De microben in ons

Ed Yong

AUP

Oorspronkelijke uitgave: Ed Yong, I Contain Multitudes. The Microbes Within Us and a Grander View of Life, Penguin Radom House UK, 2016 [ISBN 978-8-18-4792328-8]

© Ed Yong 2016

All rights reserved including the rights of reproduction in whle or in part in any form.

Vertaling: Aat van Uijen

Ontwerp omslag: Studio Odilo Girod

Ontwerp binnenwerk: Crius Group, Hulshout

© 2017 voor Nederland

Amsterdam University Press B.V.

Uitgeverĳ AUP is een imprint van Amsterdam University Press.

ISBN 978 94 6298 352 6

e-ISBN 978 90 4853 382 4 (pdf)

e-ISBN 978 90 4853 383 1 (ePub)

NUR 860 ǀ 881

© 2017 voor België

Uitgeverij Manteau

ISBN 978 90 2233 393 8

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 jº het Besluit van 20 juni 1974, Stb. 351, zoals gewijzigd bij het Besluit van 23 augustus 1985, Stb. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (Postbus 3051, 2130 KB Hoofddorp). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet 1912) dient men zich tot de uitgever te wenden.

De uitgeverij heeft ernaar gestreefd alle copyrights van in deze uitgave opgenomen illustraties te achterhalen. Aan hen die desondanks menen alsnog rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht contact op te nemen met Amsterdam University Press.

Inhoud

Proloog: een dagje in de dierentuin

1. Levende eilanden

2. De eerste waarnemers

3. Bodybuilders

4. De algemene voorwaarden

5. In voor- en tegenspoed

6. De eindeloze dans

7. Wederzijds succes verzekerd

8. Allegro in E-majeur

9. Microben à la carte

10. Morgen de wereld

Noten

Verantwoording

Illustratieverantwoording

Literatuur

Index

Proloog: een dagje in de dierentuin

Baba geeft geen krimp. Hij schrikt niet van de drukte van de opgewonden kinderen die om hem heen drommen. Hij heeft geen last van de Californische zomerhitte. De wattenstaafjes die over zijn snuit, lijf en poten worden gewreven, kunnen hem niets schelen. Zijn nonchalance is logisch, want zijn leven is veilig en comfortabel. Hij woont in de dierentuin van San Diego, heeft een ondoordringbaar pantser en heeft zich momenteel rond het middel van een oppasser gekruld. Baba is een Afrikaans boomschubdier, een uiterst vertederend dier dat eruitziet als een kruising tussen een miereneter en een dennenappel. Hij heeft ongeveer de grootte van een kleine kat. Zijn zwarte ogen verlenen hem een droevige blik en het haar dat zijn wangen omlijst, ziet eruit als warrige bakkebaarden. Zijn kop eindigt in een taps toelopende roze snuit die goed is aangepast aan het opzuigen van mieren en termieten. Zijn korte voorpoten hebben lange, gebogen klauwen, waarmee hij zich aan boomstammen vasthoudt en insectennesten openscheurt, en hij heeft een lange staart, waarmee hij aan boomtakken hangt (of aan vriendelijke oppassers).

Verreweg zijn bijzonderste kenmerk zijn zijn schubben. Zijn kop, lichaam en staart zijn ermee bedekt – lichtoranje overlappende platen die een uiterst taai pantser vormen. Ze bestaan uit hetzelfde materiaal als nagels: keratine. Ze lijken inderdaad veel op vingernagels, maar dan lang en gelakt en sterk afgekloven. Ze zijn buigzaam, maar zitten stevig aan het lichaam vast, zodat ze inzakken en weer terugveren als ik hem over zijn rug aai. Als ik de andere kant op zou aaien, zou ik mezelf waarschijnlijk snijden – veel schubben hebben een scherpe rand. Alleen Baba’s snuit, buik en poten zijn onbeschermd, maar als hij zou willen, zou hij zich kunnen verdedigen door zich tot een bal op te rollen. Hieraan ontleent het schubdier de naam waaronder hij ook bekendstaat: pangolin. Dit komt van het Maleise woord pengguling, dat ‘iets wat zich oprolt’ betekent.

Baba is een van de ambassadeurs van de dierentuin – uiterst gedweeë en goed afgerichte dieren die bij publieksactiviteiten worden ingezet. De oppassers nemen hem vaak mee naar verpleeghuizen en kinderziekenhuizen om degenen die daar verzorgd worden een leuke dag te bezorgen en ze iets over ongewone dieren te leren. Maar vandaag is hij vrij. Hij hangt als een rare ceintuur rond het middel van de oppasser, terwijl Rob Knight voorzichtig met een wattenstaafje over de zijkant van zijn snuit wrijft. ‘Dit is een van de soorten waar ik als kind al door geboeid was – dat zoiets bestaat’, zegt hij.

Knight, een lange slungelige Nieuw-Zeelander met gemillimeterd haar, bestudeert het microscopische leven, hij is een kenner van het onzichtbare. Hij onderzoekt bacteriën en andere microscopisch kleine organismen – micro-organismen, ofwel ‘microben’ – en hij is vooral geïnteresseerd in soorten die in of op het lichaam van andere dieren leven. Om ze te bestuderen, moet hij ze eerst verzamelen. Vlinderjagers gebruiken een net en potten, Knight geeft de voorkeur aan wattenstaafjes. Hij buigt zich voorover en rolt een paar seconden een staafje over de snuit van Baba, lang genoeg om er schubdierbacteriën mee op te pikken. Duizenden, zo niet miljoenen microscopische cellen zitten nu verstrikt in de watten. Knight doet dit heel voorzichtig, om het dier niet te storen. Baba had echter niet minder verstoord kunnen kijken. Ik krijg het gevoel dat zelfs als er een bom naast hem afging, hij nauwelijks zou bewegen.

Baba is niet alleen maar een schubdier. Hij is ook een krioelende massa microben. Sommige daarvan leven binnen in hem, voornamelijk in zijn darmen. Andere leven aan de buitenkant, op zijn snuit, buik, poten, klauwen en schubben. Knight veegt over de een na de ander van deze plekken. Hij heeft dat ook verschillende malen met zijn eigen lichaamsdelen gedaan, want ook hij herbergt zijn eigen gemeenschap aan micro-organismen. Dat geldt eveneens voor mij. En voor ieder dier in de dierentuin. En voor ieder wezen op aarde, afgezien van de paar laboratoriumdieren die wetenschappers doelgericht steriel fokken.

Wij allen bezitten een uitbundige microscopische menagerie, die microbiota of microbioom wordt genoemd.1 Deze leeft aan onze buitenkant, in ons lichaam, en soms in onze cellen. De overgrote meerderheid ervan bestaat uit bacteriën, maar er zijn nog meer minuscule organismen, zoals schimmels (waaronder de gisten) en de archaea, een mysterieuze groep die we later zullen tegenkomen. Ook zijn er virussen, in onmeetbare aantallen – een viroom dat alle andere micro-organismen infecteert, en soms de cellen van de gastheer. Geen van deze nietige spikkeltjes kunnen we zien. Als onze eigen cellen op mysterieuze wijze zouden verdwijnen, zou het microbioom wellicht zichtbaar zijn als een spookachtige bacteriële glans, die de dan niet meer aanwezige dierlijke kern omlijst.2

In sommige gevallen zou het nauwelijks waarneembaar zijn dat er cellen ontbreken. Sponzen behoren tot de eenvoudigste dieren, met een statisch lichaam van niet meer dan een paar cellen dik, en ook zij herbergen een florerend microbioom.3 Soms, als je een spons onder de microscoop bekijkt, zul je het dier amper kunnen zien door de microben waardoor het wordt bedekt. De zelfs nog eenvoudigere plakdiertjes (Placozoa) zijn niet meer dan een vochtige mat cellen; ze zien eruit als amoeben, maar zijn dieren net als wij, en ook zij hebben micro-organismen als partner. Mieren leven in kolonies die miljoenen dieren kunnen omvatten, maar iedere mier is een kolonie op zich. Een ijsbeer die in zijn eentje in het poolgebied rondloopt, met aan alle kanten alleen maar ijs, is volledig omringd. Indische ganzen vervoeren micro-organismen over de Himalaya, terwijl zeeolifanten ze naar de diepste oceanen brengen. Toen Neil Armstrong en Buzz Aldrin voet op de maan zetten, zetten ze niet alleen een grote stap voor de mensheid, maar ook voor het microbioom.

Toen Orson Welles zei: ‘We zijn alleen als we worden geboren, we leven alleen en we sterven alleen’, had hij het mis. Zelfs als we alleen zijn, zijn we nooit alleen. We leven in symbiose, een prachtige term die staat voor een samenleven van verschillende organismen. Sommige dieren worden gekoloniseerd wanneer ze nog een onbevrucht ei zijn, andere pikken hun eerste partners op het moment van geboorte op. We brengen vervolgens ons leven door in hun aanwezigheid. Als wij eten, doen zij dat ook. Als we op reis gaan, gaan ze mee. Als we dood gaan, eten ze ons op. Ieder van ons is een dierentuin op zich – een kolonie omsloten door één enkel lichaam. Een collectief van een veelvoud aan soorten. Een hele wereld.

Deze concepten kunnen lastig te bevatten zijn, niet in de laatste plaats doordat wij mensen een wereldwijde soort zijn. Onze soort is grenzeloos. We hebben ons verbreid tot in iedere uithoek van onze blauwe knikker en sommigen van ons hebben deze zelfs verlaten. Het kan bizar lijken je een bestaan voor te stellen dat zich geheel in iemands darmen of in één enkele cel afspeelt, of om onze organen als een golvend landschap te zien. Toch zijn ze dat beslist. De aarde kent een verscheidenheid aan ecosystemen: regenwoud, prairie, koraalrif, woestijn, mangrovebos, ieder met zijn eigen soortengemeenschap. Maar ook een afzonderlijk dier zit vol ecosystemen. Huid, mond, darmen, geslachtsdelen, ieder orgaan dat een verbinding met de buitenwereld heeft: ieder heeft zijn eigen kenmerkende gemeenschap van micro-organismen.4 De concepten die door ecologen worden gebruikt om de ecosystemen te beschrijven op continentale schaal, zoals we die via satellieten zien, zijn ook van toepassing op ecosystemen in ons lichaam die we met de microscoop bestuderen. We kunnen het hebben over de diversiteit van de soorten micro-organismen. We kunnen voedselwebben tekenen, waarin verschillende organismen elkaar eten en voeden. We kunnen essentiële micro-organismen isoleren die een disproportionele invloed op onze omgeving hebben – het equivalent van zeeotters of wolven. We kunnen ziekteverwekkende micro-organismen, pathogenen, als invasieve wezens behandelen, zoals reuzenpadden of vuurmieren. We kunnen de darmen van iemand met een inflammatoire darmziekte vergelijken met een stervend koraalrif of een braakliggend terrein: een gehavend ecosysteem waarin het evenwicht tussen de organismen is verstoord.

Deze overeenkomsten betekenen dat wanneer we naar een termiet, een spons of een muis kijken, we ook naar onszelf kijken. Hun microben kunnen anders zijn dan die van ons, maar hun systemen worden door hetzelfde principe geregeerd. Een pijlinktvis met lichtgevende bacteriën die alleen ‘s nachts opgloeien, kan ons iets vertellen over de dagelijkse eb en vloed van bacteriën in onze darmen. Een koraalrif waarvan de micro-organismen amok maken door vervuiling of overbevissing is vergelijkbaar met de beroering in onze darmen wanneer we ongezond voedsel eten of antibiotica slikken. Een muis waarvan het gedrag verandert onder de grillen van zijn darmbacteriën kan ons iets laten zien over de tentakels waarlangs onze eigen metgezellen onze geest beïnvloeden. Via microben vinden we iets gemeenschappelijks met onze medecreaturen, ondanks onze onvoorstelbaar verschillende levens. Geen van deze levens wordt in isolatie doorgebracht; ze bestaan altijd in de context van het microbioom en ze vergen voortdurende onderhandelingen tussen soorten, groot en klein. Microben kunnen ook van het ene dier naar het andere gaan en zich verplaatsen tussen ons lichaam, de bodem, het water, de lucht, gebouwen en andere milieus om ons heen. Ze verbinden ons met elkaar en met de wereld.

Alle zoölogie is in feite ecologie. We kunnen het leven van dieren niet volledig begrijpen zonder onze micro-organismen en onze symbiose met hen te begrijpen. En we kunnen ons eigen microbioom niet volledig naar waarde schatten zonder in te zien hoe het door dat van onze medesoorten wordt beïnvloed en verrijkt. We moeten naar het hele dierenrijk uitzoomen, terwijl we inzoomen op de verborgen ecosystemen die in ieder wezen bestaan. Als we naar kevers en olifanten kijken, naar zee-egels en regenwormen, naar ouders en vrienden, zien we individuen die hun levenspad afleggen als een bundel cellen in één enkel lichaam, aangedreven door één enkel stel hersenen en functionerend met één enkel genoom. Dit is een prettig sprookje. In feite zijn we ontelbaar, iedereen. Altijd een ‘wij’ en nooit een ‘ik’. Vergeet Orson Welles en luister naar Walt Whitman: ‘Ik ben groot, ik ben met velen.’5

1. Levende eilanden

De aarde is 4,54 miljard jaar oud. Zo’n grote tijdsspanne kan de geest niet bevatten, dus laten we de hele geschiedenis van onze planeet in één kalenderjaar samenpersen.1 Op dit moment, als u deze bladzijde leest, is het 31 december, vlak voor de klok van middernacht. (Gelukkig werd negen seconden geleden het vuurwerk uitgevonden.) De mens bestaat nog maar 30 seconden of korter. De dinosaurussen heersten over de wereld tot op de avond van 26 december, toen een meteoriet op de aarde insloeg en hen deed uitsterven (afgezien van de vogels). Eerder in december waren de bloemplanten en de zoogdieren ontstaan. In november verbreidden de planten zich naar het land, en in zee verschenen de meeste van de belangrijkste diergroepen. Planten en dieren bestaan uit vele cellen en dergelijke organismen hadden zich zeker begin oktober al ontwikkeld. Ze kunnen al eerder hebben bestaan, want de fossielen zijn meerduidig en geven ruimte aan interpretatie, maar ze zullen zeldzaam zijn geweest. Voor oktober bestond vrijwel ieder levend wezen uit één cel. Dat was zo sinds het ontstaan van het leven, ergens in maart.

Laat me dit benadrukken: alle levende organismen die we kennen, waar we aan denken als we het over ‘natuur’ hebben, zijn een laatkomer in de geschiedenis van het leven. Ze zijn een deel van het slotakkoord. In het grootste deel van het verhaal waren micro-organismen de enige levende dingen op aarde. Van maart tot oktober op onze denkbeeldige kalender hadden ze de planeet voor zich alleen.

Gedurende die tijd veranderden ze hem onomkeerbaar. Bacteriën verrijken de bodem en breken verontreinigingen af. Ze drijven de koolstof-, stikstof-, zwavel- en fosforcycli van de aarde aan door deze elementen in te bouwen in bestanddelen die door planten en dieren kunnen worden gebruikt om ze dan aan de aarde terug te geven door organische materie te verteren. Ze waren de eerste organismen die, door zonne-energie voor het proces van fotosynthese te gebruiken, zelf hun voedsel maakten. Ze scheidden zuurstof uit als afvalproduct en loosden zo veel van dit gas dat ze de atmosfeer van onze planeet voorgoed veranderden. Dankzij hen leven we nu in een wereld met zuurstof. Zelfs nu wordt de helft van de zuurstof die u inademt geproduceerd door fotosynthetiserende bacteriën in de oceanen en slaan die een even grote hoeveelheid koolstofdioxide op.2 Men zegt dat we nu in het Antropoceen leven: een nieuwe geologische periode die wordt gekenmerkt door het enorme effect dat de mens op de planeet heeft. We kunnen evengoed beweren dat we nog steeds in het Microbioceen leven: een periode die begon tijdens de dageraad van het leven zelf en zal duren tot het einde ervan.

Inderdaad, microben zijn overal. Ze leven in het water van de diepste oceaantroggen en in het gesteente eronder. Ze zitten in hydrothermale schoorstenen, heetwaterbronnen en het Antarctische ijs. Ze kunnen zelfs in wolken worden aangetroffen, waar ze fungeren als zaad voor regen en sneeuw. Ze zijn er in astronomische aantallen. In feite in nog grotere aantallen: er zitten meer bacteriën in uw darmen dan sterren in de Melkweg.3

Dit is de wereld waarin dieren zijn ontstaan, één die werd gesmoord in en getransformeerd door micro-organismen. Zoals de paleontoloog Andrew Knoll eens zei: ‘Dieren mogen de kers op de taart zijn, maar bacteriën zijn de taart zelf.’4 Ze zijn altijd een deel van onze ecologie geweest. We hebben ons te midden van hen ontwikkeld. We hebben ons ook uit hen ontwikkeld. Dieren behoren tot de groep organismen die eukaryoten worden genoemd, waartoe ook alle planten, schimmels en wieren behoren. Ondanks hun duidelijke gevarieerdheid bestaan alle eukaryoten uit cellen met dezelfde elementaire architectuur, waarmee ze zich van andere levensvormen onderscheiden. Ze pakken vrijwel al hun DNA in een centrale kern, de structuur die de groep zijn naam geeft – ‘eukaryoot’ komt van het Grieks voor ‘echte kern’. Ze hebben een inwendig skelet dat steun verleent en moleculen van de ene plek naar de andere transporteert. En ze hebben mitochondriën – boonvormige krachtcentrales die de cel van energie voorzien.

Alle eukaryoten hebben deze eigenschappen gemeen, doordat ze alle uit één enkele voorouder zijn voortgekomen, ongeveer 2 miljard jaar geleden. Voor die tijd kon het leven op aarde in twee kampen of domeinen worden verdeeld: de bacteriën, die we al ontmoet hebben, en de archaea, die minder bekend zijn en een voorliefde voor het koloniseren van ongastvrije en extreme milieus hebben. Deze twee groepen bestaan beide uit afzonderlijke cellen die niet zo geavanceerd zijn als die van de eukaryoten. Ze hebben geen inwendig skelet. Ze hebben geen kern. Ze hebben geen energieleverende mitochondriën, om straks overduidelijk wordende redenen. Ze lijken oppervlakkig op elkaar, waardoor men aanvankelijk dacht dat archaea ook bacteriën waren. Het uiterlijk is echter misleidend; archaea verschillen in hun biochemie evenveel van bacteriën als de besturingssystemen van Windows-pc’s en Macs.

Gedurende de eerste 2,5 miljard jaar van het leven op aarde volgden bacteriën en archaea een grotendeels gescheiden evolutionaire koers. Toen, bij één noodlottige gelegenheid, versmolt op de een of andere manier een bacterie met een archaeon, verloren ze hun vrijheid en zaten ze voor altijd in de nieuwe gastheer gevangen. Zo zijn volgens veel wetenschappers de eukaryoten ontstaan. Het is ons scheppingsverhaal: twee grote levensdomeinen versmelten en vormen een derde, bij de grootste symbiose aller tijden. Het archaeon voorzag in het chassis van de eukaryote cel, terwijl de bacterie uiteindelijk tot het mitochondrion transformeerde.5

Alle eukaryoten komen voort uit die fatale eenwording. Daarom bevat ons genoom veel genen die nog steeds een archaea-achtig karakter hebben, maar ook die meer op die van bacteriën lijken. Daarom hebben we ook allen mitochondriën in onze cellen. Deze gedomesticeerde bacteriën veranderden alles. Doordat ze een extra energiebron vormden, konden eukaryote cellen groter worden, meer genen herbergen en complexer worden. Dit verklaart wat de bioloog Nick Lane het ‘zwarte gat in het hart van de biologie’ noemt. Er gaapt een enorme leegte tussen de eenvoudige cellen van bacteriën en archaea en de complexere cellen van eukaryoten, en het leven is er in 4 miljard jaar welgeteld één keer in geslaagd die leegte over te steken. Sindsdien hebben de ontelbare bacteriën en archaea op de wereld, die zich alle met halsbrekende snelheid ontwikkelen, nooit meer een eukaryoot voortgebracht. Hoe is dat mogelijk? Andere complexe structuren, van ogen tot bepantsering tot veelcellige lichamen, zijn in veel onafhankelijke gevallen ontstaan, maar de eukaryote cel is een eenmalige innovatie. Dat komt, zoals Lane en anderen stellen, doordat het versmelten van een archaeon en een bacterie zo duizelingwekkend onwaarschijnlijk is, dat het geen tweede keer gebeurde, in ieder geval niet met enig succes. Door een eenheid te smeden, deden deze twee micro-organismen het onverwachte en maakten ze het bestaan mogelijk van alle planten, dieren en alles wat zichtbaar is voor het blote oog – en trouwens alles met ogen. Ze zijn er de oorzaak van dat ik besta en dat ik dit boek schrijf en dat u het leest. Op onze denkbeeldige kalender vond hun versmelting ergens midden juli plaats. Dit boek gaat over wat daarna gebeurde.

Nadat eukaryote cellen tot ontwikkeling kwamen, begonnen sommige ervan samen te werken en groepen te vormen, waardoor meercellige organismen ontstonden. Voor de eerste keer werden levende dingen groot, zo groot dat ze enorme populaties bacteriën en andere micro-organismen in hun lichaam konden huisvesten.6 Deze tellen, is lastig. Er wordt vaak verteld dat een gemiddelde persoon tien microbecellen bevat tegenover één menselijke, zodat we dus een cijfer achter de komma in ons eigen lichaam zijn. Maar deze verhouding van 1:10, die je tegenkomt in boeken, tijdschriften, TED talks en vrijwel elk wetenschappelijk artikel over dit onderwerp, is een wilde gok, gebaseerd op sigarendoosjesberekeningen die helaas tot feit werden verheven.7 De laatste schattingen stellen dat we ongeveer 30 miljard mensencellen en 39 miljard bacteriecellen bevatten – ruwweg evenveel. Zelfs deze cijfers zijn niet nauwkeurig, maar dat geeft niet: in ieder geval zijn we met velen.

Als we op onze huid zouden inzoomen, konden we ze zien: kralenkettingen, worstachtige staafjes en kommavormige bonen, ieder met een doorsnede van enkele miljoenste millimeters. Ze zijn zo klein dat ze, ondanks hun grote aantal, bij elkaar slechts een paar kilo zouden wegen. Een tiental ervan zou gemakkelijk op de breedte van een mensenhaar passen. Op een speldenknop zouden er een miljoen kunnen dansen.

Zonder microscoop zouden de meesten van ons nooit rechtstreeks een glimp van deze miniatuurorganismen opvangen. We merken alleen hun gevolgen, en vooral de negatieve. We kunnen de pijnkramp van ontstoken darmen voelen en horen het geluid van een onbeheersbare nies. We kunnen de bacterie Mycobacterium tuberculosis niet met het blote oog zien, maar wel het bloederige sputum van een tuberculosepatiënt. Yersinia pestis, een andere bacterie, is even onzichtbaar voor ons, maar de pestepidemieën die hij veroorzaakt, zijn maar al te duidelijk. Deze ziekteverwekkende micro-organismen ofwel pathogenen hebben de mens de hele geschiedenis door getraumatiseerd en hebben een blijvend cultureel litteken achtergelaten. Velen van ons zien microben nog steeds als ziektekiemen: ongewenste brengers van pestilentie die we koste wat kost moeten vermijden. Tijdschriften brengen geregeld angstverhalen waarin alledaagse dingen, van toetsenborden tot mobieltjes en deurknoppen, heten – slik! – te zijn bedekt met bacteriën. Nog meer bacteriën zelfs dan op een wc-bril! Dit impliceert dat deze micro-organismen vervuilers zijn en hun aanwezigheid een teken is van vuiligheid, armoede en dreigende ziekte. Dit stereotype is zeer oneerlijk. De meeste microben zijn geen pathogeen. Ze maken ons niet ziek. Er zijn minder dan honderd bacteriesoorten die ziekte bij mensen veroorzaken; daarentegen zitten er duizenden soorten in onze darmen, en die zijn meestal onschadelijk.8 In het ergste geval zijn het passagiers of lifters. In het beste geval zijn ze een deel van ons lichaam dat van onschatbare waarde is: niet levensbedreigend, maar levensbeschermend. Ze gedragen zich als een verborgen orgaan, even belangrijk als de maag of de ogen, maar bestaand uit miljarden zwermende individuele cellen in plaats van één enkele samenhangende massa.

Het microbioom is eindeloos veelzijdiger dan welk van onze lichaamsdelen ook. Onze cellen bevatten 20.000 tot 25.000 genen, maar naar schatting bevatten de bacteriën binnen in ons er wel 500 maal zo veel.9 Deze genetische overvloed, gecombineerd met hun snelle evolutie, maken ze tot biochemische virtuozen die in staat zijn zich aan iedere mogelijke uitdaging aan te passen. Ze helpen ons bij het verteren van voedsel en maken daarbij nutriënten vrij die anders ontoegankelijk waren. Ze produceren vitaminen en mineralen die niet in onze voeding zitten. Ze breken gifstoffen en andere gevaarlijke substanties af. Ze beschermen ons tegen ziekte door de gevaarlijkere bacteriën te verdringen of door ze rechtstreeks om zeep te helpen met antibacteriële stoffen. Ze produceren stoffen die van invloed zijn op hoe we ruiken. Ze zijn zo onvermijdelijk aanwezig dat we verrassende aspecten van ons leven aan hen hebben uitbesteed. Ze leiden de opbouw van ons lichaam door moleculen en signalen af te scheiden die de groei van onze organen sturen. Ze voeden ons immuunsysteem op en leren het vriend van vijand te onderscheiden. Ze beïnvloeden de ontwikkeling van het zenuwstelsel en misschien zelfs ons gedrag. Ze dragen diepgaand en op een heel scala van manieren aan ons leven bij; geen uithoek van onze biologie is onberoerd. Als we ze negeren, is het alsof we door een sleutelgat naar ons leven kijken.

Dit boek zet de deur helemaal open. We zullen het ongelooflijke universum verkennen dat in ons lichaam bestaat. We zullen inzicht krijgen in de oorsprong van de partnerschappen met micro-organismen, de tegen-intuïtieve manier waarop ze ons lichaam en ons dagelijkse leven vormgeven en de trucs die we toepassen om ze in de pas te laten lopen en voor een warm partnerschap te zorgen. We zullen zien hoe we dit partnerschap onopzettelijk verstoren en daarmee onze gezondheid in gevaar brengen. We zullen zien hoe we deze problemen kunnen voorkomen door het microbioom in ons voordeel te manipuleren. En we zullen de verhalen horen van de opgewekte, verbeeldingsrijke wetenschappers die hun leven hebben gewijd aan het begrijpen van de microwereld, vaak ten overstaan van hoon, afkeuring en mislukking.

We zullen ons echter niet alleen op mensen richten.10 We zullen zien hoe dieren buitengewone mogelijkheden, evolutionaire kansen en zelfs hun eigen genen aan micro-organismen hebben te danken. De hop, een vogel met het profiel van een pikhouweel en de kleuren van een tijger, beschildert haar eieren met een bacterierijk vocht dat wordt uitgescheiden door een klier onder haar staart. De bacteriën maken antibiotica die voorkomen dat andere bacteriën de eieren infiltreren en de kuikens schade berokkenen. Ook parasolmieren dragen antibioticaproducerende bacteriën met zich mee en gebruiken deze om de schimmels te desinfecteren die ze in ondergrondse tuinen kweken. De stekelige kogelvissen gebruiken bacteriën om tetrodotoxine te maken, een uiterst dodelijke stof die iedere predator vergiftigt die probeert ze op te eten. De coloradokever, een belangrijke plaag, heeft bacteriën in zijn speeksel die de verdediging van de planten die hij eet onderdrukken. De kardinaalvis huisvest lichtgevende bacteriën waarmee hij zijn prooi aantrekt. De mierenleeuw, een roofinsect met ontzagwekkende kaken, verlamt zijn slachtoffers met toxinen die worden geproduceerd door de bacteriën in zijn speeksel. Sommige nematoden (rondwormen) doden insecten door toxische lichtgevende bacteriën in hun lichaam uit te braken;11 andere boren gaten in plantencellen en veroorzaken grote verliezen in de landbouw, waarbij ze genen gebruiken die van micro-organismen zijn gestolen.

Onze verbonden met microben hebben de loop van de evolutie veranderd en de wereld om ons heen getransformeerd. Het is het gemakkelijkst om het belang van deze partnerschappen te begrijpen door te bekijken wat er zou gebeuren als alle micro-organismen op aarde plotseling zouden verdwijnen. Het voordeel zou zijn dat infectieziekten iets van het verleden waren en veel plaaginsecten niet in leven zouden blijven. Maar daar houdt het goede nieuws wel op. Grazende dieren, zoals koeien, schapen, antilopen en herten, zouden verhongeren, aangezien ze voor het afbreken van de taaie vezels in de planten die ze eten volledig afhankelijk zijn van de bacteriën in hun darmen. De grote kudden van de Afrikaanse savannen zouden verdwijnen. Termieten zijn evenzo afhankelijk van de verterende diensten van micro-organismen, dus ook zij zouden verdwijnen, evenals de grotere dieren die weer van hen afhankelijk zijn voor hun voedsel of die de termietenhopen voor beschutting gebruiken. Bladluizen, cicaden en andere sapzuigende insecten zouden verkommeren zonder bacteriën die de voedingsmiddelen aanvullen die in hun voeding ontbreken. In de diepe oceanen hebben veel wormen, schaaldieren en andere dieren bacteriën nodig voor hun energie. Zonder microben zouden ook zij sterven, en daarmee zouden alle voedselwebben van deze donkere diepzeewerelden instorten. Ondiepere zeeën zouden weinig beter af zijn. Koralen, die afhankelijk zijn van microscopische algen en een verbazingwekkend gevarieerde collectie bacteriën, zouden zwak en kwetsbaar worden. Hun machtige riffen zouden verbleken en eroderen, waar al het leven dat ze ondersteunen onder zou lijden.

Met mensen zou het vreemd genoeg prima gaan. Anders dan andere dieren, waarbij steriliteit een snelle dood zou betekenen, zouden we het weken, maanden en zelfs jaren uithouden. Onze gezondheid zou er uiteindelijk wel onder lijden, maar we zouden ernstigere zorgen hebben. Afval zou zich snel ophopen, want micro-organismen zijn de meesters van de verrotting. Samen met andere grazers zou ook ons vee verdwijnen. Dat geldt ook voor landbouwgewassen; zonder micro-organismen om de planten van stikstof te voorzien zou de aarde een catastrofale ontgroening ondergaan. (Aangezien dit boek zich geheel op dieren richt, bied ik mijn oprechte excuses aan liefhebbers van botanie aan.) ‘We voorspellen een volledige instorting van de samenleving binnen slechts één jaar, gerelateerd aan het catastrofale haperen van de keten van de voedselvoorziening’, schreven de microbiologen Jack Gilbert en Josh Neufeld, na dit gedachte-experiment te hebben uitgevoerd.12 ‘De meeste soorten op aarde zouden uitsterven, en de populaties van dieren die het overleefden, zouden sterk slinken.’

Microben doen ertoe. We hebben ze genegeerd. We hebben ze gevreesd en gehaat. Nu is het tijd om ze te gaan waarderen, want ons begrip van onze eigen biologie zou er niet op vooruitgaan als we dat niet deden. In dit boek wil ik u laten zien hoe het dierenrijk er werkelijk uitziet en hoe het nog wonderlijker wordt als je het ziet als de wereld van partnerschappen die het eigenlijk is. Dit is een versie van de natuurlijke geschiedenis die de bekendere biologie verdiept, de biologie die is gegrondvest door de grote natuurvorsers van het verleden.

In maart 1854 begon een 31-jarige Brit, Alfred Russel Wallace, een epische achtjarige reis over de eilanden van Maleisië en Nederlands-Indië.13 Hij zag woest behaarde orang-oetans, kangoeroes die in de bomen rondsprongen, schitterende paradijsvogels, reusachtige vogelvlinders, de babiroesa (hertzwijn) waarvan de slagtanden omhoog door zijn snuit groeien en een kikvors die van boom tot boom zweeft met parachuteachtige poten. Wallace ving de wonderen die hij zag, al dan niet met een netje, of schoot ze af, en hij verzamelde een verbijsterende collectie van meer dan 125.000 soorten: schelpen, planten, duizenden insecten, vastgespeld in bakjes, vogels en zoogdieren, gevild, opgezet of in alcohol bewaard. Anders dan veel van zijn tijdgenoten echter etiketteerde hij alles nauwgezet en noteerde hij waar ieder exemplaar was verzameld.

Dat was cruciaal. Uit deze details destilleerde Wallace patronen. Hij zag een grote variatie in de dieren die op een bepaalde plaats leefden, zelfs bij die van dezelfde soort. Hij zag dat op sommige eilanden unieke soorten voorkwamen. Hij ontdekte dat als hij van Bali oostwaarts naar Lombok voer, een afstand van nog geen 40 km, de Aziatische dieren plotseling plaatsmaakten voor de zeer verschillende fauna van Australazië, alsof deze eilanden door een onzichtbare barrière werden gescheiden (die later de Wallace-lijn zou worden genoemd). Met recht wordt Wallace tegenwoordig als de vader van de biogeografie beschouwd, de wetenschap die zich bezighoudt met waar soorten wel en waar ze niet voorkomen. Zoals David Quammen echter in Het lied van de dodo schrijft: ‘Zoals beoefend door gewetensvolle wetenschappers vraagt de biogeografie meer dan alleen welke soort? En waar? Ze vraagt ook, en dat is vaak nog crucialer, waarom niet?’14

Het onderzoek naar microbiomen begint op precies dezelfde manier: het catalogiseren van de exemplaren die bij verschillende dieren worden gevonden en in verschillende lichaamsdelen van hetzelfde dier. Welke soort leeft waar? Waarom? En waarom niet? We moeten hun biogeografie kennen voor we een dieper inzicht in hun bijdrage kunnen verkrijgen. Wallace’ waarnemingen en specimina leidden hem naar het bepalende inzicht van de biologie: dat soorten veranderen. ‘Iedere soort is ontstaan tijdens het leven van en op dezelfde plaats als een reeds eerder ontstane nauw verwante soort’, schreef hij herhaaldelijk.15 Doordat dieren met elkaar concurreren, overleven de best toegeruste individuen, en deze planten zich voort, waarbij ze hun gunstige eigenschappen op hun nakomelingen overdragen. Dat wil zeggen dat ze zich ontwikkelen door middel van natuurlijke selectie. Zo’n belangrijke onthulling was nog nooit in de wetenschap gedaan, en het begon allemaal met een rusteloze nieuwsgierigheid naar de wereld, een verlangen deze te verkennen en een talent om waar te kunnen nemen wat er leeft en waar het leeft.

Wallace was slechts een van de vele natuurvorsers die over de wereld zwierven en de natuurlijke rijkdommen catalogiseerden. Charles Darwin ondernam een vijf jaar durende reis aan boord van de Beagle, waarbij hij in Argentinië de gefossiliseerde botten van reuzenluiaards en reuzengordeldieren zou ontdekken en de reuzenschildpadden, zeeleguanen en verschillende spotvogels van de Galapagoseilanden. Zijn ervaringen en verzamelingen plantten het intellectuele zaad van het idee dat zowel bij Darwin als bij Wallace was opgekomen – de evolutietheorie, die onlosmakelijk met de naam van de eerste zou worden verbonden. Thomas Henry Huxley, die vanwege zijn vurige steun aan het

idee van natuurlijke selectie bekend zou komen te staan als ‘Darwins bulldog’, voer naar Australië en Nieuw-Guinea om daar de mariene evertebraten (ongewervelden) te bestuderen. De botanicus Joseph Hooker zwierf rond tot op Antarctica en verzamelde onderweg planten. Meer recent schreef E.O. Wilson na bestudering van de mieren van Melanesië een belangrijk werk over biogeografie.

Vaak wordt verondersteld dat deze legendarische wetenschappers zich geheel op de zichtbare wereld van planten en dieren concentreerden en de verborgen wereld van de micro-organismen negeerden. Dit is niet helemaal waar. Darwin verzamelde beslist micro-organismen; deze waren het dek van de Beagle op gespoeld en hij noemde ze ‘infusoria’, waarover hij met de leidende biologen van die tijd correspondeerde.16 Meer kon hij niet doen met de hulpmiddelen die hem ter beschikking stonden.

Daarentegen kunnen hedendaagse wetenschappers monsters van micro-organismen verzamelen, ze uit elkaar halen, hun DNA extraheren en ze determineren door hun genen te sequencen. Op deze manier kunnen ze precies doen wat Darwin en Wallace deden. Ze kunnen monsters afkomstig van verschillende locaties verzamelen, ze determineren en de fundamentele vraag stellen: wat leeft waar? Ze kunnen biogeografie bedrijven, maar op een andere schaal. Het voorzichtige vegen met een wattenstaafje vervangt het zwaaien met een vlindernet. Het aflezen van de genen is als bladeren door een veldgids. En een middagje in de dierentuin, wandelend van hok naar hok, is een soort reis van de Beagle, varend van eiland naar eiland.

Darwin, Wallace en hun collega’s waren vooral gefascineerd door eilanden, en om goede redenen. Naar eilanden ga je als je leven op zijn meest exotisch, opzichtigst en overdrevenst wilt vinden. Door hun isolering, duidelijke grenzen en beperkte omvang kan evolutie er tot volle bloei komen. De patronen in de biologie tekenen zich beter af dan op het uitgestrekte, ononderbroken vasteland. Maar een eiland hoeft niet een door water omringde landmassa te zijn. Voor micro-organismen is iedere gastheer in feite een eiland, een wereld omringd door leegte. Mijn hand, waarmee ik Baba in de dierentuin van San Diego aai, is als een vlot dat soorten van een mensvormig eiland naar een schubdiervormig eiland overzet. Een volwassene die is gesloopt door de cholera is als Guam dat wordt overvallen door slangen van buiten. Een mens is geen eiland? Toch wel: vanuit het oogpunt van een bacterie zijn we allen eilanden.17

Ieder van ons heeft zijn specifieke microbioom, vormgegeven door de genen die we hebben overgeërfd, de plaatsen waar we hebben geleefd, de medicijnen die we hebben ingenomen, het voedsel dat we hebben gegeten, de jaren waarin we hebben geleefd, de handen die we hebben geschud. Op microniveau zijn we gelijk, maar toch verschillend. Toen microbiologen begonnen het microbioom van de mens in zijn geheel te catalogiseren, hoopten ze een ‘kernmicrobioom’ te ontdekken: een groep soorten die wij allen gemeenschappelijk hebben. Het is nu discutabel of die kern bestaat.18 Sommige soorten zijn algemeen, maar geen één komt overal voor. Als er een kern is, is dat op het niveau van functies, niet van organismen. Er zijn bepaalde taken, zoals het verteren van een bepaalde voedingsstof of het uitvoeren van een bepaald metabolisch kunstje, die altijd worden uitgevoerd door een of ander micro-organisme – niet altijd hetzelfde. Dezelfde trend is zichtbaar op grotere schaal. In Nieuw-Zeeland wroeten kiwi’s door afgevallen bladeren op zoek naar wormen, hetzelfde als een das bij ons doet. Tijgers en nevelpanters sluipen door de wouden van Sumatra, maar op het katloze Madagascar wordt diezelfde niche bezet door de fossa, een op een otter lijkend roofdier. Ondertussen bekleedt op Komodo een enorme hagedis de rol van toppredator. Verschillende eilanden, verschillende soorten, zelfde taken. Het eiland in kwestie kan een grote landmassa zijn, maar ook een individueel mens.

In feite is ieder individu meer als een archipel, een keten van eilanden. Elk van onze lichaamsdelen heeft zijn eigen microfauna, net zoals de verschillende Galapagoseilanden hun eigen schildpadden en vinken hebben. Het microbioom van de huid van de mens is het domein van Propionibacterium, Corynebacterium en Staphylococcus, terwijl Bacteroides over de darmen heerst, Lactobacillus de vagina domineert en Streptococcus de baas is in de mond. De organen zelf zijn eveneens gevarieerd. De micro-organismen die in het begin van de dunne darm leven, verschillen sterk van die in het rectum. Die in de tandplak variëren boven en onder de grens van het tandvlees. Op de huid verschillen de micro-organismen in de vettige meren op het gezicht en de borst van die in de hete en vochtige oerwouden in de liezen en oksels en van die in de droge woestijnen van de onderarmen en handpalmen. Over handpalmen gesproken, uw rechterhand heeft slechts eenzesde van zijn bacteriesoorten gemeenschappelijk met uw linkerhand.19 De verschillen die tussen mensen bestaan, vallen echter in het niet bij de variaties tussen lichaamsdelen. Simpel gesteld, de bacteriën op uw onderarm lijken meer op die op mijn onderarm dan op die in uw mond.

Het microbioom varieert zowel in de tijd als in de ruimte. Als een kind wordt geboren, verlaat het de steriele wereld van de moederschoot en wordt het onmiddellijk gekoloniseerd door haar vaginale micro-organismen; bijna driekwart van de stammen van een pasgeborene is rechtstreeks van de moeder afkomstig. Daarna volgt een periode van uitbreiding. Naarmate de zuigeling nieuwe soorten van zijn ouders en de omgeving oppikt, wordt het microbioom van zijn darmen geleidelijk diverser.20 De dominante soorten komen en gaan weer tenonder: als de voeding van de zuigeling verandert, maken melkverterende specialisten zoals Bifidobacterium plaats voor koolhydraateters als Bacteroides. En als de bacteriën veranderen, doen hun kunstjes dat ook. Ze beginnen andere vitaminen te maken en ze maken de vertering van een meer volwassen voeding mogelijk.

Deze periode is turbulent, maar volgt voorspelbare stadia. Stelt u zich een kortgeleden door brand geteisterd bos voor, of een jong eiland dat net uit zee is verrezen. Beide worden snel gekoloniseerd door eenvoudige planten zoals korstmossen en mossen. Grassen en kleine struikjes volgen. Grotere bomen vestigen zich later. Ecologen noemen dit een successie en deze is ook op micro-organismen van toepassing. Het kost iets van één tot drie jaar eer het microbioom van een zuigeling het volwassen stadium bereikt. Daarna blijft de toestand stabiel. Het microbioom kan van dag tot dag variëren, van zonsopkomst tot zonsondergang of zelfs van maaltijd tot maaltijd, maar zulke variaties zijn klein, vergeleken met de vroege veranderingen. Deze dynamiek van het volwassen microbioom maskeert een stabiele achtergrond.21

Het precieze successiepatroon varieert tussen de verschillende dieren, want we blijken kieskeurige gastheren te zijn. We worden niet zomaar gekoloniseerd door een of ander micro-organisme dat op ons landt. We hebben ook manieren om hun microbiële partners te selecteren. We zullen deze trucs leren kennen, maar laten we voorlopig gewoon vaststellen dat het microbioom van de mens verschilt van dat van de chimpansee, dat weer verschilt van dat van de gorilla, net zoals de wouden van Borneo (orang-oetans, dwergolifanten, gibbons) zich onderscheiden van die van Madagascar (lemuren, fossa’s, kameleons) of Nieuw-Guinea (paradijsvogels, boomkangoeroes, kasuarissen). We weten dit doordat wetenschappers monsters hebben genomen en hun weg door het hele dierenrijk hebben gesequencet. Ze hebben het microbioom beschreven van panda’s, wallaby’s, komodovaranen, dolfijnen, lori’s, regenwormen, bloedzuigers, hommels, cicaden, kokerwormen, bladluizen, ijsberen, zeekoeien, pythons, alligators, tseetseevliegen, pinguïns, kakapo’s, oesters, capibara’s, vampiers, zeeleguanen, koekoeken, kalkoenen, roodkopgieren, bavianen, wandelende takken en nog veel meer. Ze hebben het microbioom gesequencet van mensenkinderen, onvoldragen zuigelingen, kinderen, volwassenen, ouderen, zwangeren, tweelingen, stadsbewoners uit de Verenigde Staten en China, plattelandbewoners uit Burkina Faso en Malawi, jager-verzamelaars uit Kameroen en Tanzania, Amazonevolkeren waar nog nooit eerder contact mee was geweest, dikke en dunne mensen, en van perfect gezonde mensen naast zieken.

Dit soort onderzoeken floreert. Ook al is de wetenschap van het microbioom eigenlijk al eeuwen oud, ze heeft in de laatste tientallen jaren een enorme versnelling ondergaan, dankzij technische verbeteringen en het dagen van het besef dat micro-organismen enorm belangrijk voor ons zijn, vooral in een medische context. Ze beïnvloeden ons lichaam zo intensief dat ze kunnen bepalen hoe we op vaccins reageren, hoeveel voedingsstoffen kinderen kunnen onttrekken aan wat ze eten en hoe kankerpatiënten op medicijnen reageren. Veel aandoeningen, zoals obesitas, astma, darmkanker, diabetes en autisme, gaan vergezeld van veranderingen in het microbioom, wat erop wijst dat deze micro-organismen op zijn minst een teken van ziekte en in het ergste geval de veroorzaker ervan zijn. In het laatste geval kunnen we onze gezondheid aanzienlijk verbeteren door onze microbengemeenschappen aan te passen: door soorten toe te voegen of weg te halen, complete populaties van de ene persoon op de andere te transplanteren en synthetische organismen te fabriceren. We kunnen zelfs het microbioom van andere dieren manipuleren en de verbonden doorbreken die het parasitaire wormen mogelijk maakt ons met afschuwelijk tropische ziekten aan te tasten, maar ook nieuwe symbiosen smeden waardoor muggen het virus dat dengue veroorzaakt, kunnen afweren.

Dit is een snel veranderend terrein van de wetenschap, één dat nog steeds is gehuld in onzekerheid, ondoorgrondelijkheid en controverse. We kunnen veel van de micro-organismen in ons lichaam niet eens determineren, laat staan dat we kunnen uitzoeken hoe ze ons leven of onze gezondheid beïnvloeden. Maar dat is juist interessant! Het is absoluut beter om op de top van de golf te staan en naar de voor ons liggende rit te kijken dan al aan land te zijn aangespoeld. Honderden wetenschappers surfen momenteel op die golf. De fondsen stromen binnen. Het aantal relevante wetenschappelijke tijdschriften is exponentieel gestegen. Microben hebben altijd al over de aarde geheerst, maar voor de eerste keer in de geschiedenis zijn ze in de mode. ‘Dit was volledig achterkamertjeswetenschap, nu is het topwetenschap’, zegt bioloog Margaret McFall-Ngai. ‘Het was grappig om te zien hoe men besefte dat micro-organismen in het centrum van het universum staan en hoe het gebied opbloeide. We weten nu dat ze het grootste deel uitmaken van de biosfeer, dat ze in intieme relatie tot dieren staan en dat het dierenleven werd gevormd door interactie met micro-organismen. Volgens mij is dit de belangrijkste revolutie sinds Darwin.’

Critici zeggen dat de populariteit van het microbioom niet verdiend is en dat de meerderheid van de onderzoeken in het veld weinig meer bijdraagt dan postzegels verzamelen. Dus wat maakt het uit dat we weten welke microben er op de snuit van een schubdier leven, of in iemands darmen? Dat vertelt ons wat en waar, niet hoe en waarom. Waarom leven sommige microben op sommige dieren maar niet op andere, of op slechts enkele individuen maar niet op allemaal? Waarom zien we de patronen die we zien? Hoe ontstonden deze? Hoe vonden microben voor het eerst hun weg naar hun gastheer? Hoe bezegelen ze hun verbond? Hoe veranderen microben en hun gastheer elkaar als ze eenmaal samengaan? Hoe redden ze het als hun verbond wordt verbroken?

Dit zijn de diepgaande vragen die dit wetenschapsgebied probeert te beantwoorden. In dit boek laat ik zien hoever we zijn gekomen met het oplossen ervan, hoeveel beloften er liggen in het begrijpen en manipuleren van microbiomen en hoever we moeten gaan om de belofte waar te maken. Voorlopig volstaan we met op te merken dat deze vragen alleen kunnen worden beantwoord door het verzamelen van kleine snippertjes gegevens, net zoals Darwin en Wallace deden op hun beroemde reizen. Het postzegels verzamelen is belangrijk. ‘Zelfs Darwins dagboek was niet meer dan een wetenschappelijk reisverhaal, een prachtig schouwspel van kleurige wezens en gebieden, dat geen enkele theorie over de evolutie naar voren bracht’, schreef David Quammen.22 ‘De theorie kwam later pas.’ Ervoor kwam veel noeste arbeid. Classificeren. Catalogiseren. Verzamelen. ‘Als nieuwe continenten nog niet verkend zijn, moet je, voor je kunt uitvinden waarom dingen zijn waar ze zijn, eerst uitzoeken waar ze zijn’, zegt Rob Knight. In de sfeer van deze verkennende fase begon Knight met het benaderen van de dierentuin van San Diego. Hij wilde monsters nemen van de huid van verschillende dieren om hun microbioom vast te leggen, evenals de stoffen – metabolieten – die deze micro-organismen produceren. Deze stoffen vormen de omgeving waarin de micro-organismen leven en zich ontwikkelen en ze laten ook zien wat die micro-organismen doen en niet alleen welke aanwezig zijn. Het onderzoeken van metabolieten is als het opstellen van een inventaris van de kunst, het voedsel, de uitvindingen en de export van een stad, in plaats van een volkstelling onder de inwoners te houden. Knight probeerde enige tijd geleden de metabolieten van mensengezichten te onderzoeken, maar kwam erachter dat schoonheidsproducten, zoals zonnebrandolie en huidcrème, de natuurlijke metabolieten van micro-organismen overstemden.23 De oplossing: neem monsters van de koppen van dieren. Tenslotte brengt Baba het schubdier geen vochtinbrengende crème op. ‘We hopen ook monsters uit de bek te krijgen’, zegt Knight, ‘en misschien uit de vagina.’ Ik trek een wenkbrauw op. ‘Voor het fokprogramma van jachtluipaarden en panda’s hebben ze diepvrieskisten vol vaginale uitstrijkjes’, verzekert hij me. De dierenverzorger laat ons een kolonie naakte molratten zien die rondscharrelen in een aantal onderling verbonden plastic buizen. Het zijn absoluut onaantrekkelijke dieren, een soort rimpelige worstjes met tanden. Ze zijn ongelooflijk raar: ze voelen geen pijn, ze zijn resistent tegen kanker, ze leven extreem lang, ze zijn slordig met het reguleren van hun lichaamstemperatuur en hebben misvormd, incompetent sperma. Ze leven in kolonies met koninginnen en werkers. Ook graven ze, wat ze interessant maakt voor Knight. Hij heeft net een beurs gekregen voor het onderzoek naar het microbioom van dieren die bepaalde kenmerken of levenswijzen gemeenschappelijk hebben: graven, vliegen, in het water leven, aangepast zijn aan warmte en kou, en zelfs intelligentie. ‘Het is nogal speculatief, maar het idee is dat je bepaalde aanpassingen aan je microbioom nodig hebt om de benodigde energie te krijgen voor dit soort exotische vaardigheden’, zegt hij. Speculatief, zeker, maar niet vergezocht. Microben hebben veel deuren geopend voor dieren, zodat ze allerlei merkwaardige levenswijzen hebben kunnen aannemen die normaal gesproken voor hen waren uitgesloten. En als dieren gedrag gemeenschappelijk hebben, overlappen hun microbiomen elkaar vaak. Knight en zijn collega’s hebben bijvoorbeeld ooit laten zien dat mierenetende zoogdieren, zoals schubdieren, gordeldieren, miereneters, aardvarkens en aardwolven (een hyenasoort), vergelijkbare darmbacteriën hebben, ook al hebben ze zich al ongeveer 100 miljoen jaar onafhankelijk van elkaar onwikkeld.24

We lopen langs een groepje stokstaartjes, waarvan sommige rechtop staan en alert zijn en andere aan het spelen zijn. Het eenzame vrouwtje, de matriarch van de groep, is de enige waarvan Knight een monster zou kunnen nemen, maar ze is oud en heeft een hartkwaal. Dat is niet ongewoon. Stokstaartjes vallen soms elkaars jongen aan of laten die van henzelf in de steek, en wanneer dat gebeurt, voedt de dierentuin ze met de hand op. Ze overleven het, maar de oppasser vertelt dat ze, door onbekende oorzaken, vaak een hartkwaal krijgen als ze ouder worden. ‘Dat is heel interessant’, zegt Knight. ‘Weet je iets over stokstaartjesmelk?’ Hij vraagt dit omdat de melk van zoogdieren bepaalde suikers bevat die jongen niet kunnen verteren, maar dat bepaalde bacteriën dat doen. Als een mensenmoeder haar kind de borst geeft, voedt ze niet alleen, ze geeft het kind ook zijn eerste bacteriën en zorgt ervoor dat de juiste pioniers zich in zijn darmen vestigen. Knight vraagt zich af of dat bij stokstaartjes ook zo is. Beginnen de in de steek gelaten jongen hun leven met de verkeerde bacteriën doordat ze niet genoeg moedermelk krijgen? Beïnvloeden deze vroege afwijkingen hun gezondheid in het latere leven?

Knight werkt al aan andere projecten om de gezondheid van dierentuindieren te verbeteren. Als we langs een hok met mutslangoeren wandelen, prachtige apen met een capuchon van rechtopstaande haren rond hun kop, vertelt hij me dat hij erachter probeert te komen waarom sommige apensoorten in gevangenschap vaak aan darmontsteking (colitis) lijden, terwijl andere er geen last van hebben. Er is een goede reden om te vermoeden dat hun bacteriën ermee te maken hebben. Bij mensen gaat darmontsteking gewoonlijk gepaard met een overmaat aan bacteriën die het immuunsysteem prikkelen en een tekort aan soorten die het juist temperen. Verschillende andere aandoeningen laten een vergelijkbaar patroon zien, zoals obesitas, diabetes, astma, allergiën en dikkedarmkanker. Dit zijn gezondheidsproblemen die nu worden gezien als een ecologische gebeurtenis, waarvan niet één enkele bacterie de schuldige is, maar waarbij een gehele populatie in een ongezonde toestand is overgegaan. Dit zijn gevallen waarin het mis is gegaan met de symbiose. En als deze verstoorde microbiomen werkelijk de verschillende aandoeningen veroorzaken, moet het mogelijk zijn de gezondheid te herstellen door de micro-organismen te manipuleren. Zelfs als de bacteriepopulaties zijn veranderd als gevolg van een ziekte, kunnen ze nog steeds nuttig zijn voor het diagnosticeren van een aandoening voordat de symptomen zichtbaar worden. Dat is wat Knight bij de apen probeert te ontdekken; hij vergelijkt dieren van verschillende soorten met en zonder colitis om te zien of er tekenen van ziekte zijn die verzorgers kunnen gebruiken om symptoomloze dieren die risico lopen op te sporen. Zulk onderzoek zou ons ook helpen begrijpen hoe het microbioom bij mensen met een darmontsteking verandert.

Ten slotte komen we in een zijvertrek waar verschillende dieren tijdelijk zijn gehuisvest, aan het oog van het publiek onttrokken. Een van de hokken bevat een reusachtige schaduw: een wezen van een meter lang met zwart haar dat de vorm van een marter heeft, maar de gelaatsuitdrukking van een beer. Het is een bintoerong, een grote, ruige civetkat die door Gerard Durrell werd omschreven als een ‘slecht gemaakt haardkleedje’. De verzorger denkt dat we gemakkelijk een monster van kop en poten kunnen nemen, maar de echte actie moet lager plaatsvinden. Bintoerongs hebben geurklieren aan beide zijden van de anus, die een geur produceren die aan die van popcorn doet denken. Ook in dit geval lijkt het waarschijnlijk dat bacteriën de geur veroorzaken. Wetenschappers hebben al de bacteriële geuren gekarakteriseerd die worden verspreid door de geurklieren van dassen, olifanten, stokstaartjes en hyena’s. De bintoerong wacht nog!

‘Zouden we een monster van de anus kunnen nemen?’, vraag ik. De verzorger kijkt naar het indrukwekkende dier in het hok en dan langzaam weer naar ons. Hij zegt: ‘Ik... denk het niet.’

Als we door de bril van een microbe naar het dierenrijk zouden kijken, zouden zelfs de vertrouwdste delen van ons leven een wonderbaarlijke, nieuwe aanblik krijgen. Als een hyena zijn geurklieren tegen een graspol wrijft, schrijven zijn bacteriën zijn autobiografie, die andere hyena’s kunnen lezen. Als een stokstaartjesmoeder haar jongen zoogt, bouwt ze werelden in hun darmen op. Als een gordeldier een mondvol mieren opzuigt, eet hij een gemeenschap van biljoenen op, die hem van energie voorzien. Als een langoer of een mens ziek wordt, lijken zijn problemen op die van een meer dat wordt verstikt door wieren, of op een weide die overgroeid raakt met onkruid – ontsporende ecosystemen. Ons leven wordt sterk beïnvloed door krachten van buitenaf die eigenlijk binnen in ons zitten, door biljoenen dingen die van ons gescheiden zijn en toch heel erg een deel van ons zijn. Geur, gezondheid, vertering, ontwikkeling en tientallen andere eigenschappen die worden verondersteld het domein van individuen te zijn, zijn in werkelijkheid het resultaat van een complexe onderhandeling tussen gastheer en micro-organismen.

Hoe zouden we met onze huidige kennis ook maar een definitie van een individu kunnen geven?25 Als we een individu anatomisch definiëren als de bezitter van een bepaald lichaam, moeten we toegeven dat micro-organismen dezelfde ruimte delen. We zouden een definitie vanuit de ontwikkeling kunnen proberen, waarbij een individu alles is wat uit één enkele bevruchte eicel ontstaat. Maar dat werkt ook niet, omdat verschillende dieren, van inktvissen tot muizen en zebravissen, hun lichaam opbouwen met behulp van instructies die worden gecodeerd door zowel hun genen als hun microben. In een steriele omgeving zouden ze niet normaal opgroeien. We zouden een fysiologische definitie kunnen bedenken, waarbij het individu is samengesteld uit delen – weefsels en organen – die samenwerken ten behoeve van het geheel. Zeker, maar hoe zit het dan met insecten waarin bacteriële en gastheerenzymen tezamen essentiële voedingsstoffen maken? Deze micro-organismen zijn beslist deel van het geheel en wel een onontbeerlijk deel. Een genetische definitie, waarin een individu uit cellen bestaat die alle hetzelfde genoom hebben, loopt tegen hetzelfde probleem aan.

Ieder afzonderlijk dier bevat zijn eigen genoom, maar ook dat van veel micro-organismen, en deze beïnvloeden zijn leven en ontwikkeling. In sommige gevallen kunnen genen van micro-organismen permanent het genoom van hun gastheer binnendringen. Heeft het echt zin om ze als afzonderlijke entiteiten te beschouwen? Aangezien er verder weinig opties zijn, zouden we de verantwoordelijkheid naar het immuunsysteem kunnen doorschuiven, aangezien dit wordt verondersteld eigen cellen en die van indringers uit elkaar te houden, om zelf van niet-zelf te onderscheiden. Ook dat is niet helemaal waar; zoals we zullen zien, helpen de micro-organismen in ons lichaam het immuunsysteem op te bouwen, dat op zijn beurt leert hen te tolereren. Hoe lang we ook op het probleem blijven staren, het is duidelijk dat micro-organismen ons begrip van individualiteit omvergooien. Ook zij geven er vorm aan. Uw genoom is voor een groot deel gelijk aan dat van mij, maar onze microbiomen kunnen sterk verschillen (en onze viromen zelfs nog sterker). Misschien is het niet zozeer dat ik mét velen ben, maar dat ik velen bén.

Deze concepten kunnen zeer verwarrend zijn. De pionier op het gebied van microbiomen David Relman heeft ooit opgemerkt dat ‘verlies van gevoel van eigen identiteit, wanen over de identiteit en ervaringen van “bestuurd worden door buitenaardsen”’ tekenen van geestesziekte kunnen zijn.26 ‘Geen wonder dat recent onderzoek naar symbiose zo in de belangstelling is komen te staan.’ Maar hij voegde daaraan ook toe dat zulk onderzoek ‘de schoonheid van de biologie accentueert. Wij zijn sociale wezens en proberen onze relaties met andere levende entiteiten te begrijpen. Symbiose is het ultieme voorbeeld van succes door samenwerking en de formidabele voordelen van intieme relaties.’

Daar ben ik het mee eens. Symbiose wijst ons op de draden die al het leven op aarde onderling verbinden. Hoe komt het dat organismen die zo verschillend zijn als mensen en bacteriën kunnen samenleven en samenwerken? Doordat we een gemeenschappelijke voorouder hebben. We slaan informatie in DNA op met hetzelfde coderingssysteem. We gebruiken het molecuul ATP als energetische pasmunt. Dit geldt voor al het leven. Kijk eens naar een BLT-sandwich (BLT staat voor ‘bacon, lettuce, tomato’): ieder bestanddeel, van de sla en tomaten tot het varken dat de bacon leverde en van de gist waarmee het brood is gebakken tot de bacteriën die er beslist op zitten, spreekt dezelfde moleculaire taal. Zoals de Nederlandse bioloog Albert Jan Kluyver ooit zei: ‘Van de olifant tot de boterzuurbacterie – ze zijn allemaal hetzelfde!’

Als we eenmaal begrijpen hoe gelijk we zijn en hoe diep de banden tussen dieren en microben gaan, zal onze blik op de wereld onmetelijk worden verrijkt. Dat is met de mijne in ieder geval gebeurd. Mijn hele leven heb ik van de natuur gehouden. Mijn boekenplanken staan vol met artikelen en boeken die uitpuilen van de stokstaartjes, spinnen, kameleons, kwallen en dinosaurussen. Geen van deze handelt echter over de manier waarop micro-organismen het leven van hun gastheer beïnvloeden, verbeteren en besturen, en dus zijn ze onvolledig – schilderijen zonder lijst, taarten zonder slagroom, Lennon zonder McCartney. Ik zie nu hoe de levens van al deze wezens afhankelijk zijn van ongeziene organismen waarmee ze samenleven maar waarvan ze zich niet bewust zijn, die bijdragen tot hun vermogens en daar soms geheel verantwoordelijk voor zijn, en die al langer op aarde verblijven dan zijzelf. Het is een duizelingwekkende maar geniale verandering van perspectief.

Ik heb al dierentuinen bezocht sinds de tijd waarin ik nog te klein was om het me te herinneren (of te snappen dat je niet in het hok met de reuzenschildpadden moest klimmen). Maar mijn bezoek aan de dierentuin van San Diego met Knight (en Baba) voelt anders. Hoewel de plek een kermis van kleuren en herrie is, besef ik dat het grootste deel van het leven hier onzichtbaar en onhoorbaar is. Bij de hoofdingang nemen vaten met micro-organismen afscheid van hun geld en ze marcheren door poorten om anders gevormde vaten met micro-organismen te zien die in hun hokken en weiden rondslenteren. Biljoenen micro-organismen, verborgen in met veren bedekte lichamen, vliegen door de volières. Andere horden slingeren aan de takken of graven zich een weg door tunnels. Eén bacteriële menigte, genesteld in de rugzijde van het zwarte haardkleedje, vult de lucht met een vleug popcorngeur. Dit is de levende wereld zoals hij eigenlijk is, en hoewel nog steeds onzichtbaar voor mijn ogen, kan ik hem eindelijk zien.

2. De eerste waarnemers

Bacteriën zijn overal, maar als het aan onze ogen ligt, zouden ze net zo goed nergens kunnen zijn. Er zijn een paar buitengewone uitzonderingen: Epulopiscium fishelsoni, een bacterie die alleen in de darmen van de bruine doktersvis voorkomt, heeft ongeveer de grootte van de punt aan het eind van deze zin. De overige zijn echter niet zonder hulpmiddelen zichtbaar, wat betekent dat ze lange tijd in het geheel niet werden gezien. Op onze denkbeeldige kalender, die de geschiedenis van de aarde in een jaar samenperst, verschenen de bacteriën midden maart. Gedurende vrijwel hun gehele regeringsperiode was niets zich van hun bestaan bewust. Hun anonimiteit werd slechts enkele seconden voor het eind van het jaar verbroken, toen een merkwaardige Nederlander op het rare idee kwam om een druppel water door een met de hand gemaakte lens van topkwaliteit te bekijken.

Antoni van Leeuwenhoek werd geboren in 1632 in Delft, een bruisend centrum van de handel met het buitenland, doorsneden door grachten en met bomen langs straten met kinderhoofdjes.1 Overdag werkte hij als gemeenteambtenaar en bestierde hij een klein garen-en-bandwinkeltje. ’s Avonds maakte hij lenzen. Daar was het een geschikte tijd en plaats voor: Nederlanders hadden kort ervoor zowel de samengestelde microscoop als de telescoop uitgevonden. Door kleine glazen rondjes keken wetenschappers naar objecten die veel te klein waren om met het blote oog te zien. De Britse homo universalis Robert Hooke was een van hen. Hij bestudeerde allerlei minuscule dingen: vlooien, aan haren vastzittende luizen, de punt van een naald, pauwenveren en papaverzaad. In 1665 publiceerde hij zijn waarnemingen in het boek Micrographia, met daarin prachtige en uiterst gedetailleerde illustraties. Het werd in Engeland onmiddellijk een bestseller. Kleine dingen werden groot.

Anders dan Hooke had Van Leeuwenhoek nooit de universiteit bezocht, had hij geen wetenschappelijke opleiding gehad en kende hij geen Latijn. Toch leerde hij zichzelf lenzen te maken met een vaardigheid die door niemand geëvenaard werd. De precieze details van zijn techniek zijn onbekend, maar het kwam erop neer dat hij een bolletje glas tot een gladde en perfect symmetrische lens van minder dan 2 mm doorsnede sleep. Deze klemde hij tussen twee plaatjes messing. Hij bevestigde een monster op een pin die hij met behulp van een paar schroeven voor de lens bracht. De resulterende microscoop zag eruit als een versierd deurscharnier en was weinig meer dan een instelbaar vergrootglas. Om hem te gebruiken, moest Van Leeuwenhoek hem zo houden dat hij bijna zijn gezicht raakte en moest hij door het lensje turen, liefst bij fel zonlicht. Het was moeilijker om door deze enkele-lensmodellen te kijken dan door de samengestelde microscoop met meerdere lenzen die Hookes voorkeur hadden. Ze produceerden echter een helderder beeld met een sterkere vergroting. De instrumenten van Hooke vergrootten 25 tot 50 maal, die van Van Leeuwenhoek wel tot 270 maal. In hun tijd waren dit veruit de beste microscopen ter wereld.

Van Leeuwenhoek was echter ‘meer dan een goede microscopenmaker’, stelt Alma Smith Payne in haar The Cleere Observer. ‘Hij was ook een uitstekende microscopist – een gebruiker van microscopen.’ Hij legde alles vast. Hij herhaalde waarnemingen. Hij voerde methodische experimenten uit. Hoewel hij een amateur was, zat de wetenschappelijke methode hem in het bloed, evenals de ongeremde nieuwsgierigheid van de wetenschapper. Door zijn lenzen tuurde hij naar dierenharen, vliegenkoppen, hout, zaden, walvisspieren, huidschilfers en ossenogen. Hij zag wonderen en liet ze zien aan vrienden, familie en geleerden in Delft.

Een van die geleerden, de arts Reinier de Graaf, was lid van de Royal Society, een pas opgericht maar gerespecteerd wetenschappelijk gilde in Londen. Hij beval Van Leeuwenhoek, wiens microscopen ‘hetgeen we tot nu toe hebben gezien, verre overtreffen’, aan bij zijn erudiete collega’s, en verzocht hen contact te leggen. Henry Oldenburg, de secretatis van de Society en uitgever van het gezaghebbende tijdschrift ervan, voldeed aan dit verzoek en zorgde voor het vertalen en uitgeven van de ontwapenend van de hak op de tak springende informele brieven van de buitenstaander Van Leeuwenhoek, waarin rode bloedlichaampjes, plantenweefsels en luizendarmen met ongeëvenaard detail en grote zorg werden beschreven.

Toen keek Van Leeuwenhoek naar water – met name dat uit het Berkelse Meer bij Delft. Hij zoog met een glazen pipet wat van het troebele vocht op en bracht dit op zijn microscoop aan. Het bleek te krioelen van leven: ‘kleine groene wolkjes’ van algen, en duizenden nietige, dansende wezentjes.2 ‘De beweging van deze animalcules in het water was zo snel en zo afwisselend omhoog, omlaag en in het rond dat het prachtig om te zien was’, zoals hij schreef, ‘en ik schatte dat sommige van deze kleine wezentjes meer dan duizend keer kleiner waren dan de kleinste die ik ooit op een kaaskorst heb gezien.’3 Dit waren protozoa, de diverse groep organismen waartoe de amoeben en andere eencellige eukaryoten behoren. Van Leeuwenhoek was hiermee de eerste die ze ooit had gezien.4

In 1675 keek Van Leeuwenhoek met zijn lenzen naar regenwater, dat hij in een Keulse pot naast zijn huis had verzameld. Opnieuw verscheen er een verrukkelijke menagerie. Hij zag haarspeldvormige dingen die zichzelf op- en afwonden en ovaaltjes ‘voorzien van diverse nietige pootjes’ – meer protozoa. Hij zag ook voorbeelden van een nog kleinere klasse wezentjes, duizendmaal zo klein als een luizenoog, die ‘in het rond draaien met de snelheid van een tol’ – bacteriën! Hij bekeek nog meer water, van zijn werkkamer, zijn dak, de Delftse grachten, de zee en de put in zijn tuin. De kleine ‘animalcules’ waren overal. Leven, zo bleek, bestond in ongehoorde aantallen voorbij de drempel van onze waarneming, zichtbaar alleen voor deze man en zijn superieure lenzen. Zoals de historicus Douglas Anderson later schreef, ‘Bijna alles wat hij zag, was nog niet eerder door een mens gezien.’ En meer ter zake, waarom keek hij überhaupt naar water? Waardoor in ’s hemelsnaam werd deze man bezeten om water te onderzoeken dat hij in een pot had verzameld? Zo’n vraag kan worden gesteld bij veel mensen in de geschiedenis van het microbioomonderzoek: zij waren degenen die op het idee kwamen te kijken.

In oktober 1676 vertelde Van Leeuwenhoek wat hij had gezien.5 Zijn brieven waren totaal anders dan de duffe wetenschappelijke verhandelingen van de academische tijdschriften. Ze stonden vol lokale roddels en verslagen van Van Leeuwenhoeks gezondheid. (‘De man had een blog kunnen gebruiken’, observeerde Anderson.) In de brief van oktober schrijft hij over het weer in Delft die zomer. Maar er staan ook fascinerende, gedetailleerde vermeldingen van animalcules in. Ze waren ‘ongelooflijk klein, neen, zo klein, mijns inziens, dat ik schatte dat zelfs als 100 van deze minuscule diertjes achter elkaar zouden liggen, ze nog niet de lengte van een zandkorrel zouden bereiken; en als dat zo is, kunnen honderdduizend van deze levende wezens nauwelijks de omvang van een grove zandkorrel hebben.’ (Hij merkte later op dat een zandkorrel een doorsnede van ongeveer 1/30 cm heeft, wat deze ‘diertjes’ 3 micrometer lang zou maken. Dat is min of meer de gemiddelde lengte van bacteriën. De man was verbluffend nauwkeurig.

Als iemand plotseling aankondigde dat hij een groep merkwaardige, onzichtbare wezens had gezien die nog nooit iemand had waargenomen, zou u hem dan geloven? Oldenburg had beslist zijn twijfels, net als bij Van Leeuwenhoeks eerdere beschrijving van de ‘animalcules’. Toch publiceerde hij Van Leeuwenhoeks brief in 1677, in wat Nick Lane een ‘buitengewoon monument voor het onbekrompen scepticisme van de wetenschap’ noemt. Oldenburg voegde echter een waarschuwende opmerking toe, zeggende dat de Society details van de methoden van Van Leeuwenhoek wilde, zodat anderen zijn onverwachte waarnemingen konden bevestigen. Van Leeuwenhoek werkte echter niet echt mee. Zijn techniek om lenzen te maken was een zorgvuldig bewaakt geheim. In plaats van het te onthullen, liet hij de animalcules zien aan een notaris, een advocaat, een arts en andere gerespecteerde heren, die de Royal Society verzekerden dat hij inderdaad zag wat hij beweerde te zien. Ondertussen probeerden andere microscopisten zijn werk te herhalen – wat mislukte. Zelfs de formidabele Hooke worstelde er eerst mee en slaagde pas toen hij overging op de eenlenzige microscopen waaraan hij zo’n hekel had. Zijn succes stelde Van Leeuwenhoek in het gelijk en consolideerde de reputatie van de Nederlander. In 1680 werd deze ongeschoolde handelaar in garen en band voorgedragen als Fellow van de Royal Society. En aangezien hij nog steeds geen Latijn en Engels kende, ging de Society ermee akkoord de lidmaatschapsoorkonde in het Nederlands op te stellen.

Terwijl hij al de eerste mens was die microben had gezien, werd Van Leeuwenhoek vervolgens de eerste die ze van zichzelf zag. In 1683 merkte hij de witte deegachtige plak die tussen zijn tanden zat op en, zoals hij gewoon was, bekeek hij deze door zijn lens. Meer levende dingen, ‘zeer aangenaam bewegend’! Er waren lange torpedovormige staafjes die ‘als een snoek’ door het water schoten en kleinere die ronddraaiden als een tol. ‘Alle mensen die in onze Verenigde Nederlanden leven, zijn met niet zo velen als de levende dieren die ik op dit moment in mijn eigen mond meedraag’, meldde hij. Hij tekende deze micro-organismen na en maakte een simpele afbeelding die de Mona Lisa van de microbiologie is geworden. Hij bestudeerde ze in de mond van Delftse burgers: twee mannen, een achtjarig kind en een oude man die naar men zei nooit zijn gebit had gereinigd. Hij deed zelfs wijnazijn bij zijn eigen schraapsel en zag dat de animalcules doodgingen – de eerste vermelding van antisepsis.

Toen hij in 1723 op 90-jarige leeftijd overleed, was Van Leeuwenhoek een van de beroemdste leden van de Royal Society. Hij liet hen een zwartgelakt kabinet na met 26 van zijn verbazingwekkende microscopen, compleet met de erop aangebrachte monsters. Vreemd genoeg verdween het kabinet en werd het nooit meer teruggevonden; des te meer een betreurenswaardig verlies omdat Van Leeuwenhoek nooit aan iemand had verteld hoe hij zijn instrumenten vervaardigde. In een brief klaagde hij dat zijn leerlingen meer geïnteresseerd waren in geld of reputatie dan in het ‘ontdekken van dingen die aan ons gezicht verborgen zijn’. ‘Niet één mens op de duizend is tot zulk onderzoek in staat, omdat er veel tijd en geld voor nodig is’, klaagde hij. ‘En boven alles, de meeste mensen dorsten niet naar kennis; neen, sommige zien er zelfs geen been in te zeggen: wat maakt het uit of we dit weten of niet?’6

Deze houding was fnuikend voor zijn nalatenschap. Wanneer anderen door hun inferieure microscopen keken, zagen ze niets of alleen maar hersenspinsels. De interesse nam af. In de jaren 1730, toen Carl Linnaeus al het leven begon te classificeren, hoopte hij alle micro-organismen op in het geslacht Chaos (wat ‘vormeloos’ betekent) in het fylum Vermes (‘wormen’). Er zou anderhalve eeuw voorbijgaan tussen de ontdekking van de microscopische wereld en het serieuze onderzoek ernaar.

***

Microben worden nu zo algemeen geassocieerd met vuil en ziekte dat als je iemand laat zien wat er allemaal in zijn mond krioelt, hij zich waarschijnlijk walgend zou afwenden. Van Leeuwenhoek had geen last van die afkeer. Duizenden nietige dingetjes? In zijn drinkwater? In zijn mond? In alle monden? Spannend hoor! Als hij al vermoedde dat ze ziekte zouden kunnen veroorzaken, blijkt dat niet uit zijn geschriften, die opvallen door het ontbreken van speculaties. Andere geleerden waren minder terughoudend. In 1762 beweerde de Weense arts Marcus Plenciz dat microscopische organismen ziekte konden veroorzaken door zich in het lichaam te vermenigvuldigen en zich door de lucht te verspreiden. ‘Iedere ziekte heeft zijn organisme’, stelde hij scherpzinnig. Helaas had hij er geen bewijs voor en dus was hij niet in staat anderen ervan te overtuigen dat deze onbeduidende organismen belangrijk waren. ‘Ik zal geen tijd verspillen aan pogingen deze absurde hypothese te weerleggen’, schreef een van zijn critici.7

In het midden van de 19de eeuw begon dit te veranderen, dankzij een bijdehante, strijdlustige Franse chemicus, Louis Pasteur.8 Kort na elkaar toonde hij aan dat bacteriën dranken zuur konden maken en vlees konden bederven. En als ze verantwoordelijk waren voor zowel gisting als verrotting, beweerde Pasteur, zouden ze ook ziekten kunnen veroorzaken. Deze ‘kiemtheorie’ was verdedigd door Plenciz en anderen, maar was nog steeds controversieel. Men dacht eerder dat ziekten door slechte lucht ofwel miasma werden veroorzaakt, die vrijkwam uit rottend materiaal. Pasteur toonde in 1865 aan dat dit niet klopte, toen hij ontdekte dat twee ziekten die zijderupsen aantastten door micro-organismen werden veroorzaakt. Door geïnfecteerde eieren te isoleren stopte hij de verspreiding van de ziekten en redde hij de zijde-industrie.

Intussen hield in Duitsland de arts Robert Koch zich bezig met een antraxepidemie die het lokale vee teisterde. Andere wetenschappers hadden een bacterie, Bacillus anthracis, in het weefsel van de getroffen dieren gevonden. In 1876 injecteerde Koch deze bacterie in een muis – die stierf. Hij isoleerde de bacterie uit het dode knaagdier en injecteerde deze in een andere muis – die ook stierf. Vasthoudend herhaalde hij deze meedogenloze proef bij meer dan twintig generaties en iedere keer gebeurde hetzelfde. Koch had onomstotelijk laten zien dat de bacterie antrax (miltvuur) veroorzaakte. De kiemtheorie klopte.

Microben waren dus werkelijk herontdekt en werden onmiddellijk als de avatars van de dood gebrandmerkt. Ze waren ziektekiemen, pathogenen, brengers van pestilentie. Binnen twintig jaar na Kochs werk aan antrax hadden hij en vele anderen de bacteriën achter lepra, gonorroe, tyfus, tuberculose, cholera, difterie, tetanus en de pest ontdekt. Net als bij Van Leeuwenhoek wezen nieuwe instrumenten de weg: betere lenzen, methoden om reinculturen van micro-organismen op bodems van agar te kweken, en nieuwe kleurstoffen waarmee microbiologen bacteriën konden opsporen en determineren. Van determineren gingen ze regelrecht over op elimineren. Geïnspireerd door Pasteur begon de Britse chirurg Joseph Lister steriele technieken in zijn praktijk te gebruiken en verplichtte hij zijn personeel hun handen, de instrumenten en operatiezalen chemisch te steriliseren, zodat hij talloze patiënten een hevige infectie bespaarde. Anderen zochten manieren om bacteriën te remmen teneinde ziekten te genezen, de afvalverwerking te verbeteren of voedsel te conserveren. De bacteriologie werd een toegepaste wetenschap, die microben bestudeerde teneinde ze te verdrijven of te vernietigen.

Het hielp niet dat vlak voor deze golf aan ontdekkingen ene Charles Darwin in 1859 On the Origin of Species had gepubliceerd. ‘Dankzij dit historische ongeval ontwikkelde de ziektekiemtheorie zich tijdens de bloederige fase van het darwinisme, waarin de wisselwerking tussen levende wezens werd beschouwd als een overlevingsstrijd waarin je vriend of vijand moest zijn, zonder een duimbreed te wijken’, schreef de microbioloog René Dubos.9 ‘Deze houding modelleerde vanaf het begin alle latere pogingen bacterieziekten onder de duim te houden. Ze leidde tot een soort agressieve oorlogvoering tegen de bacteriën, gericht op hun eliminatie uit het zieke individu en de gemeenschap.’

Die houding bestaat nog steeds. Als ik naar een bibliotheek zou gaan en een leerboek microbiologie uit het raam zou gooien, zou ik gemakkelijk een voetganger een hersenschudding kunnen bezorgen. Als ik alle bladzijden eruit zou scheuren die over nuttige micro-organismen gingen, zou ik iemand niet meer dan een naar papiersneetje kunnen bezorgen. Het verhaal van ziekte en dood domineert onze visie op de microbiologie nog steeds.

Terwijl de elkaar voor het voetlicht verdringende theoretici het ene dodelijke pathogeen na het andere determineerden, waren andere groepen biologen aan de zijlijn aan het zwoegen aan werk dat microben uiteindelijk in een heel ander daglicht zou stellen.

De Nederlander Martinus Beijerinck behoorde tot de eersten die hun wereldwijde belang aantoonden. Hij was teruggetrokken, bruusk en impopulair en hield niet van mensen, afgezien van enkele nabije collega’s, noch van de medische microbiologie.10 Ziekten interesseerden hem niet. Hij wilde micro-organismen in hun natuurlijke omgeving bestuderen: bodem, water, plantenwortels. In 1888 ontdekte hij dat bacteriën stikstof aan de lucht onttrekken en deze omzetten in ammonia, dat planten kunnen gebruiken; later isoleerde hij soorten die bijdroegen aan de verplaatsing van zwavel door de bodem en de atmosfeer. Dit werk stimuleerde een hergeboorte van de microbiologie in Delft, de stad waar Beijerinck werkte en waar Van Leeuwenhoek twee eeuwen eerder voor het eerst bacteriën had gezien. De leden van deze nieuw opgerichte Delftse School, samen met intellectuele zielsverwanten als de Rus Sergei Winogradsky, noemden zichzelf microbieel-ecologen. Ze ontdekten dat micro-organismen niet alleen een bedreiging voor de mensheid zijn, maar ook essentiële bestanddelen van de wereld.

Kranten uit die tijd begonnen te spreken over ‘goede kiemen’, die de bodem voedden en bijdroegen aan het bereiden van drank en zuivelproducten. Volgens een leerboek uit 1910 waren de ‘slechte kiemen’ waarop iedereen zich richtte een ‘kleine, gespecialiseerde zijtak van het rijk der bacteriën en, ruim gesteld, feitelijk van ondergeschikt belang’.11 De meeste bacteriën, schreef men, zijn consumenten die voedingsstoffen uit rottend organisch materiaal teruggeven aan de aarde. ‘Het is niet overdreven om te beweren dat zonder [hen]... al het leven op aarde gedoemd zou zijn om te verdwijnen.’

Andere microbiologen beseften rond 1900 dat veel micro-organismen het lichaam van dieren, planten en andere zichtbare organismen met elkaar deelden. Het werd duidelijk dat korstmossen – de kleurige plekken die op muren, stenen, schors en hout groeien – samengestelde organismen zijn, bestaande uit microscopische algen die samenleven met een gastheer die ze in ruil voor mineralen en water voorzien van voedingsstoffen.12 De cellen van dieren zoals veel zeeanemonen en platwormen bleken ook algen te bevatten, en mieren van het geslacht Camponotus herbergden levende bacteriën. De schimmels die op boomwortels groeien en lang als parasieten werden beschouwd, bleken partners te zijn die stikstof leveren in ruil voor koolhydraten.

Dit type partnerschap kreeg een nieuwe term – symbiose, van het Grieks voor ‘samen’ en ‘leven’.13 Dit woord was neutraal en omvatte alle vormen van samenleven. Als één partner voordeel had ten koste van de andere, was hij een parasiet (of een pathogeen als hij ziekte veroorzaakte). Als hij voordeel had zonder zijn gastheer aan te tasten, was hij een commensaal. Als hij zijn gastheer tot voordeel strekte, was hij een mutualist. Al deze samenlevingsvormen vielen onder de rubriek symbiose. Deze concepten ontstonden op een ongelukkig tijdstip. In de schaduw van het darwinisme spraken biologen over survival of the fittest, overleven van de best aangepaste. De natuur was rood en had tanden en klauwen. Thomas Huxley, ‘Darwins bulldog’, had de dierenwereld vergeleken met een gladiatorenshow. Symbiose, met haar thema’s van samenwerking en teamwork, paste niet gemakkelijk in dit kader van conflict en concurrentie. Evenmin paste ze in het idee van microben als schurken. Post-Pasteur was hun aanwezigheid een teken van ziekte geworden en hun afwezigheid een kenmerk van gezond weefsel. In 1884, toen Friedrich Blochmann de bacteriën van Camponotus-mieren ontdekte, druiste het idee van inwonende micro-organismen zo tegen de intuïtie in, dat hij linguïstische capriolen ging uitvoeren om te vermijden dat hij ze moest beschrijven zoals ze waren.14 ‘Plasmastaafjes’ noemde hij ze, of ‘zeer opvallende vezelachtige differentiaties van het eiplasma’. Het kostte hem jaren van grondig onderzoek voor hij eindelijk een standpunt innam: ‘Men kan nauwelijks anders doen dan verklaren dat deze staafjes bacteriën zijn’, schreef hij eindelijk in 1887.