Virussen zijn dood en maken gebruik van levende cellen om zich te vermenigvuldigen. Toch hebben onderzoekers nu in het Antarctische Organic Lake virofagen ontdekt, virussen die andere virussen nodig hebben om zich voort te planten. De natuur stelt ons telkens weer voor verrassingen…
De nieuwe virofaag werd ontdekt door student Sheree Yau en kreeg de naam Organic Lake Virophage of OLV. Ze ontdekte de nieuwe virofaag toen bepaalde aminozuurvolgordes in een eiwit dat zich in de virusschil bevond, sterk leken op de eerst ontdekte virofaag ooit, Sputnik.
Sputnik (hier binnen een mamavirus) is het eerst ontdekte virus dat op andere virussen parasiteert.
Sputnik werd in 2008 ontdekt in een waterkoeltoren in Parijs. Eerder deze maand kondigden Matthias Fischer en Curtis Suttle de ontdekking aan van een tweede virofaag, het mavirus. De reeks van aminozuren komt op veel meer plaatsen op de wereld voor, variërend van de Galápagos Eilanden tot de kist van New Jersey en een zoetwatermeer in Panama. Het lijkt er dus op dat dit type virus wereldwijd voorkomt.
Virofagen kunnen zich alleen in een gastheer voortplanten als deze geïnfecteerd is met een ander virus. Bij de eerst ontdekte virofaag, Sputnik, is dit het reusachtige mamavirus dat amoebes infecteert. Sputnik kaapt het vermenigvuldigingsproces waardoor de amoebe heel veel kopieën van Sputnik in plaats van het mamavirus gaat vervaardigen.
Het nieuwe OLV genoom werd ontdekt binnen de DNA-sequenties van phycodnavirussen (een aan het mama- en mimivirus verwante groep grote virussen die algen infecteren). Naar nu blijkt, houdt OLV het aantal phycodnavirussen in het meertje onder controle, zodat algen zich vaker tot bloei kunnen ontwikkelen.
De ontdekking van deze nieuwe groep virussen kan mogelijk helpen om virusziekten als herpes, hepatitis en AIDS te bestrijden. Latente virussen, die zich verborgen houden in een cel, zijn gevreesd. Mogelijk kan met deze nieuwe klasse virussen na enige genetische manipulatie eindelijk af worden gerekend met deze groep.
Cyanobacteriën hanteren een slimme truc om beter kooldioxide te kunnen vangen. Onderzoekers willen deze truc nu overnemen in gewassen. Naar verwachting zal op deze manier de oogst een kwart tot dertig procent hoger komen te liggen. Voedseltekorten zijn dan voor even voorbij. Nu maar hopen dat dit gen niet overslaat op wilde planten en er superonkruiden ontstaan, zoals al eerder gebeurd is…
De CO2-hongersnood
CO2-haters, opgelet. Sinds honderden miljoenen jaren geleden grote hoeveelheden planten het kooldioxide uit de lucht vingen en dit uiteindelijk in de vorm van steenkool ondergronds werd opgeslagen, heerst er CO2-hongersnood in het plantenrijk.
Planten zoals maïs moeten hun uiterste best doen om voldoende CO2 uit de lucht te trekken.
De condities de laatste twintig miljoen jaar zijn zelfs slechter dan ooit voor planten. Een kwart van alle stikstof en de helft van alle bladeiwitten in een plant bestaat uit maar één eiwitenzym: rubisco, dat als enige taak heeft kooldioxide te vangen.
Planten doen dat niet voor niets. Een vervelende eigenschap van rubisco is namelijk dat het enzym bijna even graag zuurstof bindt als kooldioxide. Na een mutatie heeft planten-rubisco nu meer affiniteit voor CO2 dan voor zuurstof, maar is veel langzamer geworden. De reden voor de absurd hoge hoeveelheden van dit enzym:alleen zo produceren planten voldoende snel suikers uit zonlicht.
Bestaande strategieën
Planten kennen naast de ‘standaard’ C3-fotosynthese, twee technieken om meer kooldioxide te kunnen vangen: C4-fotosynthese en CAM-metabolisme. C4-planten vangen eerst met een efficiënter enzym CO2 en transporteren dit vervolgens naar een cel met rubisco. CAM-planten leggen ’s nachts (als er weinig water verdampt) CO2 vast om dit overdag de CO2 via rubisco te verwerken. Beide technieken kosten vanwege de extra tussenstap veel energie: alleen in hete klimaten komen veel C4-planten (veel grasachtigen zoals mais) en CAM-planten (zoals cactussen) voor.
De carboxysomen-techniek
Toen de eerste landplanten zich tot oerwouden ontwikkelden en massaal CO2 uit de lucht slurpten, betekende dat ook voor andere organismen die van fotosynthese leefden, zoals cyaanbacteriën (blauwalgen) kooldioxide-gebrek.
Blauwgroene algen overleven de CO2-hongersnood door CO2 op te slaan als carbonaat.
Deze groep organismen ontwikkelden andere trucs: het vastleggen van CO2 in carbonaten. Dit gebeurt door het enzym carbonaat anhydrase in carboxysomen, ‘zakjes’ in cyanobacteriën met deze gespecialiseerde deeltaak waar CO naar binnen wordt gepompt. Daardoor heersen in carboxysomen duizend maal hogere CO2 concentraties en konden ze toch nog met de oorspronkelijke, snelle versie van rubisco blijven werken.
Onderzoekers proberen nu deze carboxysomen in te bouwen in planten. Lukt alleen de eerste stap al: het inbouwen van de carboxysomale CO2-pomp in chloroplasten, dan kunnen planten al zo’n vijftien tot vijfentwintig procent sneller groeien, verwachten de onderzoekers. Een ambitieuzer doel is het dupliceren van het complete carboxysoom (plus de snellere vorm van rubisco) in planten. Dit zou de opbrengst in theorie nog veel groter maken, omdat de CO2-concentratie in de chloroplasten (de bladgroenkorrels, waar de fotosynthese plaatsvindt) dan nog verder stijgt. Misschien dat de oogsten dan zelfs verdubbelen.
Stikstofbinding
Planten hebben grote hoeveelheden stikstof nodig. Weliswaar bestaat viervijfde van de lucht uit stikstof, maar alleen bepaalde bacteriën kunnen hier voor planten opneembare nitraten en ammoniumzouten van maken. De reden dat peulvruchten en andere vlinderbloemigen wortelknolletjes ontwikkelen. Onderzoekers willen daarom het vermogen om stikstof te binden rechtstreeks in de bladgroenkorrels van planten inbouwen. Niet de meest voor de hand liggende plaats, want bladgroenkorrels produceren immers zuurstof en zuurstof ‘vergiftigt’ het enzym dat de luchtstikstof omzet. Vandaar dat wordt gewerkt aan een techniek die het stikstofbindingsproces alleen aanschakelt op plekken in de plant zonder zonlicht – de wortels. Ook hier geldt dat dit de opbrengst van gewassen enorm zal doen laten stijgen en de milieuvervuilende effecten van stikstofbemesting – de stank door het uitrijden van drijfmest, om een voorbeeld te noemen – opheft.
Gevolgen
Het verdubbelen van de landbouwproductie heeft onmiskenbaar enorme voordelen: zo komt er voorlopig een einde aan het toenemende voedselgebrek en kan er marginale landbouwgrond uit productie waardoor er grotere natuurgebieden kunnen komen.
Er zijn ook enkele ernstige nadelen. Stel dat één of meerdere van deze genen in verwante wilde gewassen terecht komen – zo groeit de wilde verwant van maïs, teosinte, in Mexico en kruist hier gemakkelijk mee. Verspreidt het gen zich naar een wilde plant, dan hebben we te kampen met een onkruid dat twee keer zo snel groeit als andere planten en in zijn eigen stikstof voorziet. Een dergelijk snelgroeiende plant heeft ecologisch gezien enorm sterke voordelen. Hij zal de concurrerende planten wegvagen en oerwouden van onuitroeibaar onkruid vormen. Ook weten we niet of deze planten eetbaar zullen zijn. We hebben per slot van rekening weinig ervaring met cyanobacteriën als voedingsmiddel: alleen de alg Spirulina wordt veel gegeten. Laten we maar hopen dat deze onderzoekers hun huiswerk beter doen dan degenen die het insektendodende Bt-eiwit in transgene planten inbouwden…
Volgens de Gaia-hypothese van James Lovelock vormt de aardse biosfeer een superorganisme, Gaia, dat de leefomstandigheden op aarde optimaal probeert te houden. Niet iedereen is het eens met dit weldadige beeld. Volgens paleontoloog Peter Ward is Moeder Natuur een suïcidale sadiste die om de honderd miljoen jaar een poging doet om alles wat uit meer dan één cel bestaat te vergiftigen: de Medea-hypothese, genoemd naar de mythologische Griekse tovenares Medea die haar eigen kinderen vermoordde. Wie heeft er gelijk? Of is er een betere hypothese?
De Gaia-hypothese in het kort Volgens de theorie van atmosferisch chemicus en uitvinder James Lovelock (de ontdekker van de verwoesting van de ozonlaag door CFK’s) is ons ecosysteem een stabiel systeem dat, net als een levend organisme, er altijd naar streeft een optimale evenwichtstoestand te bereiken. Stijgt bijvoorbeeld het kooldioxidegehalte in de lucht teveel, dan zullen planten en algen harder groeien en hierdoor de kooldioxide opnemen.
Welkom op de lieflijke planeet Madeliefjeswereld, waar het evenwicht tussen witte en zwarte madeliefjes de temperatuur binnen de perken houdt.
Hij bedacht een simpel model, Madeliefjeswereld (Daisy World), waarmee hij aantoonde dat op zich volkomen normale ecologische processen toch een inwendige thermostaat in een ecosysteem konden inbouwen.
Op Madeliefjeswereld komen maar twee soorten planten voor: witte en zwarte madeliefjes. Zwarte madeliefjes maken efficiënt gebruik van zonlicht en doen het daarom goed bij lage temperaturen. Witte madeliefjes beschermen zichzelf tegen teveel zonlicht door dit te reflecteren en doen het daarom goed bij hoge temperaturen.
Als de zon van Madeliefjeswereld heter wordt, krijgen witte madeliefjes een ecologisch voordeel. Er komen daarom dan veel meer witte madeliefjes, waardoor Madeliefjeswereld meer licht gaat weerkaatsen en de temperatuur weer daalt. Andersom: daalt de hoeveelheid zonneschijn, dan krijgen de zwarte madeliefjes de overhand – en wordt meer licht geabsorbeerd, wat Madeliefjeswereld warmer maakt.
Kortom: de concurrentie tussen witte en zwarte madeliefjes houdt Madeliefjeswereld leefbaar. Uiteraard kent ook dit systeem zijn grenzen: is de hele planeet bedekt met witte of zwarte madeliefjes, dan zal een verdere stijging of daling van de temperatuur leiden tot het uitsterven van alle madeliefjes. Lovelock waarschuwt hier ook voor.
Op aarde komen er volgens Lovelock vergelijkbare processen voor. De oceaanstromen en waterhuishouding vormen volgens Lovelock de bloedsomloop van de aarde. De organismen van de aarde houden de planeet in evenwicht en als mensen een andere planeet terraformeren, is dat slechts een methode van Gaia om zichzelf te vermenigvuldigen.
Volgens Lovelock en andere aanhangers van de Gaia-hypothese is het leven de reden dat hier op aarde nog vloeibaar water voorkomt en leefbare omstandigheden heersen, terwijl onze zusterplaneet Venus een kokende hel is en Mars een bevroren woestijn. Hij denkt dat als wij mensen doorgaan met het verwoesten van de biosfeer, Gaia terug zal slaan en vernietigende ziekten of natuurrampen op ons af zal sturen om af te rekenen met deze gevaarlijke plaag.
De Medeahypothese: Moeder Aarde als gestoorde kindermoordenaar Niet iedereen is het eens met Lovelocks spirituele visie op de aardse biosfeer. Volgens paleontoloog Peter Ward zijn er in de lange geschiedenis van de aarde meerdere catastrofes aan te wijzen die direct werden veroorzaakt door het leven zelf: de Medea Hypothese.
Medea vermoordde haar twee zoontjes om wraak te nemen op haar overspelige echtgenoot Iason.
In het Precambrium, het tijdvak vanaf het ontstaan van de aarde (4600 miljoen jaar geleden) tot zeshonderd miljoen jaar geleden, bestond de atmosfeer van de aarde voornamelijk uit het broeikasgas kooldioxide. Dit hield de planeet warm in de tijd dat de zon nog niet zoveel kracht had. Na het ontstaan van leven dat leefde van kooldioxide en zonlicht daalde het CO2 gehalte drastisch. Het resultaat: een vernietigende ijstijd waarin de hele planeet werd bedekt met honderden meters dik ijs. Dit gebeurde minstens twee keer: tijdens het Huronian, 2,7 miljard jaar geleden en later, tijdens het Cryogeen (790–630 miljoen jaar geleden).
Ook enkele latere uitsterfgolven waren volgens Ward het resultaat van biologische processen. Zo waren er vijf gevallen waarin het leven vergiftigd werd door zwavelwaterstof (o.a. de grootste uitsterfgolf ooit van 251 miljoen jaar geleden).
Gevecht tussen Gaia en Medusa Misschien is een iets ingewikkelder model beter. Er bestaan op aarde eigenlijk twee ecosystemen: een anaeroob, zuurstofarm milieu zoals op de vroegste aarde waarin het leven is ontstaan en ons huidige, zuurstofrijke milieu dat het grootste deel van de aarde, enkele zuurstofloze poelen en spleten uitgezonderd, beheerst.
We zouden onze zuurstofwereld Gaia kunnen noemen en de voor ons onleefbare wereld van methaan, zwavelsulfide en kooldioxide Medusa. Waarschijnlijk denkt een anaerobe levensvorm heel anders over die naamgeving en de grote uitsterfgolf die de overgang naar een zuurstofwereld inluidde, maar had hij dan zelf maar moeten evolueren tot intelligent wezen.
Ook zou hij Medusa, een slangachtig monster, waarschijnlijk aardiger hebben gevonden dan de mensachtige godheid Gaia: de meeste meercellige anaerobe dieren zien er uit als wormen of kwalletjes.
Gewoonlijk wint Gaia, het jongere zusje van Medusa. Fotosynthese produceert grote hoeveelheden voedsel en energie voor het ecosysteem. Medusa moet het doen met vulkanisme, chemosynthese en spontaan ontstane voor bacteriën eetbare moleculen. Deze energiebronnen leveren maar een miezerig bestaan op: 98% van alle energie op aarde wordt geleverd door de zon. Geen wonder dat Medusa zich moet verstoppen in de diepzee en diepe, onherbergzame spleten, waar het ecosysteem het overigens goed doet. In feite zit er onder de aarde waarschijnlijk zelfs meer biomassa dan daarboven: rotsbewonende, anaerobe eencelligen zoals archaeae en andere extremofielen.
Medusa, een monster met een slangenhoofd, geschilderd door Carvaggio.
Het succes van Gaia betekent ook haar ondergang. Wordt Medusa gevoerd met grote hoeveelheden voedsel (dode planten en dieren), dan schuift de grens tussen Medusa en Gaia naar boven tot bij de zeeoppervlakte. Er komen bij de anaerobe afbraak in de diepzee grote hoeveelheden kooldioxide, methaan en giftige zwavelwaterstof vrij. Dat laatste gas verstikt het grootste deel van het Gaiaanse leven in zee en op het land, wat ook weer anaeroob wordt afgebroken en zo Medusa verder laten groeien.
Echter: Gaia slaat terug. Groene planten hebben geen zuurstof nodig maar zijn dol op kooldioxide. Ze stoten grote hoeveelheden zuurstof uit die korte metten maken met de giftige gassen in het zeewater (er zit zoveel zuurstof in de lucht dat zelfs de afbraak van alle biomassa die nog niet kan vernietigen). Medusa trekt zich weer mokkend terug diep onder de zeespiegel. De weinige overlevenden van Gaia koloniseren het opengevallen land.
Elke grote uitsterfgolf betekent gewoonlijk weer een spurt voor de evolutie. Zo was de voorouder van de dinosauriërs één van de weinige overlevenden van de Grote Uitsterfgolf. Pas toen de dino’s het loodje legden kregen zoogdieren en vogels de kans zich te ontwikkelen tot een groot aantal soorten.
