Eeuwenlang onbekend en keihard. Elke zomer wordt het warmer, en elke zomer komen er nieuwe microben aan het oppervlak. De wetenschap is er nog niet helemaal over uit. Is permafrost een doos van Pandora, of schuilt er hoop in voor de toekomst? 

In 2016 werd een klein dorpje in Siberië opgeschrikt door miltvuur. Deze door dieren overdraagbare ziekte is welbekend, en kan in sommige vormen tot de dood leiden. De bacterie nestelt zich dan in de longen of de darmen. Bij de uitbraak vond naast een kudde van 2000 rendieren ook tenminste één persoon de dood. Gepaard met tientallen ziekenhuisgevallen was dit de eerste grote uitbraak ten gevolge van dooiend permafrost.

Bij permafrost denk je al snel aan grote stukken ijs die in rap tempo aan het afbrokkelen zijn. De werkelijkheid is anders. Permafrost bestaat uit twee lagen. Een toplaag die met de seizoenen mee smelt en bevriest. De laag eronder blijft bevroren. Permafrost is in eerste instantie dus grond, geen ijs. En de toplaag is in de zomer drassig en vaak begroeid.

Smeltende toplaag

Monique Heijmans, universitair docent in Wageningen, doet onderzoek naar vegetatie op de Siberische permafrost: “In de zomer kan het soms wel 25 of 30 graden worden. Er vormt zich dan een ontdooide toplaag van 15-30 cm diep, waarin planten wortelen. Het land staat vol met dwergberken; struikjes van ongeveer een halve meter. We weten dat deze struikjes de permafrost goed isoleren.’’

Maar ondanks deze groene isolatie smelt de permafrost elk jaar een stukje verder. In de grond zitten stukken ijs, ijslenzen genoemd. Sommige van deze ijslenzen smelten in de zomer. Dan zakt de grond boven de smeltende ijslens in, en ontstaan er poeltjes doordat het smeltwater niet kan wegstromen. Heijmans: ‘’De hoeveelheid poeltjes die we nu in de zomer zien hebben we vergeleken met de hoeveelheid van tien jaar geleden. En dan zie je duidelijk dat er vandaag de dag veel meer smelt.”

Soms zijn ijslenzen zo groot dat ze voor inzakkingen zorgen. Dan geeft de permafrost haar geheimen prijs. De plaatselijke bevolking trekt eropuit op jacht naar mammoetfossielen. Ook zitten er bubbels potente broeikasgassen opgeslagen in de grond, die vrij kunnen komen. En sporadisch vindt onbekend leven zijn weg naar boven.

Microben

Professor Carsten Suhr Jacobsen, cryo-microbioloog aan de universiteit van Aarhus in Denemarken, doet onderzoek naar levensvormen in de cryosfeer. Dit is het deel van de aarde waar het kwik onder de nul komt en water praktisch altijd bevroren is. “We hebben wel eens een geheimhoudingscontract moeten tekenen met een bedrijf dat ‘premium smeltwater’ wilde bottelen van ijs van de Groenlandse permafrost. Op dat moment had een collega net laten zien dat je stukjes DNA van alle levensvormen kunt vinden in het Groenlandse ijs. Toen kwam de vraag of je in een ijsklontje voor in je whiskey de pestbacterie Yersinis Pestis zou kunnen vinden (ook wel bekend als de zwarte dood). Na verder onderzoek kwamen we erachter dat de levensvormen in het ijs zich hadden aangepast aan de koude omstandigheden, en waarschijnlijk niet gevaarlijk voor mensen zouden zijn. Het bedrijf kon doorgaan met het bottelen van water met een rijke geschiedenis.”

Lang werd er gedacht dat de cryosfeer een steriele plek was, maar dat beeld is aan het veranderen. In de zomer zijn microben die in de permafrost leven erg actief. Dan is de toplaag gesmolten en zijn ze continu bezig met het produceren en consumeren van broeikasgassen zoals methaan.

Overlevingsdrang

In de diepere lagen komt actief leven op twee manieren voor. Je hebt gram-positieve en gram-negatieve bacteriën. Als je naar de bacterie zelf kijkt is het grootste verschil de celwand. Omdat ze andere celwanden hebben gaan ze ook op andere manieren om met de extreme omstandigheden in de koude grond.

Suhr Jacobsen: “De gram-positieve bacteriën overleven door te stoppen met zich voortplanten. Ze rollen op als een soort van balletje. Dit scheelt energieverbruik, maar ze ondervinden wel schade van achtergrondstraling, die is overal. De gram-positieve bacteriën kunnen dus wel een tijdje, maar niet voor 10.000 jaar overleven, dan hoopt de schade te veel op. De gram-negatieve bacteriën doen het op een andere manier. Ze blijven zich voortplanten. Hierdoor repareren ze de schade van achtergrondstraling elke generatie. Ze leven in dunne aders in de grond, waar water door verhoogde zoutconcentraties vloeibaar is. Deze aders kunnen duizenden jaren oud zijn, en de bacteriekolonies die er leven dus ook.”

Nieuw leven

Als je gaat zoeken in de grond vind je al snel nieuwe soorten microben. Zo vond de Franse onderzoeker Jean Michel Claverie in 2014 met zijn groep in de Siberische permafrost een nieuw soort virus. In een stuk ijs van 33 duizend jaar oud vonden ze reuze-virussen. Deze Mega Viridae hebben een genoom van 2,8 miljoen baseparen. Ter vergelijking, het nieuwe coronavirus Sars-Cov-2 heeft een genoom van 29 duizend baseparen. Waar het coronavirus ongeveer 0,1 micrometer in diameter is, zijn de stokoude virussen ongeveer tien keer zo groot. Mondkapjes zouden dus wel meer effect hebben. Het is de onderzoekers gelukt om deze virussen in gecontroleerde omgeving weer ‘actief’ te maken en amoeben te infecteren.

In Alaska vonden onderzoekers in 2005 een nieuwe bacterie door een stuk ijs, dat 32 duizend jaar oud was, te smelten en te kijken welke activiteit er ontstond. Zelfs NASA toonde hier interesse voor, aangezien Mars ook soortgelijke stukken permafrost heeft.

De uitbraak in 2016 uit de intro laat zien dat miltvuurbacteriën die in permafrost verborgen liggen een evident gevaar zijn. De sporen van deze bacterie kunnen in normale omstandigheden een paar tientallen jaren ‘slapen’. In de koude omgeving van de permafrost wordt dit alleen maar langer.

Maar ons zorgen maken hoeft volgens Jacobsen niet, “De sporen van miltvuurbacteriën kunnen in permafrost praktisch oneindig lang leven. Maar dit is wel een inactieve vorm. Hoewel we er geen hard bewijs voor hebben, is de gedachte dat we door evolutionaire drift beschermd worden. Er zit veel verborgen in de permafrost, ook microben die schadelijk zijn voor mensen. Maar zodra deze microben ‘wakker worden’ moeten ze meedoen met de rest. In het actieve microbioom van de toplaag zullen de schadelijke microben eruit worden geconcurreerd door de goed aangepaste microben die al aan het oppervlak zaten.”

Sterker nog, de meeste microben die we ontdekken in de koude grond kunnen we goed gebruiken.

Wat we ervan kunnen leren

“In de zomer gaan we op expeditie naar Groenland om monsters te nemen. De rest van het jaar staan we dan in het laboratorium om te kijken wat mee terug hebben genomen”, vertelt Professor Peter Stougaard, biotechnoloog op de afdeling van Jacobsen. “Elk jaar nemen we wel wat nieuws mee terug. We komen niet microben tegen die de voorpagina van Nature halen, maar desalniettemin zijn ze ontzettend nuttig. Over het algemeen kunnen we de enzymen het beste gebruiken.”

Enzymen zijn in de biologie de werkpaarden voor alle reacties. Ze verzorgen de afbraak van vetten, het kopiëren van DNA, maar ook het welbekende fermentatieproces valt of staat met de werking van een enzym.

“De enzymen die we in meer gematigde klimaten tegenkomen zijn vaak erg specifiek, ze doen één ding. Maar de enzymen die voorkomen in de koude omgeving van Groenland zijn veel flexibeler. Ze kunnen meerdere soorten stofjes binden, en verschillende reacties laten plaatsvinden.”

Op verzoek van bedrijven heeft Stougaard gewerkt aan lactase-enzymen die bij koude temperaturen werken. Zo kun je bijvoorbeeld melk maken, zonder deze te hoeven verhitten. Er is ook interesse uit een onverwachte hoek, “Een van de belangrijkste processen is het schoonmaakproces. We zijn bezig met wasmiddel dat bij 0 graden kan werken. Stel je voor dat heel de wereld niet meer op 40 graden zijn was hoeft te doen, hoeveel energie dat bespaart.”

Een nadeel is dat de enzymen bij hogere temperaturen snel kapot zullen gaan. Je zou je waspoeder dus in de koelkast moeten bewaren. Stougaard: “Daarom is het commercieel nog vrij lastig. Maar je kunt wel trucjes uithalen om de enzymen stabieler te maken bij hogere temperaturen, zonder dat ze hun functie bij lagere temperaturen verliezen.”

Elk jaar zijn er weer nieuwe kandidaten, met nieuwe functies. De flexibiliteit in de kou zorgt voor verrassingen links en rechts. Evolutie is de drijvende factor achter deze weelde aan microben. Het is aan ons om ze te vinden, te vriend te houden, en er de wereld een stukje beter mee te maken.