How cyborg soil reveals the secret microbial metropolis beneath our feet

Schep een theelepel uit je dichtstbijzijnde kluit aarde, en wat je tevoorschijn haalt zal meer micro-organismen bevatten dan er mensen op aarde zijn. Dit weten we dankzij laboratoriumstudies die monsters van aarde analyseren, opgegraven uit de microbiële wildernis om te bepalen welke vormen van microscopisch leven er bestaan in de wereld onder onze voeten.

Het probleem is dat dergelijke studies ons eigenlijk niet kunnen vertellen hoe dit ondergrondse koninkrijk van schimmels, flagellaten en amoeben in de grond functioneert. Omdat ze het verwijderen van grond uit zijn omgeving met zich meebrengen, vernietigen deze studies de delicate structuren van modder, water en lucht waarin de bodemmicroben leven.

Dit bracht mijn lab ertoe een manier te ontwikkelen om deze ondergrondse werkers, die onmisbaar zijn in hun rol als recycleerders van organisch materiaal, te bespioneren zonder hun microhabitats te verstoren.

Ons onderzoek onthulde de donkere, vochtige steden waarin bodemmicroben leven. We vonden doolhoven van kleine snelwegen, wolkenkrabbers, bruggen en rivieren die door micro-organismen worden gebruikt om voedsel te vinden, of om te voorkomen dat ze iemands volgende maaltijd worden. Dit nieuwe inzicht in wat er ondergronds gebeurt, zou ons kunnen helpen om de steeds meer beschadigde bodems van de aarde beter te waarderen en te behouden.

In ons onderzoek hebben we een nieuw soort "cyborggrond" ontwikkeld, die half natuurlijk en half kunstmatig is. Het bestaat uit micro-ontworpen chips die we ofwel in het wild begroeven, of omringden met aarde in het lab voor voldoende tijd zodat de microbiële steden konden ontstaan in de modder.

De chips fungeren letterlijk als ramen naar de ondergrond. Een transparant stukje in de verder ondoorzichtige grond, de chip is gesneden om de poriestructuren van echte grond na te bootsen, die vaak vreemd en contra-intuïtief zijn op de schaal waarop microben ze ervaren.

Verschillende natuurkundige wetten worden dominant op microschaal in vergelijking met waar we aan gewend zijn in onze macrowereld. Water kleeft aan oppervlakken, en rustende bacteriën worden heen en weer geduwd door de beweging van watermoleculen. Luchtbellen vormen onoverkomelijke barrières voor veel micro-organismen, vanwege de oppervlaktespanning van het water eromheen.

Toen we onze eerste chips opgroeven, werden we geconfronteerd met de volledige variëteit aan eencellige organismen, aaltjes, kleine geleedpotigen en soorten bacteriën die in onze bodems voorkomen. Schimmelhyfen, die zich als plantenwortels ondergronds boren, waren snel gegroeid in de diepten van onze cyborg-bodemporiën, waardoor een directe levende verbinding ontstond tussen de echte bodem en onze chips.

Dit betekende dat we een fenomeen konden bestuderen dat alleen uit laboratoriumstudies bekend was: de “schimmel-snelwegen” waarlangs bacteriën “meeliften” om zich door de bodem te verspreiden. Bacteriën verspreiden zich meestal via water, dus door sommige van onze chips met lucht te vullen, konden we observeren hoe bacteriën zich smokkelden naar nieuwe poriën door de tastende armen van schimmelhyfen te volgen.

Onverwacht vonden we ook een groot aantal protisten – raadselachtige eencellige organismen die noch dier, noch plant of schimmel zijn – in de ruimtes rond de hyfen. Blijkbaar liften ook zij mee op de schimmel-snelweg – een tot nu toe volledig onontdekt fenomeen.

Omdat we enkele honderden mogelijke paden binnen onze cyborg-bodemchips hebben onderzocht, waaronder enkele duizenden individuele porieruimtes, konden we ook kwantificeren dat dit vaak gebeurde. Dit toont aan dat hyfen een belangrijke vector moeten zijn voor de verspreiding van een grote verscheidenheid aan zwemmende micro-organismen, waardoor ze een belangrijk voordeel krijgen bij het zoeken naar voedsel in ondergrondse micro-steden.

In ons onderzoek wilden we ook onderzoeken hoe en met welke middelen microbiële steden worden ontworpen. Een manier om dit te doen was door te observeren hoe bodemmineralen hun weg vonden naar onze chips, waardoor zakjes van echte bodemruimte ontstonden binnen de kunstmatige structuren die we in de grond hadden geplaatst.

Terwijl onze chips begonnen te drogen, zagen we hoe water door bodemporiën werd gezogen: een tsunami van waterbewegingen waaraan bodemmicro-organismen regelmatig worden blootgesteld als regen en zonneschijn knoeien met hun kleine werelden. De resulterende patronen in de bodemmineralen leken precies op een rivierbeddingssysteem in onze macrowereld.

En het zijn niet alleen fysische krachten die de leefomgeving van bodemmicroben vormgeven. Met hun sterke hyfenuiteinden fungeren schimmels vaak als "ecosysteemingenieurs", waarbij ze doorgangen openen en andere blokkeren met hun cellen. Ze zijn verantwoordelijk voor veel van de straten, lanen en bruggen in de microbiële metropool.

Verassender nog vonden we dat andere, minder "sterke" organismen ook de microscopische structuur van bodems veranderen. Een trilhaar, bijvoorbeeld, dat kleine haarachtige uitsteeksels bezit voor voortbeweging, kan ook grond omploegen met zijn krachtige zoektocht naar voedsel.

Ons cyborg-bodemonderzoek helpt uiteindelijk veldecologie te verbinden met gecontroleerde laboratoriumstudies. Het combineert de voordelen van het bestuderen van realistische, complexe gemeenschappen van bodemorganismen, terwijl tegelijkertijd factoren zoals voedingsstoffentoevoer of temperatuur zorgvuldig worden gecontroleerd en aangepast, zodat we kunnen zien hoe bodems en hun microben reageren op veranderingen boven de grond.

Maar er is nog een voordeel. Wij geloven dat het observeren van de verborgen wereld van bodems en hun intrigerende bewoners mensen emotioneel kan betrekken bij dit vitale ecosysteem. Andere ecosystemen hebben al lang charismatische dieren om natuurbehoudsinitiatieven te vertegenwoordigen. Bodems daarentegen worden nog steeds geassocieerd met vuil en vuilheid. Toch ondersteunen bodems 95% van onze voedselproductie. Ze slaan meer dan twee keer de hoeveelheid koolstof op dan de biosfeer en atmosfeer samen.

We willen laten zien dat wanneer je je theelepel in de aarde steekt, je de bovenste lagen van een spannende geheime metropool opgraaft waarin een kwart van de soorten op aarde leeft. De schattige organismen in je lepel zijn niet vies: ze leveren stilletjes vitale ecosysteemdiensten die al het leven boven de grond ondersteunen. Deze bewoners van de bodemstad hebben dringend betere bescherming nodig.

Geschreven door Edith Hammer, universitair docent, Afdeling Biologie, Lunds Universiteit. Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.