[Dutch text see below]

With the new funding, the researchers hope to uncover more details about the calcium carbonate formation process in foraminifera and thus be able to predict how these single-celled creatures, which are found in enormous numbers in the sea, will play a role in mitigating or amplifying the effects of climate change.

CO2 caused seawater to acidify

Of all the CO2 we have emitted since the industrial revolution, about a third dissolved in the oceans. This had caused the seawater to acidify, which, among other things, affects the calcification of all kinds of crustaceans and shellfish. This is an important but poorly understood part of the so-called marine carbon cycle, important to predict future climate change.

Acidification and warming

CO2 and calcification form a feedback loop: an increase in one slows down the other. However, this does not necessarily apply to one of the most important groups of calcifiers: single-celled foraminifera (figure). Despite acidification, they are still able to form their calcareous skeletons. To understand how they respond to acidification and warming, medical scientists are joining forces with earth scientists. By discovering how foraminifera produce calcium carbonate, they can predict how climate change will affect the carbon cycle.

NIOZ and Radboudumc

NIOZ and Radboudumc have been looking at the nanometre scale to see how foraminifera make their calcium shells. De Nooijer: ‘Just as in medical research into bone formation, we use techniques to examine the place where calcium is formed. With ordinary electron microscopy, you can only see "hard” materials, whereas the calcium of foraminifera is made up of a network of “soft” cell material.’

Extremely rapid freezing

To investigate this, the researchers use cryo-FIB/SEM. Cryo refers to the extremely rapid freezing of material, which prevents the formation of ice crystals, so that the cell material remains intact. ‘For this, we use high-pressure freezing, which freezes material in milliseconds.’ The researchers then use a Focussed Ion Beam (FIB) to shave away a few nanometres of material. They use an electron microscope (SEM) to take an image of this while the material remains frozen. ‘By alternating between the FIB and the SEM, we create a 3D image of a cell in the process of making a shell of calcium carbonate.’

Classical versus non-classical

Using this technique, the researchers have already been able to see that calcium carbonate formation proceeds according to a so-called “non-classical” precipitation. Instead of “classical calcium carbonate growth” with a continuous accumulation of loose calcium and carbonate ions, a layer of formless calcium carbonate is first formed. This later crystallises. ‘This explains a number of unique properties of foraminiferal shells,’ says De Nooijer, who has been fascinated by these creatures for twenty years.

M2 grants

NWO M2 grants are intended for two scientists who conduct curiosity-driven, fundamental research. The funding instrument is open to questions in the (border) area of different scientific disciplines.

Also read

Foraminifers: the smallest organisms drive the biggest processes

Kleine beestjes, grote impact. NIOZ en Radboudumc onderzoeken de wisselwerking tussen foraminiferen en klimaat

Een aardwetenschapper gaat samen met een elektronenmicroscopist onderzoek doen naar de kleinste zeediertjes die een grote rol spelen op CO2-gebied. Wetenschapsfinancier NWO verleent hiervoor een M2-beurs ter waarde van 800.000 euro aan Lennart de Nooijer van NIOZ en Nico Sommerdijk van Radboudumc.

Met de nieuwe financiering hopen de onderzoekers meer details bloot te leggen van het kalkvormende proces in foraminiferen om daarmee voorspellingen te kunnen doen hoe deze eencellige wezentjes met hun enorme aantallen in zee een rol zullen spelen in het dempen of versterken van de effecten van klimaatverandering.

CO2 verzuurt het zeewater

Van alle CO2 die wij sinds de industriële revolutie hebben uitgestoten, is ongeveer een derde opgenomen door de oceaan. Hierdoor verzuurt het zeewater, wat onder andere impact heeft op kalkvorming door allerlei schaal- en schelpdieren. Dit is een belangrijk, maar slecht begrepen onderdeel van de zogeheten mariene koolstofcyclus, belangrijk om toekomstige klimaatverandering te kunnen voorspellen.

Verzuring en opwarming

CO2 en kalkvorming vormen een feedback-loop: een toename van het een zorgt voor afremming van het ander. Alleen geldt dit niet per se voor een van de belangrijkste groepen kalkvormers: de ééncellige foraminiferen. Zij weten ondanks verzuring toch hun kalkskelet te vormen. Om te begrijpen hoe zij reageren op verzuring en op opwarming, bundelen medici en aardwetenschappers nu hun krachten. Door te ontdekken hoe foraminiferen calciumcarbonaat maken, kunnen ze voorspellen hoe klimaatverandering de koolstofcyclus gaat beïnvloeden.

Foraminiferen zijn ééncelligen die een schaaltje van kalk maken. Tijdens hun leven bouwen ze voortdurend kamertjes erbij. Als een foraminifeer sterft, is de kans groot dat het lege schaaltje begraven raakt in de zeebodem. Door fossielen uit verschillende tijden met elkaar te vergelijken, kunnen wetenschappers veranderingen in het klimaat reconstrueren.

NIOZ en Radboudumc

NIOZ en Radboudumc kijken al langer op nanometer-niveau hoe foraminiferen hun kalkschaaltje maken. De Nooijer: ‘Net als bij medisch onderzoek naar botvorming, gebruiken we technieken om de plek te bekijken waar kalk wordt gevormd. Met gewone elektron-microscopie kun je alleen “harde” materialen kijken, terwijl de kalk van foraminiferen gemaakt wordt door een netwerk van “zacht” celmateriaal.’

Extreem snel bevriezen

Om dit toch te onderzoeken, passen de onderzoekers cryo-FIB/SEM toe. Cryo staat voor het extreem snel bevriezen van materiaal, waarbij geen ijskristallen ontstaan zodat het celmateriaal intact blijft. ‘Hiervoor gebruiken we ‘high pressure freezing’, waarbij materiaal in milliseconden bevriest.’ Met een Focussed Ion Beam (FIB) schaven de onderzoekers vervolgens enkele nanometers materiaal weg. Daarvan maken ze met een elektronenmicroscoop (SEM) een opname, terwijl het materiaal bevroren blijft. ‘Door de FIB en de SEM steeds af te wisselen ontstaat er zo een 3D beeld van een cel die bezig is een schaaltje van kalk te maken.’

Klassiek versus niet-klassiek

Met deze techniek hebben de onderzoekers al kunnen zien dat kalkvorming verloopt volgens een zogeheten ‘non-classical’ neerslag. In plaats van ‘klassieke kalkgroei’ met een continue aangroei van losse ionen calcium en carbonaat, ontstaat eerst een laagje van vormloos kalk. Dat kristalliseert later. ‘Dit verklaart een aantal unieke eigenschappen van de schaaltjes van foraminiferen’, zegt De Nooijer, die al 20 jaar gefascineerd is door deze diertjes.

M2-beurzen

M2-beurzen van NWO zijn bestemd voor twee wetenschappers die nieuwsgierigheidsgedreven, fundamenteel onderzoek doen. Het financieringsinstrument staat open voor vragen in het (grens)gebied van verschillende wetenschapsdisciplines.

Lees ook

De kleinste organismen sturen de grootste processen