Alles
nl
Rond de jaarwisseling zendt Noorderlicht Radio een serie Nieuwjaarslezingen uit over drie verschillende onderwerpen. De lezingen zijn voor een live-publiek opgenomen in de Sterrenwacht Sonnenborgh in Utrecht. Na afloop van de lezing geven de sprekers antwoord op vragen uit de zaal. In deze tweede lezing vertelt Wiel Hoekstra, Emeritus hoogleraar Algemene Microbiologie, over het geheim van de bacterie. Hieronder staat de volledige tekst van de lezing. ----- De eeuwige bacterie Er zijn twee indringende vragen die de mensen zich voortdurend stellen. De eerste vraag gaat over het ontstaan van het leven op aarde. De tweede vraag die de mensen bezighoudt, zeker na het werk van Charles Darwin, betreft de ontwikkeling van het leven dat eertijds is ontstaan. Die vraag dus over de evolutie van alles wat leeft. In natuurwetenschappelijke kringen veronderstelt men dat het leven op onze planeet zijn oorsprong heeft in het min of meer toevallig ontstaan van een bijzonder reactieproduct in de oersoep, een plastische aanduiding voor het grote chemische reactievat dat de aarde van miljarden jaren her was. De hierboven geschetste en veronderstelde voorloper van de levende cel is van de aardbodem verdwenen waardoor een echt bewijs voor de gepostuleerde ontstaansgeschiedenis van het leven nooit geleverd zal kunnen worden. Niet verdwenen en nog steeds zeer prominent onder ons aanwezig zijn de bacteriën, waarvan men veronderstelt dat ze in de wordingsgeschiedenis van het leven op aarde een van de eerste opvolgers waren van de geschetste primitieve voorloper. In de rest van mijn betoog zal ik het hebben over de bacterie als oudst bekende aardbewoner en daarbij vooral stilstaan bij de vraag hoe het mogelijk is dat deze toch simpele levensvorm zo nadrukkelijk een stempel heeft gedrukt op de aardse geschiedenis. Het is niet onlogisch, maar nadrukkelijk niet echt bewezen, dat bacteriën – waarschijnlijk sterk verwant aan de Cyanobacteriën die we nu nog vinden - al meer dan 3,5 miljard jaar geleden op onze aardbodem aanwezig waren. Hoe dan ook, de bacteriën zijn de oudst bekende bewoners van onze planeet en staan aan de voet van de boom van het leven of zoals algemeen aangeduid aan de voet van de “tree of life”. Het onderzoek aan bacteriën is nog betrekkelijk jong. Het is immers nog maar drie en een halve eeuw geleden dat Antonie van Leeuwenhoek het bestaan van bacteriën ontdekte. Sinds die tijd is veel kennis over bacteriën verzameld, maar desalniettemin is onze kennis nog steeds enigermate beperkt. Vandaag wil ik de schijnwerper richten op een groep bacteriën die wel bekend is maar die nog niet uitputtend bestudeerd is. Het gaat om bacteriën die gezien worden als pioniers, als wegbereiders zo u wil, voor het leven op aarde. Die bacteriesoorten zijn bekend onder de verzamelnaam “extremofielen”. Tot de extromofielen behoren behalve bacteriën ook micro-organismen die sterk op bacteriën lijken en die men aanduidt als de Archea. Extromofielen, het woord zegt het al, voelen zich prettig onder leefcondities die wij als extreem beschouwen. Ga maar na: zou u willen - laat staan kunnen- leven bij temperaturen van boven de honderd graden of bij temperaturen van om en nabij het vriespunt? Zou u onder een druk van meerdere atmosferen kunnen leven, zou u een vis laten zwemmen in water dat verzadigd is met zout, acht u het mogelijk dat in zwavelzuuroplossing of in een loogoplossing leven kan gedijen? Uw antwoord op die vragen is, denk ik, ondubbelzinnig ontkennend. U herkent al die omstandigheden als te buitenissig ja zelfs als schadelijk voor het leven. U bent er zich ongetwijfeld van bewust dat kooktemperatuur, koel- en vrieskou, hoge zuurgraad, hoge zoutconcentraties en loogoplossingen juist gebruikt worden om levend materiaal, inclusief dat van de gangbare bacteriën die ons omringen, te doden of de lust tot groei tot ontnemen. Genoemde extreme condities zijn immers vaak de basis voor sterilisatie- en conservatiemethoden. Het mag dus als een betrekkelijke verrassing gelden dat er micro-organismen zijn zoals bepaalde bacteriesoorten en de Archea die juist onder deze extreme omstandigheden gedijen. Zulke bacteriesoorten zijn voor het laboratorium onderzoek lastige klanten omdat ze veelal moeilijk kweekbaar zijn. De extremofielen, hoe interessant ook, behoren dus niet tot de micro-organismen die we heel goed kennen in hun doen en laten. Maar het staat vast dat we in de toekomst uit het onderzoek aan juist deze micro-organismen veel zullen leren over de grenzen van het leven. De extremofielen bacteriën, die wij in onze directe leefomgeving niet ontmoeten, overschrijden dus de van oudsher veronderstelde grenzen voor het leven Het feit dat ze bestaan - je kunt ze isoleren in de opspuitende geisers in IJsland en het Yellowstone Park, je vindt ze in de Dode Zee of diep in de zeebodem en in zoutlagen - is heel betekenisvol in het licht van de geschiedenis van het leven op aarde. Hoewel we niet weten hoe de toestand van de primitieve aarde eertijds precies was, zijn er voldoende aanwijzingen dat de extreme condities van temperaturen, en andere hierboven genoemde uitzonderlijke fysische condities overheerst hebben. De extremofiele micro-organismen zouden heel wel de aartsvaders van het leven op aarde kunnen representeren, omdat uitsluitend zij in de grimmige en onherbergzame oude aarde hebben kunnen functioneren. Het is misschien een grote stap in dit verhaal, maar het is plausibel dat de extromofielen de loper hebben uitgelegd voor de latere levensvormen op de aarde die gaandeweg meer herbergzaam werd. Elke bacteriecel functioneert als een kleine chemische fabriek. Er worden door de bacterie grondstoffen verbruikt om nieuw celmateriaal te bouwen en daarbij worden allerlei afvalproducten in het milieu uitgescheiden. Als gevolg van al die activiteiten neemt het aantal cellen door deling enorm toe en wordt er biomassa gevormd. Bacteriën drukten van oudsher door al die biochemische activiteiten een nadrukkelijk stempel op hun omgeving. Onder hun invloed verandert gaandeweg de omgeving waarin ze leven. In die oude wereld die zich ook in geologische zin omvormde hebben bacteriën en met name de extremofielen, zeker op een langere termijn, hun steentje bijgedragen tot veranderingen van het milieu en dus de leefcondities op aarde. Mede daardoor, denkt men, kwam er gaandeweg steeds meer ruimte voor andere levensvormen. Allerlei bacteriesoorten die zich later ontwikkelden vormden door hun bijzondere fysiologische activiteiten essentiële schakels naar het leven zoals we dat nu kennen. Binnen dat leven van nu zijn het trouwens nog steeds vitale schakels, met name door hun rol in de kringloop van de elementen. Heel bekend bijvoorbeeld is de belangrijke rol van de bacteriën in de kringloop van het element stikstof. Zonder bacteriën geen leven op aarde, dat is de simpele maar niet te loochenen conclusie. Ik wil nu nadrukkelijk stilstaan bij de interessante beschouwing die de bekende evolutiebioloog Stephen Jay Gould in zijn boek Life’s Grandeur aan de bacteriën heeft gewijd. Hij heeft ze als de meest succesvolle bewoners van onze planeet geschetst. Als graadmeter voor het succes neemt hij de persistentie door de miljarden jaren heen. Ze waren er lang voordat de mens er was, ze zijn er nog steeds en ze zullen, aldus Gould, er ook nog zijn als de mens al lang niet meer bestaat. Hij rekent in zijn beschouwing af met de populaire opvatting dat de evolutie via toenemende complexiteit leidt tot steeds beter. Als ik mij een kleine zijweg mag veroorloven: wordt een samenleving die alsmaar complexer wordt daardoor een betere en succesvoller samenleving? De vraag stellen is haar beantwoorden denk ik. Maar dit nadrukkelijk terzijde. Hoe kunnen we verklaren dat bacteriën met hun simpele en ongecompliceerde structuur vergeleken met van planten, dier en mens zo succesvol zijn op onze planeet ? Hoe komt het dat ze zich in een voorturende veranderende wereld handhaven in alle uithoeken van onze planeet, diep onder de grond diep in de zeebodem en hoog in de stratosfeer? Er zijn tenminste drie verklaringen die ik elk enigszins zal uitwerken: - allereerst is er de macht van het aantal. - daarnaast is er de kracht van een schier onbegrensd aanpassingsvermogen. - tenslotte is er de macht van de eendracht en samenwerking. De macht van het aantal wordt echt duidelijk als we ons realiseren dat in een schepje tuinaarde, in een milliliter open water en in ons lichaam, bijvoorbeeld in onze darmstelsel, miljoenen tot miljarden bacteriecellen voorkomen. Dat grote aantal, vooral als gevolg van snelle reproductie, betekent dat zeer zeldzame gebeurtenissen, bijvoorbeeld een spontane mutatie in het erfelijk materiaal, in het DNA dus van een bacterie, met een kans van slechts een op honderd miljoen, binnen een gangbare bacteriepopulatie altijd een realiteit zal zijn. Hinderlijke barrières die voor bacteriën worden opgeworpen zijn derhalve voor een bacteriepopulatie nooit onneembaar. Vroeg of laat ontstaat in die populatie door een toevallige mutatie altijd wel een individu dat die hinderpaal kan ontlopen. Laat ik één aansprekend voorbeeld noemen: in onze bestrijding van ziekteverwekkende bacteriën hebben we sinds het midden van de vorige eeuw antibiotica ingezet. Jarenlang met succes, maar op dit moment zien we dat de meeste bacteriën die we willen bestrijden resistent zijn geworden. In elke populatie heeft wel eens een mutatie plaatsgevonden die de bacterie ongevoelig maakte voor bepaalde antibiotica. Gaandeweg gaan die resistente bacteriën onder de selectiedruk die we door het frequent gebruik van antibiotica opwerpen domineren, met alle nadelige gevolgen van dien. Dit voorbeeld illustreert hoe bacteriën door spontane mutaties, met een lage kans op zich, door hun grote populatiedichtheid daadwerkelijk tot snelle aanpassingen in staat zijn. Het aanpassingsvermogen van bacteriën door genetische flexibiliteit is veel groter dan men tot voor kort voor mogelijk hield. Omdat bacteriën zich ongeslachtelijk voortplanten zouden zij minder mogelijkheden hebben tot genetische variatie dan planten en dieren die zich geslachtelijk voortplanten en derhalve naar hartelust genen van de ouders kunnen mixen. De klassieke vaststelling dat bacteriën weinig andere mogelijkheden voor genetische variatie hebben dan door spontane mutaties in hun DNA is onjuist gebleken. Uit allerlei onderzoek van de laatste jaren is overduidelijk gebleken dat bacteriën, ofschoon ongeslachtelijk van aard, in hun natuurlijke leefomgeving DNA afkomstig uit andere micro-organismen kunnen opnemen en tot het hunne maken. Daardoor zijn ze sterk variabel en wordt hun overlevingskans op aarde nog groter. Er zijn bacteriesoorten die stukjes DNA die vrijkomen uit afgestorven bacteriën en andere micro-organismen kunnen opnemen en inbouwen in hun eigen DNA en die zo hun reikwijdte vergroten. Andere bacteriesoorten kunnen door celcontacten te leggen, daar lijkt het dus een beetje op geslachtsverkeer, DNA doorgeven aan partnercellen waardoor die ontvangende bacterie genetisch wordt verrijkt. Voorts is duidelijk geworden dat bacterievirussen soms fungeren als vehikels die DNA van de ene bacterie aan de andere kunnen doorgeven. De genetische flexibiliteit van bacteriën en dus hun vermogen tot aanpassing aan veranderende leefomstandigheden is dus veel groter dan eertijds voor deze ongeslachtelijk levende organismen voor mogelijk werd gehouden. Tenslotte, het klassiek beeld van bacteriën als eencelligen leidt bij veel mensen tot het idee dat ze uitsluitend als individualisten opereren. Dat idee behoeft correctie. De feitelijke situatie is dat bacteriën in de natuur vaak gezamenlijk optrekken en gezamenlijk handelen onder het motto “eendracht maakt macht”. Bacteriecellen in een populatie groeperen zich vaak als een consortium waarbinnen communicatie met behulp van uitgescheiden signaalmoleculen plaatsvindt. Met die signaalmoleculen kunnen ze bijvoorbeeld meten hoe groot de populatie is. Een implicaties daarvan is bijvoorbeeld dat ziekteverwekkende bacteriën vaak pas toeslaan wanneer het hen duidelijk is dat hun aantal toereikend is om de afweer van de gastheer met succes te weerstaan. Zeker zo belangrijk voor het succes van de bacteriën op onze aarde is dat ze, nadat ze het rijk niet meer alleen hadden, ook interacties aangingen met plant, mens en dier. Interacties waarbij de bacterie optreedt als commensaal, als een symbiont of als parasiet, ogenschijnlijk steeds onder het motto “if you can’t beat them join them”. Het raffinement van die interactie is zo indrukwekkend, dat je nauwelijks nog kunt spreken van bacteriën als simpele organismen. Het zijn strategen die hun weerga niet kennen. Wie aan de hand van het door mij – grof geschetste krachten en machten - beeld van bacteriën de wereld aanschouwt, zal kunnen begrijpen waarom Stephen Gould, met de overdrijving die hem eigen was de bacteriën als de meest succesvolle organismen op deze wereld beschreef. Die zal ook billijken dat ik – wat plagerig - in de vriendenboekjes van mijn kleinkinderen eens schreef: Hemel en aarde zullen vergaan Maar bacteriën blijven eeuwig bestaan. Wiel Hoekstra, Emeritus hoogleraar Algemene Microbiologie. ------ BUITEN DE WETENSCHAP: Max van den Berg over de gevolgen van de zeebeving voor India. Max van den Berg, voorzitter PvdA-fractie Europarlement, en voorheen directeur NOVIB, is net terug uit India. Hij was tijdens de Kerstdagen op bezoek bij vrienden in Tamilnadu, een zuidelijke provincie van India. Toen de ramp zich voltrok, had hij net het kustgebied verlaten. Hij zit nu, na zijn landing op Schiphol, in de trein op weg naar Brussel.nl