Onderzoek
Onderzoek uitgelicht: aquatisch ecoloog Jasper de Goeij
Het raadsel van het rif: waar blijft alle vastgelegde energie van het meest productieve ecosysteem op aarde? IBED-onderzoeker Jasper de Goeij vond tijdens zijn promotieonderzoek het antwoord en gaf er zijn wetenschappelijke carrière een vliegende start mee.
De Goeij is net terug van een veldwerktrip naar Curaçao. Gewapend met een laptop vol nieuwe foto’s van sponzen vertelt hij over zijn onderzoek. ‘Koralen en algen op het rif leggen door middel van fotosynthese energie uit zonlicht vast in biomassa. Maar je kan uitrekenen dat de helft van die vastgelegde energie weer weglekt in de vorm van in het water opgeloste stoffen als suikers en aminozuren. De grote vraag was: waarheen?'
Bacteriën
Uit eerdere studies was al gebleken dat de energie wellicht "verdween" in onderwatergrotten, vertelt De Goeij. Die grotten, soms niet groter dan enkele liters, bevatten allerlei soorten organismen, maar vooral sponzen. ‘Daar bestaan vijftienduizend verschillende soorten van; van badsponzen, kokersponzen tot sponzen die groeien in plakkaten van maar een paar millimeter dik.’ De Goeijs veronderstelling dat de sponzen een groot deel van de opgeloste voedingsstoffen opnamen, werd aanvankelijk weinig welwillend ontvangen door collega-onderzoekers. ‘Op een congres werd mijn idee met scepsis ontvangen. Iedereen was ervan overtuigd dat bacteriën verantwoordelijk waren; het was nooit aangetoond hoe andere soorten opgeloste stoffen konden opnemen in de hoeveelheden en snelheden die wij vonden. Maar ik had al getest hoeveel voedingsstoffen bacteriën kunnen verwerken, en dat bleek te weinig te zijn om een aannemelijke verklaring te vormen voor het energievraagstuk.’
De Goeijs sponzen bleken dat wel: met gelabeld voedsel wist hij te bewijzen dat grote hoeveelheden voedingsstoffen uit het rif in de sponzen terechtkwamen. De nieuwe vraag was nu alleen: waar gebruiken sponzen al die energie voor? De Goeij rekende uit dat de hoeveelheden energie die de sponzen aan de aanmaak van nieuwe cellen besteden zou betekenen dat de sponzen elke drie dagen in omvang moeten verdubbelen. ‘Sponzen kúnnen wel heel snel groeien. Ik heb wel eens een kunstmatige grot gebouwd, die was in zes maanden helemaal vol met sponzen. Maar daarna is er gewoon nauwelijks nog plek om te groeien.’
Sponzenpoep
Het geheim van het enorme energieverbruik bleek te schuilen in het filtersysteem van de spons. Op zijn laptop laat De Goeij foto’s zien van een paarse spons in de vorm van een ster. Aders pompen water de spons in, wijst hij aan. Door kraters stroomt het er vervolgens weer uit. Op een doorsnee van de spons is goed te zien hoeveel filtercellen de spons bevat, waarmee hij zijn voedsel uit het water haalt. De filtercellen blijken sneller te delen dan welk ander celtype ook in een meercellig organisme, aldus De Goeij. ‘In een halve dag heeft een spons zijn volledige filtersysteem vervangen.’
Met die snelle deling beschermt het dier zich tegen mogelijke schade, denkt De Goeij. ‘Een spons pompt per dag honderden liters water door zijn lichaam heen. Een milliliter zeewater bevat een miljoen bacteriën en tien miljoen virusdeeltjes. Voordat een spons daar ziek van wordt, heeft hij zijn filtercellen alweer vervangen. Hij wordt dus niet groter, maar wel oud.’
Met een kleuring voor nieuwgevormd DNA bewees De Goeij de razendsnelle vorming van nieuwe filtercellen. Hij rekende uit dat sponzen per dag ongeveer een derde van hun lichaamsgewicht aan oude filtercellen afstoten.
Op microscopische opnamen van dwarsdoorsneden van sponzen zijn de afgestoten cellen zichtbaar, wijst De Goeij. ‘Ik dacht eerst dat die kleine puntjes artefacten waren, maar ze zitten echt in elk kanaal.’ Hij klikt door naar foto’s van hele sponzen. ‘Hier zie je de oude cellen als bruine uitscheiding rond de kraters. Het is als het ware de poep van de spons. Als je sponzen kweekt, moet je ze elke dag schoonmaken.’
De uitwerpselen van sponzen hebben ook hun nut. Vissen en andere riforganismen zouden zich er bijvoorbeeld mee kunnen voeden – de opgeloste suikers en aminozuren die de spons opneemt zijn voor die dieren niet bruikbaar. De Goeij: ‘Op die manier vervullen sponzen een hele belangrijke rol in voedselkringlopen. De vraag is nu of andere sponzen deze functie ook vervullen. In de Amsterdamse grachten leven bijvoorbeeld ook sponzen: werken die ook zo?’
De Goeij onderzocht tot dusverre vooral sponzen uit het Caraïbisch gebied. Komende zomer wil hij sponzen opduiken uit de Middellandse Zee, waar in tegenstelling tot de tropen wel seizoenen zijn. Ook sponzen uit mangroven heeft hij nog niet onderzocht.
Aquarium
Deze zomer begint ook de bouw van een ingewikkeld aquariumsysteem waarin De Goeij en andere IBED-onderzoekers hun zoet- en zoutwatersoorten gaan kweken. Sponzenkweek is geen sinecure, aldus De Goeij. ‘Als je een spons in een aquarium stopt kan hij de volgende dag zomaar dood zijn. We moeten de kinetiek van sponzen eerst nog veel beter leren begrijpen.’ Zo is de waterflow enorm belangrijk: veel stroming, maar geen luchtbelletjes in het water. De Goeij laat het water vele malen harder stromen dan gebruikelijk in aquaria. ‘Ik zit nu op 3 liter per minuut en dat moet nog verder omhoog. In een grot van 100 liter is al het water in 3 tot 6 minuten vervangen.’ In proefopstellingen op Curaçao is De Goeij er inmiddels in geslaagd sponzen zes maanden in leven te houden. ‘Wij kunnen een heel scala sponzen in leven houden, en daarbij groeien ze ook nog.’
Om meer van sponzen te begrijpen, wil De Goeij onder meer onderzoeken welke cellen betrokken zijn bij de drie groeivormen van de spons: groei, de stabiele fase en herstel na beschadiging. Ook wil hij weten welke factoren – licht, temperatuur, voedsel – van belang zijn bij de overgangen tussen die fases. In een ander experiment snijdt De Goeij stukken van sponzen weg, om vervolgens het teruggroeien te bestuderen. ‘Is zo’n spons één organisme? Communiceren verschillende sponzen met elkaar?’
Darmmodel
De kennis die dit soort onderzoek oplevert, moet uiteindelijk leiden tot een hele rits toepassingen. Zo zijn medici geïnteresseerd in de spons als diermodel voor darmen. ‘De manier waarop sponzen zichzelf vernieuwen is vergelijkbaar met darmen: die gooien ook geregeld hun epitheelcellen eruit. Een spons als model voor een darm zou meer mogelijkheden bieden dan een celsysteem, maar tegelijkertijd is het veel simpeler dan een heel proefdier kweken.’ Toepassingen voor onderzoek naar bijvoorbeeld het ontstaan van darmkanker en heling van wonden liggen in het verschiet.
Ook kunnen sponzen nuttig zijn als biofilters, denkt De Goeij. Ze halen namelijk niet alleen opgeloste deeltjes uit het water, ze kunnen ook zeer efficient micro-organismen, zoals bacteriën, en virsudeeltjes opnemen. Hetzelfde kan gelden voor zware metalen, arseen bijvoorbeeld, of olieresten. Samen met de Wageningse onderzoeker Ronald Osinga is De Goeij het bedrijf Porifarma begonnen. Dat neemt het begrijpen van het koraalrif ecosysteem als concept voor toekomstige productie van stoffen: het is een van de meest productieve ecosystemen ter wereld en produceert netto geen afval. Met Porifarma concentreren de twee zich op mogelijke toepassingen van de vergaarde kennis over sponzen. ‘Kijk, ik ben in hart en nieren wetenschapper. Maar ik vind dat er iets mee moet gebeuren. Er is zo weinig geld beschikbaar en daardoor kun je als wetenschapper vaak niet doen wat je wil doen. Met Porifarma hopen we duurzame en nuttige concepten te bedenken en daar geld mee te verdienen. Dat willen we investeren in fundamenteel onderzoek door topwetenschappers. Mensen die goed zijn in wetenschap moet je geen geld laten werven. Je moet ze laten excelleren in waar ze goed in zijn: wetenschap bedrijven. Wij hopen ze dat te laten doen.’
Winst
Het zal zeker vijf jaar duren voor het bedrijf winstgevend zal zijn, schat De Goeij in: producten zijn er nog niet op de markt. In de tussentijd zal hij onder meer afhankelijk zijn van subsidies. In november 2010 kende NWO De Goeij een Veni toe. Die dankt hij mede aan de media-aandacht die zijn onderzoek heeft getrokken, vermoedt hij. ‘Het artikel over celdelingonderzoek was het laatste onderdeel van mijn promotie en is verschenen in het Journal of Experimental Biology. Dat blad besteedde er extra aandacht aan in zijn rubriek Inside JEB. Vervolgens hebben ook Nature en Science erover geschreven in hun nieuwsrubrieken, zelfs BBC World heeft het opgepikt. Ik heb niet als andere onderzoekers veel gepubliceerd in topbladen, maar mensen worden wel geboeid door mijn verhaal.’
Hij klikt nog wat sponzenfoto’s aan op zijn laptopscherm. Enthousiast: ‘Prachtig, kijk die felle kleuren. Ik heb drie jaar achter een bureau gezeten voor ik toekwam aan dit veldwerkproject. Dit blijf ik het leukst vinden: onder water zijn, de vissen zien. Dat is het voorrecht van het werk dat ik doe.’