- Dutch text follows English -

Half of all the chalk in the ocean

Foraminifers are single-celled organisms, not bacteria but protists, that form the most photogenic calcium shells. The largest can grow more than a centimeter across, but most are about the size of a grain of sand. With these countless calcium ‘carbonate skeletons’ together, foraminifers are responsible for roughly half of all the chalk made in the ocean. And that's important because calcification is an important part of the global carbon cycle.

With the increasing amount of CO₂ in our atmosphere, and therefore in the ocean, the water is becoming slightly more acidic. With that, according to the laws of chemistry, forming a shell should become slightly more difficult. But foraminifers appear to be able to evade that law. “These single-celled organisms can adjust the acidity in and around their cell so that chalk formation still remains possible,” says Lennart de Nooijer of the Ocean Systems Department.

Lime dissolves with acid

Anyone who has ever had to descale a kettle or an espresso machine knows: precipitated chalk dissolves in acid, like in a dash of vinegar. So, the notion that ocean acidification (due to increases in CO₂) is troublesome for calcifying organisms such as shellfish, coral polyps and, consequently, foraminifers, is obvious. "The problem is: it just doesn't quite add up", says De Nooijer.

Foraminifers create their own environment

By looking at foraminifers with a laser and using fluorescence microscopy, De Nooijer and colleagues were able to see how these single-celled organisms create their own chemical environment. De Nooijer: "They are able to slightly raise the pH in their cell and thus create an alkaline environment locally. That means they can counter the acidification of the ocean water a little bit and keep on forming their shells."

Nice for the foraminifers, not for the acidic ocean

The fact that foraminifers can just keep sequestering calcium carbonate despite the acidifying ocean water is nice for those single-celled organisms, but not necessarily for the ocean environment, says De Nooijer. "When they calcify, a little bit of the dissolved carbon is released again in the form of CO₂. So, organisms that form shells and skeletons of calcium carbonate are themselves contributing to the acidification of the environment."

Large role for tiny organisms

All in all, foraminifers play a central but also complex role in the bookkeeping of oceanic carbon (and thus CO₂) in the oceans, De Nooijer emphasizes. "Depending on whom you ask, either foraminifers or another group of unicellular organisms, the coccolithophores, will play the most important role in permanently sequestering carbon in the oceans, and thus in ‘neutralizing’ CO₂ from the atmosphere. Roughly speaking, these organisms together each take up half of the carbon sequestration. This means that all those other calcifying organisms, such as shellfish or coral polyps do not make a dent. They are unimaginably important for biodiversity, but not for carbon sequestration", De Nooijer says.

Fossil foraminifers tell interesting stories

The fact that foraminifers are still producing shells despite an acidifying environment really should not have come as a surprise, De Nooijer argues. "Just look at the famous cliffs of Normandy and Dover. Those were once formed in the geological period of the Cretaceous, up to 65 million years ago. During that period, the amount of CO₂ in the atmosphere was often a lot higher than today. But apparently all marine organisms were still able to form lime in a more acidic sea."

De Nooijer therefore emphasizes that fossil foraminifers can still teach us a lot about carbon and climate. "These organisms not only store calcium and carbon in their shells, but also other minerals, such as magnesium. The amount of magnesium depends on the temperature at the time of calcium formation. Therefore, by studying fossil foraminifers down to the atomic level, we can infer what the temperature was at the time of capture. We have models to roughly predict how much CO₂ will lead to what rise in temperature, but those models are still far from accurate. Studying foraminifers can further refine those models."

Smallest organisms explain biggest processes

De Nooijer emphasizes that we will never properly understand the biggest processes on Earth, such as planetary climate change, without knowing the very smallest organisms such as foraminifers. "The amount of carbon these unicellular organisms sequester in the form of lime and thus: the amount of CO₂ they remove from the atmosphere is immense. They have a central place in the carbon cycle and thus in our climate problem."

Fotogenieke foraminiferen

De kleinste organismen sturen de grootste processen

De stijgende hoeveelheid CO₂ die wij de atmosfeer in blazen, verzuurt de oceaan. Problematisch voor kalkvormende organismen, zoals schelpen en koraalpoliepen. En voor foraminiferen. Maar zij kunnen dit probleem oplossen: alleen voor zichzelf. Dat schrijven Lennart de Nooijer en collega’s in Science Advances. “Deze eencelligen kunnen de zuurgraad in en rond hun cel aanpassen.”

Helft van alle kalk in de oceaan

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.          

Kalk los je op met zuur

Iedereen 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.

Foraminiferen maken hun eigen milieu

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.”

Fijn voor de foraminiferen, niet voor de zure oceaan

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.”          

Sleutelrol voor de allerkleinsten

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.
 

'Schelpen en koraal maken nog geen deuk in het pakje kalkrijke boter in de oceaan’

Fossiele foraminiferen vertellen interessante verhalen

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.”