De allerdiepste vraag van de biologie

Ergens diep onder onze voeten moet een geheimzinnige levensvorm huizen waarvan al het meercellige leven afstamt. Een Nederlandse microbioloog is hem op het spoor. Wat hij ontdekt, haalt volledig overhoop wie we dachten te zijn.

Dus zo ziet de onderwereld eruit. Volslagen donker. Verpletterend. En heet, met temperaturen tot boven de 100 graden. Voedsel of zuurstof is hier niet; hooguit sist er wat vulkaangas omhoog vanuit de diepte, of sijpelt er wat grondwater naar beneden, een weggelekte herinnering aan de levendige waterwereld die zich honderden meters hoger bevindt.

Dit is de wereld waar Loki, Odin en Thor zich op hun gemak voelen. Als je wat van het broeierige spul van deze diepte omhoog zou halen, en je zou het zorgvuldig onder de microscoop bestuderen, zou je ze misschien tegenkomen: minuscule, onbeduidende kleine balletjes en staafjes en golfjes, alleen te herkennen omdat ze er zo regelmatig gevormd uitzien. Kleiner dan een stofje, veel kleiner zelfs dan een cel van ons lichaam. Stel ze bloot aan zuurstof en ze zouden sterven, als een ouwe vampier in zonlicht; leg ze in een badje voedingsstoffen en soms vertikken ze het om te eten.

Toch zijn dit de Ouden. Omdat stofwisseling diep onder de grond extreem langzaam gaat, leefden sommige van deze eenzame cellen hier al toen de mens nog niet eens bestond. Neem de buitengewone ontdekking die Japanse wetenschappers aan boord van een onderzoeksschip vorige zomer deden in de Stille Oceaan. In bodemmonsters van tweeënhalve kilometer ónder de zeebodem vonden ze restjes van een vergaan bos uit de diepe prehistorie - én actieve microben. Het oerbos was al tientallen miljoenen jaren geleden gestorven; de microben waren er gewoon blijven leven.

Oud zijn de wezens op nog een andere manier. Steeds meer aanwijzingen vinden wetenschappers dat ergens in deze duistere, zuurstofloze onderwereld het enigmatische wezen huist waarnaar microbiologen al vele jaren zoeken. Een oervorm van leven, die microbiologen kennen als 'LECA', voor 'laatste gemeenschappelijke voorouder van de eukaryoten'. De stamvader van alles met een celkern.

En het is een Nederlander die hem op het spoor is. Thijs Ettema heet die Nederlander, een vriendelijke dertiger met een rond gezicht en een Brabantse g, die tien jaar geleden vanuit Wageningen vertrok naar Uppsala, hoog aan de kust van Zweden. Hij skypet met een haperende verbinding vanaf het platteland; een pratende wolk pixels op het beeldscherm die nu en dan wegvalt en een paar keer geschrokken opzij kijkt: sorry , er viel hier een plak sneeuw van het dak.

'Het grote probleem', zegt Ettema, 'is dat we nog steeds niet snappen hoe het complexe leven is ontstaan. Je hebt de simpele cellen: de bacteriën en de archaea. En je hebt de complexe cellen, de eukaryote cellen, waaruit mensen, planten, dieren, schimmels enzovoorts zijn opgebouwd. En daartussenin zit eigenlijk niets. De grote vraag is hoe die overgang heeft plaatsgevonden.'

Derde domein

Want het een moet van het ander afstammen. Zo'n twee miljard jaar lang - grofweg de helft van de tijd dat er leven is op aarde - bestond het aardse leven uitsluitend uit simpele microben genaamd prokaryoten ('vóór de celkern'). Een microbiële oerwereld, verdeeld over twee domeinen van leven: de archaea en de bacteriën, uit elkaar te houden doordat ze genetisch totaal verschillend in elkaar steken.

En toen, zo'n 2 miljard jaar geleden, ontstond er opeens nóg een microbe. Een derde domein. Dat waren de eukaryoten, zoals ze kwamen te heten: wezens 'mét een celkern'. Zij zouden de bouwsteentjes worden waarvan al het meercellige leven is gebouwd, van de bomen in het bos tot de schimmels op de grond, en van de koralen in zee tot de mensen op straat. Bekijk wat menselijk weefsel onder de microscoop, en die hokjes, dat zijn ze: aan elkaar gegroeide eukaryoten.

Rare jongens, die eukaryoten. Hun cellen zijn tientallen tot honderden keren groter dan de bacteriën en de archaea, en zijn volgepropt met allerlei onderdelen, zoals energiecentrales, doolhofjes, blaasjes en natuurlijk de celkern, een soort cel-in-de-cel waarin het dna zit. Ziedaar het raadsel in volle omvang: de wereld van de simpele cellen heeft iets enorm ingewikkelds gebaard. Alsof je in een middeleeuws dorp tussen de houten karren opeens een Ferrari ziet staan.

Beeld Arno Bosma

Inmiddels snappen biologen dat de eukaryote cel in elk geval deels is ontstaan door samensmelting van verschillende microben. Zo waren de bladgroenkorrels van planten ooit zelfstandig levende bacteriën, net als de 'mitochondriën', de energiecentrales in de dierlijke cel. Ergens diep in de prehistorie moeten ze de cel zijn binnengeglipt, en daar wonen ze nu nog steeds.

Maar waarín precies? Wie of wat was de geheimzinnige oergastheer waarin ze hun intrek namen? Ook een bacterie? Genetisch gezien lijken onze cellen meer op de archaea. Maar onze enzymen en celmembranen - de 'hardware' - lijken weer meer op die van een bacterie. Zijn we soms gemaakt van iets totaal anders? Een nog onbekende microbe? Of zijn we het product van een unieke samensmelting uit de oertijd, half archaeon en half bacterie?

Ziedaar 'de allerdiepste nog openstaande vraag van de biologie', zoals de Canadese microbioloog John Archibald onlangs noteerde in een stand-van-zakenartikel voor vakgenoten. 'De kwestie hoe eukaryoten zijn ontstaan is nog net zo prangend als toen we hem meer dan vijftig jaar geleden voor het eerst stelden. Een van de grote uitdagingen van de moderne biologie.'

Tussenvorm

En toen was daar Thijs Ettema.

Een schokgolf trok door de biologie, toen Ettema's onderzoeksgroep vorig jaar opeens een compleet nieuwe groep archaea beschreef, die zowaar trekjes van een eukaryoot bleek te hebben. Een tussenvorm. Een middeleeuwse handkar, maar wel met lichtmetalen velgen en rubberbanden, zeg maar. Lokiarchaeota, noemde Ettema de microben - roepnaam Loki.

Vernoemd naar de vindplaats 'Loki's Kasteel', een ijskoud stuk diepzee bij Spitsbergen waar vulkanische schoorstenen lauwwarme organische soep de oceaan in pompen, vertelt Ettema. Maar toepasselijk is de naam ook. 'In de Scandinavische mythologie is die Loki een beetje een ambivalent figuur. En dat is onze microbe ook. Echt een missing link, een levend fossiel. Hij hoort gewoon tot de archaea. Maar hij heeft wel een aantal genen die typerend zijn voor eukaryoten.'

En een nog grotere knaller is in aantocht. Behalve Loki vond het team nog een trits andere nieuwe archaea, 'zijn broertjes en zusjes eigenlijk', zegt Ettema. Op de details wil hij niet te diep ingaan omdat de officiële wetenschappelijke publicatie nog komt, maar dat hij iets te pakken heeft dat nog meer lijkt op een Ferrari, staat buiten kijf.

'Eukaryoten hebben allerlei structuren binnenin die heel belangrijk zijn bij het transport van eiwitten en andere stoffen in de cel. En in die nieuwe archaea hebben we nu genetische aanwijzingen gevonden dat zulke onderdelen daar ook aanwezig zijn. Dat is evolutionair een zeer belangrijke stap, het ontstaan van al die membraanstructuren in de cel.'

Het zou gaan om voorlopers van bobbeltjes en hokjes die in de biologieboeken staan als het 'endoplasmatisch reticulum' en het 'Golgi-apparaat'. Typisch structuren waarvan men altijd dacht dat ze een innovatie van de eukaryoten zijn. Maar als archaea ze ook hebben, zou dat de bacteriën op achterstand zetten. Zoals Ettema vorige maand noteerde in een commentaar in Nature: het lijkt erop dat sommige archaea wel degelijk 'een zekere cellulaire complexiteit' ontwikkelden, als springplank op weg naar het Ferrari-stadium.

De consequenties zijn heftig en diepzinnig. Het zou betekenen dat de cellen waaruit ons lichaam is opgebouwd helemaal niet zo bijzonder zijn. Gewoon archaea uit de zeemodder, maar dan met wat extra spullen erin. Geen geheimzinnige overgangsmicrobe, en eerlijk gezegd geeneens een eigen 'domein' in de stamboom van het leven waard, vindt Ettema. 'Eukaryoten zijn op een rare manier tot stand gekomen. Maar ze zijn gewoon een vertakking binnen de archaea. Steeds meer evolutiebiologen beginnen dit te beseffen.'

Beeld Arno Bosma

Speld in een hooiberg

Het is ook altijd weer wat, met die wetenschappers. Galileo toonde aan dat de aarde niet het middelpunt is van het zonnestelsel, Darwin liet zien dat de mens niet het middelpunt is van de schepping. En nu zou ook onze tak van leven opeens geen hoofdcategorie meer zijn - maar gewoon een zijtak, een afgeleide van de archaea.

Niet iedereen zal daarin zomaar meegaan, zo valt te verwachten. 'Wat mij betreft is de afstamming van archaea slechts deel van het model', zegt John van der Oost, hoogleraar microbiologie in Wageningen en ooit Ettema's promotor. 'Het model dat mij het meest aanspreekt voor het ontstaan van de eerste eukaryote cel is een fusie van een archaeon en een bacterie.' Vooral de membranen en enzymen van de eukaryote cel herinneren aan die bacteriële herkomst, stelt hij.

Een ander probleem, schrijft Archibald, 'is het gebrek aan gekweekte vertegenwoordigers van Loki en zijn verwanten', Want, raar maar waar, een levende Loki-archaeon hebben Ettema en zijn team nog nooit gezien. In de wereld van de ondergrondse microben draait het nu eenmaal niet om dieren die je kunt bekijken door een verrekijker zoals in de bovengrondse biologie, maar om genetica. Vang een hap grond, maal hem tot pulp, en kijk of er stukjes dna in zitten die je nog niet kent. Puzzel die vervolgens aan elkaar zoals je een in snippers geknipt boek aan elkaar zou puzzelen, en je hebt als het goed is de volledige dna-volgorde van de microbe in kwestie te pakken.

Maar de microbe zelf heb je dan nog niet gezien, beseft ook Ettema. En dus is hij voorzichtig: 'We vinden wel deze genen, maar of ze de bijbehorende structuren ook echt hebben, weet je dan nog niet helemaal zeker.' De komende jaren zal daarin verandering komen, hoopt hij. 'Maar de haken en ogen zijn aanzienlijk.' Zo zitten de Loki's op lastig bereikbare plekken, gaan ze dood bij blootstelling aan zuurstof en zijn ze nauwelijks te onderscheiden van andere, levenloze microscopische korreltjes. 'Het is dus echt zoeken naar een speld in een hooiberg.'

Het is speculatie, benadrukt Ettema, maar onderhand heeft hij wel een 'ruw, persoonlijk idee' hoe het kan zijn gegaan. Het zal zo'n 2,3 miljard jaar geleden zijn gebeurd, denkt hij, toen de aarde nog een rotsachtige, kale planeet was. In die dagen werd het vreedzame wereldje van de celkernloze prokaryoten opgeschrikt door een verschrikkelijke chemische ramp: in de dampkring begon zich steeds meer zuurstof op te hopen.

Zuurstof! Puur vergif, als je een nietige, kleine microbe bent die koolmonoxide of methaandamp ademt. Zo verdween veel van het microbiële leven voorgoed onder de grond en in de modder, waar het opgelucht kan ademhalen. (Daar zitten ze nog steeds.)

Alleen sommige Loki-achtige archaea zullen dapper hebben standgehouden, vermoedt Ettema. 'Zuurstof biedt immers ook de mogelijkheid om een efficiëntere stofwisseling te krijgen. Ik denk dat cellen die doorkregen hoe je van zuurstof je vriend kunt maken toen heel succesvol zijn geworden.'

In de honderden miljoenen jaren die volgden, ontwikkelde LECA zich gestaag verder. Misschien leerde hij andere microben opeten, denkt Ettema. Misschien was dat de reden dat hij op een gegeven moment een celkern kreeg: 'Het zou kunnen dat hij inwendig een barrière nodig had, om zijn dna af te schermen voor het genetisch materiaal dat hij opat.'

Zo werden de eukaryoten gaandeweg groter en geavanceerder - tot ze begonnen samen te klitten, tot slijmplakken, tot zeewormen, tot trilobieten, tot beenvissen, tot landdieren, tot dinosauriërs, tot apen, tot mensen.

Het leven struikelde over zijn eigen benen - en bevolkte prompt de planeet.

'Uiteindelijk gaat dit natuurlijk om het besef: waar komen we eigenlijk vandaan?', zegt de wolk pixels in het Skype-venstertje. 'Die grote, diepe vraag, die de mensheid altijd heeft beziggehouden. En ik denk dat we richting een antwoord gaan.'

Zit u wel goed in uw vel? 

Een merkwaardig en diepzinnig raadsel: eukaryoten (de cellen waarvan u bent gemaakt) lijken op archaea, maar hebben een celmembraan dat afkomstig lijkt van de bacteriën, een heel andere microbe. Hebben eukaryoten soms het jasje van de bacterie ingepikt?

'De kwestie heeft me altijd beziggehouden', zegt de Wageningse microbioloog John van der Oost. 'Puur voor de grap' is hij daarom een experiment begonnen: hij probeert een bacterie een ander velletje te geven. 'We proberen een soort hybride cel te maken. Een archae-bacterie', zegt hij. 'Het zou heel spectaculair zijn als het lukt.'

Thijs Ettema denkt dat de kwestie eenvoudiger ligt. De door hem ontdekte Loki-archaea hebben een interessant detail: ze missen een van de belangrijkste genen voor het maken van een typisch 'archaea-jasje'. 'Dat geeft al aan dat er variatie in zit. Ik sluit niet uit dat we over vijf jaar zeggen: dat alle bacteriën een celmembraan zús zouden hebben en alle archaea een celmembraan zó, was gebaseerd op een misverstand.'

Ze zijn met véél

Omdat ondergrondse microben tot enkele kilometers diep overleven, is hun leefgebied enorm. Er zijn er volgens de schattingen dan ook een stuk of

3.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000

('kwintiljoen', met dertig nullen er achter). In gewicht is dat zo'n 10 tot 30 procent van alle levende biomassa op aarde - olifanten meegerekend.

Ze eten raar

De microben zijn voor hun levensonderhoud aangewezen op omhoog wellende gassen uit het binnenste van de aarde, zoals koolmonoxide, methaan, waterstofsulfide en zwavelverbindingen en eventuele aminozuren en suikers die omlaag sijpelen via grondwater. En o ja, ze eten elkaars afval.

Ze hebben gekke namen

De bacteriën en archaea hebben, naar biologisch gebruik, lange Latijnse namen, soms met een knipoog naar de onderwereld:

Gemmata obscuriglobus, Pyrococcus abyssi, Hadesarchaea.

Als verzamelnaam gebruiken experts soms afkortingen: SAGMEG ('South African Gold Mine Euryarchaeotic Group'), DSAG ('Deep Sea Archaeal Group') of TACK (optelsom van de Thaumarchaea, Aigarchaea, Crenarchaea en de Korarchaea).

Je moet ze leren kennen

Van alle soorten microben is naar schatting slechts een paar tot minder dan één procent bekend. 'Ieder micro-organisme dat je isoleert, is haast per definitie een nieuwe soort', zegt de Wageningse hoogleraar microbiologie Fons Stams. Wie weet wat voor boeiende en nuttige microben we nog niet kennen: zo is Stams op zoek naar microben die 'toevallig' grondstoffen voor bioplastics maken. 'De potentie van de microbiële wereld is enorm.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.