Het hologenoom

Een holobiont is het concept van een gastheer met zijn symbiotische micro-organismen. Voorbeelden zijn koralen met hun symbiotische micro-organismen en symbiotische algen, maar ook wijzelf kunnen als holobiont gezien worden. Het darmstelsel is daar een onderdeel van. Het bestaat uit een rijke darmflora zonder welke onze gezondheid snel achteruit zou gaan.

 

van internet: microben

De darmflora helpt in het afbreken van voedingsstoffen, het stimuleren van het immuunsysteem en regelt zelfs de gezondheid van de bloedvaten. Andere voorbeelden zijn bladluizen en cicaden met hun endosymbiotische bacteriën die in deze gevallen ook overgeërfd worden. De micro-organismen zijn hier zo gespecialiseerd dat ze alleen nog maar met hun specifieke gastheer kunnen samenleven. Ze worden via de eicellen doorgegeven aan de volgenden generatie. Ook de gastheer is dusdanig gespecialiseerd dat hij niet zonder deze microbiota zou kunnen leven. Zowel de gastheer als de symbiont hebben genen verloren, waardoor ze onlosmakelijk verbonden zijn. Symbiotische bacteriën kunnen dus de fitness van de holobiont vergroten.

 

Het hologenoom wordt door Eugene Rosenberg gedefinieerd (pdf) als het genoom van de gastheer plus dat van zijn microbiotische symbionten. Het genoom van de gastheer varieert volgens de standaard wetten van overerving, dat wil zeggen door mutaties, crossing-over tijdens meiose en seksuele recombinatie. Het genoom van de symbiotische micro-organismen kan variëren door mutaties, conjugatie en horizontale gentransfer. Het hologenoom kan dus op vele manieren variëren. Ook de verschillende symbiotische micro-organismen van de gastheer kunnen veranderen, waardoor het hologenoom weer

van internet: Lamarck

een andere samenstelling krijgt. De soorten symbiotische micro-organismen kunnen immers relatief toe- of afnemen of zelfs compleet veranderen. Dit zijn veranderingen op korte termijn waardoor de variatie van het hologenoom erg snel kan gaan. Natuurlijke selectie, de drijfkracht van evolutie, wordt volgens Rosenberg uitgeoefend op de holobiont of op het hologenoom als geheel. Dit snel variërende hologenoom is natuurlijk een erg interessant gegeven maar Rosenberg gaat verder. Dit ‘gebruiken en niet gebruiken’ van de micro-organismen wordt overgeërfd door de holobiont. Deze hologenoomtheorie van evolutie van Rosenberg stelt dat er Lamarckiaanse overerving is binnen het raamwerk van Darwiniaanse evolutie omdat er wordt voldaan aan Lamarck’s principe van overerving van verworven eigenschappen. Dit is een erg sterke conclusie waar misschien nog veel over gediscussieerd gaat worden.

 

De hologenoomtheorie van evolutie van Rosenberg bracht hem tot een interessant onderzoek. Hij toont daarin aan dat het type symbiotische bacteriën van fruitvliegjes varieert naar gelang het dieet dat de vliegjes voorgeschoteld krijgen. Dit dieet bepaalde welk soort bacteriën symbionten van het fruitvliegje worden. Naar gelang het type symbiont produceerden de fruitvliegjes andere feromonen en dit bepaalde hun partnerkeuze. De verandering in feromonen en partnerkeuze verifieerden zich reeds na de eerste generatie en duurde voort tot 17 generaties. De partnerkeuze bepaalt de ontwikkeling van de soorten en er zou dus gesteld kunnen worden dat bacteriën de soortvorming van de fruitvliegjes bepalen.

 

 

 

Evenwichtige koralen

Koralen vormen een vierde van de biodiversiteit in de oceanen. De riffen, met hun structuren, spleten en gaten, vormen een schuilplaats voor veel andere organismen, die op hun beurt weer gegeten worden door andere dieren. Het rif vormt zo een zeer complex ecosysteem, het grootste en meest gediversifieerde dat we op Aarde kennen. Microben en algen regelen de gezondheid van de koralen, net als bij vele andere dieren. Microben helpen de koralen overleven, maar kunnen ook een bron van ziekte vormen.

 

Het jaar van de biodiversiteit loopt alweer bijna ten einde. Eerder wijdde ik een serie berichten aan de biodiversiteit en de koralen (deel 1, deel 2, deel 3, epiloog). Hier volgt een samenvatting van een interview van Carl Zimmer met Forest Rohwer over de koralen en hun evenwicht dat voor een belangrijk deel bepaald wordt door de algen en microben waar ze mee leven.

 

Een koraalrif is grotendeels de structuur die door de koraaldiertjes gemaakt wordt van

van internet: koraal

calciumcarbonaat (CaCO3) en bestaat verder uit alles wat er in het rif leeft zoals vissen en algen. Een rif groeit over geologische tijdschalen tot honderden kilometerslange structuren en tot wel duizend meter diep.

Koralen zijn één van de oudste dieren op Aarde. Ze zijn een halve tot een centimeter groot. Met hun tentakels halen ze het voedsel uit het water. De zoöxanthellen, de algen waarmee ze in symbiose leven, produceren met fotosynthese de energie die de koralen nodig hebben om hun skelet te bouwen. Deze algen worden opgenomen uit het water, maar kunnen soms ook doorgegeven worden van moeder op dochter.

 

De koralen dragen specifieke bacteriën bij zich die stikstof uit de atmosfeer kunnen fixeren en omzetten in organisch stikstof, een belangrijke voedingsstof voor de koralen. Het koraal met zijn symbiotische algen en bacteriën wordt een holobiont genoemd. De bacteriën produceren aan het oppervlak van het koraal ook stoffen tegen microben en beschermen zo het koraal tegen andere schadelijke bacteriën. Elk soort koraal herbergt duizenden soorten bacteriën.

 

Forest Rohwer bestudeert ook de virussen van het koraal. Sommige vallen de bacteriën aan, de bacteriofagen. Andere virussen zijn herpes-virussen die waarschijnlijk het koraal zelf aantasten. Dit laatste gebeurt vooral wanneer het koraal onder stress staat doordat het bijvoorbeeld blootstaat aan een te hoge of te lage temperatuur. Dit is dus eigenlijk wat ook bij de mens gebeurt. Alles bij elkaar lijkt het koraal behoorlijk op het menselijk lichaam waar ‘goede’ bacteriën ons tegen slechte bestand maken. Dat is dan ook precies wat Forest Rohwer doet: hij gebruikt de koralen om al deze interacties te bestuderen om vervolgens te kijken of het ook bij de mens zo werkt.

 

van internet: vissen voeden zich met algen

Het blijkt nu dat overbevissing een enorm probleem vormt voor de koralen. Koralen leven niet alleen in symbiose met specifieke algen, maar worden ook door gewone macroscopische zee-algen bedekt. Nu zorgen normaal gesproken de vissen ervoor dat deze algen weggegraasd worden. In het geval van overbevissing raken de koralen verstikt door de ongelimiteerde groei van de algen. Het lijkt erop dat deze macroscopische algen met hun fotosynthese zoveel suikers produceren dat de microben uitbundig groeien en ziekten veroorzaken bij de koralen. De koralen sterven af, de algen groeien nog meer en deze ziekte en de microben breiden zich uit. Het water wordt troebel en er schijnt geen weg meer terug te zijn. Op het moment is het grootste gedeelte van de koraalriffen zwaar getroffen, zo’n dertig procent van de koraalriffen is verdwenen, en 50 procent is zwaar bedreigd en zal het komende decennium waarschijnlijk verdwijnen.

 

Behalve overbevissing onderkent men al langer het probleem van de opwarming van de Aarde en haar oceanen. De koralen leven binnen nauwe temperatuurgrenzen. Zodra de temperatuur licht stijgt verliezen ze hun symbiotische algen en verbleken. Dit is de hoofdoorzaak van de dood van koralen. Toch kunnen ze zich van het verbleken herstellen en opnieuw zoöxanthellen opnemen. Het lijkt erop dat de koralen zelfs een ander soort algen kunnen opnemen die beter bestand zijn tegen hogere temperaturen; een echte aanpassing dus aan het veranderende klimaat. We zijn gewend deze ecosystemen te zien als zeer gevoelig voor iedere verandering, maar ze zijn al honderden miljoenen jaren oud, en het is waarschijnlijk dat ze zich kunnen aanpassen als we ze de tijd geven. Wat we moeten hopen is dat ze zich veel makkelijker blijken te kunnen aanpassen dan we tot nu toe konden waarnemen.

 

Jason de Caires Taylor maakte in Cancun, Mexico, een prachtige installatie onder water om de aandacht van toeristen te vestigen op de koralen en om de koralen te laten groeien op zijn beelden.

 

 

Positieve geluiden

Het ligt er maar aan wie je volgt, maar als ik zo de artikelen bekijk die via Twitter binnenkomen is het veelal slecht nieuws: de bijensterfte, uitsterving van diersoorten ofwel de zesde massa-extinctie, wel of geen verbod op de walvisvangst, gesteggel tussen atheisten en gelovigen en in de politiek, de crisis, de olieramp in de golf van Mexico (om niet te spreken van de situatie in Nigeria), en nu vanmorgen de uitsterving van de mens:

Frank Fenner verwacht dat de mens binnen 100 jaar zal uitsterven. Hij zegt: “De homo sapiens zullen uitsterven, misschien zelfs binnen honderd jaar. Niet alleen de laatste mens verdwijnt van de aardbodem. Veel andere dieren ook,” vertelt Fenner. “Het is een onomkeerbare situatie. Ik denk dat het te laat is.”

Voor de biodiversiteit is er echter goed nieuws. Al eerder schreef ik over de koralen en

Van internet: Hippocampus bargibanti

de biodiversiteit in het algemeen. Koralen zijn erg gevoelig voor lagere en hogere temperaturen die verbleking van het koraal kunnen veroorzaken: de symbiotische algen verlaten het koraal dat daardoor afsterft. Het blijkt nu dat, tenminste in bepaalde gebieden van de Caraïbische zee, de koralen die zich aan de rand van een rif bevinden zich heel goed kunnen aanpassen aan klimaatveranderingen. Pandolfi, een van de auteurs van het artikel in Science, toont aan dat waar er een sterke beweging in de omstandigheden van het milieu is er vreemde evolutionaire veranderingen te zien zijn. De koralen evolueren als het ware naar andere ‘morfo-soorten’ (De koralen zijn alleen morfologisch bestudeerd, niet genetisch). Dit gegeven zou de natuurbescherming beter moeten bekijken. Er wordt namelijk teveel gelet op de hoeveelheid soorten, of op een groot aantal unieke soorten binnen een gebied. Er moet ook meer gekeken worden naar de randen van een gebied, de ‘eco-margins’, daar kunnen soorten evolueren die beter bestand zijn tegen extreme omstandigheden. Dit gegeven zou dus beter bestudeerd moeten worden in alle ecosystemen die men wil beschermen. Sommige wetenschappers geloven er niet veel van, omdat de klimaatveranderingen te snel zouden gaan om evolutie een rol te laten spelen.

Van internet: Hippocampus bargibanti

De plaatjes zijn van het koraal Muricella met in beide gevallen eenzelfde soort zeepaardje (Hippocampus Bargibanti).

Uit Scientias en NewScientist

Biodiversiteit in de oceaan (deel 3)

Een driedelig blogbericht als bescheiden bijdrage aan de oproep van Sylvie Earle om onze oceanen te redden (zie deel 1 voor haar oproep en een paar prachtige filmpjes en deel 2 over de koraalverbleking).

De gordel van koraal  
Een samenvatting van een artikel van Arnout Jaspers (journalist voor Wetenschap & Techniek) over een expeditie rond de koraalriffen van de ‘Duizend eilanden’ bij Jakarta door Naturalis.
Vervolg op deel 2

Bert Hoeksema, expeditieleider en hoofd ‘ongewervelden’ van Naturalis: “In Indonesie liggen de meest biodiverse koraalriffen ter wereld. Koraalriffen zijn sowieso de gebieden in zee met de grootste biodiversiteit. Ook uit het oogpunt van milieubescherming is het van belang om dat nauwkeurig vast te stellen. Je kunt niet alle koraalriffen op de wereld beschermen, je zult ‘parken’ moeten aanwijzen”.

Van wikipedia: gezond koraal	Van wikipedia: verbleekt koraal

Koraal groeit in ondiep water tot een meter of dertig diep, waar nog voldoende licht doordringt voor de symbiotische algen. Hoeksema en de zijnen stellen vast hoeveel

Van internet: boorkern koraal

soorten koraal er nog aanwezig zijn. Er worden ook monsters verzameld van koraal- en schelpensoorten.
Onderzoek van de soorten wijst uit dat de kwalijke invloed van Jakarta onmiskenbaar is, ook al blijken sommige soorten koraal beter bestand tegen vervuiling dan andere. Toch blijkt de vervuiling op het totaal aantal soorten geen invloed te hebben. Ook of het beschermd of bewoond gebied is maakt weinig uit. Massa-toerisme en sportduikers schijnen tot nu toe geen negatieve invloed te hebben.
Er worden ook boringen verricht in het kalkskelet van koralen die, net als bij bomen, het mogelijk maken jaarringen te onderscheiden. Met zuurtofisotopen ¹⁶O en ¹⁸O en de verhouding tussen strontium en calcium (Sr/Ca) is het mogelijk aan de jaarringen te zien hoe warm het water geweest is. Hoe meer strontium en ¹⁸O er aanwezig is hoe warmer het geweest is.

Jakarta ligt veertig kilometer verderop. Deze veelvraat van een stad, waar miljoenen op jacht zijn naar de welvaart die voor ons gewoon is, heeft voorlopig geen boodschap aan het welzijn van een koraalrif. Vuilnis en slib stromen onbekommerd de baai in, eilan­den worden afgegraven voor zandwin­ning en, zoals een expeditielid opmerkte: “Als het rond Jakarta flink geregend heeft, zien we hier een paar dagen later ladingen plastic aanspoelen.” Ook Hoek­sema’s indruk is: “Dichtbij Jakarta is de bedekkingsgraad nu nog minder dan tien jaar geleden.”
Toch is het beeld niet onverdeeld negatief. Tien jaar geleden hoorden de duikers als ze onderwater gingen nog de explosies van de illegale dynamiet-visse­rij; nu niet meer. Op de verder weg ge­legen riffen lijkt het koraal herstellende van de bleaching in 1983 en 1997. Ook is er geen bewijs dat bleaching het gevolg is van een globale klimaatsverandering. Het koraal lijkt vooral last te hebben van tijdelijke opwarming van het zeewater door El Niño en een bevolkingsexplosie onder de koraaletende doornenkroon-zeester, die al weer voorbij lijkt te zijn.
Er zal in 2015 nog steeds vol­doende te onderzoeken zijn rondom Pari.

Informatie
sheba.geo.vu.nl/~palmorph
Nationaal Natuurhistorisch Museum Naturalis organiseerde de 1000-eilandenexpeditie samen met het Research Centre for Oceano-graphy, Indonesian Institute of Sciences (PPO-LIPI), met steun van NWO, gebiedsbestuur Aard- en Levenswetenschappen, in het kader van het researchthema ‘Biodiversity in Relation to Global Change’ .
De reportage kwam tot stand zonder financiële steun of authorisatie van NWO.

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

Mijn speciale dank gaat uit naar Rob van der Vlugt, die, in het kader van het jaar van de biodiversiteit, met grote inzet ervoor gezorgd heeft dat deze boeiende artikelen van Naturalis gebruikt mochten worden voor dit driedelige blogbericht.

---

Toegift Tsjok45

Met zijn 344.400 km2 is het Great Barrier Reef de enige natuurlijke levensvorm die vanuit de ruimte te herkennen is. Om die reden wordt het ook wel het achtste wereldwonder en het "grootste aquarium van de wereld" genoemd.
Elk jaar in november is er een speciaal natuurspektakel in het noordelijke Great Barrier Reef: de sneeuwstorm. Enkele dagen na de eerste volle maan in de lente stoten alle koralen alsof ze op een geheim teken reageren tegelijk hun eieren en spermacellen af. Uit de hele wereld komen duikers om de kleurrijke sneeuwvlagen onder water te beleven.
Het is zo spectaculair en immens dat je het zou kunnen zien mocht je er vanop de maan naar staan kijken.

Van internet: koraaleitjes	Van internet: koraaleitjes

Filmpjes over dit fenomeen dat ‘spawning’ heet zijn te vinden op youtube 1, 2 (National Geographic).

Lees over het laatste nieuws ook de epiloog van dit drieluik