Buitenshuis kom je ze tegen als paddenstoelen of korstmossen. Binnen tref je ze aan als zwarte aanslag in je douche of blauwgroene pluisjes op je oude brood. Schimmels hebben andere organismen nodig om van te leven. Ze kunnen samenwerken, maar ook parasiteren. Ze hebben een geheugen – en zijn misschien wel veel slimmer dan je denkt.

Uit Maarten! 2021-02. Bestel losse nummers hier

De eigenaardigheid van schimmels zit ’m niet alleen in hun verschijning – hoewel de bizarre vormen van sommige zwammen en de kleurenpracht op het halfje brood dat een paar maanden achter de koelkast bivakkeerde af en toe doen denken aan buitenaards leven. Maar misschien wel vreemder zijn de strategieën die ze in de loop van de evolutie hebben ontwikkeld om te overleven en zich voort te planten.

Schimmels gaan allerlei interessante samenwerkingen aan met ander leven. Ze vormen netwerken met planten en bomen waarin ze voedingsstoffen uitwisselen. Ze laten zich telen door termieten of versmelten zelfs helemaal met andere organismen – zoals wanneer schimmel en alg samen korstmos vormen.

Maar het kan ook een stuk minder vredelievend. Sommige schimmels infecteren plant en dier, en buiten hun gastheer zonder pardon uit. Zo is er een schimmel die mieren binnendringt en ze daarna als een soort willoze zombies een hoge grasspriet in laat klimmen. Vervolgens groeit er uit de kop van het arme beest een grote paddenstoel, van waaruit de schimmel zijn sporen de wereld in blaast. Andere schimmels gaan nog een stap verder en zijn zelfs in staat hele rassen uit te roeien. Zo staat een schimmelinfectie op het punt onze supermarktbanaan compleet van de aardbodem weg te vagen.

Schimmels vormen naast planten en dieren een geheel eigen rijk binnen de indeling van alles wat leeft. Toch horen we er niet zoveel over. Natuurdocumentaires gaan eerder over aaibare beesten en krioelende insecten in weelderige tropische landschappen. Ook in biologielessen speelt de schimmel geen hoofdrol. Van planten en dieren hebben we allemaal wel een beeld. Planten zijn doorgaans groen, gaan nergens heen en zetten CO₂ en water om in suikers voor de groei. Dieren bewegen, hebben zintuigen, en ledematen waarmee ze met de wereld interacteren.

Maar wat zijn schimmels? Wat weten we eigenlijk over deze eigenaardige tak aan de stamboom van het leven? En wat weten we nog niet?

Zachte celwand

‘Om te beginnen zijn schimmels dus geen planten, zoals veel mensen ten onrechte denken,’ zegt Jorinde Nuytinck, schimmeldeskundige van Naturalis Biodiversity Center. ‘Sterker nog: ze zijn een stuk nauwer verwant aan dieren. Schimmels en dieren zijn zustergroepen. Ongeveer een miljard jaar geleden deelden ze een gemeenschappelijke voorouder: een eencellig organisme met een zweepstaartje, dat in het water leefde. De ene groep nakomelingen van dit wezentje staat aan de basis van het hele dierenrijk, de andere groep aan het rijk van de schimmels.’

Schimmels zijn nauwer verwant aan dieren dan aan planten

Dat schimmels evolutionair een andere route kozen dan planten en dieren kun je terugzien als je flink op ze inzoomt. Als je plantencellen onder een microscoop bekijkt, zie je dat ze een stevige celwand hebben. Dierlijke cellen hebben juist geen celwand, maar een dun, flexibel membraantje. Schimmels zitten daar min of meer tussenin. Ze hebben wél een celwand, maar dan opgebouwd uit een stofje dat een stuk minder rigide is dan dat van planten: chitine in plaats van cellulose. ‘Moleculair zitten schimmels uniek in elkaar,’ aldus Nuytinck.

De evolutie van schimmels is een schimmig gebeuren. Dat komt mede doordat ze dus uit nogal zacht weefsel bestaan. Het is al een hele kunst om te ontrafelen hoe de evolutie van dinosauriërs verliep, terwijl we daar tenminste nog gigantische versteende botten van terugvinden. Maar zacht weefsel fossiliseert slecht. Alleen onder unieke omstandigheden blijft er iets van over.

‘De meeste oude fossielen vinden we in plantenwortels,’ zegt Nuytinck. ‘In 400 miljoen jaar oud Schots gesteente zijn bijvoorbeeld heel veel fossiele plantenwortels gevonden met schimmels erin.’ Heel lang waren dat zo’n beetje de oudst bekende schimmels. Totdat wetenschappers in 2019 mogelijk schimmels van een miljard jaar oud vonden, in het Arctische deel van Canada. ‘Rondom dit soort vondsten bestaat altijd veel twijfel,’ zegt Nuytinck. ‘We hebben uiteindelijk maar heel, heel weinig hard fossiel bewijs.’

Mineralen voor suikers

Waar hard fossiel bewijs het laat afweten, worden wetenschappers steeds beter in het uitpluizen van DNA. Het ‘geluk’ daarbij is dat schimmels vrij kleine genomen hebben. Dat maakt de analyse ervan relatief snel en goedkoop. Stel dat alle letters van dit Maarten!-artikel het menselijk DNA voorstellen, dan komt het gemiddelde schimmelgenoom niet verder dan halverwege de openingszin. Schimmels bezitten slechts een honderdste van de hoeveelheid DNA die in onze eigen cellen zit.

Dankzij DNA-analyse, spaarzame fossielen en experimenten in laboratoria werpen wetenschappers nu beetje bij beetje meer licht op de ontwikkeling van de allereerste schimmel tot de enorme soortenrijkheid van nu. Een van de dingen die inmiddels duidelijk zijn, is dat schimmels ouder zijn dan planten. En waarschijnlijk speelden ze een cruciale rol in een van de belangrijkste processen die de aarde haar huidige gezicht heeft gegeven: de kolonisatie van het land door planten.

500 miljoen jaar geleden gooiden planten en schimmels het op een akkoordje

Ongeveer 500 miljoen jaar geleden gooiden planten en schimmels het op een akkoordje. Planten zijn er heel goed in onder invloed van zonlicht water en CO₂ om te zetten in suikers. Maar ze zijn niet heel bedreven in het opnemen van mineralen uit de aarde. Schimmels zijn hier met hun fijne draden juist een ster in en profiteren maar wat graag van de voedzame suikers die planten produceren. Een verbond was geboren: mineralen in ruil voor suikers. Zo verlieten schimmels en planten gezamenlijk de oceaan en spoelden ze als een groene golf over het rotsachtige aardoppervlak.

Wood wide web

De innige samenwerking tussen plant en schimmel is nu, miljoenen jaren later, nog steeds in volle gang. Onder elk bos ligt een schimmelnetwerk dat voedingsstoffen uitwisselt met het plantenleven erboven. Zo’n samenleving van schimmels en plantenwortels heet mycorrhiza (vrij vertaald uit het Grieks: ‘schimmelwortel’). Jorinde Nuytinck onderzoekt de schimmels die deel uitmaken van mycorrhiza’s. Ze plukt paddenstoelen (‘Fantastisch dat je dat voor je werk mag doen, haha’), bekijkt ze onder de microscoop, beschrijft ze in detail en onderzoekt hun DNA. Hiermee brengt ze de diversiteit en evolutie van deze schimmels in kaart.

‘Eén boom kan verbonden zijn met talloze schimmels,’ zegt Nuytinck. ‘En één schimmel kan in contact staan met allerlei verschillende soorten bomen. Zo’n 80 procent van alle mineralen die bomen opnemen komt via het schimmelnetwerk. Bomen kunnen bijna niet meer zonder de schimmels. In theorie misschien wel, maar niet in de praktijk – waarin ze moeten concurreren met andere planten. Een plant die met schimmels in contact staat groeit altijd stukken beter dan een plant die het in zijn eentje moet zien te rooien.’ En voor schimmels is de samenwerking al helemaal cruciaal. ‘Die kunnen zonder de suikers van bomen simpelweg niet leven.’

Ondergronds staat alles met elkaar in verbinding

‘Als je door het bos loopt, lijkt elke boom, plant en paddenstoel een losstaand individu. Maar daar is dus niets van waar: ondergronds staat alles met elkaar in verbinding. In dit wood wide web gebeurt meer dan alleen suikers en mineralen uitwisselen,’ vertelt Nuytinck. ‘Bomen geven via het netwerk signalen door. Als er bijvoorbeeld schade ontstaat door een storm, dan kunnen ze aan soortgenoten honderd meter verderop laten weten dat ze hun immuunsysteem een boost moeten geven. En als een boom in de schaduw staat en niet goed groeit, kan die voedingsstoffen krijgen van fortuinlijkere exemplaren. Het is ongelooflijk bizar dat dit kan.’

Tuinierende termieten

Niet alleen met planten zetten schimmels ingenieuze samenwerkingen op. Ook met dieren. Zo laat de Termitomyces-schimmel zichzelf kweken door een soort tuinierende termieten. Oudere werkers verzamelen plantenmateriaal dat jonge werkers opeten, samen met schimmelsporen. Ze poepen het halfverteerde plantenmateriaal uit, dat een soort vruchtbare compost vormt. Hiervan maken de termieten een uitgebreid netwerk van schimmeltuinen in hun nest.

De schimmel kan het plantenmateriaal nu snel koloniseren en afbreken. Eén à twee weken later verschijnen er kleine witte bolletjes, een soort schimmelbloemkooltjes, die de jonge werkers samen met vers verzameld plantenmateriaal weer opeten – en zo is de cirkel rond. Fijn voor de termieten, want die hebben een betrouwbare voorraad voedsel tot hun beschikking. Maar óók fijn voor de schimmel, want die krijgt er een beschermde leefomgeving en gegarandeerde voortplanting voor terug.

Hoe functioneert zo’n samenwerking? En hoe blijft die gedurende de evolutie in stand, ondanks het risico op uitbuiting van de ene soort door de andere? Duur Aanen, hoogleraar erfelijkheidsleer aan Wageningen University & Research, houdt zich in zijn onderzoek bezig met dit soort vragen. Hij onderzoekt de schimmel-termietensymbiose en voert in het laboratorium ook met andere schimmels experimenten uit die laten zien waar de grenzen van samenwerking liggen.

Wat de Termitomyces-schimmel betreft trekt Aanen een parallel met menselijke landbouw. ‘Zowel mensen als termieten streven naar een zo hoog mogelijke opbrengst. Daarbij moet je rekening houden met groepsprocessen. Of het nu gaat om een veld met graanplanten, een stal met koeien of een ren met kippen, sociale interacties spelen een grote rol.’

Vals spelen

Een interessant voorbeeld is gevonden bij kippen. ‘Een groot probleem is dat die elkaar nog weleens doodpikken,’ zegt Aanen. ‘Er is eens een selectie-experiment gedaan om de levensduur van kippen te verhogen. Onderzoekers lieten de langstlevende kippen in een groep zich met elkaar voortplanten. Maar daarmee bereikten ze precies het tegenovergestelde van wat ze wilden. Onbewust hadden de onderzoekers de agressiefste kippen geselecteerd. Individueel sterk, maar voor de groep desastreus. Deze spanning tussen competitief gedrag en samenwerking zien we ook bij groepen schimmels. We denken dat de evolutie ervoor heeft gezorgd dat de termieten het collectieve succes van de schimmel maximaliseren en juist niet de competitieve eigenschappen.’

Wie samenwerkt, riskeert uitbuiting. In het laboratorium onderzoekt Aanen de evolutie van dit soort processen aan de hand van experimenten met Neurospora-schimmels. Met zijn team kweekt hij de schimmels en past hij de groeiomstandigheden zo aan dat er mogelijkheden voor uitbuiting ontstaan. ‘We vonden een interessant voorbeeld van valsspelerij,’ vertelt Aanen.

‘Verschillende kolonies van schimmels kunnen met elkaar fuseren. Daar hebben ze wederzijds voordeel van, net als twee landen die een handelsverdrag sluiten. Maar tijdens een evolutie-experiment ontstonden er kolonies die protectionistisch werden. Ze profiteerden van andere kolonies die met hen fuseerden, maar droegen zelf niet bij aan het fusieproces. Een beetje zoals de protectionistische handelsstrategie van de Verenigde Staten de afgelopen jaren: zelf vrijuit exporteren, maar de eigen fabrieken beschermen door handelsbeperkingen op te leggen. Dit werkt echter alleen als de ander die strategie niet volgt. Als meer kolonies protectionistisch worden, lijden ze daar allemaal onder. We zagen in onze experimenten dan ook dat er een balans ontstond tussen valsspelende en samenwerkende kolonies.’

Intelligentie

Wat vertelt dit ons? Om terug te komen op een van de vragen uit het begin van dit stuk: wat zíjn schimmels nu eigenlijk? Eencellige gisten daargelaten, kun je je er makkelijk van afmaken en schimmels beschrijven als eenvoudige organismen die lange draden vormen waaruit paddenstoelen groeien die sporen verspreiden. En als je in iets meer biologisch detail wilt treden, dan kun je daaraan toevoegen dat ze hun voedingsstoffen kant-en-klaar uit de omgeving halen: waar planten in hun binnenste suikers maken en dieren een inwendige spijsvertering hebben, scheiden schimmels enzymen uit die het schimmelvoedsel extern afbreken tot bruikbare nutriënten.

Maar kijk je iets verder, dan is het misschien wel kenmerkender dat je schimmels altijd aantreft in relaties of netwerken met andere levensvormen. ‘Schimmels hebben altijd andere organismen nodig om van te leven,’ zegt Aanen. Als je naar al die ingenieuze samenwerkingen kijkt, maar ook naar uitgekookte parasitaire strategieën zoals die van de schimmel die mieren tot zombies maakt, dan bekruipt je het gevoel dat schimmels stiekem misschien een stuk slimmer zijn dan ze in eerste instantie lijken. Een brein hebben ze niet, maar in hoeverre kunnen we ze toch betichten van een flinke portie intelligentie?

Sommige schimmels dringen binnen in mieren, waarna vanuit het lijf een paddenstoel groeit waaruit de schimmel zijn sporen verspreidt.

Volgens Nuytinck hebben schimmels in elk geval een hoop onvermoede talenten. ‘Ze hebben geen zintuigen, maar door stofjes uit te wisselen kunnen ze enorm goed met elkaar en met planten communiceren,’ zegt ze. ‘Bij de vorming van mycorrhiza moeten ze aan elkaar kunnen laten weten of ze vriend of vijand zijn om al dan niet hun immuunsysteem aan het werk te zetten. Daarnaast blijkt uit recent onderzoek dat schimmels een geheugen hebben. Ze kunnen aan hun nakomelingen doorgeven welke kant ze op moeten groeien.’

Ook Aanen geeft schimmels het voordeel van de twijfel. ‘Het hangt af van wat je precieze definitie van intelligentie is. Als je het hebt over het vermogen tot waarnemen en daarop kunnen reageren, kom je al een heel eind. Zeker in combinatie met een geheugen. Uiteindelijk ligt het er maar net aan hoe reductionistisch je het bekijkt. Want als je je eigen intelligentie ontleedt, kom je ook uit op een beperkt aantal simpele principes die de magie er een beetje vanaf halen.’

Onzichtbare wereld

Intelligent of niet, schimmels geven stof tot nadenken. Ze stellen ons idee van wat leven is op de proef. Het zijn netwerkwezens zonder duidelijke begrenzing. ‘Het is lastig te bepalen waar het ene individu eindigt en het andere begint,’ aldus Aanen. ‘Een individu kan bijna oneindig doorgroeien, maar zich ook opsplitsen in meerdere individuen. En je kunt ze ongestraft doorhakken. Andersom kunnen twee losse individuen die tot dezelfde kloon behoren weer fuseren tot een grotere eenheid.’

Schimmels stellen ons idee van wat leven is op de proef

Een even groot raadsel is de vraag hoe essentieel de rol is die schimmels spelen in de kringloop van het leven. Dat we pas sinds kort weten dat schimmels planten het land op hebben geholpen, is daarbij een teken aan de wand. En ze zitten in de haarvaten van bijna elk denkbaar ecosysteem. ‘De zichtbare biodiversiteit is niet het complete plaatje,’ zegt Nuytinck. ‘Er is veel meer dan alleen het grote en aaibare.’

‘Onder onze voeten schuilt een gigantische onzichtbare wereld. Van de schimmels die daar leven, kennen we nog geen 10 procent. Dat is onhandig, want als er in de radertjes van dat systeem iets misgaat, kan dat een groot effect hebben op onze eigen omgeving. Het is ongelooflijk dat we naar de maan kunnen vliegen, en straks misschien naar Mars, maar dat we nog niet eens weten wat er onder onze voeten leeft.’

Joris Janssen is wetenschapsjournalist bij New Scientist.