor de verschillende bacteriesoorten. Op deze wijze ontstaat er een genetisch profiel van het microbioom.

Een tekortkoming van de studie is dat er alleen mensen uit geindustrialiseerde landen onderzocht zijn, die ongeveer hetzelfde voedsel eten. Zo werden er mensen uit Frankrijk, Italië, Spanje en Denemarken bestudeerd waarna ook resultaten uit Amerika en Japan werden toegevoegd. Om de studie te verbeteren zouden ook mensen uit afgelegen dorpen in Afrika of China bestudeerd moeten worden.

Het is nog onbekend waarom er drie soorten darmflora of enterotypen bestaan. Het zou kunnen dat vlak na de geboorte, wanneer onze darmen nog helemaal vrij zijn van bacteriën, de eerste binnenkomers bepalen welke volgende bacteriën worden toegelaten. Het is dus niet de mens en zijn dieet die bepalen welke flora hij bezit, maar het zijn de bacteriën onderling die bepalen wie er toegelaten wordt en wie niet. Deze drie enterotypen zijn onafhankelijk van leeftijd, geslacht, nationaliteit en lichaamsgewicht. Men vond wel dat er in de darmflora van ouderen meer bacteriële genen aanwezig waren voor het verteren van koolhydraten. Waarschijnlijk komt dit doordat ouderen moeilijk koolhydraten verteren, waardoor de bacteriën deze taak wel moeten overnemen als ze willen overleven in de darmen.

Het blijkt daarmee ook dat de genen zelf van de bacteriën een belangrijke rol spelen. Het genetisch microbioom (het totaal aan bacteriën in ons lichaam) levert, behalve de genen van vader en moeder, ook een bijdrage aan ons fenotype.

Helaas dringen er soms schadelijke bacteriën binnen zoals EHEC. Dit is een gevaarlijke bacterie omdat hij shega-toxine of verotoxine afscheidt die de darmwand aantast. Dit heeft HUS (Hemolytisch uremisch syndroom) tot gevolg. Momenteel is er in Duitsland een epidemie uitgebroken van een zeer agressieve variant. Hoe kon deze gevaarlijke variant ontstaan? Daarover gaat het volgende blog.

Uit New York Times (Carl Zimmer)

Over ons microbioom

Biodiversiteit in de oceaan (deel 2)

Een tweede blogbericht als bescheiden bijdrage aan de oproep van Sylvie Earle om onze oceanen te redden (zie ook deel 1 met haar oproep en prachtige films en deel 3 met de conclusies).

De gordel van koraal (PDF)
Een samenvatting van een artikel van Arnout Jaspers (journalist voor Wetenschap & Techniek) over een expeditie bij de koraalriffen van Jakarta door Naturalis.

De koraalriffen van Indonesië werden al in de koloniale tijd bestu­deerd door Nederlandse biologen. In 2005 onderzocht een ex­peditie van Naturalis en locale onderzoekers voor de vierde maal sinds 1983 tientallen eilandjes onder de rook van Jakarta om te in­ventariseren wat er nog over is van de natuurlijke rijkdommen. De situatie is zorgelijk, maar niet hopeloos.

‘Een gordel van smaragd’, noemde Mul­tatuli het eilandenrijk Indonesië toen de Nederlanders het er nog voor het zeggen hadden. De benaming past op kleinere schaal ook bij de sliert eilandjes die zich van Jakarta naar het noorden uitstrekt. Nederlanders onderzochten deze ‘Duizend Eilanden’ (kaart) al toen Jakarta nog Batavia heette. De eilandjes had­den toen namen als ‘Onrust’, ‘Leiden’ en ‘Alkmaar’. ‘Onrust’ heet nog steeds zo, ‘Alkmaar’ heeft nu een Indonesische naam en ‘Leiden’ bestaat niet meer, het is geërodeerd tot onder de zeespiegel.

Van internet: gedeeltelijk verbleekt koraal

De expedities worden uitgevoerd vanaf het eilandje Pari (kaart), zo’n 40 kilometer van Jakarta, en na een paar kilometer varen verdwijnt de smog-deken en krijgt de omgeving z’n tropische kleuren terug. Van hieruit wordt bekeken wat er nog over is van de koraalriffen. De eerste systematische verkenning dateert al van 1929 door de mijnbouwkundige dienst van Nederlands-Indië. In 1983 vond grootschalig onderzoek plaats naar bleaching (het wit worden en afsterven van de koralen). Koraal bestaat uit kolonies van dierlijke organismen (poliepen) in symbiose met kleine algen die het koraal zijn kleur geven. De alg geeft de met fotosynthesis aangemaakte voedingsstoffen aan het koraal dat CO₂ ervoor in ruil geeft. Bleaching is een nog niet geheel begrepen proces, maar het is duidelijk dat de algen hun gastheer verlaten. De

Van internet: verbleking van het koraal

oorzaak wordt gezocht in te warm water, teveel UV-licht, een overmaat aan organische stoffen in het water of een combinatie hiervan. Soms wordt ook de verzuring van het zeewater als gevolg van de toename van CO₂ als oorzaak genoemd. De bleaching uit 1983 werd toegeschreven aan de opwarming van het zeewater in Indonesië door El Niño. Wordt vervolgd in deel 3.

Verbleking van koraal:

Met dank aan Bert Hoeksema, Sancia van der Meij en Charles Fransen van Naturalis en Arnout Jaspers van Wetenschap & Techniek

Lees ook het laatste nieuws in de epiloog van dit drieluik.

Janine Benyus en biomimicry

Janine Benyus is een biologe die zich inzet voor een dialoog tussen biologen en designers. Zij laat hen zien hoe de natuur allerlei oplossingen biedt voor technische problemen. Deze oplossing houden ook in dat er gewerkt wordt met bioafbreekbaar materiaal.

Biomimetica is eind jaren negentig ontstaan. Het bestudeert de beste ideeën in de natuur en bootst deze na met als doel een productieproces of een product te verbeteren en duurzamer te maken.
De kern van het idee is natuurlijk profijt te trekken uit de 3,8 miljard jaar aan ervaring,

Van internet: Ijsvogel

ontwikkeling en aanpassing van de natuur en zich te baseren op de vorm of het metabolisme van een levend organisme of de interactie die het ontwikkeld heeft met het ecosysteem.

In haar lezingen geeft Janine Benyus ontelbare voorbeelden. Het beroemdste is wel de Japanse bullet train van Shinkansen. Deze trein maakte extreem veel lawaai en elke keer als hij een tunnel in- en uitdook kwam er een vreselijke klap. Nu is de bedrading van de trein bedekt met een coating die de veren van de geruisloos vliegende uil nabootsten, en de neus van de trein heeft de vorm gekregen die de snavel van een ijsvogel naabootst waardoor de klap bij tunnels opgevangen wordt. Deze vogels kunnen namelijk het water induiken zonder een druppeltje op te laten springen.

Een ander interessant voorbeeld is de kalkafzetting van kalk (ketelsteen) in pijpleidingen, een groot probleem. Janine wees de ingenieurs op het feit dat ook schelpen uit calciet bestaan. De schelpdieren produceren een proteine waarop het kalk uit het zeewater neerslaat. Dit gaat niet alsmaar door, want bij de juiste grootte van de schelp wordt er een nieuwe protiene gevormd over de schelp die kalk juist afstoot. De ingenieurs die hun hele carriere al naar oplossingen zochten, vonden dan nu eindelijk de ‘graal’. Ze bekleedden
vanaf toen al hun leidingen met deze laatste proteine en het probleem was voorbij.
Zo bestaat er ook een oliepijpleidingensysteem dat gebruikt maakt van een ‘bloedplaatjes-technologie’. Hier worden kleine scheurtjes in de leiding gedicht met deze artificiële bloedplaatjes die met de olie meestromen. Ze klonteren samen bij kleine scheurtjes en geven met hun lichte radioactiviteit de technici aan waar de problemen zitten.
Een ander voorbeeld is de bultrug die langs zijn vinnen een soort stompe richels heeft zitten die de efficientie met 35% verhogen. Windmolens die deze structuren toepassen kunnen bij erg lage windsnelheden draaien.

Van internet: bultrug en whaleblade

Het gebruik van materialen die bestaan uit slechts de ‘natuurlijke’ elementen van het periodiek systeem, zorgt voor een ecosysteem dat recycled kan worden, alles kan worden afgebroken en weer opnieuw gebruikt worden, net zoals de Aarde dat al 3,5 miljard jaar doet. Uiteindelijk kunnen we niet doorgaan met zeeën en de lucht te vervuilen omdat we niet inventief genoeg zijn geweest. Dat zou toch een blamage voor de mens zijn.

Van internet: volume water en lucht t.o.v. de Aarde

Bekijk ook de lezingen uit TED van Janine Benyus uit 2007 en 2009.
 
Zie voor meer informatie ook de volgende sites
Nog meer voorbeelden: http://images.businessweek.com/ss/08/02/0209_green_biomimic/index_01.htm
sites:
http://www.asknature.org/
http://www.biomimicryinstitute.org/

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