Sociaal netwerk van plankton in biologische koolstofpomp blootgelegd

10 februari 2016

De oceanen vormen het grootste koolstofreservoir van onze planeet. Het netwerk van plankton dat een rol speelt in dit koolstofreservoir vertoont gelijkenissen met een sociaal netwerk. Het is beschreven door een interdisciplinair team van oceanografen, biologen en informatici, voornamelijk van het CNRS, de UPMC, de universiteit van Nantes, VIB, het EMBL en het CEA. We krijgen zo voor het eerst een totaalbeeld van het netwerk van diverse organismen betrokken bij de biologische koolstofpomp van de oceaan. Daarbij kwamen enkele nieuwe spelers aan het licht en werden de belangrijkste bacteriële functies in dit proces in kaart gebracht. Dit totaalbeeld kwam tot stand na de analyse van waterstalen genomen tijdens de Tara Oceans-expeditie in gebieden arm aan voedingsstoffen, die het grootste deel van de oceanen uitmaken. De wetenschappers hebben tevens aangetoond dat de variabiliteit van de CO2-export naar de diepzee voorspeld kan worden door te kijken naar de aanwezigheid van een klein aantal bacteriële en virale genen. Dankzij deze ontdekkingen zal het team onder meer kunnen nagaan hoe goed dit netwerk bestand is tegen klimaatverstoringen en wat de gevolgen zijn voor de biologische koolstofpomp. Dit werk, gepubliceerd op 10 februari 2016 op de website van het vakblad Nature, onderstreept het belang van plankton als onderdeel van de klimaatmachine.

Samuel Chaffron (VIB/KU Leuven): De Tara oceans expeditie levert interessante resultaten op. Het verschaft ons fundamenteel nieuwe inzichten in de koolstofpomp van de oceaan. Dit is een van de belangrijkste processen op aarde om koolstof uit de koolstofcyclus te halen.

De oceanen vormen het grootste koolstofreservoir van onze planeet, en wel dankzij twee mechanismen: enerzijds de fysische pomp, die oppervlaktewater waarin veel kooldioxide is opgelost neerwaarts transporteert naar dieper gelegen lagen, en zodoende CO2 onttrekt aan de atmosfeer, en anderzijds de biologische pomp. Die laatste bindt koolstof in de weefsels van organismen via fotosynthese, of in de koolzure schelpen van bepaalde micro-organismen. Een deel van de aldus in mariene deeltjes gefixeerde koolstof wordt vervolgens neerwaarts getransporteerd (men spreekt dan van koolstofexport) tot op grote diepte, en daar opgeslagen (men spreekt dan van sekwestratie). De biologische pomp is dus een van de grote biologische processen waarmee koolstof op geologische tijdschalen vastgelegd of gesekwestreerd kan worden.

In dit proces, dat al sinds de jaren 80 uitgebreid wordt bestudeerd, speelt ook plankton een rol. Deze ongezien diverse verzameling microscopische organismen (plankton omvat virussen, bacteriën en zowel een- als meercellige eukaryoten ) produceert de helft van alle zuurstof op aarde, en vormt de basis van de mariene voedselketen, die vissen en zeezoogdieren voedt. Tal van studies hebben aangetoond dat de intensiteit van de biologische pomp rechtstreeks gecorreleerd is met de concentratie van bepaalde planktonsoorten. Toch is nog maar weinig bekend over de precieze organisatie van gemeenschappen van organismen betrokken bij dit koolstofreservoir.

Een interdisciplinair team van biologen, informatici en oceanografen heeft door de analyse van waterstalen genomen tijdens de Tara Oceans-expeditie (2009-2013) licht geworpen op deze planktonsoorten, hun interacties, en hun belangrijkste functies in de biologische pomp in oceaangebieden die bijzonder arm zijn aan nutriënten. Ruim 70% van het oceaanvolume bestaat uit zulke ‘schrale’ zones. De onderzoekers, voornamelijk van het CNRS, de UPMC, de universiteit van Nantes, het VIB, het EMBL en het CEA (zie lijst met laboratoria onderaan) hebben zich gebaseerd op eerdere artikels, gepubliceerd in het vakblad Science op 22 mei 2015, waarin voor het eerst planktoninteracties in kaart werden gebracht . Met behulp van computeranalyses hebben zij het eerste ‘sociaal netwerk van plankton’ beschreven dat een rol speelt bij de koolstofexport naar nutriëntarme zones. Van vele organismen was de betrokkenheid al bekend, zoals van bepaalde fotosynthetiserende algen (met name diatomeeën, ook kiezelwieren genoemd) en Copepoda (microscopische eenoogkreeftjes). Maar van enkele andere micro-organismen, zoals eencellige parasieten, cyanobacteriën en virussen, werd de betrokkenheid bij de koolstofexport tot dusver danig onderschat.

Daarnaast hebben de onderzoekers ook een netwerk van functies in kaart gebracht op basis van de analyse van genen aangetroffen in bacteriën en virussen. Zo hebben ze met behulp van de databank van Tara Oceans kunnen aantonen dat de variabiliteit van de koolstofexport naar de diepzee voor een groot deel voorspeld kan worden door te kijken naar de relatieve concentratie van een klein aantal bacteriële en virale genen. Een deel van deze genen is betrokken bij de fotosynthese en het membraantransport, en bevordert ook onder meer de afbraak en sedimentatie van organisch materiaal. Over de functie van het merendeel van deze genen tast men echter nog in het duister.

Dit inzicht in de structuur van deze netwerken en de functie van genen betrokken bij de koolstofcyclus biedt vele vooruitzichten, zoals de mogelijkheid om biologische processen in de koolstofcyclus diep in de oceanen te modelleren. Zo zou het mogelijk moeten zijn om te testen hoe goed deze netwerken bestand zijn tegen verschillende klimatologische omstandigheden, en om meer inzicht te verkrijgen in de invloed van verschillende planktonsoorten op de koolstofcyclus en de regulering van het klimaat. Een van de volgende doelstellingen is deze studie te herhalen in nutriëntrijke oceaangebieden om de deels blootgelegde planktonnetwerken te vervolledigen en zo de dynamiek ervan op wereldwijde schaal beter te begrijpen.

Wetenschappelijke publicatie



Jeroen Raes - ©VIB
Download HiRes


Samuel Chaffron- ©Mar Aragonès
Download HiRes

 
©CNRS