Foraminiferen: de kleinste organismen sturen de grootste processen

Foraminiferen zijn eencellige organismen (geen bacteriën, maar protisten) die de meest fotogenieke kalkskeletjes vormen. De allergrootsten kunnen wel meer dan een centimeter in doorsnede worden, maar de meeste zijn ongeveer zo groot als een zandkorrel. Met al die ontelbare kalkskeletjes bij elkaar zijn foraminiferen verantwoordelijk voor grofweg de helft van al het kalk dat in de oceaan wordt gemaakt. En dat is belangrijk omdat kalkvorming een belangrijk onderdeel is van de wereldwijde koolstofcyclus.

Met de stijgende hoeveelheid CO2 in onze atmosfeer en daarmee ook in de oceaan, wordt het water steeds een beetje zuurder. Daarmee moet het vastleggen van kalk volgens de wetten van de chemie steeds iets moeilijker worden. Maar foraminiferen blijken zich aan die wetmatigheid te kunnen onttrekken. “Deze eencellige organismen kunnen de zuurgraad in en rond hun cel aanpassen, zodat kalkvorming toch mogelijk blijft”, zegt Lennart de Nooijer van de afdeling Ocean Systems.        

CO₂ maakt het water zuur, want:
CO₂ in oceaanwater (H2O), geeft HCO₃^- en H⁺. En H⁺ = zuur!
De hoeveelheid H⁺ is omgekeerd evenredig met de pH:
meer H⁺ = lagere pH = zuurder
minder H⁺ = hogere pH = meer basisch

edereen die wel eens een waterkoker of een espresso-apparaat heeft moeten ‘ontkalken’ weet: kalk lost op in zuur, zoals in een scheutje azijn. De notie dat verzuring van de oceanen (door toename van de hoeveelheid CO₂) lastig is voor kalkvormende organismen zoals schelpdieren, koraalpoliepen en dus ook voor foraminiferen, ligt dan ook voor de hand. “Het probleem is alleen: het klopt niet helemaal”, zegt De Nooijer.

Zuur lost kalk op want:
kalk (CaCO₃) plus zuur (1 H⁺) geeft Ca²⁺ en HCO₃^-

Door met een laser en met fluorescentie-microscopie naar foraminiferen te kijken, konden De Nooijer en collega’s zien hoe deze eencellige organismen hun eigen chemische milieu creëren. De Nooijer: “Ze zijn in staat om de pH in hun cel een beetje omhoog te brengen en dus lokaal een basisch milieu te creëren. Dat betekent dat ze de verzuring van het oceaanwater een beetje kunnen opvangen en alsnog gewoon kalkskeletjes kunnen vormen.”

Dat foraminiferen ondanks het verzurende oceaanwater toch gewoon kalk kunnen blijven vastleggen, is fijn voor die eencellige organismen, maar niet per se voor het oceaanmilieu, zegt De Nooijer. “Bij het vastleggen van kalk wordt een klein beetje van de opgeloste koolstof weer vrijgemaakt in de vorm van CO₂. Organismen die kalk vormen, dragen dus zelf ook bij aan de verzuring van het milieu.”   

Bij het maken van kalk (CaCO₃), brengen organismen extra CO₂ in het water, want:
2 delen HCO₃^- plus 1 deel Ca²⁺ geeft CaCO₃, CO₂ and H₂O

Al met al spelen foraminiferen een centrale, maar ook ingewikkelde rol in de boekhouding van kalk, koolstof en CO₂ in de oceanen, benadrukt De Nooijer. “Afhankelijk van wie je het vraagt, zullen ofwel de foraminiferen, ofwel een andere groep eencellige organismen – de  coccolithoforen – de belangrijkste rol spelen in het permanent vastleggen van kalk in de oceanen. En daarmee in het ‘onschadelijk maken’ van CO₂ uit de atmosfeer. Grofweg nemen deze organismen samen ieder de helft van de vastlegging van koolstof op zich. Dat betekent dat al die andere kalkvormende organismen, zoals schelpdieren of koraalpoliepen nog geen deuk in een pakje kalkrijke boter maken. Voor de biodiversiteit zijn ze onvoorstelbaar belangrijk, maar voor de vastlegging van koolstof niet”, aldus De Nooijer.

Dat foraminiferen ondanks een verzurende omgeving nog steeds kalk vastleggen, had eigenlijk niet mogen verbazen, stelt De Nooijer. “Kijk alleen al naar de krijtrotsen van Normandië en Zuid-Engeland. Die zijn ooit gevormd in de geologische periode van het Krijt, tot 65 miljoen jaar terug. In die periode lag de hoeveelheid CO₂ in de atmosfeer vaak een stuk hoger dan nu. Maar blijkbaar waren alle organismen in zee tóch in staat om in een zuurdere zee kalk te vormen.”

De Nooijer benadrukt dan ook dat fossiele foraminiferen ons nog een hoop kunnen leren over kalk en klimaat. “Deze organismen leggen niet alleen calcium vast in hun uitwendige kalkskeletjes, maar ook andere mineralen, zoals magnesium. De hoeveelheid magnesium zegt iets over de temperatuur op het moment van kalkvorming. Door fossiele foraminiferen tot op atoomniveau te bestuderen, kunnen we dan ook afleiden wat de temperatuur was op het moment van vastleggen. We hebben op dit moment wel modellen om ongeveer te voorspellen hoeveel CO₂ tot welke stijging van de temperatuur zal gaan leiden, maar die modellen zijn nog verre van zuiver. Bestuderen van foraminiferen kan die modellen verder verfijnen.”

Kleinste organismen verklaren grootste processen

De Nooijer benadrukt dat we de grootste processen op aarde, zoals de verandering van het klimaat op de hele planeet, nooit goed zullen begrijpen zonder de allerkleinste organismen zoals foraminiferen te kennen. “De hoeveelheid koolstof die deze eencelligen vastleggen in de vorm van kalk en daarmee: de hoeveelheid CO₂ die zij uit de atmosfeer verwijderen, is immens. Ze hebben een centrale plek in de koolstofkringloop en daarmee in ons klimaatprobleem.”