Primaire en secondaire endosymbiose; het begin van evolutie

Symbiose maakt een belangrijk onderdeel uit van de natuur. Het gaat daarbij om organismen die nauw samenleven en hier wederzijds voordeel van hebben. Endosymbiose is daar een speciale vorm van waarbij één van de twee symbionten in de ander leeft. Er hebben zich met betrekking tot symbiose in de geschiedenis van het leven twee zeer belangrijke fasen voorgedaan. De eerste of primaire endosymbiose ontstond door het opslokken van een cyanobacterie door een andere bacterie. Een cyanobacterie (ook wel blauwalg genoemd ondanks dat het geen alg is) is een bacterie die leeft op fotosynthese. Als gevolg van het opslokken van deze cyanobacterie ontstonden de eerste echte algen. De gastheerbacterie, die de cyanobacterie opslokte, kan vervolgens de suikers die deze laatste met fotosynthese maakt gebruiken om van te leven. De samenwerking tussen de gastheercel en de endosymbiont is zo nauw dat er zelfs genen uitgewisseld worden. Op den duur zijn de twee cellen tot één organisme geworden. Hieruit ontwikkelden zich de algen en landplanten.

Primaire en secondaire endosymbiose

Er heeft zich vervolgens een tweede of secondaire endosymbiose voorgedaan, waarbij een eukaryotische cel de algencel opslokte. Deze eukaryotische cel was daardoor in staat ook van fotosynthese te leven. Zo ontstond er een cel met chloroplasten en twee celkernen. De celkern van één van de twee werd opgenomen door de andere celkern. Deze cellen vormen organismen als diatomen, zeewieren en bepaalde dinoflagellaten, die een zeer belangrijke rol spelen in de koolstofcyclus. Nu hebben de onderzoekers van deze studie aangetoond dat er twee unicellulaire algen bestaan, Guillardia theta en Bigelowiella natans ( het zijn twee van de meest complexe cellen die in de natuur voorkomen), waarbij deze transitie tussen de twee celkernen nog te zien is. Er bestaat in deze cellen een volwaardige kern plus een zogenaamde nucleomorf. Deze tweede kleinere celkern is het overblijfsel van de uitwisseling van genen die er tussen de twee celkernen geweest is. Blijkbaar kan de gastheercel niet méér genen onttrekken aan de gast want dan zou de laatste sterven en zou de symbiose teniet gedaan worden. De gastheercel zou zo de mogelijkheid tot fotosynthese verliezen. De onderzoekers merken op dat er in deze twee organismen nog steeds genen van de mitochondrien naar de celkern migreren, maar migratie van genen van plastiden naar de celkern of van de nucleomorf naar de celkern ligt helemaal stil. Kortom, de twee endosymbionten bevinden zich in een patstelling. G. theta en B. natans zijn twee levende ‘missing links’.

Uit: Nature article, Nature News and Views, Physorg.

Leven op de oceaanbodem

De planten die leven aan het oppervlak van de Aarde maken gebruik van de energie van het zonlicht voor het produceren van biomassa. De dieren eten de planten en halen daar hun energie uit. Op de oceaanbodem dringt geen straaltje licht door en zou je geen leven verwachten. Zo’n dertig jaar geleden werd er op 2 à 3 km diepte tot ieders verbazing leven ontdekt, zoals kokerwormen, kreeftachtigen en mosselen. Hoe konden deze dieren overleven? Men trof ze aan rond de zogenaamde hydrothermale bronnen en wat het ook was dat hen deed overleven, het moest iets te maken hebben met deze bronnen.

mosselen bij de hydrothermale bron op de zeebodem

Veel van de dieren die er leven hebben geen mond en kunnen de chemicaliën die de bronnen uitstoten niet direct gebruiken. Maar inkorte tijd ontdekte men dat al deze dieren symbionten bij zich hadden: bacteriën die in staat zijn stoffen zoals waterstofsulfide (H2S) en methaan (CH4) te gebruiken voor hun metabolisme. Ze staan daarbij de productie van suikers af aan hun gastheer. Deze symbionten waren al langer bekend en leven ook als zelfstandige bacteriën. De bronnen produceren veel van deze gassen. Recent onderzoek laat nu zien dat er een derde symbiose mogelijk is waarbij waterstof (H2) als bron van elektronen voor het metabolisme dient.

De onderzoekers bestudeerden de mossel Bathymodiolus puteoserpentis en toonden aan dat in de kieuwen van deze mossel symbionten leefden. Sommige symbionten zijn in staat CH4 te gebruiken, terwijl andere zowel H2S als H2 gebruiken. Ze konden ook aantonen dat de symbionten het gen hupL bevatten. Dit gen codeert voor de hydrogenase die de reactie H2 → 2H+ en 2e- katalyseert. Ze verwachten dat deze symbiont ook bij veel andere diepzeedieren actief is.

De mossel Bathymodiolus puteoserpentis en zijn symbionten. Er is een doorsnede van een mossel te zien met op de kieuwen twee soorten bacteriën. De ene soort gebruikt CH4 + O2 en stoot CO2 uit. De andere soort gebruikt twee gassen: H2 + O2 waarbij water (H2O) vrijkomt en H2S + O2 waarbij SO4– (sulfaat) vrijkomt. Dit is een handgemaakte kopie naar een plaatje in Nature dat ik niet durf te plaatsen vanwege copyright.

Opmerkelijk zijn de technieken van de onderzoekers. Met op afstand bediende onderwaterschepen konden ze de consumptie van H2 door de mosselbedden meten en daarna enkele dieren omhoog halen. Het lukte ze vervolgens op de boot het metabolisme van de dieren te meten. Eenmaal terug in het lab toonden ze de aanwezigheid van het gen voor de hydrogenase aan. De studie laat zien dat het steeds makkelijker wordt de dieren in hun eigen habitat in plaats van in een kunstmatige omgeving als het laboratorium te bestuderen.

Tot slot dit prachige filmpje met David Attenborough met dank aan @Aad Verbaast over de hydrothermale bronnen en het leven dat daar te vinden is.

Uit Nature: article, news & views

Mycelium

Vooruitlopend op de herfst, die naar het schijnt al aardig huishoudt in Nederland, een bericht met het laatste wetenschappelijke nieuws over schimmels.

De aarde en aardbodem is vergeven van schimmels. Loop je door een bos dan is de veerkracht van de bodem deels te danken aan het uitgebreide netwerk van mycelium dat daarin groeit. Schimmels oftewel zwammen behoren tot een apart rijk. Het zijn geen planten en geen dieren. Planten gebruiken zonlicht om te kunnen leven en te groeien. Dieren eten andere dieren of planten. Schimmels daarentegen zijn vaak parasitair of symbiotisch, in de meeste gevallen met planten. Ze zijn meer verwant met dieren dan met planten en worden ook wel samen met de dieren in de groep Opisthokonta geplaatst.

De evolutie van de schimmels is niet helemaal duidelijk. Ze zouden al 1,3 miljard jaar geleden als waterorganismen ontstaan zijn. Paul Stamets, een bekend mycoloog, beweert dat ze als eerste organismen aan land gingen. Maar aangezien hun huidige levenswijze voornamelijk symbiotisch of parasitair is, zou je verwachten dat er eerst andere organismen aan land gegaan zijn waarna de zwammen zich konden voeden op de (dode) organismen. Hij legt uit dat het mycelium als eerste landorganisme de rotsen heeft afgebroken en bodem gevormd heeft door de productie van onder andere oxaalzuur en enzymen die de rots afbreken, waarna de schimmel de mineralen kan gebruiken.

Schimmels zijn tegenwoordig nauwelijks zichtbaar behalve wanneer ze ‘bloeien’ en een paddenstoel maken. In het Siluur-Devoon, zo’n 400 miljoen jaar geleden, werd het landschap daarentegen gedomineerd door enorme zwammen van wel 1 meter dik en 8 meter hoog:

Prototaxiden

de prototaxiden. Er wordt ook wel beweerd dat het hier om een lycheen (korstmos) gaat, een symbiose tussen schimmel en blauwalg.

Paul Stamets ziet voor de schimmels een belangrijke rol weggelegd in het oplossen van veel problemen. Ze zijn allang bekend voor hun antibiotica, maar hij laat in dit filmpje Six ways mushrooms can save the world zien dat ze ook antivirale eigenschappen hebben. Hij heeft ook patent aangevraagd op de eigenschap die sommige schimmels hebben om termieten voorgoed uit een huis te verjagen. Ze kunnen olie afbreken (!) en brandstof produceren.

Psilocybe semilanceata

Volgens Terence McKenna hebben de schimmels een belangrijke rol gespeeld in de evolutie van de mens. De evolutie van met taal uitgeruste Homo Sapiens of, zoals hij het noemt, de Homo Spiritualis, kon volgens hem geschieden door het gedrag van zijn voorouders, de Homo Erectus. Op zoektocht naar voedsel oogstten ze, misschien in eerste instantie ‘per ongeluk’, ook schimmels of paddo’s die hun in staat stelde geestverruimende ervaringen te ondergaan waardoor ze in staat werden gesteld gedachten beter te formuleren en zelfs spraak te ontwikkelen waardoor hun brein geëvolueerd zou zijn. Deze vreemde en onwetenschappelijke theorie (uit 1992) is beschreven in ‘The stoned ape-theory of human evolution‘ van McKenna.

Uit: Scienceblogs.com ‘Universe‘.

Een opmerkelijke symbiose

Tussen de zandkorrels van de zeebodem leeft een platworm die in de jaren 70 ontdekt werd. Het diertje heeft geen mond en verteringskanaal. Het was tot nu toe een mysterie hoe deze dieren aan voedsel kwamen. Nu heeft men ontdekt dat deze Paracatenula reeds 500 miljoen jaar geleden een symbiose aanging met een bacterie. Daarmee is het de oudste symbiose tussen dier en een chemoautotrofe bacterie.

Paracatenula

Er bestaan op de oceaanbodem nabij de hydrothermale bronnen reuzenwormen zonder mond die ook gebruik maken van symbiose met bacteriën. Deze bacteriën oxideren sulfide (H2S) waarbij de energie die daarbij vrijkomt gebruikt wordt voor het fixeren van CO2, iets wat ook de planten doen door middel van fotosynthese met gebruik van licht. De symbionten staan deze koolstofcomponenten af aan de gastheer die daarvan leeft.

Er zijn vele dieren die een dergelijke symbiose aangaan. Maar ondanks de grote verscheidenheid aan gastheren waren de symbionten gelimiteerd tot gamma- en epsilon-proteobacteriën. In het geval van onze platworm Paracatenula, is de symbiont een alfa-proteobacterie, die ook wel Riegeria genoemd wordt. Nu zijn er organellen in onze cellen (van alle planten en dieren), de mitochondriën, die afstammen van deze alfa-proteobacteriën. Blijkbaar is deze bacterie erin geslaagd verschillende keren en op verschillende manieren een symbiont te worden, zowel buiten als binnen de cel van de gastheer. In Paracatenula leeft de symbiont Riegera in bacteriocyten, dus in gespecialiseerde organen in de platworm. De bacterie maakt voor 50% deel uit van het totale weefsel van de platworm.

Het bijzondere is ook dat de symbiont, die door de ouderworm wordt doorgegeven aan het nageslacht, nooit veranderd is gedurende de laatste 500 miljoen jaar !

Uit Physorg.com

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.

 

 

Het kleinste genoom

Nancy Moran onderzoekt de symbiose tussen bacteriën en de cicaden (snavelinsecten). Deze cicaden zuigen plantensappen die voornamelijk uit water bestaan. Zouden ze niet in symbiose leven met de bacteriën dan zouden ze niet kunnen overleven. Hetzelfde geldt voor de bacteriën. Hun genoom is zo gereduceerd dat ze niet buiten hun gastheer kunnen leven. Hier volgt een kort verslag van het interview van Carl Zimmer met Nancy Morgan.

Zowel bladluizen als cicaden bevatten endosymbiotische bacteriën. Deze bevinden zich in

Uit wikipedia: sharpshooter

zogenaamde bacteriocyten, speciale organen aan weerszijde van het abdomen waarvan de cellen de bacterie bevatten. De sharpshooter (een cicade) voedt zich met de plantensappen, die vooral uit water en slechts een paar aminozuren en wat mineralen bestaan. De symbiotische bacteriën maken aminozuren en vitaminen aan en verrijken het dieet van de cicade.
De bacteriën worden ‘verticaal’ overgeërfd: ze worden via de eicellen doorgegeven aan de volgende generatie.
Het zijn zogenaamde primaire symbionten; ze kunnen niet buiten de gast leven en worden als zodanig in het laboratorium bestudeerd. Er zijn fylogenetische stambomen gereconstrueerd van zowel de cicade als de bacteriën waaruit blijkt dat de vertakkingen exact overeenkomen. Er heeft zich duidelijk co-evolutie voorgedaan. De sharpshooter heeft twee symbionten. De oudste heeft een stamboom die teruggaat naar 270 miljoen jaar geleden en is symbiont van vele verwante insecten. De tweede is jonger, slechts zo’n 40 miljoen jaar oud en is specifiek voor de sharpshooter.
Deze symbionten hebben enorm veel genen verloren. Terwijl een bacterie als E. coli 5000 genen heeft die allemaal nodig zijn voor de celdeling en het metabolisme, heeft een symbiont er veel minder nodig. Door mutaties en deleties worden gedeelten van het genoom verloren. Veel van deze mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door genetische drift omdat de populaties erg klein zijn.

De kleinste van de twee symbionten heeft een genoom van slechts 145 kb (ongeveer 160 genen) tegen een genoom van 5000 kb in E. coli en is daarmee het kleinste genoom dat er bestaat.
De twee symbionten maken samen precies de 10 essentiële aminozuren aan en zijn daarin exact complementair.

Carl Zimmer vraagt uiteindelijk of er een parallel getrokken kan worden tussen de mitochondriën en deze bacteriën. Er is immers een vergelijkbaar verlies van genen, een snelle evolutie van het genoom en genetische drift. Maar de mitochondriën zijn veel ouder en maakten deel uit van de eerste eucaryotische cel. In het geval van de cicaden gaat het om meercellige organismen waar de symbiont alleen in enkele gespecialiseerde cellen te vinden is.
Bovendien was er sprake van overdracht van genen van de eerste mitochondriën naar het genoom van de gastcel. De producten van de gastcel gaan weer terug naar het mitochondrium. In het geval van de cicaden is dat niet zo.

De onderzoekers zijn nog niet zeker of deze symbionten het kleinste genoom hebben dat er bestaat. Het kan zijn dat mettertijd nieuwe soorten nog kleinere symbionten ontdekt worden.

Het interview van Carl Zimmer met Nancy Moran waarin nog meer fantastische details ter sprake komen kan hier beluisterd worden.

Uit: PNAS, Plosgenetics, wikipedia.

Voor de helft mens

Toen in 2001 het menselijk genoom voor het eerst in kaart gebracht werd, bleek dat deze overvloed aan DNA slechts voor 1,5 % uit genen bestond. In plaats van de 100.000 genen die men er verwachtte te vinden waren er slechts 20.000. Daarna bleek dat 9% van ons DNA bestaat uit DNA dat van virussen afkomstig is. Het grootste deel, 34%, bestaat uit retrotransposons, ofwel zelfzuchtig DNA dat er alleen maar op uit is zichzelf te repliceren. Alles bij elkaar, bestaat bijna de helft van ons DNA uit virus-achtige deeltjes. In eerste instantie werd dit DNA wel als ‘junk-DNA’ bestempeld, maar het blijkt nu wel degelijk belangrijke functies te hebben.

In New Scientist staat een artikel van Frank Ryan die uitlegt hoe virussen, die wij normaal associëren met pandemieën waarbij de gastheer steft, ook symbiotische aspecten kunnen krijgen. Dit was het geval bijvoorbeeld met het myxomatose-virus bij konijnen in Austalië. In eerste instantie, toen dit virus geïntroduceerd werd om de overlast van konijnen tegen te gaan, stierf 99.8% van de konijnen. Resistente konijnen overleefden, en leven nu in symbiose met het virus, d.w.z. ze dragen het bij zich, oftewel het bevindt zich in hun DNA, maar het maakt ze niet ziek. Op dezelfde wijze kan een virus onze vroege voorouders in Afrika geïnfecteerd hebben waardoor bepaalde virussequenties nu onderdeel uitmaken van ons genoom. Als een virus wil overleven moet het gastheren kunnen blijven infecteren, dus mag het niet te virulent zijn. De hele populatie zou sterven en zo zou ook het virus aan zijn einde komen. Op deze wijze ontwikkelt zich symbiose tussen virussen en organismen.

Retrovirussen zetten hun RNA om in DNA en plaatsen het in het genoom van de gastheer. Deze ‘endogenisatie’ kan zich ook afspelen op niveau van de gameten (zaad- en eicellen), zodat het virus-genoom doorgegeven wordt aan de volgende generaties. Bij de mens is dit meerdere keren voorgekomen en dit vormt de bron van al het virale DNA in ons genoom (bijna 50%). We kunnen er zeker van zijn dat we afstammen van de overlevenden van vele schrijnende epidemieën.

Van internet: de Triomf van de Dood door Pieter Breugel 1562

Virale genen zouden wel eens nuttig kunnen zijn. Ze brengen ook vaak regulerende sequenties met zich mee die vervolgens ook de genen van de gastheer kunnen reguleren. Uiteindelijk worden de sequenties die de overleving bedreigen uit de populatie verloren en de weinige nuttige geselecteerd door natuurlijke selectie.

Van internet: HIV infecteert cel (foto by Jeff Johnson)

Sommige hebben geen effect en de vele retrotransposons in ons genoom zijn daar waarschijnlijk de overblijfselen van.

Het eerts ontdekte retrovirus, dat zich 40 miljoen jaar geleden in het genoom van de primaten plaatste, is een gen dat nu syncytin-1 heet. Dit gen codeerde oorspronkelijk voor de eiwitmantel van het virus maar heeft nu een belangrijke rol in de placenta en staat onder controle van twee virale LTR’s (Long Terminal Repeats). Een ander voorbeel is het gen voor beta-hemoglobine dat onder controle staat van een LTR dat van een retrovirus komt. Zo zijn er nog vele voorbeelden.
Onderzoekers zijn nu van plan een groots onderzoek op te zetten naar de exacte rol van de verschillende retrovirussen in ons genoom. Hij concludeert dat het in ieder geval wel duidelijk is dat het menselijke genoom geëvolueerd is uit een symbiose tussen virussen en gewervelden.

Bron: New Scientist

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