De aarde is heet en nat. De zee is vol leven. Vroege inktvissen, palingen en zeewormen jaagden op kleinere dieren. Er was echter geen beweging op de grond. De dieren zijn nog niet aan land geklommen. Zo zag de aarde eruit aan het einde van de Ordovicium-periode, ongeveer 450 miljoen jaar geleden. Warme wateren creëren perfecte omstandigheden voor wilde dieren. Maar dat zou snel kunnen veranderen. Kort daarna begon het land te bevriezen en begonnen de ijskappen zich te verspreiden.


Springstaarten zijn eeuwenoud. Ze verschenen voor het eerst meer dan 400 miljoen jaar geleden en delen mogelijk een gemeenschappelijke voorouder met insecten. Sindsdien zijn ze echter in een andere richting geëvolueerd dan insecten. We weten nu dat zij de eerste dieren waren die antivrieseiwitten ontwikkelden. Bron afbeelding: Philippe Garcelon/Wikimedia Commons

Water dat voorheen warm en gastvrij was voor dieren in het wild, werd koud en onbewoonbaar. Soort na soort bezweek. In korte tijd werd de helft van al het leven weggevaagd als onderdeel van de op één na ergste massa-uitsterving in de geschiedenis van de aarde.

Het leven tijdens de Ordovicium-periode zag er heel anders uit dan nu. Het land is dor en levenloos, maar de zee is vol leven. Vooral de hier afgebeelde inktvissen en zeeanemonen zijn dominant. Maar er zijn op dit moment ook springstaarten aanwezig. Afbeeldingsbron: FritzGeller-Grimm/WikimediaCommons

Springstaarten: Overlevenden met antivrieseiwitten

Eén van de dieren die overleefde was echter de springstaart. Een klein insectachtig dier heeft een speciale strategie ontwikkeld om de kou te bestrijden. Dierlijke cellen zijn begonnen met het produceren van eiwitten die cellen beschermen tegen bevriezing.

Springstaarten waren mogelijk de eerste dieren die antivrieseiwitten produceerden. Wetenschappers dachten eerder dat dieren dit pas veel later begonnen te doen. Uit onderzoek van de Universiteit van Aarhus en de Queen's University in Canada blijkt dit.

"We weten dat antivrieseiwitten zich in de evolutionaire geschiedenis vele malen onafhankelijk hebben ontwikkeld. Vissen hebben ze. Insecten hebben ze. Sommige spinnen hebben ze. Maar totdat we deze resultaten zagen, hadden we geen idee dat ze zich zo vroeg in de dierenwereld ontwikkelden", zegt Martin Holmstrup.

Hij is professor aan de afdeling Ecologische Wetenschappen van de Universiteit van Aarhus en een van de onderzoekers van het nieuwe onderzoek.

Springstaarten zijn overal te vinden, ook in uw tuin

Springstaarten zijn kleine dieren, waarbij de grootste soort slechts zes millimeter lang is. Het heeft zes poten en twee tentakels aan de voorkant. Op het eerste gezicht lijken het op insecten, maar dat zijn ze niet. In feite heeft het zijn eigen tak van de evolutionaire boom.

Tot nu toe hebben onderzoekers meer dan 9.000 verschillende soorten springstaarten ontdekt, en ze zijn vrijwel overal te vinden, ook in uw tuin. Springstaartwormen leven meestal in de bovenste lagen van de grond of in bladafval en voeden zich met kleine schimmels, bacteriën en andere micro-organismen.

Het dier dankt zijn naam aan zijn gevorkte staart, die als de stang van een katapult onder zijn lichaam is vastgemaakt. De staart wordt ook wel een gevorkte staart genoemd en als het wordt aangevallen door een vijand (zoals een tijger), kan het dier snel zijn staart loslaten en tot 10 centimeter in de lucht springen.

Springstaarten zijn gunstig voor de bodemgezondheid omdat ze helpen voedingsstoffen in de planten te recyclen.

Martin Holmstrup kweekt bijna twintig verschillende soorten springstaarten in het laboratorium. Kleine dieren hebben niet veel ruimte nodig. Een hele kolonie zou in een glazen kom kunnen leven, zei hij. "We stoppen ze in een petrischaaltje met een gipsbodem, waardoor ze vochtig blijven. Als voer geven we ze een klein beetje droge gist. Dat is eigenlijk alles wat ze nodig hebben", zegt hij.

Bij het experiment werden springstaarten uit Martins laboratorium gebruikt. Hij stuurde monsters van de dieren naar drie collega's in Canada, die een reeks moleculaire experimenten uitvoerden om erachter te komen wanneer de dieren voor het eerst antivrieseiwitten produceerden.

Omdat onderzoekers de DNA-sequentie kennen die cellen in staat stelt antivrieseiwitten te bouwen, kunnen ze naar dezelfde sequenties zoeken voor verschillende soorten, families en klassen. Ze kunnen ook berekenen wanneer de mutatie heeft plaatsgevonden die tot de oorsprong van het gen heeft geleid: de Ordovicium-periode.

"Berekeningen laten zien dat springstaarten lang vóór andere dieren antivrieseiwitten produceerden. Dit gebeurde pas een miljoen jaar later bij vissen en insecten. Hoewel planten en micro-organismen, zoals bacteriën en eencellige algen, soortgelijke mechanismen mogelijk al veel eerder hebben ontwikkeld, " zei hij.

Hoe springstaarten te vinden

Martin Holmstrup en zijn collega's van de afdeling Ecologische Wetenschappen verzamelden de springstaarten zelf voor het laboratorium. Ze verzamelden zich in Denemarken, IJsland en Groenland.

Ze zijn niet moeilijk te vinden en je kunt ze zelfs in je eigen tuin vinden.

Volg gewoon deze stappen:

Pak een handvol aarde of bladeren uit de tuin en doe dit in een zeef.

Plaats het verstelbare licht over de zeef en plaats het bakje onder de zeef.

De hitte van de lampen zorgt ervoor dat de springstaarten koelere omgevingen opzoeken. Hierdoor vallen ze door de zeef in de bak, waar je ze ziet kruipen.

Hoewel je bijna overal ter wereld springstaarten kunt vinden, telt het Noordpoolgebied meer springstaarten dan waar dan ook. Slechts een handvol andere landdieren kan de kou van Groenland en Canada overleven, waardoor de springstaarten zich ongestoord kunnen voeden met bacteriën en schimmels.

“Dankzij de supersterke antivrieseiwitten van springstaarten kunnen ze overleven in koude gebieden, waar ze hun voedsel alleen met enkele andere wormen en insecten hoeven te delen. En veel natuurlijke vijanden hebben ze niet”, zegt Martin Holmstrup.

In de winter, wanneer de temperatuur in het Noordpoolgebied daalt, beginnen springstaarten antivrieseiwitten te produceren. Ze worden ook wel ‘ijsbindende eiwitten’ genoemd omdat ze zich kunnen hechten aan het oppervlak van kleine ijskristallen en kunnen voorkomen dat ze groeien. Wanneer de bodem bevriest, komen landdieren in nauw contact met ijskristallen. Daarom spelen antivrieseiwitten een belangrijke rol bij het voorkomen dat ijs zich in het lichaam van het dier verspreidt en het doodt.

"Net als wij en de meeste andere dieren kunnen springstaarten niet overleven als hun 'bloed' bevriest. Antivrieseiwitten helpen dit te voorkomen," zei hij.

Springstaarten zijn er in vele soorten en maten, met meer dan 9.000 verschillende soorten. Dit is slechts het aantal soorten dat we hebben gevonden. Onderzoekers schatten dat er twee keer zoveel springstaartsoorten zijn, of zelfs meer. Afbeelding tegoed: Andy Murray/Wikimedia Commons

droog als rozijnen

Dit speciale eiwit is echter niet het enige vermogen van de springstaarten om de poolkou te overleven; ze hebben een andere manier om te overleven.

"Omdat elk levend wezen watermoleculen in zijn cellen heeft, zijn we erg gevoelig voor temperaturen onder het vriespunt. Als water bevriest, worden de cellen vernietigd. Om dit te voorkomen drogen springstaarten zichzelf uit en gaan ze in de winter in een soort winterslaap", legt Martin Holmstrup uit.

Wanneer springstaarten in winterslaap gaan, vertraagt ​​hun metabolisme zo erg dat wetenschappers het niet echt kunnen meten. Wanneer de lente echter aanbreekt, nemen ze water weer op in hun lichaam en starten ze hun stofwisseling opnieuw.

"Je kunt ze vergelijken met druiven die tot rozijnen worden gedroogd, een proces dat doet denken aan vriesdrogen. In de winter krimpen de springstaarten en worden ze kleine, gerimpelde beestjes. Als de lente aanbreekt, nemen ze water op en zwellen ze op tot hun normale grootte", zei hij.

Wordt ook aangetroffen in vissen die doodgevroren hadden moeten worden

Hoe bepaalde diersoorten overleven in de koudste streken op aarde is al jaren een mysterie. Pas halverwege de vorige eeuw ontdekten wetenschappers de antivrieseiwitten die dieren in staat stellen om met kou om te gaan.

Decennia lang hebben wetenschappers zich afgevraagd hoe vissen in het Noordpoolgebied kunnen zwemmen in wateren zo koud als -1,8 graden Celsius. Zeewater heeft een laag vriespunt vanwege het zoutgehalte. Vissenbloed daarentegen heeft een vriespunt van -1 graden Celsius, waardoor ze niet kunnen voorkomen dat ze in het water bevriezen.

“Hoe vissen overleven in ijskoude wateren is lange tijd een mysterie geweest. Eind jaren zestig slaagde de Amerikaanse onderzoeker Arthur DeVries er echter in om eiwitten uit Arctische vissen te isoleren, die volgens hem de vorming van ijs in de cellen en het bloed van de vis verhinderden, zelfs als de vis gedurende zijn hele leven onderkoeld was”, legt Martin Holmstrup uit.

Sindsdien hebben onderzoekers antivrieseiwitten ontdekt in veel andere dieren, planten en micro-organismen. Deze antivrieseiwitten worden nu door de industrie gebruikt.

Geschiedenis en toepassingen van antivrieseiwitten

Tegenwoordig worden veel voedingsmiddelen gekocht en verkocht als diepvriesmaaltijden. Het probleem is echter dat bevroren voedsel kan veranderen als zich ijskristallen beginnen te vormen. Ze verminderen vaak de smaak en textuur van voedsel.

Deze aandoening kan echter worden voorkomen met speciale antivrieseiwitten, legt Martin Holmstrup uit:

"Het gen dat codeert voor het antivrieseiwit van vissen is gekopieerd naar industriële gistcelculturen. Hierdoor kan de gist zeer nuttige eiwitten produceren die vervolgens aan verschillende voedingsmiddelen kunnen worden toegevoegd", zei hij.

Een van de voedingsmiddelen die bijzonder krachtig zijn voor eiwitten is ijs.

"Ik weet dat Unilever eiwitten in hun ijs gebruikt, omdat ze helpen een hele mooie textuur te creëren. IJs kan ook worden ontdooid en opnieuw ingevroren zonder dat het in harde ijskristallen verandert. Op de langere termijn zou dit effect kunnen worden gebruikt voor cryopreservatie van getransplanteerde organen. Andere industrieën, zoals de lucht- en ruimtevaart- en windturbine-industrie, experimenteren ook met deze eiwitten. Ze hopen dat deze eiwitten vliegtuigvleugels zullen beschermen tegen ijsvorming en de noodzaak om ijsvrij te maken."