Je leest:

1.000.000.000.000 soorten microben

1.000.000.000.000 soorten microben

Nieuwe schatting van soortenrijkdom is verbijsterend hoog

Auteur: | 6 mei 2016

Er is al veel onderzoek gedaan naar hoeveel planten- en diersoorten er bestaan. Maar voor bacteriën bestonden nog geen goede schattingen. Op basis van biologische schalingswetten komen twee Amerikaanse onderzoekers nu uit op duizend miljard verschillende soorten eencelligen. Als dit model klopt, betekent het dat 99,999 % van de biodiversiteit nog onbekend is.

Hoe kun je iets weten over wat je niet weet? In de al lang lopende discussie over de biodiversiteit van de aarde staat buiten kijf dat het grootste deel van alle planten- en diersoorten nog niet ontdekt is. Toch zijn er schattingen over hoeveel het er in totaal zijn: tussen de 7,5 en 10 miljoen, waarvan er nu 1,2 miljoen wetenschappelijk beschreven zijn. De schattingen over het aantal schimmels lopen uiteen van 1,2 tot 6 miljoen.

Deze bacteriën worden zichtbaar, doordat ze in grote aantallen te kweken zijn in een bakje met agar (standaard laboratoriumvoedsel voor bacteriën). En nog vormt dat maar het topje van de ijsberg van de microbiële soortenrijkdom die zich in zo’n bakje verschuilt.
wikimedia

Grote diersoorten, zoals zoogdieren, vogels, reptielen en vissen zijn nu bijna allemaal wetenschappelijk beschreven, net als grote bomen en planten, en daar komt maar af en toe nog een nieuwe soort bij. Maar elke keer dat biologen het oerwoud in trekken, komen ze met een weelde aan nieuwe insecten en andere klein gespuis thuis. Ook in de oceanen, die veel minder intensief onderzocht zijn dan het land, gaan ongetwijfeld nog veel onbekende soorten schuil, mogelijk ook heel grote. Naar schatting is nog geen tien procent van de soorten schimmels wetenschappelijk beschreven, en voor bacteriën bestond tot nu toe zelfs geen schatting van het aantal soorten.

Contrast

Twee biologen van de universiteit van Indiana, Kenneth Locey en Jay Lennon, hebben nu voor het eerst een schatting gemaakt hoeveel soorten microben (bacteriën, schimmels en andere eencelligen) er op aarde zijn. Ze komen uit op het verbijsterende aantal van 1.000.000.000.000, duizend miljard soorten.

Als dit getal ongeveer klopt, stelt de hele planten- en dierenwereld qua biodiversiteit niets voor. Ook het contrast met het bekende aantal soorten microben is enorm. Slechts enige duizenden soorten bacteriën kunnen we in het laboratorium opkweken en goed bestuderen. Van enige miljoenen andere soorten microben is het bestaan afgeleid uit DNA- en RNA-analyses van onder meer grond- en zeewatermonsters, waarbij men met een moleculair ‘sleepnet’ zoveel mogelijk losse genen opvist (hoe dat werkt, lees je hier). De overige 99,999 % van alle soorten microben zou dus nog nooit zijn waargenomen.

Anne van Diepeningen van het Centraal bureau voor schimmelcultures in Utrecht doet zelf onderzoek naar de biodiversteit van schimmels: “De laatste jaren zijn we bezig veel complete genoomsequenties te verzamelen van soorten die we niet kunnen kweken, maar wel kunnen isoleren uit een bepaald milieu. Er worden steeds meer extreme milieus bemonsterd en overal vinden we een grote diversiteit aan micro-organismen. Op grond daarvan kunnen we natuurlijk steeds betere schattingen maken van wat er aan diversiteit voor handen is. Maar toch blijft het nog heel lastig om een goede schatting te maken, want om een hele planeet met al haar (micro)milieus te bemonsteren is onmogelijk.”

Het wonderlijke is, dat je met statistische methoden toch vrij goed kunt ‘weten wat je niet weet’. Zo kun je de omvang van een populatie dieren vrij nauwkeurig schatten, ook als je nog geen promille van die dieren werkelijk gezien hebt, en je kunt er zelfs ongerapporteerde oorlogsslachtoffers mee tellen.

De schalingswetten voor soortenrijkdom. Elk bolletje is één telling van exemplaren en soorten in een monster (blauw, microben) of in een ecosysteem (rood, dieren/planten). Horizontaal staat het totaal aantal organismen, verticaal het aantal soorten. Beide schaalverdelingen zijn logaritmisch. Dat wil zeggen: tussen twee streepjes zit telkens een factor tien verschil. Dus bijvoorbeeld van 3 naar 4 neemt het aantal toe van 1.000 naar 10.000, van 5 naar 6 neemt het toe van 100.000 tot 1.000.000, enzovoort. De best passende rechte lijn door de rode en blauwe puntenwolk geeft de formules voor de schalingswetten, bovenin de grafiek.
PNAS/Locey/Lennon

Schalingswetten

Om de omvang van de microbiële soortenrijkdom te schatten, gingen de twee biologen uit van duizenden bestaande datasets met DNA- of RNA-analyses. Het betreft grondmonsters van over de hele wereld, monsters van poep en lichaamsvloeistoffen van mens en dier, van water uit oceanen en meren, of zelfs de smurrie in het afvoerputje van een douchecel. Elk van die datasets levert voor dat ene monster informatie over het totaal aantal microben, het aantal soorten en de verdeling tussen veel voorkomende en de meer zeldzame soorten.

Vervolgens bepaalden de onderzoekers welke schalingswetten voor al die datasets gelden. Een schalingswet is een wiskundige formule die dit type vraag beantwoordt: ‘Als in één gram akkergrond 850 soorten bacteriën voorkomen, hoeveel soorten zitten er dan in tien gram akkergrond?’. Dat zullen er meer dan 850 zijn, maar zeker niet tien keer zo veel. Immers, de meeste soorten zullen wijdverspreid in de grond voorkomen.

De schalingswet voor ‘dominantie’. Horizontaal staat weer het totaal aantal exemplaren, verticaal het aantal exemplaren van de meest voorkomende soort. Als een monster vrijwel uitsluitend één soort microbe bevat (of een ecosysteem maar één dier- of plantensoort), ligt het bolletje tegen de gestippelde grijze lijn aan. De optimale lijnen door de rode, respectievelijk blauwe punten zijn in rood en blauw aangegeven.
PNAS/Locey/Lennon

Een andere biologische schalingswet gaat over de dominantie van de meest voorkomende soort. Als in één gram grond de meest voorkomende bacteriesoort een aandeel van tien procent in het totaal heeft, welk aandeel heeft die dan in tien gram grond? Dat aandeel zal dan iets (maar niet veel) minder dan tien procent zijn.

Vogelsoorten tellen

Zulke schalingswetten zijn eerst ontdekt bij veel grotere dieren. Stel, je kiest in een eilandengroep een klein eilandje uit, waar je heel nauwkeurig de vogelsoorten telt. Het aantal vogelsoorten op elk van de overige eilanden in de groep wordt dan vrij betrouwbaar voorspeld door een schalingswet met de oppervlakte van het eiland als bepalende factor. De vraag is altijd wel, hoe ver de geldigheid van een schalingswet strekt. Als die voor eilandjes in een archipel goed werkt, kun je dan ook het aantal vogelsoorten in heel Groot-Brittannië met diezelfde formule berekenen?

Locey en Lennon wagen die sprong, en stellen dat de schalingswetten voor soortenrijkdom en voor dominantie ook voor de aarde als geheel gelden. De exacte formules voor die schalingswetten leiden ze af uit de beschikbare datasets, die immers afkomstig zijn van monsters met uiteenlopende groottes en soortenrijkdom.

De schalingswet voor dominantie lijkt zelfs voor de aarde als geheel te gelden. Het blokje linksonder komt overeen met de vorige afbeelding. Schattingen voor de aantallen van de meest voorkomende microben liggen op dezelfde optimale lijn.
PNAS/Locey/Lennon

Al die datasets gaan over monsters met een relatief beperkt aantal microben en soorten, bijvoorbeeld een grammetje grond of een half reageerbuisje darminhoud. Er is echter één datapunt dat als een soort baken aan de horizon fungeert: de meest voorkomende microbe op aarde is waarschijnlijk een overal in de oceaan voorkomende bacterie, Prochlorococcus marinus. Daarvan wordt het aantal geschat op 1028, ofwel 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000 exemplaren (al zijn er misschien net weer een paar bij gekomen). Dit aantal komt goed overeen met de voorspelling door de schalingswet voor de dominante microbe in de complete aardse bevolking aan microben, geschat op 1030.

Als je ook de schalingswet voor soortenrijkdom op de hele aarde toepast, volgt hieruit de spectaculaire voorspelling dat er omstreeks 1000 miljard (1012, bij streepje 12 op de verticale schaal) soorten bestaan.
PNAS/Locey/Lennon

Door de schalingswet voor dominantie en die voor soortenrijkdom te combineren, kwamen Locey en Lennon tot hun schatting voor het totaal aantal soorten in diverse grote ecosystemen, zoals de menselijke darm (tussen de 100.000 en 1 miljoen), de oceanen (5 tot 10 miljard) en de hele aarde (ongeveer 1000 miljard).

Skeptisch over opschalen

Deze schattingen zijn veel hoger dan eerdere, die vooral gebaseerd waren op microben die in het lab te kweken zijn of waarvan al een compleet genoom bekend is. Zo dacht men tot nu toe dat de menselijke darm een stuk of duizend soorten bacteriën bevat. Van Diepeningen is dan ook sceptisch over het opschalen van de bekende gegevens naar de complete aarde, en de uitkomsten daarvan: “Met de oude schattingen van enkele miljoenen soorten zitten we natuurlijk veel te laag. Maar duizend miljard soorten? Dat is een aantal waar ik me geen voorstelling van kan maken. Misschien dat de waarheid ergens in het midden ligt.”

Als de schatting van 1000 miljard soorten standhoudt, betekent dit dat de microbiële wereld voorziet in een bijna oneindige genetische diversiteit, waaruit telkens nieuwe verrassingen tevoorschijn kunnen komen.

Bron:

Kenneth Locey & Jay T. Lennon, Scaling laws predict global microbial diversity, Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS (30 maart 2016), DOI:10.1073/pnas 1521291113

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 mei 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.