Vakgebieden in de Mariene Biologie

Mariene biologisch onderzoek bestrijkt veel niveaus van grootte (van microbiologie tot hele ecosystemen) en veel vakgebieden binnen de biologie. Daarnaast heeft mariene biologie natuurlijk ook veel raakvlakken met andere wetenschappen zoals scheikunde, natuurkunde, en geologie. Om je een overzicht van mariene biologie te geven, schetsen we hieronder, van het microscopische naar het gigantische, een kort overzicht van de vakgebieden binnen de mariene biologie. Rechts op deze pagina vind je recente ontwikkelingen binnen de mariene biologie.

Dit is onderzoek naar de kleinste eenheden binnen de biologie, moleculen. Veel onderzoek in dit veld gaat over het molecuul dat de code bevat voor het leven zoals wij het kennen, DNA (Desoxyribonucleïnezuur). Dit gigantische molecuul in de vorm van een dubbele wenteltrap komt voor in de cellen van alle vormen van leven op aarde (met uitzondering van virussen die het broertje RNA gebruiken) en bevat informatie voor hoe elk organisme zich ontwikkelt en functioneert.

Deze informatie is opgeslagen in het molecuul door een reeks van traptreden (baseparen) die elk kunnen bestaan uit één van vier opties (adenine, thymine, guanine en cytosine). Dit simpele principe kan de volledige informatie voor een organisme bevatten doordat een DNA molecuul extreem lang is. Een menselijke DNA streng kan tot 250 miljoen baseparen lang zijn. Twee onderzoeksvelden die veel met DNA werken zijn genetica en celfysiologie.

Genetica kijkt direct naar de informatie op het DNA en bepaalt daaruit verwantschap
tussen organismen en bijvoorbeeld hoeveel genetische variatie er is binnen een populatie. Dit zegt iets over hoe goed een populatie bijvoorbeeld om kan gaan met een nieuw geïntroduceerde ziekte. Celfysiologie kijkt naar wat de cellen van organismen doen met de informatie op het DNA. Deze informatie wordt gebruikt om alle eiwitten in de cel te produceren die vervolgens alle levensprocessen reguleren, bijvoorbeeld de verbranding van suikers voor energie en het stabiel houden van de pH in de cel.

Deze tak van de biologie kijkt naar de kleinste vormen van leven. De bacteriën, virussen, en de kleinste schimmels zoals de eencellige gisten. Omdat deze organismen niet met het blote oog te zien zijn kwam deze vorm van biologie pas op gang na de uitvinding van de microscoop.

De Nederlander Anthonie van Leeuwenhoek die in de 17de eeuw leefde was een van de pioniers op dit gebied en hij wordt daarom ook wel de vader van de microbiologie genoemd. Naast de microscoop kunnen microbiologen ook gebruik maken van voedingsbodems met agar en voedingsstoffen om kolonies van micro-organismen zichtbaar te maken. Een van de belangrijkste gebieden van de microbiologie kijkt naar organismen die ons ziek kunnen maken en de reactie van ons immuunsysteem daarop, maar deze medische microbiologie staat wat verder af van het mariene biologische veld.

Binnen de mariene biologie zijn vooral de ecologie en biochemie van microorganismen hoofdonderwerpen. Welk effect hebben de kleinste levensvormen op het ecosysteem waar in ze leven en welke chemische processen spelen zich in hen af?  Een van de belangrijkste ecologische processen in de open zee is de “microbial loop”. Dit is een kringloop waarbij opgeloste koolstofmoleculen die moeilijk te gebruiken zijn door grotere organismen wel door bacteriën worden opgenomen, waarna de grotere organismen deze bacteriën kunnen opnemen. Hierdoor is een groot koolstofreservoir in de open zee toch toegankelijk voor de rest van het voedselweb.

De mariene microbiologie heeft waarschijnlijk nog een hoop te ontdekken. De cyanobacterie (of blauwalg) Prochlorococcus werd pas in 1986 ontdekt, maar wij denken nu dat het de meest voorkomende vorm van leven op aarde is met tot 100.000 bacteriën in 1 milliliter zeewater. Samen zouden al de Prochlorococcus-en voor 20% van alle fotosynthese op aarde zorgen, maar we wisten dus tot de midden jaren tachtig niet dat ze er waren.

Dit is de studie naar het functioneren van biochemische processen in organismen. Hoe zorgen ze voor een stabiel milieu in zichzelf zodat chemische processen goed kunnen verlopen? Hoe communiceren cellen met elkaar? Hoe wordt de hormoonhuishouding geregeld en wat doen die hormonen door het hele lichaam?

Deze processen kunnen bekeken worden op allerlei schaalniveaus: van het celniveau naar organen, het organisme als geheel, en zelfs naar de ecofysiologie waar gekeken wordt naar aanpassing van de biochemische processen in een organisme aan zijn omgeving.

Een belangrijke tak van dit vakgebied is de ontwikkelingsfysiologie waarin gekeken wordt naar hoe organismen zich ontwikkelen als embryo en vervolgens doorgroeien naar hun volwassen vorm. Hoe de verschillende lichaamsdelen en organen zich ontwikkelen onder invloed van hormonen en hoe bijvoorbeeld het immuunsysteem zich ontwikkelt.

De morfologie kijkt naar de vorm en structuur van organismen en hun onderdelen. Dit is waarschijnlijk het standaard plaatje dat veel mensen hebben van biologen die met een vergrootglas beestjes zitten te bekijken om verschillende keversoorten uit elkaar te halen. Dit is de vergelijkende morfologie die voor honderden jaren de basis was van ons begrip van hoe diersoorten verwant waren.

Tegenwoordig weten we dat diersoorten die veel op elkaar lijken niet noodzakelijk sterk aan elkaar verwant zijn, bijvoorbeeld omdat soorten aangepast zijn aan gelijkaardige omgevingseisen. Een voorbeeld hiervan is de dolfijn en de vis, beiden hebben aan het water aangepaste vinnen, maar de soorten zijn niet aan elkaar verwant (het proces wat dit veroorzaakt wordt convergente evolutie genoemd). Naast morfologische kenmerken wordt er daarom ook gebruikt gemaakt van moleculaire technieken om verwantschappen te bepalen.

Daarnaast heb je de functionele morfologie die kijkt naar de vorm en functie van delen van organismen. Hoe efficiënt is het dat een kangeroe zich springend verplaatst? Hoe kunnen sommige vissen de hardste schelpdieren kraken? Deze tak van de morfologie hangt ook samen met de biofysica die kijkt naar natuurkundige krachten in organismen. Als je de functionele morfologie linkt aan de ecologische rol van dieren, dan noemen we dit ecomorfologie. Een voorbeeld is de vin van tonijnen die zijn gemaakt om snel te zwemmen en de vinnen van een kogelvis, die meer zijn om te manoeuvreren in een koraalrif.

Dit is de studie van dierlijk gedrag. Dit kan zowel in de natuur als in een kunstmatige setting waarbij het dier een keuze moet maken, of een puzzel moet oplossen.

Dierlijk gedrag kan je verdelen in instinct en aangeleerd gedrag. Instinct is gedragspatronen die bij de geboorte al aanwezig zijn zoals hoe een net geboren meeuwenkuiken tegen zijn moeders snavel aantikt om eten van haar te krijgen. Voorbeelden van aangeleerd gedrag zijn: gewenning (een dier leert dat het niet elke keer alarm hoeft te slaan als er een auto voorbij rijdt), associatief leren (een hond leert dat hij uitgelaten gaat worden als zijn baasje zijn riem pakt), inprenting (een ganzenkuiken bepaalt dat het eerste bewegende voorwerp dat het ziet als het uit het ei komt zijn moeder is en zal dit dan ook blijven volgen), en cultureel leren (een groep orka’s geeft zijn bijzondere jachtmethodes door aan de volgende generatie).

Belangrijke onderwerpen in de gedragsleer zijn paringsgedrag en groepsgedrag. Specifiek paringsgedrag helpt dieren bepalen dat ze tot dezelfde soort behoren en stelt ze in staat om de gezondheid en kracht van potentiële partners te beoordelen door bijvoorbeeld duels tussen mannetjes, of complexe paringsdansen. Groepsgedrag is de interactie tussen dieren in een sociale groep. Is er een dominant dier, of paar? Is er een strikte hiërarchie, of zijn de sociale interacties veel losser? Groepsgedrag kan uiteenlopen van hoe vindt een mierenkolonie zo efficiënt mogelijk voedsel in zijn omgeving, tot complexe oorlogsvoering tussen groepen chimpansees met guerrillatechnieken en invasies van het vijandige territorium.

De ecologie gaat over interacties tussen organismen en hun omgeving van het kleinste microniveau tot de schaal van de volledige Aarde. Een druppel vijverwater bevat al een grote diversiteit aan levensvormen die elkaar bejagen, beconcurreren, elkaar parasiteren, en die elk ook moeten reageren op abiotische factoren zoals temperatuur, zuurstofgehalte, zuurtegraad, etc.

Twee belangrijke termen in de ecologie zijn voedselweb en niche. Het voedselweb van een ecosysteem is het overzicht van de predator-prooi interacties. Algjes groeien in de lichtzone van de zee. Deze worden gegeten door het zoöplankton, dat gegeten wordt door klein visjes. Het zoöplankton en de kleine visjes worden dan bijvoorbeeld weer in grote hoeveelheden opgeschept door baleinwalvissen.

Een niche is de plaats van een soort in zijn ecosysteem. Een opsomming van zijn interacties met voedsel, predatoren, en concurrenten. Dezelfde niche kan in verschillende ecosystemen door verschillende soorten worden ingevuld. De mol zoals wij die in Nederland kennen en de buidelmol uit Australië zijn twee ondergronds levende insectenjagers die dezelfde ecologische niche vervullen in andere ecosystemen.

De theoretische, of wiskundige, biologie is een onderdeel dat zich richt op het begrijpen van biologische processen door wiskundige modellen. Het is voor veel onderwerpen in de biologie niet mogelijk om een proces direct te meten. Een model dat dat proces probeert na te bootsen is dan een handig gereedschap om onze inzichten in dat proces te vergroten.

Je moet wel altijd in de gaten houden dat een model een versimpelde weergave is van het natuurlijke proces. Het zal nooit mogelijk zijn om alle variabelen in de natuur op de juiste manier in je model te stoppen. Daarnaast is een model maar zo goed als de informatie die je er in stopt. Als de gegevens waar je je model op baseert van lage kwaliteit zijn, dan zal de uitkomst van het model ook van lage kwaliteit zijn.

Voorbeelden van modellen zijn: vispopulatiemodellen (hoe hard groeit een vispopulatie, hoeveel kunnen we jaarlijks opvissen zonder de populatie te laten krimpen),voedselwebmodellen (hoe beweegt energie zich van de planten via planteneters naar roofdieren en bijvoorbeeld aaseters), en populatiegenetische modellen (hoeveel uitwisseling van genetisch materiaal is er tussen individuen van een soort in naburige koraalriffen).