DNA profiel van de zeebodem kijkt met grote precisie 10.000 jaar terug.

Van DNA werd lang gedacht dat het een erg labiel molecuul is en daarom maar heel erg kort bewaard blijft na het sterven van een organisme. Daarom zou het ook niet geschikt voor studies naar het geologisch verleden van onze planeet. NIOZ promovendus Arjan Boere toont nu aan dat het DNA-profiel van sedimenten op de zeebodem ons wel degelijk in staat kan stellen om ongeveer 10.000 jaar terug te blikken in het Holoceen; de periode vanaf de laatste ijstijd. Omdat DNA veel soortspecifiekere informatie geeft dan de klassieke methoden, kunnen we nu veel nauwkeuriger informatie krijgen over deze periode. Arjan verdedigt zijn proefschrift aan de Universiteit Utrecht op 29 oktober.

Informatie over ons geologische verleden berust vaak op fossiele organismen. Dat kan gaan om microscopisch waarneembare skeletjes zoals de schelpjes van foraminiferen, cysten en endosporen van algen, of om fossiele moleculen van verschillende micro-organismen, zoals eencellige algen, bacteriën en Archaea. Voor wat betreft de organische moleculen (‘biomarkers’) zijn hierbij de lipiden en pigmenten favoriet omdat ze een grote weerstand hebben tegen biologische afbraak door micro-organismen, vooral als er geen zuurstof aanwezig is.
Verschillende recente studies hebben echter aangetoond dat fossiel DNA van tot het plankton behorende micro-organismen ook duizenden jaren in de zeebodem bewaard kan blijven. Dat opent nieuwe mogelijkheden want daar waar de klassieke lipiden en pigmenten vaak slechts vrij grove informatie geven op het niveau van groepen genetisch verwante soorten, kan theoretisch met behulp van DNA analyse de aanwezigheid van elke afzonderlijke soort worden vastgesteld. Het is dus een veel preciezer stuk geologisch gereedschap en het doel van het onderzoek van Arjan Boere was dan ook om te kijken hoe dit voordeel in de praktijk uitpakt. Hiertoe vergeleek hij de resultaten van de nieuwe ‘paleogenetische’ aanpak met de al voorhanden zijnde klassieke gegevens van een aantal boorkernen van mariene sedimenten uit drie verschillende gebieden, die als overeenkomst hadden dat de diepe waterlagen en de zeebodem ten tijde van de afzetting zuurstofloos waren.

Ellis Fjord - Antarctica
Een boorkern uit Ellis Fjord op Antarctica, met daarin sedimenten tot 2700 jaar oud, werd geanalyseerd om de variaties in de conservering van fossiel DNA van verschillende soorten micro-organismen te bestuderen. De resultaten toonden aan dat de afbraak van DNA nadat het in het sediment is terechtgekomen het hoogst was voor het DNA van dinoflagellate algen, gevolgd door dat van kiezelalgen en uiteindelijk door DNA van (foto-autotrofe) groene zwavelbacteriën, die groeien in gebieden waarin zonlicht doordringt tot in zuurstofloze diepere waterlagen. In deze sedimentkern waren de karakteristieke en toch als zeer persistent bekend staande cysten van dinoflagellaten zo zeldzaam, dat ze niet konden worden gebruikt voor klimaatreconstructies. Ondanks een progressieve (exponentiële) afname van de hoeveelheid fossiel DNA van dinoflagellaten met de ouderdom van het sediment was DNA analyse de enige aanpak die ongeveer 1850 jaar geleden een opvallende verschuiving in de soortensamenstelling liet zien. Er trad toen een kouder klimaat in, waardoor de ijsbedekking van Ellis Fjord toenam.

Zwarte Zee
In zuurstofloze sedimenten van vergelijkbare leeftijd uit de zeebodem van de Zwarte Zee op meer dan 2000m diepte, bleek ongeveer 30% van het fossiele DNA van de haptofyte alg Emiliania huxleyi tot 3600 jaar oud nog relatief goed bewaard gebleven. E. huxleyi is wereldwijd een belangrijke algensoort die door middel van microscopisch waarneembare kalkplaatjes een soort uitwendig kalkskeletje aanmaakt en een nu belangrijke rol speelt bij de wereldwijde cycli van koolstof- en stikstof. Ook is E. huxleyi een bron van bepaalde klassieke biomarker moleculen, namelijk een serie van alkenonen met allemaal 37 koolstofatomen maar met een verschillende graad van verzadiging (Uk37 waarde). Deze moleculen worden als paleothermometer gebruikt voor de reconstructie van de temperatuur van het zeeoppervlak in het geologische verleden. Uit het fossiele DNA-profiel van het sediment bleek allereerst dat de aanwezigheid van andere, sterk aan E. huxleyi verwante, algensoorten als mogelijke alternatieve bron van de alkenonen kon worden uitgesloten. Dit is belangrijk omdat deze soorten bij dezelfde zeewatertemperatuur een ander alkenonenprofiel hebben dan E. huxleyi. Vermenging van soorten verstoort dus de nauwkeurigheid van de Uk37 paleothermometer.

Middellandse Zee
Tenslotte werd fossiel DNA bestudeerd in oude sedimentlagen uit de oostelijke Middellandse Zee ten zuidwesten van Cyprus om te onderzoeken of fossiel DNA ook bewaard blijft in organisch-koolstof rijke lagen (sapropelen), die hier veel ouder kunnen zijn dan het tijdvak van het Holoceen; tot 124.000 jaar voor de oudste onderzochte sapropel. Alleen in het sediment van de jongste sapropel van 5-9.000 jaar oud bleek nog voldoende fossiel DNA aanwezig voor moleculair biologische analyse. Het hier aangetoonde fossiele DNA vertoonde een duidelijke verschuiving in de levensgemeenschappen van zowel haptofyte als dinoflagellate algen als reactie op de veranderende omstandigheden tijdens de formatie van deze sapropel.

Samenvattend laat deze studie zien dat fossiel DNA zo’n 10.000 jaar lang bewaard kan blijven in de zeebodem. Voor het Holoceen is het daarom een veelbelovend precisie-instrument voor de reconstructie van milieuomstandigheden in het (recente) verleden op locaties waar zuurstofloze omstandigheden als gevolg van een slechte waterventilatie geleid hebben tot de afzetting van organisch-koolstof rijke sedimentlagen.

Deze studie werd extern gefinancierd vanuit project 813.13.001 van het Open Competitie programma van NWO-ALW, in 2004 toegekend aan dr. Marco Coolen, en de Spinoza Premie van NWO die eveneens in 2004 werd toegekend aan prof. Jaap Sinninghe Damsté.