Kikkervisjes laten ademen door fotosynthese

Wetenschappers gebruiken fotosynthese om de hersenen van een kikkervisje aan te drijven.

Kikkers zijn wonderlijke wezens. Gedurende hun metamorfose, van ei over dikkop tot volwassen kikker, ondergaat hun lichaam spectaculaire fysieke veranderingen. Niet in het minste op het gebied van ademhalen.

Net uit zijn ei ademt de kikker in wording door een paar uitwendige kieuwen. In dit stadium blijft hij in de drilmassa hangen om ervan te eten, te groeien en aan te sterken. Enkele dagen later zijn de uitwendige kieuwen verdwenen en vervangen door een stel inwendige. Ook de huid van het kikkervisje is een belangrijk ademhalingsorgaan, omdat de kieuwen alleen meestal niet genoeg zuurstof kunnen leveren in de vaak zuurstofarme poeltjes waarin de larven leven. Vooral de staart is voorzien van een goed ontwikkeld netwerk van bloedvaten om gasuitwisseling te laten plaatsvinden.

luchtbellen opzuigen

Longen zijn reeds rudimentair aanwezig vanaf het begin, maar ontwikkelen zich geleidelijk aan en worden pas volledig functioneel als het dier zijn poten heeft en zijn staart verliest. Eerst ontstaan de achterpoten, naderhand ontwikkelen de voorpoten zich in de kieuwkamers en op het moment dat de voorpoten hierdoor naar buiten groeien, zijn de inwendige kieuwen verdwenen. Recent onderzoek bracht aan het licht dat vele kikkersoorten hun longen al gebruiken in een vroeg kikkervisstadium. Kikkervisjes zwemmen naar de oppervlakte om aan 'bubble-sucking' te doen. Enkel door het gebruik van hoge snelheid macrovideografie – met een bereik van 30 tot 1.000 beelden per seconde – kon men de actie genoeg vertragen om te kunnen waarnemen wat er precies gebeurt. Kikkervisjes zijn te zwak om de oppervlaktespanning van het water te kunnen doorbreken. In plaats daarvan plaatsen ze hun mond tegen het wateroppervlak. Ze openen hun kaken en zuigen een luchtbel in hun mondholte. Vervolgens ledigen ze hun longen in hun mond, waar de longinhoud

Foto's (2): Özugur et al./iScience.

Terwijl Duitse onderzoekers groene algen injecteren in het kloppend hart van een kikkervisje, worden de aderen van het doorschijnende dier geleidelijk groen. Bij belichting kunnen de algen zuurstof produceren.

zich vermengt met de vers gehapte luchtbel. Na het sluiten van de mond wordt de lucht naar de longen geperst. Vermits de luchtbel groter is dan de longinhoud, blijft een gedeelte ervan achter in de mondholte en dat wordt even later uitgespuwd. Het hele proces duurt slechts 0,3 seconden. Volwassen kikkers ademen zowel door hun huid als door hun longen, waarbij ze hun longen echter op een andere manier gebruiken dan wij. Ze happen lucht met hun mond, sluiten die samen met hun neusgaten en bewegen de onderkant van hun mond naar boven. Zo verkleint de mondholte en verhoogt de druk, waardoor de lucht in de longen wordt geperst.

symbiose met eencellige algen

We keren terug naar onze kikkervisjes. Ze hebben dus mogelijkheden te over om te ademen en wat heeft dit met fotosynthese te maken? Toevallige omstandigheden kunnen soms aanleiding geven tot interessant baanbrekend wetenschappelijk onderzoek. Dat overkwam Hans Straka van de Ludwig-Maximiliaan universiteit in München (Duitsland). Samen met zijn team bestudeerde hij de zuurstofconsumptie in de hersenen van kikkervisjes van de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis). Een gesprek met een collega-botanist tijdens de lunch resulteerde in het geniale idee om plantenfysiologie te combineren met neurowetenschappen: fotosynthese gebruiken als mechanisme om zenuwcellen van zuurstof te voorzien. Dat het idee niet zo vergezocht hoeft te zijn als het op het eerste gezicht lijkt, bewijst de natuur zelf. Algen leven vaak samen met koralen, sponzen en anemonen, die ze van zuurstof en voedingsstoffen voorzien. Sterker nog, in 2010 werd voor het eerst een symbiotische relatie tussen algen en een gewerveld dier gevonden. De Noord-Amerikaanse gevlekte salamanders (Amblystoma maculata) zetten tennisbalgrote pakketten van zo'n 250 eieren af die ze onder water bevestigen aan takken en planten. Ze zijn groengekleurd door de, in de gelatineuse massa, aanwezige eencellige algen (Oophila amblystomatis). De algen leveren zuurstof voor de eikapsels en gebruiken het afval van de embryo's onder de vorm van ammoniak als voedingsstof. Dit was reeds langer geweten, maar de doorbraak kwam er in 2010 toen wetenschappers konden aantonen dat de algen ook in de cellen van het salamanderembryo leven en vooral prominent aanwezig zijn op het moment dat het zenuwweefsel wordt gevormd. Hoe de algen juist in de cellen geraken, blijft voorlopig echter nog een vraagteken. Straka en zijn team namen de proef op de som en injecteerden groene algen (Clamydomonas renhardtii) en blauwalgen (Synechocystis) in het hart van hun kikkervisjes. Via de bloedvaten bereikten deze algen uiteindelijk ook de hersenen, waarbij de – aanvankelijk doorzichtige – dikkopjes groen werden gekleurd. Onder invloed van licht begonnen beide algensoorten prompt zuurstof te leveren aan de nabijgelegen cellen. Vervolgens verwijderden de vorsers de kop van het kikkervisje en plaatsten het in een zuurstofbubbelbad, voorzien van alle essentiële voedingsstoffen om de cellen in leven te houden. Op die manier kon men de neurale activiteit en het zuurstofgehalte opvolgen. Nadat de zuurstoftoevoer werd stopgezet, vielen de zenuwcellen stil. Werden de kopjes belicht, dan hernam de neurale activiteit binnen de 15-20 minuten, wat tweemaal sneller was dan wanneer het bad opnieuw van verse zuurstof voorzien werd. De zenuwcellen presteerden zelfs beter dan voorheen.

Het injecteren van algen in verstikte kikkervisjes brengt hun hersencellen weer tot leven.

Foto's (2): Özugur et al./iScience.

sciencefiction

Het klinkt een beetje als sciencefiction, maar wie weet kunnen algen in de toekomst ook voor de mens nuttig zijn, als ondersteunende therapie voor bijvoorbeeld infarcten of om te overleven in zuurstofarme omgevingen zoals onder water. We staan echter nog helemaal niet op het punt om algen in de bloedsomloop van de mens te injecteren. De eerstvolgende stap is onderzoeken of de ingespoten algen kunnen overleven in kikkervisjes, zonder een destructieve immuunrespons te activeren. Voorlopig ziet het er echter naar uit dat onze relatie met algen zich in de nabije toekomst zal beperken tot culinaire experimenten met zeewier of tot de beautysector onder de vorm van een gelaatsmasker. 

STEF VAN UFFEL

Geraadpleegde bronnen:

• iScience – Green oxygen plants in the brain rescue neuronal activity. • Royalsocietypublishing.org – Circumventing surface tension: tadpoles suck bubble to breath air. • Filt.org – The symbiotic relationship of algae and spotted salamanders. • Phys.org – Photosynthesizing algae injected into the blood vessels of tadpoles supply oxygen to their brains.