[Voor Nederlandse versie naar beneden scrollen]

Evolution of a good concept
The single-celled organisms De Nooijer studies are so-called foraminifers. They are algae named after the little holes – foramina in Latin – that many species have in their tiny shells. “Those calcareous shells appear to be a typical case of so-called convergent evolution,” De Nooijer discovered. “The best-known example of convergent evolution is the wings that both birds and insects have developed during evolution. Both groups lack a common ancestor with wings, but in evolution both ‘came up with the good concept’ to fly with wings, completely independently of each other. Similarly, six different groups of foraminifers once started making calcium shells around their cell.”

From porcelain to chunks of lime
If you look closely, you can see essential differences between the six groups of foraminifers in the lime shells. De Nooijer: "The miliolids make shiny shells that almost look like porcelain. The nodosarids, on the other hand, make relatively coarse structures that look like porous blocks of lime under the microscope. The carterinids stick endless ovals together, which again look beautiful under the microscope." Within a group, the variation can also be enormous, De Nooijer knows. “The rotalids, for example, vary from miniature snail shells to a kind of fan, but all around a single cell.” 

Calcium skeleton to grow
Why foraminifers make those calcareous shells, De Nooijer dares not say. “There is this hypothesis that it has to do with the discharge of calcium, which is very abundant in seawater, but which any living creature doesn't want to have too much of in their cells. Maybe these algae discharge their excess calcium in the form of chalk. But in the meantime, I think that the algae also benefit from that calcium shell. In distant evolutionary history, for example, there was a foraminifer that could grow as large as ten centimeters with its single cell. If you grow bigger, you may have an evolutionary advantage over other algae, but that only works if you have a sturdy external skeleton to support you,” De Nooijer thinks.

Learning from history
Apart from answering the interesting ‘why’, De Nooijer sees a very practical application of this knowledge about the calcareous shells of his algae. “By scouring all the literature on these organisms, I found six moments in history when foraminifers started forming shells. The amounts of calcium, CO2, magnesium and other chemical substances in the water, as well as the temperature, varied considerably between those six periods in history. Thus, by looking at the different foraminifers in a particular layer of sediment, we can learn a lot about the environmental conditions at a particular time. But conversely, we can also try to predict how the foraminifers will change under changing conditions, for example due to increasing temperatures and CO2 in the ocean water.”

Carbon accounting
De Nooijer is not at all worried about, for example, the upcoming extinction of certain foraminifers due to the changing climate. “But changing the composition of all these algae, does have a huge impact on the calciforous and CO2 balance of the oceans. For example, while forming shells, the algae themselves emit CO2. So, we will never fully understand the complete carbon accounting of the oceans if we don't understand how these foraminifers deal with calcium and CO2.”

Conflicting results
In the past, with the help of laboratory experiments, more attempts have been made to understand the influence of CO2, temperature and calcium on foraminifers, and thus on the entire ocean. “These experiments always produced very contradictory results,” De Nooijer observed. "Now I better understand why: there are very different strategies within this one group of algae that all require their own conditions.”

The penny didn't drop for de Nooijer until he was forced to work from home during the covid pandemic. “Only then did I have the peace and time to lump together all the literature on this group of algae and look for connections.”

Kalkvormende algen als sleuteltjes in klimaatmodellen

In de afgelopen 500 miljoen jaar hebben heel verschillende eencellige organismen in de oceanen op verschillende momenten en ook onder heel verschillende omstandigheden ontdekt hoe ze een ‘schelpje’ om hun ene cel kunnen bouwen. “Zes verschillende strategieën onder evenzoveel verschillende milieuomstandigheden”, concludeert onderzoeker Lennart de Nooijer. “Als we dit beter snappen, kunnen we misschien ook beter voorspellen hoe de kalkhuishouding in de oceanen gaat veranderen onder invloed van het veranderende klimaat. Want hoe klein ze ook zijn, de bijna oneindige hoeveelheden foraminiferen in de wereldzeeën hebben een meetbare invloed op de koolstofcyclus van de hele planeet”

Evolutie van een goed idee
De eencellige organismen die De Nooijer bestudeert zijn zogeheten foraminiferen. Het zijn kleine algjes die zijn vernoemd naar de gaatjes (foramina in het Latijn) die ze in hun schelpjes hebben. “Die schelpjes blijken een typisch geval van zogeheten convergente evolutie”, ontdekte De Nooijer. “Het bekendste voorbeeld van convergente evolutie zijn de vleugels die zowel vogels als insecten in de loop van de evolutie hebben ontwikkeld. Beide diergroepen hebben niet een gemeenschappelijke voorouder die het vliegen heeft uitgevonden, maar zij zijn in de evolutie, compleet los van elkaar, ‘op het goede idee gekomen’ om te gaan vliegen met vleugels. Op eenzelfde manier zijn zes verschillende groepen foraminiferen ooit begonnen met het maken van kalkschaaltjes om hun cel.”

Van porselein tot brokken kalk
Wie goed kijkt, ziet tussen de zes groepen foraminiferen essentiële verschillen in de kalkschaaltjes. De Nooijer: “De groep van de milioliden maakt glanzende schaaltjes die gemaakt lijken te zijn van porselein. De nodosariden maken juist weer kegelvormige structuren die er onder de microscoop uitzien als poreuze blokken kalk. De carterinida plakken op hun beurt eindeloos ovaaltjes op elkaar, wat er onder de microscoop ook weer prachtig uitziet.” Binnen een groep kan de variatie ook enorm zijn, weet De Nooijer. “De rotaliden variëren bijvoorbeeld van mini-slakkenhuisjes tot een soort waaiertjes. En dat allemaal rond één enkele cel.” 

Groter door kalkskelet
Waaróm foraminiferen die kalkschaaltjes maken, durft De Nooijer niet te zeggen. “Er is een hypothese dat het te maken heeft met het lozen van calcium, wat heel veel in zeewater zit, maar wat je als levend wezen niet teveel in je cellen wilt hebben. Misschien lozen deze algjes hun teveel aan calcium wel in de vorm van kalk. Maar ondertussen denk ik zelf dat de algjes ook wel baat hebben bij dat kalkschaaltje. In de verre evolutionaire geschiedenis is er bijvoorbeeld een foraminifeer geweest die met zijn ene cel wel tien centimeter groot kon worden. Als je groter groeit, heb je mogelijk een evolutionair voordeel boven andere algjes, maar dat lukt alleen maar als je een stevig uitwendig skeletje hebt”, denkt De Nooijer.

Leren uit aardlagen
Los van die ‘waarom-vraag’ ziet De Nooijer nog een heel praktische toepassing van deze kennis over de schelpjes rond zijn algjes. “Door alle literatuur over deze organismen uit te vlooien, heb ik zes momenten gevonden in de geschiedenis, waarop de foraminiferen zijn begonnen met het vormen van kalk. De hoeveelheden calcium, CO2, magnesium en andere stoffen in het water, maar ook de temperatuur verschilde behoorlijk tussen die zes perioden. Door naar de verschillende foraminiferen in een bepaalde aardlaag te kijken, kunnen we dus veel leren over de milieuomstandigheden in een bepaalde tijd. Maar omgekeerd kunnen we ook proberen te voorspellen hoe de foraminiferen zullen veranderen onder invloed van de veranderende omstandigheden, bijvoorbeeld door toenemende temperatuur en CO2 in het oceaanwater.”

Koolstofboekhouding
Het is niet dat De Nooijer zich nu zorgen maakt over bijvoorbeeld het uitsterven van bepaalde foraminiferen door het veranderende klimaat. “Maar het veranderen van de samenstelling van al deze algen heeft wel een enorme invloed op de kalk- en CO2-huishouding van de oceanen. Tijdens het vormen van kalk stoten de algjes bijvoorbeeld zelf ook CO2 uit. We kunnen de complete koolstofboekhouding van de oceanen dus nooit helemaal begrijpen, als we niet begrijpen hoe deze foraminiferen omgaan met kalk en CO2.”

Tegenstrijdige resultaten
In het verleden is met hulp van laboratoriumexperimenten vaker geprobeerd om de invloed van CO2, temperatuur en calcium op foraminiferen, en daarmee op de hele oceaan te begrijpen. “Daar kwamen steeds heel tegenstrijdige resultaten uit”, zag De Nooijer. “Nu begrijpen we beter waarom: er zijn binnen deze ene groep algen heel verschillende strategieën die allemaal hun eigen omstandigheden vragen.”

Het kwartje viel pas bij de Nooijer toen hij tijdens de corona-periode gedwongen thuis moest werken. “Toen had ik pas de rust en de tijd om alle literatuur over deze algengroep te vergelijken en naar verbanden te zoeken.”  

​​​​​​​