Bacterieel leven in oude zoutlagen

Bacterieel leven in oude zoutlagen
door: dr. Evert van der Heide,
(Oorspronkelijke publicatie: Creation ex Nihilo Technical Journal 16(2):110–113, 2002)

 

Samenvatting

In veel sedimenten worden levende bacteriën gevonden, evenals bacteriën in slaaptoestand, bekend als sporen. De bacteriën kunnen afgezet zijn tijdens de sedimentatie (autochtone oorsprong), maar dit is vaak moeilijk te bewijzen, omdat de mogelijkheid van later binnendringen in het sediment (allochtone oorsprong) of besmetting van de monsters uitgesloten moet worden. De gepubliceerde ouderdom van de betreffende sedimenten lopen op tot honderden miljoenen jaren.

Levensvatbare sporen, met bewezen autochtone oorsprong, zijn recent verkregen uit water druppeltjes die ingesloten zijn in de Salado zoutlaag (evaporiet) uit het late Perm, in New Mexico (USA). Deze evaporiet wordt gedateerd op 250 miljoen jaar (Ma). Deze ouderdom is echter niet in overeenstemming met bekende vervalsnelheden (dat wil zeggen: de snelheid waarmee het aantal levende of levensvatbare individuen afneemt gedurende de tijd) van bacterieel leven. Integendeel, deze vervalsnelheden geven aan dat de ouderdom van de Salado evaporiet uit het late Perm minder is dan 35.000 jaar.

Schattingen van ouderdom op basis van bacteriële vervalsnelheden zijn kwalitatief, of hooguit semi-kwantitatief. Toch zou de schatting van de ouderdom van de Salado evaporiet verbeterd kunnen worden door een schatting te maken van de gemiddelde temperatuur van de Salado evaporiet gedurende de tijd, in combinatie met het vaststellen van de vervalsnelheid van de bacterie Bacillus marismortui, onder condities die representatief zijn voor water insluitingen.

Hedendaagse bacteriën

Bacteriën worden vrijwel overal op aarde gevonden en vele soorten overleven, of floreren zelfs, onder extreme condities, zoals in water bij verhoogde druk tot boven 110o C, in ijs beneden -10o C, in zuren bij pH waarden tot 2 en in basen bij pH waarden tot 13, en in milieus zonder zuurstof. Zij kunnen zich met eigenlijk alles voeden, inclusief anorganische voedingsstoffen die vrijkomen rond middenoceanische hete bronnen, maar ook in afwezigheid van voeding kunnen zij lange periodes overleven in de vorm van sporen.

De aanwezigheid van levende bacteriën in sedimenten wordt al bijna een eeuw onderzocht. Allochtone of autochtone oorsprong, de beschikbaarheid van voedingsstoffen gedurende lange tijdsperiodes, en de mogelijkheid van besmetting van monsters gedurende verzameling en behandeling zijn nog steeds onderwerp van discussie. Gedurende de jaren ’70 werden in de sedimenten van een meer levensvatbare sporen van een thermofiele (warmteminnende) bacterie ontdekt met radiokoolstof ouderdom van 7.000 jaar en ouder. De mogelijkheid dat deze sedimenten op een later tijdstip besmet waren met deze bacterie kon uitgesloten worden, omdat de sedimenten nooit boven 35o C zijn geweest, wat de minimale temperatuur is voor het ontwaken van de sporen van deze specifieke soort thermofiele bacterie. Een ander bekend voorbeeld zijn de bacteriën verkregen uit de ingewanden van een bevroren Siberische mastodont, radiogedateerd op 11.000 jaar. Deze en andere studies geven aan dat, in afwezigheid van metabolische activiteit, de leeftijd van autochtone bacteriën aanwezig in recente sedimenten kan oplopen tot ongeveer 10.000 radiokoolstof jaren.

Oeroude bacteriën

Een punt van discussie is de leeftijd van bacteriën die zijn ingesloten in pre-Pleistocene Fanerozoische sedimenten. Meerdere malen is de aanwezigheid van bacteriën diep onder de oppervlakte van de aarde gerapporteerd, in verschillende typen sediment, inclusief koolsteen en oliehoudende lagen en in zoutlagen met gerapporteerde ouderdom tot 650 miljoen jaar. De bewijsvoering voor de autochtone oorsprong is niet algemeen geaccepteerd, omdat het moeilijk is om allochtone oorsprong of besmetting gedurende verzameling en behandeling uit te sluiten.[1],[2],[3] De aanwezigheid van bacteriën in ver afgelegen oliebronnen is bijvoorbeeld vastgesteld, waarbij de oorsprong van deze bacteriën niet werd opgelost. Zij zouden ingesloten kunnen zijn tijdens de vorming van de olie, ze kunnen meegevoerd zijn met ondergrondse waterstromen of ze zouden zich zelfstandig verplaatst kunnen hebben gedurende tientallen tot honderden miljoenen jaren.[4]

Recent werden levensvatbare sporen van Bacillus sphaericus geïsoleerd uit een in amber ingesloten bij met een gerapporteerde ouderdom van 25–30 miljoen jaar.[5] De zorgvuldige selectie van het monster en de grondige voorzorgsmaatregelen die werden genomen tegen besmetting heeft deze vondst overtuigend gemaakt.

Nog recenter werden bacteriën verkregen uit autochtone waterinsluitingen in zoutmonsters van de Permische Salado evaporiet (New Mexico, USA) met een gerapporteerde ouderdom van 250 miljoen jaar.[6] Deze oude bacteriën hebben een opmerkelijke overeenkomst met Bacillus marismortui (genoemd naar de Dode Zee) en Virgobacillus pantothenticus, gebaseerd op vergelijk van 16S ribosomaal DNA. Het verschil met V. pantothenticus is klein, met een overeenkomst van 97.1% (alhoewel Vreeland 97.5% overeenkomst vermeldt). 45 basiseparen van de 1650 zijn verschillend, wat overeen komt met jaarlijks 1×10-10 substituties per basisepaar. Deze vervangingssnelheid is laag, maar zou acceptabel kunnen zijn.[7] De 99% overeenkomst met B. marismortui is echter nog opmerkelijker.

Als deze oude bacteriën inderdaad familie zijn van B. marismortui, wat nog vastgesteld moet worden, hoe kan dit verschil dan zo klein zijn? De vrij in de natuur levende B. marismortui zou gedurende 250 miljoen jaar mutaties hebben ondergaan en een veel groter verschil met de geïsoleerde soortgenoten zou verwacht mogen worden,2,6 alhoewel een efficiënt DNA reparatiemechanisme, actief gedurende het ontwaken, de overeenkomst misschien gedeeltelijk zou kunnen verklaren.[8]

De maximale leeftijd van bacteriën is in dit verband bepalend en zal nu in meer detail uitgewerkt worden.[9]

Het overleven van bacteriën

Als er voldoende voeding beschikbaar is kunnen bacteriën in principe oneindig lang blijven leven. Zij vermenigvuldigen zich a-sexueel door deling (een cel verdeelt zich in twee cellen) en zowel de moeder- als de dochtercellen (alhoewel die niet van elkaar te onderscheiden zijn) hebben zich vernieuwd, waardoor de populatie haar levenskracht behoud, mits er optimale voeding aanwezig blijft en het niveau van uitgescheiden toxische verbindingen laag is. In afwezigheid van voeding is de levensduur van bacteriën beperkt, maar er kan geen bepaalde maximale levensverwachting vastgesteld worden. Als de hoeveelheid voeding afneemt of als het niveau van de uitgeschieden toxische verbindingen toeneemt in de loop van de tijd neemt het aantal levende individuen geleidelijk af. De snelheid waarmee het bacteriële leven vervalt wordt gewoonlijk uitgedrukt als de decimale reductietijd, D(10), de tijdsduur bij een bepaalde temperatuur waarin het aantal levende bacteriën in een populatie tot 10% is teruggelopen. Deze snelheid is vergelijkbaar met andere exponentieel afnemende processen, zoals eerste-orde chemische reacties of radioactief verval.

Bacteriën kunnen gedroogd en onder vacuüm ongeveer een jaar bewaard worden, of gedurende enkele jaren in vloeibare stikstof (-196o C).[10] Zij kunnen gedurende veel langere tijden overleven als zij enige metabolische activiteit kunnen onderhouden. Bacteriële culturen zijn aangetroffen in Siberische permafrost bij een gemiddelde temperatuur rond -10o C. De duur van de permafrost wordt geschat tussen duizend en miljoen jaar. Er werd verondersteld dat de bacteriën actief gebleven moeten zijn ondanks de lage temperatuur, omdat zij anders niet zo lang konden overleven.[11] De recente ontdekking van bacteriën in ijs en sneeuw op Antarctica biedt ondersteuning voor lage-temperatuur activiteit van bacteriën. Deze gevonden bacteriën hebben inderdaad metabolische activiteit bij -12o C tot -17o C.[12]

Het is interessant om op te merken dat de Antarctische onderzoekers leden van Deinococcus ontdekten, een geslacht van bacteriën die bekend is in de voedingsmiddelenindustrie vanwege haar extreme vermogen om ioniserende straling te weerstaan, inclusief röntgenstraling en radioactiviteit.[13] Dit is opmerkelijk, omdat zulke hoge stralingsniveaus in een natuurlijke omgeving niet voorkomen en het was onduidelijk welk voordeel dit vermogen zou kunnen bieden. Het antwoord zou kunnen zijn dat Deinococcus soorten blootgesteld kunnen staan aan intense UV straling, waardoor eveneens ionisatie optreedt, bijvoorbeeld in de sneeuwvelden van Antarctica.12 Dit voorbeeld laat opnieuw zien dat sommige bacteriën de opmerkelijk eigenschap hebben om onder extreme condities te overleven.

Tabel 1. Vervalconstanten van leven voor verschillende bacteriële sporen uitgedrukt als tijd van decimering, D(10), in seconden [9]. 1.6E+09 seconden komt overeen met 50 jaar.


De meeste bacteriën hebben moeite om te overleven als zij worden onderworpen aan een hoge temperatuur, straling (inclusief UV straling), oxidatoren (inclusief zuurstof), een aantal anorganische componenten, mechanische krachten en natte omstandigheden.10 Echter in een water insluiting in een evaporiet kunnen veel van deze condities voor bacteriën gunstig zijn, zelfs als er water aanwezig is. Hoewel zout desastreus is voor de meeste bacteriën, bestaan er uitzonderingen zoals B. marismortui, die kan overleven als sporen of zelfs floreren onder zoute condities bij concentraties beneden 25% w/v.

Samenvattend: sommige bacteriën kunnen extreme condities weerstaan mits enige metabolische activiteit kan plaatsvinden. In afwezigheid van voedingsstoffen kan de levensduur van bacteriën jaren of tientallen jaren bedragen, maar het overleven gedurende duizenden jaren in afwezigheid van metabolische activiteit is iets te veel gevraagd. Kunnen bacteriën 250 Ma overleven als zij opgesloten zijn in een water insluiting in zout?

Het overleven van sporen

Sommige bacteriën, inclusief Bacillus soorten, kunnen sporen vormen als er geen voeding meer aanwezig is of onder zware condities. Sporen zijn inactieve slaaptoestanden, waarin bacteriën een moeilijke levensperiode kunnen overbruggen. Sporen komen voor als cysten, exosporen of myxosporen, die echter minder stabiel zijn dan de endosporen van Bacillus,10 die we nu in ogenschouw nemen. De overgang van een actieve bacterie naar een spoor is een ingewikkeld proces en het resultaat is een kern van stabiel samengepakt DNA en enzymen, ingepakt in een ondoordringbare keratine-achtige schil. Er is nauwelijks water aanwezig, maar wel een grote hoeveelheid conserverend calcium dipicolinaat, die de enzymen inactief houdt en de nucleïnezuren stabiliseert. Het DNA wordt ook beschermd door een groep unieke DNA-bindende eiwitten, met de naam a/b-SASP (small acid soluble proteins).13 De meeste bacteriën bezwijken als zij verhit worden bij 80o C gedurende 10 minuten (pasteurisatie), maar een aantal sporen kunnen overleven, sommigen houden het zelfs enige uren vol in kokend water.

Hoe lang kunnen sporen overleven? Een indicatie werd verkregen uit onderzoek dat gedaan werd aan resten aarde aan plantenwortels, bewaard onder droge condities in een herbarium. Na 200–300 jaar waren een aantal sporen van B. subtilis en B. lichenifornis nog steeds levensvatbaar. Daarnaast werden B. coagulans en B. circulans geïdentificeerd in 50–100 jaar oude monsters. Dit is equivalent met een D(10) van 50 jaar voor B. subtilis en B. lichenifornis, en betekent dat na 1.000 jaar nog slechts enkele levensvatbare sporen aangetroffen zouden kunnen worden in 1.000 kg vruchtbare toplaag-aarde.10

D(10) waarden zijn bepaald bij verschillende temperaturen, inclusief sterilisatiecondities (Tabel 1). De sterilisatiestabiliteit van B. stearothermophilus is uitzonderlijk en waarschijnlijk niet representatief voor de meeste andere Bacillus soorten. Helaas zijn data voor B. marismortui onder condities zoals die kunnen voorkomen in waterinsluitingen in zout, niet beschikbaar. B. marismortui overleeft niet de sterilisatie voorzorgen die genomen worden in een laboratorium,6 maar dit gegeven kan niet vertaald worden in een D(10) waarde. Figuur 1 is gebaseerd op de data van Tabel 1, weergegeven met een logaritmische tijdschaal tegen de reciproke temperatuur (Arrhenius plot) en verschaft de trend van D(10) waarden als functie van de temperatuur.

De ‘bacteriële ouderdom’ van de Salado evaporiet.

Bacillus marismortui vormt sporen als de zout concentratie hoger wordt dan 25% w/v. De verwachting is dat de sporen niet ontwaken in een verzadigde zoutoplossing, ook niet in aanwezigheid van voeding. Het aantal levensvatbare sporen in de Salado afzetting is in de loop van de tijd gestaag afgenomen, van mogelijk oorspronkelijk 100 miljoen bacteriën per milliliter2 tot slechts enkele sporen in drie van de 66 onderzochte insluitingen, met een tot op heden totaal volume (van de 66 insluitingen) van 0.365 ml.6 Als een minimum van drie levensvatbare sporen in 0.365 ml wordt verondersteld betekent dit dat er zeven periodes van decimering zijn gepasseerd. Met een D(10) van 50 jaar betekent dit een ‘bacteriële ouderdom’ van 350 jaar voor de Salado evaporiet. Aanvullende ondersteunend bewijs voor de jonge leeftijd van deze evaporiet is de hierboven genoemde overeenkomst tussen 16S ribosomaal DNA van de gevonden oeroude bacterie en B. marismortui of V. pantothenticus.


Figuur 1. Arrhenius plot van het verval van bacteriële leven. Vervalconstanten (Tabel 1) logaritmisch uitgezet tegen de reciproke temperatuur (Kelvin). In vergelijk: 250 miljoen jaar komt overeen met een D(10) waarde van 35 miljoen jaar, gelijk aan 1.1E+15 seconden.

 

Het verschil met de gepubliceerde ouderdom van 250 Ma voor de Salado evaporiet is bijna 6 ordes van grootte! Een ongeloofwaardige D(10) van 35 Ma in plaats van 50 jaar is nodig om het totaal van 250 Ma te bereiken. Omgekeerd, uitgaande van een ouderdom van de evaporiet van 250 Ma en een decimeringtijd van 50 jaar betekent dat de oorspronkelijk bacteriën 5 miljoen decimeringperiodes hebben doorgemaakt. Het is onmogelijk om ook maar een enkel individu terug te vinden na 5 miljoen decimeringen.

Een ouderdom van 350 jaar voor de Salado evaporiet valt binnen de historische tijd en is natuurlijk niet realistisch. Dit komt omdat er rekening gehouden moet worden met een groot aantal onzekerheden.

Het kleine aantal levensvatbare sporen (minimaal drie) heeft statistisch gezien nauwelijks enige waarde en het resultaat is een brede reeks van mogelijk ouderdom, waarbij hogere ouderdom meer waarschijnlijk zijn dan lagere ouderdom.

De D(10) waarde van B. marismortui onder condities, die representatief zijn voor water insluitingen, is onbekend en moet apart vastgesteld worden.

De decimeringtijden variëren met ongeveer een orde van grootte voor verschillende soorten (Tabel 1).

Een verandering van temperatuur met 25o C heeft een effect van twee ordes van grootte op de decimeringtijd (Figuur 1).

Een gemiddelde temperatuur rond of beneden 0o C gedurende de levensduur van de evaporiet is buitengewoon onwaarschijnlijk.

Een gemiddelde temperatuur rond of boven 20o C kan mogelijk zijn, met mogelijk kortere D(10) tijden en dus een lagere ouderdom voor de evaporiet.

De berekende ‘bacteriële ouderdom’ van 350 jaar is daarom erg onzeker en zou makkelijk met twee of misschien drie ordes van grootte kunnen variëren, met een hogere waarschijnlijkheid voor hogere dan voor lagere ouderdom. Dit resulteert in een geschatte bandbreedte van 200 tot 35.000 jaar, corresponderend met 4 log cycli van 50 jaar bij 20o C of 7 log cycli en een D(10) van 5.000 jaar bij 0o C, respectievelijk. Het kost moeite om zich condities voor te stellen die tot een ouderdom van 350.000 jaar zouden leiden, maar zelfs deze schatting verschilt meer dan twee ordes van grootte met de 250 Ma die gepubliceerd is voor de Salado evaporiet. Dit verschil zou nog groter kunnen worden als beweringen voor 650 Ma oude bacteriën in evaporieten bevestigd zouden worden.

Het is verrassend dat de aanwezigheid van levensvatbare autochtone bacteriële sporen in de Salado evaporiet niet heeft geleid tot het ter discussie stellen van haar geologische leeftijd. Parkes geeft de voorkeur aan de veronderstelling dat bacteriën vrijwel onsterfelijk zijn, boven het in twijfel trekken van de geologische tijdschaal. Zelfs het overleven van bacteriën in meteorieten en de oorsprong van leven op aarde via interplanetair transport van bacteriële sporen (‘pansperma’) worden overwogen. Meer recent ontkende Lindahl de hoge ouderdom van de verkregen bacteriën op basis van de onmogelijkheid dat DNA langer dan 100.000 jaar zou kunnen overleven, met als conclusie dat deze bacteriën de hedendaagse algemeen voorkomende bacteriën zijn, dus van allochtone oorsprong.[14]

Conclusies

De aanwezigheid van levensvatbare sporen in water insluitingen in de Permische Salado evaporiet is niet in overeenstemming met de gepubliceerde ouderdom van 250 Ma.

De ‘bacteriële ouderdom’ van de Permische Salado evaporiet is semi-kwantitatief geschat en ligt waarschijnlijk tussen 350 en 35.000 jaar, onder de aanname dat gepubliceerde bacteriële vervalsnelheden representatief zijn voor de omstandigheden in water insluitingen in een evaporiet.

De schatting op basis van de ‘bacteriële ouderdom’ methode kan verder worden verbeterd als de gemiddelde temperatuur van de evaporiet geschat zou kunnen worden en als de decimeringtijden van B. marismortui over een brede temperatuurrange gemeten zou worden.

 

Evert van der Heide verkreeg zijn doctoraal Chemie (organische chemie en homogene katalyse), met specialisatie in biologie, aan de Rijks Universiteit Utrecht, Nederland, in 1986. Hij promoveerde vervolgens in de chemische technologie (met heterogene katalyse als onderwerp) aan de Technische Universiteit te Delft, Nederland, in 1990. Hij is momenteel werkzaam als senior research chemist bij het Shell Research and Technology Centre, Amsterdam. Hij publiceerde 12 artikelen en patenten over verschillende onderwerpen. Het huidige artikel is op persoonlijke titel geschreven.



Referenties en aantekeningen

[1] Postgate, J., The outer reaches of life, University Press, Cambridge, 1994.
[2] Parkes, R.J. (2000), A case of bacterial immortality?, Nature 407(6806):844–845, 19 October 2000.
[3] Roth, A.A., Origins, Review and Herald Publishing Association, Hagerstown, p. 164, 1998.
[4] Magot, M., Similar bacteria in remote oil fields, Nature 379(6567):681, 22 February 1996.
[5] . Cano, R.J. and Borucki, M., Revival and identification of bacterial spores in 25–40 million year old Dominican amber, Science 268(5213):1060–1064, 19 May 1995.
[6] Vreeland, R.H., Rosenzweig, W.D. and Powers, D.W., Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal, Nature 407(6806):897–900, 19 October 2000.
[7] Hartl, D.L. and Clark, A.G., Principles of Population Genetics, Sinauer, Sunderland, p. 107, 1989.
[8] Nicholson, W.L., Munakata, N., Horneck, G., Melosh, H.J. and Setlow, P., Resistance of Bacillus endospores to extreme terrestrial and extraterrestrial environments, Microbiology and Molecular Biology Reviews 64(3):548–572, September 2000.
[9] Van der Heide, E., Leven in aardlagen, Bijbel en Wetenschap 225:5–8, 2000.
[10] Schlegel, H.G., General Microbiology, 7th ed., Cambridge, 1993.
[11] Shi, T., Reever, R.H., Gilchinsky, D.A. and Friedman, E.I., Characterisation of viable bacteria from Siberian Permafrost by 16S rDNA sequencing, Microbial Ecology 33(3):169–179, 1997.
[12] Carpenter, E.J., Lin, S. and Capone, D.G., Bacterial Activity in South Pole Snow, Applied and Environmental Microbiology 66(10):4514–4517, October 2000.
[13] Makarova, K.S., Aravind, L., Wolf, Y.I., Tatusov, R.L., Minton, K.W., Koonin, E.V. and Daly, M.J., Genome of the extremely radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans viewed from the perspective of comparative genomics, Microbiology and Molecular Biology Reviews 65(1):44–79, March 2001.
[14] Lindahl, T., Unlocking nature’s ancient secrets: review of: The Molecule Hunt: Archaeology and the Search for Ancient DNA by Martin Jones, Nature 413(6854):358–359, 27 September 2001.