Multiscale architecture and composition of two South Australian Bryozoa: Celleporaria cristata and Densipora corrugata

Diep onder het oppervlak van de oceaan, in de koele, gematigde wateren voor de kust van Australië, bouwen minuscule koloniale dieren die bryozoën worden genoemd, ingewikkelde stenen huizen. Deze wezens, vaak "mosdieren" genoemd, zijn niet één enkel individu maar uitgestrekte gemeenschappen van microscopische klonen die samenwerken. Al eeuwen weten wetenschappers dat deze kolonies zijn opgebouwd uit calciumcarbonaat, hetzelfde mineraal dat in kalksteen en schelpen wordt gevonden. Echter, het verhaal over hoe deze dieren hun skeletten construeren, en welke geheimen die skeletten kunnen bevatten over de omgeving waarin ze leven, is grotendeels verborgen gebleven. De uitdaging ligt in de schaal: de structuren zijn zo klein dat ze krachtige microscopen vereisen om te kunnen worden gezien, en de chemische signalen die ze bevatten zijn zo zwak dat ze gemakkelijk worden gemist door standaardinstrumenten. Het begrijpen van deze kleine bouwers is cruciaal omdat ze belangrijke bijdragers zijn aan de wereldwijde carbonaatafzettingen, en hun skeletten potentieel kunnen dienen als historische verslagen van oceaancondities, mits we leren de chemische taal te lezen die in hun stenen muren is geschreven.

Een team van onderzoekers trok uit om deze taal te ontcijferen door twee specifieke soorten bryozoën te bestudelen die worden gevonden in de zeegrasweiden van Zuid-Australië. Ondanks dat ze tot verschillende evolutionaire families behoren die honderden miljoenen jaren geleden uit elkaar zijn gegaan, hebben deze twee soorten, Celleporaria cristata en Densipora corrugata, geëvolueerd om er bijna identiek uit te zien. Beide vormen spindelvormige kolonies die langs de stengels van zeegras groeien, gekenmerkt door een reeks prominente richels die over hun oppervlak lopen. De wetenschappers wilden weten of deze opvallende gelijkenis in vorm betekende dat ze hun huizen op dezelfde manier bouwden, of dat hun eeuwenoude verschillen nog steeds de microscopische details van hun constructie bepaalden. Om dit te achterhalen, gebruikten ze een reeks geavanceerde beeldvormingstechnieken om de kolonies te onderzoeken, van de omvang van het hele dier tot de individuele minerale korrels waaruit hun muren zijn opgebouwd.

Het onderzoek begon met het bekijken van de algehele vorm en de interne lay-out van de kolonies. Met behulp van hoogwaardige 3D-scanning bevestigden de onderzoekers dat hoewel de externe vormen bijna tweelingen waren, de interne kamers waar de individuele dieren leefden fundamenteel verschillend waren. In de ene soort waren de leefkamers doosvormig, terwijl ze in de andere soort lange buizen waren. Dit verschil weerspiegelde hun afzonderlijke evolutionaire geschiedenissen. Toch, toen het team verder inzoomde om naar de wanden zelf te kijken, vonden ze een verrassende hoeveelheid gemeenschappelijke grond. Beide soorten bouwden hun muren met een mengsel van minuscule, platte minerale platen en kleine, korrelige clusters van calciumcarbonaat. Op het allerkleinste niveau werden beide geconstrueerd uit nanogranules, piepkleine ronde deeltjes met een grootte variërend van 65 tot 250 nanometer. Dit suggereert dat, ondanks hun verschillende evolutionaire paden, beide dieren dezelfde basisbouwstenen gebruiken om hun stenen huizen te assembleren, waarbij ze deze kleine deeltjes waarschijnlijk aan elkaar plakken.

De onderzoekers richtten hun aandacht vervolgens op de chemische samenstelling van deze stenen muren, specifiek kijkend naar magnesium, een element dat vaak gevangen raakt in calciumcarbonaat tijdens de vorming ervan. Ze ontdekten dat beide soorten magnesium in hun skeletten verwerkten, maar dat ze dit op zeer verschillende manieren deden. In de soort met de buisvormige kamers was het magnesium geconcentreerd in duidelijke banden die perfect overeenkwamen met de externe richels op het oppervlak van de kolonie. Dit patroon leidde de wetenschappers naar een overtuigende hypothese: deze richels zouden jaarlijkse groeimerken kunnen zijn, vergelijkbaar met de jaarringen van een boom. Omdat magnesiumniveaus in mariene dieren vaak stijgen tijdens warmere zomermaanden, zouden de magnesiumrijke richels perioden van snelle zomergroei kunnen vertegenwoordigen. Als dit waar is, zouden de kolonies enkele jaren oud kunnen zijn, waarbij het aantal richels de leeftijd aangeeft. In tegen tegenstelling hiertoe vertoonde de andere soort magnesium verspreid in onregelmatige banden door haar wanden, zonder duidelijke connectie met de externe vorm, waardoor het onmogelijk is om dezelfde methode te gebruiken om de leeftijd te bepalen.

Naast de mineralen onderzochte het team ook de organische materialen die in de steen zijn gevangen. Alle levende wezens die harde schelpen bouwen, mengen er enkele organische moleculen bij, zoals eiwitten en suikers, om de vorming van het mineraal te begeleiden. De onderzoekers ontdekten dat de twee soorten zeer verschillende organische recepten gebruikten. De soort met de doosvormige kamers had wanden die rijk waren aan eiwitten, wat deel uitmaakte van een beschermende buitenhuid, of cuticula, die in de wand wordt opgenomen terwijl het dier groeit. De andere soort, die deze buitenhuid mist, had wanden vol koolhydraatrijke organische lagen die tussen de minerale korrels liggen. Dit verschil benadrukt hoe twee dieren die er aan de buitenkant hetzelfde uitzien, totaal andere interne biologische strategieën kunnen hebben voor het bouwen van hun skeletten.

De studie concludeert dat hoewel deze twee bryozoën geconvergeerd zijn op een vergelijkbare vorm om te overleven in hetzelfde milieu, hun interne constructie een getuigenis blijft van hun unieke evolutionaire verleden. De bevindingen bieden een nieuwe manier om naar deze kleine kolonies te kijken, waarbij gesuggereerd wordt dat de soort met de magnesiumrijke richels kan dienen als een natuurlijke recorder van de afgelopen oceaan temperaturen. Door de richels te tellen en hun chemie te analyseren, kunnen wetenschappers mogelijk de geschiedenis van zomerse opwarming in deze zeegras-ecosystemen reconstrueren. Dit werk beschrijft niet alleen hoe deze dieren bouwen; het opent een deur om deze stenen huizen te gebruiken als instrumenten om te monitoren hoe onze oceanen veranderen, waardoor een microscopische kolonie verandert in een venster op het klimaat van het verleden.