De microben doen iets, wat onderzoekers tot voor kort onmogelijk achtten.

Het is 2012. Een student van onderzoeker Lars Peter Nielsen kijkt naar de modder die Nielsen twee jaar daarvoor uit een Deense baai heeft meegenomen. Toen kon Nielsen nog niet verklaren wat hij had gevonden. Door de Deense modder bleek namelijk een heel raster van elektrische stromen te lopen. Hoe was dat mogelijk? Nu heeft zijn student het antwoord: er bevindt zich in de modder een nog onontdekte soort bacterie. De bacteriën hechten zich aan elkaar tot lange, dunne “kabels”. Die kabels transporteerden elektronen.

Kabelbacteriën
Het was de ontdekking van de kabelbacteriën.
 En die bacteriën bleken niet alleen in de baai te leven. Ze werden gevonden in sedimenten over de hele wereld, in zowel zoet als zout water. Ze kunnen leven in het bed van een rivier tot de bodem van de zee, als het sediment maar zuurstofarm is. En het zuurstofarme sediment zit er vol mee. 
“In één kubieke centimeter sediment bevinden zich soms wel kilometers aan kabelbacteriën,” vertelt Jack Middelburg van de Universiteit Utrecht tijdens een college. “Individuele cellen hechten zich aan elkaar en vormen zo een lange kabel. Die is wel centimeters lang, terwijl de cellen zelf maar een paar micrometer groot zijn.”


“Voor nu denken wetenschappers dat kabelbacteriën zich op het grensvlak bevinden van eencelligen en complexere, hogere levensvormen, zoals sponzen, bomen, slakken, en mensen”

Meercellig

Ook vertelt Middelburg over één van de mysteries waarmee de ontdekkers geconfronteerd werden: zijn kabelbacteriën ééncellige of meercellige wezens? 
Om geclassificeerd te worden als ‘meercellig’ moet het organisme voldoen aan een aantal eisen: de cellen moeten aan elkaar vast blijven zitten, ze moeten onderling kunnen communiceren, ze moeten aparte taken hebben en niet allemaal hetzelfde doen, en ze moeten afhankelijk zijn van elkaar. Als niet aan deze vier eisen is voldaan, is de kabel niet één organisme, maar gewoon een kolonie.

 We weten nog niet of kabelbacteriën aan al die eisen voldoen. Voor nu denken wetenschappers dat kabelbacteriën zich op het grensvlak bevinden van eencelligen en complexere, hogere levensvormen, zoals sponzen, bomen, slakken, en mensen. Kabelbacteriën bieden daarom misschien een kans om te onderzoeken hoe het eerste meercellige leven is ontstaan, iets wat meer dan 500 miljoen jaar geleden gebeurde. 
Maar daarvoor moeten we eerst weten hoe de kabelbacteriën precies werken. Vandaag de dag zijn veel wetenschappers bezig met het ontrafelen van dat mysterie. Want wat kabelbacteriën doen, is werkelijk uniek. Ze transporteren elektronen van onder in het sediment naar boven toe, en halen daar hun energie uit om van te leven.



Hier zie je de kabelbacteriën tussen het sediment. Naar schatting kan een theelepel zuurstofarme modder in totaal makkelijk één kilometer van deze levende elektriciteitskabels herbergen. Afbeelding: Jie Song & Nils Risgaard-Petersen.

Intensieve samenwerking

In het sediment waar de kabelbacteriën leven, bevindt zich veel sulfiet, een zwavelverbinding. Veel bacteriën in de sedimenten kunnen het sulfiet omzetten in een andere zwavelverbinding: sulfaat. Bij dat proces komen elektronen vrij. Als die elektronen vervolgens worden opgenomen door zuurstofmoleculen, ontstaat daarbij water en energie. Voor de kabelbacteriën is er alleen één probleem: sulfiet en zuurstof komen in zuurstofarm sediment nooit op dezelfde locatie voor. Alleen het bovenste laagje van het sediment bevat zuurstof. Het sulfiet bevind zich wel zeven centimeter dieper. Maar de kabelbacteriën hebben een oplossing, zo vertelt Lars Peter Nielsen in een persbericht van de Aarhus Universiteit. “Net zoals elk van onze cellen, zetten de kabelbacteriën voedsel om door elektronen door te geven aan zuurstof en zo energie te verkrijgen. Dankzij hun kabels kunnen de bacteriën dit via duizenden cellen – die samen afstanden van enkele centimeters kunnen overbruggen – doen.” De kabel die gevormd wordt door de aan elkaar hechtende cellen loopt namelijk verticaal door het sediment, zodat de onderste cellen zich in het gedeelte bevinden waar sulfiet aanwezig is. Die cellen zetten het sulfiet om in sulfaat. De vrijgekomen elektronen worden door de middelste cellen helemaal naar boven getransporteerd, en daar, helemaal bovenaan de kabel, bevindt zich zuurstof. De bovenste cellen maken gebruik van de elektronen die de onderste cellen hen sturen om dat zuurstof om te zetten in water en energie. En ziedaar: de kabelbacterie kan overleven. 
Het blijkt dus mogelijk om de twee reacties van elkaar te scheiden en er toch energie uit te krijgen, door elektronen over een afstand van meerdere centimeters te vervoeren. Hoe de kabelbacteriën dat precies doen, is nog onduidelijk. En er zijn wel meer onbeantwoorde vragen. Hoe wordt de energie bijvoorbeeld verdeeld over de cellen? En wat is het effect van kabelbacteriën op hun omgeving?



Wat het antwoord op die vragen ook is, de ontdekking van kabelbacteriën was, en is nog steeds, een spannende gebeurtenis in de wetenschappelijke wereld. In een schijnbaar saaie schep sediment blijken organismen te zitten die werken als elektriciteitskabels, iets wat vroeger als erg onwaarschijnlijk werd beschouwd. Het bewijst dat er nog zoveel over microben is dat we nog niet weten, en dat ze misschien wel veel meer in hun mars hebben dan meestal wordt gedacht. Voor dat inzicht mogen we de kabelbacteriën dankbaar zijn.

Imke Smeets (1996) is masterstudent Earth, Life and Climate aan de Universiteit Utrecht, volgt daarnaast vakken in wetenschapscommunicatie- en educatie en heeft een passie voor presenteren en schrijven, zowel academisch als creatief. Zo is ze de auteur van de boekenserie ‘Als De Maan Breekt’. Naast haar passie voor klimaatwetenschap is ze erg enthousiast over paleontologie,filosofie en geschiedenis.