Op de zeebodem wachten de paarse sokwormen

In zijn lab in het Scripps Institution of Oceanography in La Jolla opent marien bioloog Greg Rouse een plastic doos. Daar liggen twee dieren die op oude bruine theezakjes lijken. „Xenoturbella profunda”, zegt de bioloog trots. „We noemen ze paarse sokwormen, want ze hebben levend een paarse of roze kleur.” En ja, ze lijken echt op een sok: „Ze zijn heel eenvoudig, gewoon een tas met een mond aan de onderkant”, legt Rouse uit. „Ze hebben geen anus, geen echte hersenen, geen nieren.” In Pescadero Basin, bij een heetwaterbron in de Baai van Californië, zagen de wetenschappers deze rare dieren op 3.700 meter diepte langzaam over de zeebodem glijden. „Het lijkt erop dat ze mosselen eten, want hun lichaam zit vol met mossel-DNA.”

Er zijn tot nu toe in totaal zes Xenoturbella-soorten bekend. Met DNA-analyse toonde Rouse aan waar in de fylogenetische stamboom het geslacht Xenoturbella zit en beëindigde ermee een debat dat jaren aan de gang was. Sommige wetenschappers dachten dat Xenoturbella complexe dieren waren die hun nieren en hersenen waren kwijtgeraakt tijdens hun evolutionaire ontwikkeling. Maar Rouse’s genetische analyse toonde aan dat ze al zeer vroeg in de evolutie zijn afgesplitst van andere dieren.

Zeer eenvoudige diertjes

Xenoturbella hoort volgens Rouse bij Xenacoelomorpha, een stam van kleine en zeer eenvoudige diertjes en een van de vroegste aftakkingen binnen de bilateria, tweezijdig symmetrische dieren. Bijna alle dieren behoren daartoe (ook mensen), behalve sponzen en neteldieren.

Greg Rouse vond in Pescadero Basin nog een andere diersoort die hij nu aan het beschrijven is: een felblauwe borstelworm. Hij noemde de soort Peinaleopolynoe orphanae, ter ere van zijn collega Victoria Orphan, een microbioloog aan het California Institute of Technology in Pasadena die ook mee was op de expeditie naar Pescadero Basin. „De wormen hebben dikke blauwe schubben die het licht reflecteren – net als de vleugels van een vlinder”, zegt hij. „Als de onderwaterrobot zijn licht op de dieren liet schijnen, schitterden ze in de mooiste blauwe en roze tinten.” Rouse vermoedt dat deze dikke schubben goed zijn voor bescherming, „want we zagen ze met elkaar vechten daar beneden”.

Zo’n onderzoek van de zeebodem is niet eenvoudig, maar wel verrassend. Op 3.700 meter diepte is het pikdonker, de druk is reusachtig en de thermometer wijst 2 graden Celsius aan. De biologen op het onderzoeksschip Falkor kijken op een monitor mee met een onderwaterrobot. Die schijnt een zoeklicht op grijs sediment, verder is er niets.

Maar dan verandert alles: tientallen heuvels en kalktorens rijzen op, tot zo’n 25 meter hoog. Uit talrijke openingen stroomt heet water van 290 graden.

Bontgekleurde wezens

Overal is leven. Rond de heetwaterschoorstenen wemelt het van bontgekleurde wezens: mosselen, zeeanemonen, wormen, slakken en zelfs een paar vissen. Er groeien tapijten van witte, oranje en blauwe bacteriën. De onderwaterrobot – ROV: remotely operated vehicle – zwemt deze diepzee-oase meter voor meter af.

Zo ging het in november 2018, toen we met Rouse mee waren op de expeditie in het Pescadero Basin in de Golf van Californië, zo’n 150 kilometer ten oosten van La Paz in Mexico. Onderzoekers van Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) ontdekten de hydrothermale bronnen pas tijdens een onderwaterexpeditie in 2015. Nu zijn de wetenschappers terug om monsters te nemen en het gebied in kaart te brengen.

Hydrothermale bronnen zijn onderzeese geisers: door spleten in de zeebodem stroomt tot 400 graden heet water naar buiten, opgewarmd door magma. Het water bevat vaak opgeloste mineralen, waterstofsulfide en andere stoffen. Op plekken waar tektonische platen op elkaar botsen of waar door andere oorzaken vulkanisme plaatsvindt.

Tot nu toe zijn er meer dan 700 hydrothermale brongebieden bekend en opgesomd in de InterRidge Vents Database. Wetenschappers ontdekten de eerste bron in 1977, vlak bij de Galapagoseilanden. Geoloog Robert Ballard van de Woods Hole Oceanographic Institution vond ze samen met dertig andere wetenschappers – geochemici en geofysici – vanaf een onderzoeksschip. Ze lieten camera’s en detectoren aan een lange staalkabel naar beneden. Ze hadden al vermoed dat hydrothermale bronnen bestonden, maar waren stomverbaasd om daar zo veel leven te vinden.

Desolate zeebodem

Hydrothermale bronnen zijn een walhalla voor zeebiologen: het zijn oases die barsten van leven op een verder desolate zeebodem. Dat in de diepte van de zee, ver weg van het zonlicht, zoveel leven kan bestaan, is te danken aan bacteriën. Het hete water dat uit de zeebodem kruipt, bevat zwavelverbindingen zoals waterstofsulfide, een gas dat voor mensen en de meeste dieren extreem giftig is. Sommige bacteriën kunnen dat gas met zuurstof omzetten naar sulfaat. Bij deze zogeheten redoxreactie komt energie vrij. Wetenschappers noemen zulke processen chemosynthese: het opwekken van energie door oxidatie van anorganische verbindingen – in tegenstelling tot fotosynthese (het omzetten van koolstofdioxide met zonlicht naar koolhydraten).

In november 2018 bracht MBARI met een team van verschillende andere onderzoeksinstituten Pescadero Basin verder in kaart met onderwaterrobots en er werden ook monsters omohooggebracht, van dieren, het gesteente en zelfs van het hete water. „Ons werk begint pas nu”, zegt Greg Rouse. „We zullen een paar jaar nodig hebben om alle nieuwe soorten te beschrijven.”

Chemosynthese

Het leven rond een bron werkt innig samen met bacteriën die energie opwekken. Dieren zoals mosselen (Archivesica diagonalis) en kokerwormen (Oasisia alvinae) hebben deze bacteriën in hun lichaam opgenomen en laten ze energie opwekken – net zoals darmbacteriën voedsel verwerken voor ons. „De kokerwormen hebben geen mond en geen spijsverteringsstelsel”, legt Robert Zierenberg uit. Zierenberg is geoloog aan de Universiteit van Californië in Davis en leidde een deel van de expeditie in 2018. „In plaats daarvan nemen ze met bloedrode pluimen waterstofsulfide en zuurstof uit het water op en voeren die dan aan een zak met bacteriën in hun lichaam.”

Andere dieren in Pescadero Basin (zoals krabben en vissen) kunnen niet zelf energie uit waterstofsulfide opwekken, maar eten andere dieren of bacteriën die dat wél kunnen.

Pescadero Basin verschilt van andere gebieden met onderzeese heetwaterbronnen. Volgens Zierenberg liggen de bronnen begraven in het sediment, zodat de hete vloeistof met dat gesteente reageert alvorens uit te stromen. „De vloeistof bevat metalen, zoals ijzer en koper. Wij denken dat de meeste metalen echter al worden afgezet in de ondergrond. Alleen calcium en opgeloste koolstofdioxide verlaten de schoorstenen.” Daarom bouwen deze grote heuvels van calciumcarbonaat, dus kalk, zich op. Zierenberg en collega’s beschreven de bron eind vorig jaar.

Bijzondere dierenwereld

De reactie met sediment is de reden dat het uitstromende water in Pescadero Basin zo helder is. Bij veel andere hydrothermale bronnen is het opwellend water troebel. Bij een black smoker stroomt zwart metaalhoudend water uit. Bij een white smoker bestaat de uitstoot vooral uit barium, calcium en silicium. „De bronnen bij Pescadero zijn dus eigenlijk non-smokers”, zegt Zierenberg. „Maar het onderscheid tussen witte en zwarte smokers is kunstmatig hoor. Het hangt af van zuurtegraad, temperatuur en bodemsamenstelling welke mineralen neerslaan als heet bronwater mengt met koud zeewater.”

Ook de dierenwereld in Pescadero Basin is bijzonder, zegt Shannon Johnson, marien bioloog aan MBARI. In Pescadero Basin zitten compleet andere soorten dan in Alarcon Rise, een tweede gebied met hydrothermale bronnen vlakbij. Door de verschillende geologie en geochemie groeien er verschillende soorten micro-organismen, zegt Johnson. „Die micro-organismen vormen de basis van de voedselketen. Dat drijft vermoedelijk de ontwikkeling van verschillende diersoorten aan.”

Wat levert het dan op, al die kennis over theezakbeesten en vlinderwormen op duizenden meters diepte? Wetenschappers krijgen een inkijk in het functioneren van ecosystemen en in de ontwikkeling van levensvormen in het algemeen. „Vroeger dachten we dat leven het zonlicht als energiebron nodig had”, legt Robert Zierenberg uit. „Nu weten we dat er reusachtige gemeenschappen van dieren in het donker leven.” Die kennis gaat ook veranderen hoe we naar leven op andere planeten gaan zoeken – bijvoorbeeld in de ijskoude oceanen van Saturnus-maan Enceladus.