Kiezelwieren: de ‘power house’ van onze planeet

Onderzoekers vertellen: Kiezelwieren: de ‘power house’ van onze planeet

Verborgen tussen zandkorreltjes, vastgehecht op waterplanten of zwevend in de waterkolom: dit is waar we kiezelwieren terugvinden. Ze zijn microscopisch klein en goudbruin van kleur, bestaan uit één enkele cel, en leven in een skeletje gemaakt van amorf glas. Ondanks hun kleine afmetingen zijn kiezelwieren de ‘power house’ van onze planeet: ze zijn van enorm ecologisch belang dankzij hun cruciale rol in de globale nutriëntenkringloop en primaire productie. Zo produceren kiezelwieren 20% van alle zuurstof. Dit is meer dan alle regenwouden tezamen! Kiezelwieren zijn bovendien de meest diverse groep algen ter wereld: wetenschappers hebben reeds enkele tienduizenden soorten beschreven, en het totaal aantal soorten kiezelwieren wordt zelfs op meer dan honderdduizend geschat. Ondanks hun enorme relevantie zijn onze inzichten in de diversiteit, evolutie, en soortvorming van kiezelwieren zeer beperkt. Immers, het overgrote deel van het diversiteitsonderzoek focust op organismen die zichtbaar zijn met het blote oog, zoals dieren en planten. Hier wilde ik in mijn doctoraat verandering in brengen.

Doorheen mijn doctoraatsonderzoek bestudeerde ik de biogeografie van kiezelwieren. Biogeografie is een wetenschappelijke discipline die als doel heeft de rol van historische factoren in biodiversiteitspatronen te begrijpen. Deze informatie kan dan aangewend worden om te voorspellen hoe de biodiversiteit in de toekomst zal reageren op de voorspelde klimaatveranderingen. Om de biogeografie van kiezelwieren te bestuderen combineerde ik een brede waaier aan technieken: van microscopisch onderzoek van fossielen in sedimentafzettingen, tot analyses van omgevingsDNA en het opkweken van levende cellen in het labo.

Bodembewonende kiezelwieren: vele malen diverser en unieker dan gedacht

Het eerste deel van mijn doctoraat focuste op Pinnularia borealis, een bodembewonend kiezelwier. Pinnularia borealis komt op elk continent voor, van Antarctica tot Afrika, waar het leeft in en op bodems en mossen. De kans is groot dat u, zonder het te weten, reeds in aanraking bent gekomen met P. borealis. Dit kiezelwier vertoeft namelijk graag tussen straatstenen, in mos in dakgoten, op wandelpaden, en zelfs in groentetuinen. Oorspronkelijk werd aangenomen dat P. borealis slechts één enkele soort betrof die wereldwijd voorkwam. Dit idee was gebaseerd op het feit dat de cellen van P. borealis van verschillende regio’s morfologisch zeer sterk op elkaar lijken. Zo’n brede verspreidingspatronen werden als zeer typisch beschouwd voor micro-organismen: door hun kleine afmetingen en grote populaties zouden micro-organismen zich namelijk veel verder kunnen verspreiden door wind en waterstromingen dan macro-organismen zoals dieren en planten die veel beperkte verspreidingspatronen vertonen. Zo komen Afrikaanse olifanten enkel voor in Afrika, terwijl kiezelwiersoorten op elk continent kunnen voorkomen. Althans, dit is wat men dacht. In mijn doctoraat besloot ik om deze hypothese te testen.

Ik verzamelde meer dan 1500 stalen van bodems en mossen van over de hele wereld: van Antarctica tot het Noordpoolgebied. Vervolgens werd elk staal uitvoerig onderzocht onder een microscoop op de aanwezigheid van P. borealis. Wanneer ik levende P. borealis cellen observeerde, gebruikte ik een naald en een micropipet om individuele cellen te isoleren. Omdat kiezelwieren vegetatief kunnen delen werd één cel al snel twee, vier, acht, …: deze exponentiële groei zorgde ervoor dat ik al snel miljoenen cellen in cultuur had. In totaal startte ik meer dan 800 cellijnen van P. borealis op van over de hele wereld. Elk van deze cellijnen werd vervolgens genetisch onderzocht: DNA werd geëxtraheerd en vergeleken tussen cellijnen.

Het resultaat? Pinnularia borealis is niet één soort, maar een complex van meer dan 120 soorten die zo morfologische zo sterk op elkaar gelijken dat we ze moeilijk tot niet van elkaar kunnen onderscheiden onder de microscoop, maar die genetisch wél sterk verschillen. Bovendien bleek al snel dat de meeste van deze soorten helemaal geen wereldwijde verspreidingspatronen vertoonden. Terwijl sommige soorten wel degelijk op verschillende continenten voorkomen, bleken de meeste soorten zeer beperkte verspreidingspatronen te vertonen. Zo zijn er soorten die we enkel terugvinden in Antarctica, terwijl anderen typisch zijn voor Europa, Australië of Noord-Amerika. Op basis van dit onderzoek concludeerde ik dat bodembewonende kiezelwieren vele malen diverser en unieker zijn dan tot nu toe werd aangenomen! 

Een massale uitstervingsgolf door klimaatveranderingen in Antarctica

Voor het tweede deel van mijn doctoraatsonderzoek verdiepte ik me in de impact van klimaatveranderingen op kiezelwieren in Antarctica. Lange tijd veronderstelden wetenschappers namelijk dat micro-organismen omwille van hun wijde verspreidingspatronen veel minder beïnvloed worden door klimaatveranderingen dan soorten van planten en dieren die vaak in zeer beperkte regio’s voorkomen. Nadat uit mijn onderzoek bleek dat veel kiezelwiersoorten helemaal geen brede verspreidingspatronen vertoonden, vroeg ik me af of kiezelwieren wel degelijk gevoelig zijn voor klimaatveranderingen.

Om deze vraag te beantwoorden onderzocht ik fossielen van Antarctische kiezelwieren uit 14-15 miljoen jaar oude sedimenten. Tijdens het Vroeg-Mioceen, zo’n twintig miljoen jaar geleden, had Antarctica een gematigd tot subpolair klimaat. Het continent was grotendeels bedekt met toendravegetatie en uitgestrekte wouden. Gletsjers vond je enkel op de hoogstgelegen gebieden. Deze situatie veranderde abrupt toen veertien miljoen jaar geleden het continent snel begon af te koelen: in slechts 220.000 jaar tijd daalde de gemiddelde zomertemperatuur in Antarctica met 8 °C! Hoewel we de oorzaak van deze klimaatverandering nog steeds niet goed begrijpen, had deze situatie verregaande gevolgen voor de aanwezige fauna en flora. De ijskappen breidden zich uit over Antarctica, en planten en dieren stierven massaal uit. Dit was het einde van de wouden in Antarctica.

Maar wat gebeurde er met de Antarctische kiezelwieren? Uit mijn analyses bleek dat als gevolg van de Miocene afkoeling, zo’n 14 miljoen jaar geleden, honderden soorten kiezelwieren uitstierven. Vandaag komen er vele malen minder soorten kiezelwieren voor in Antarctica dan tijdens het Vroeg-Mioceen. Bovendien bleek dat de Miocene kiezelwieren flora grote gelijkenissen vertoonde met soortenrijke flora’s die momenteel voorkomen in warmere gebieden in het zuidelijk halfrond, zoals Zuid-Amerika, Australië, en Nieuw-Zeeland.

Blik naar de toekomst

Uit mijn onderzoek bleek dat aangezien veel kiezelwiersoorten geen brede verspreidingspatronen vertonen, ze zeer gevoelig zijn voor grote klimaatveranderingen, zoals die in Mioceen Antarctica. Zulke omgevingsveranderingen kunnen dramatische gevolgen voor kiezelwiersoorten, en kunnen leiden tot grootschalige uitstervingsgolven. Aangezien micro-organismen een cruciale rol spelen in het gezond functioneren van ecosystemen wereldwijd, is het zeer belangrijk om de impact van een veranderend klimaat en milieu op hun diversiteit beter te leren begrijpen. Zo kunnen we de lange-termijn effecten van de huidige, door de mens veroorzaakte, klimaatopwarming beter inschatten.

Referenties 

Pinseel E., Van de Vijver B., Wolfe A.P., Harper M., Antoniades D., Ashworth A.C., Ector L., Lewis A.R., Perren B., Hodgson D.A., Sabbe K., Verleyen E., Vyverman W. Extinction of austral diatoms in response to large-scale climate dynamics in Antarctica. Science Advances 7: eabh3233.

Pinseel E., Janssens S.B., Verleyen E., Vanormelingen P., Kohler T.J., Biersma E.M., Sabbe K., Van de Vijver B. & Vyverman W. (2020) Global radiation in a rare biosphere soil diatom. Nature Communications 11: 2382. 

Verleyen E., Van de Vijver B., Tytgat B., Pinseel E., Hodgson D.A., Kopalová K., Chown S.L., Van Ranst E., Imura S., Kudoh S., Van Nieuwenhuyze W., ANTDIAT consortium, Sabbe K. & Vyverman W. (2021) Diatoms define a novel freshwater biogeography of the Antarctic. Ecography 44: 548-560