A láthatatlan erdő a tenger alatt

Kint a nyílt óceánon egy olyan kilátás veszi körül, amely a világoskék megdöbbentő árnyalatával rendelkezik – magyarázza Anne Thompson, egy biológiai oceanográfus. Köszönetnyilvánítás: Allison Lee

A Hawaiitól mindössze 100 mérföldre északra fekvő nyílt óceán felszíni vizei megbocsáthatatlan hely az élet számára. Az elektromos kék víz végtelennek tűnő szakasza olyan lehet, mint egy sivatag – nitrogéntől, foszfortól, vastól és más alapvető tápanyagoktól, amelyek a nagyobb szervezetek növekedéséhez szükségesek.

„Amikor kimegyünk, ha körülnézünk, csak kék vizet látunk, és nagyon nehéz elképzelni, hogy van benne valami” – mondja. Anne Thompson , biológiai oceanográfus és kutatási adjunktus a Portland Állami Egyetemen, aki 2016 és 2017 között több expedíción vett részt. De tudja, hogy 200 méter mélyen, abban a zord környezetben valójában egy csapat szervezet dolgozik keményen – apró mikroorganizmusok termelnek. az oxigén, amely körülbelül öt lélegzetvételenként megtölti a tüdejét.

Thompson tanulmányai a milliárdnyi apró növényszerű organizmus amelyek az óceán „láthatatlan erdejét” alkotják – egy meglehetősen vékony óceánréteg, amely tele van mikroszkopikus méretű fotoszintetizátorokkal, ún. fitoplankton amelyek felszívják a szén-dioxidot a légkörből és kibuborékoltatják a bolygó oxigénjének 50 százalékát. Mint egy földi erdő, az energia átadódik a nap, a növények, az állatok és élőlények stb. között. A fitoplanktonok az óceán legfelső rétegeiben lebegnek körülbelül 200 méter felett, vagy ameddig a napfény ki tud szűrni. A fitoplankton nemcsak a szén körforgását segíti elő, és a világ oxigénjének jelentős részét termeli, hanem a tápanyagok svédasztalaként is szolgál – a táplálékhálózat alapja, amely a tengerben élő nagyobb élőlényeket táplálja. És a szárazföldi erdőkhöz hasonlóan a láthatatlan erdő fitoplanktonja is számos fotoszintetikus mikroorganizmusból áll, a nagyobb testű szilícium-dioxiddal borított kovamoszattól a legapróbb cianobaktériumokig .

„Ez történik a nyílt óceánban – de a fák helyett ezek az egysejtű fotoszintetikus organizmusok vannak, amelyeket nem látunk, ha megnézzük” – mondja Thompson. A nyílt óceánban a fotoszintetikus mikroorganizmusok erdeje szabad szemmel nem látható, de mint minden ökoszisztéma, „gyönyörű, hatalmas és igazán vad” – mondja.

Hogyan neveljünk korallt

A Föld legapróbb fotoszintetikus szervezete

A kutatók korábban azt hitték, hogy a fitoplankton nem található meg nagy számban a trópusok és szubtrópusok nyílt óceánjában, ahol a keringő áramlatok nagy rendszerei vagy óceáni körgyűrűk alkotják a tápanyagszegény víz zsebeit. Aztán 1979-ben a Woods Hole Oceanográfiai Intézet tudósai felfedezték az apró cianobaktériumokat. Synechococcus ami új darabot nyitna a láthatatlan erdőben.

„Olyan volt, mint felfedezni a füvet a szárazföldön, amikor korábban csak fákat és bokrokat látott” – mondja Sallie (Penny) Chisholm , a Massachusetts Institute of Technology ökológusa és tengerbiológusa, aki az 1970-es évek óta foglalkozik tengeri mikroorganizmusok tanulmányozásával. Ez a primitív fotoszintetikus sejtek legelője nagyobb sejtek mögött állt, amelyek nagy számban terjedtek el a tápanyagszegény régiókban, magyarázza.

Synechococcus csak a kezdet volt. Kevesebb, mint egy évtizeddel később, tanulás közben Synechococcus , Chisholm és egy kolléga történt egy még apróbb (csak 0,6 mikrométeres) unokatestvért, akit hívtak Prochlorococcus – egy pikoplankton, amely a felfedezése óta eltelt három évtizedben a kutatói közösség megbecsült mintaszervezetévé vált.

– Aprók, de erősek.

Együtt, Prochlorococcus és Synechococcus fontos szerepet tölt be a láthatatlan erdőben, mondja Chisholm, de Prochlorococcus saját örökséget öltött a mikrobavilágon belül. Az évek alatt Prochlorococcus nagy figyelmet és lelkesedést kapott a kutatói közösségtől. (Chisholm és kutatótársai dobtak egy A ProchlorococcusFest fennállásának 20. évfordulóján 2008-ban .)

Lisa Moore és Penny Chisholm a Prochlorococcus felfedezésének 20. évfordulóját a „La Cucaracha” dallamára énekelt dallal ünneplik. Eredetileg Jim és Shelley Tripp írta, 2008.02.23.

Az élénk zöld pikoplankton a legkisebb, számszerűen legnagyobb mennyiségben előforduló fotoszintetizáló sejt a bolygón – a láthatatlan erdőből kibocsátott oxigén fele, a becslések szerint 3 milliárd milliárd milliárd Prochlorococcus a sejtek a teljes mennyiség 10 százalékát adják ki. Ezekbe az apró cianobaktériumokba csomagolva történetek vannak a láthatatlan erdőről.

„Úgy gondolom őket, mint kis riportereket” – mondja Chisholm. És ezek a kis riporterek szívós organizmusok.

„Aprók, de erősek” – mondja Anne Thompson, akit először mutattak be Prochlorococcus végzős hallgatóként Chisholm laboratóriumában, és tovább tanulja őket a Portland Állami Egyetemen. „Elég kicsi genomjuk van, de alkalmazkodtak ehhez a szélsőségesnek tűnő környezethez. Látszólag passzívan lebegnek az óceánban, de csak keményen dolgoznak, és ezt a hihetetlen munkát végzik a bolygóért.”

A vezetőképesség, hőmérséklet, mélység (CTD) rozetta az a nagy berendezés, amelyet a kutatócsoport a minták gyűjtésére használ. Több ezer méteres mélységet is képes kezelni az óceánba. Köszönetnyilvánítás: Allison Lee

Egy láthatatlan erdő tanulmányozása

Visszatérve Hawaiira, Thompson és csapata sugározza ki a nyílt vizekre , keresésében Prochlorococcus . Az ALOHA állomástól nagyjából száz mérföldnyire tett napi körutazás Thompsont és csapatát a Csendes-óceán északi részének szubtrópusi körének közepére helyezi – egy olyan élőhelyre, amely a nyílt óceán nagy részének közeli képviselője.

Hogy jobb képet kapjunk miről Prochlorococus Olyan, mint a természetes környezetükben, a kutatóknak ki kell menniük a tengerre, hogy mintákat gyűjtsenek a laboratórium számára. Prochlorococcus túlnyomórészt a nyílt óceánban, alacsonyabb szélességi fokokon boldogulnak.

Prochlorococcus lehet, hogy kicsi, de meglehetősen nagy gépekre van szükség a mikroszkópikus organizmus mintáinak beszerzéséhez. Thompson és csapata egy terjedelmes eszközt használ, amely palackokból és műszerekből áll, amelyek össze vannak reteszelve, és a hajó szerelvényére akasztották. Bemártják az óceánba, és egyre lejjebb süllyesztik, amíg el nem nyeli az ékszerszerű kék ​​hullámok. Thompson célpontja körülbelül 200 méteres mélységben van, ahol a díjazott Prochlorococcus tartózkodik. Ezután kiveszik a vizet, „ami úgy néz ki, mint a víz a csapból”, és napokig gondosan szűrik és kis mintákat vesznek – magyarázza Thompson. Ezeket a kis csöveket ezután lefagyasztják, és szárazjégen visszaszállítják a laboratóriumba. Csak ott, ahol az adatelemzés és a DNS-szekvenálás napokkal vagy akár hónapokkal később megtörténik, tudják a tengeri mikrobiológusok, hogy hoztak-e vissza értékes mintákat vagy sem.

„Most, hogy ezt sokszor megtettem, tudom, hogy ott vannak” – mondja Thompson. „De addig nem kapod meg ezt a pozitív visszajelzést, amíg haza nem térsz, hogy dolgozz rajtuk… szóval abban a hitben dolgozol, hogy ezek a dolgok megvannak.”

A Prochlorococcus álszínes képe mikroszkóp alatt. Köszönetnyilvánítás: Anne Thompson/Chisholm Lab, MIT

A tenger mesemondója

A laboratóriumban a tudósok elkezdhetik a tanulmányozást Prochlorococcus az óceáni rendszerek bonyolultságának feltárására. És az apró szervezet számos nyomot hordoz, a genomjától kezdve a más mikroorganizmusokkal való kölcsönhatásokig.

Prochlorococcus A sejtek szabad szemmel láthatatlanok, de a laboratóriumban nagy számban növesztve a minták hihetetlen neonzöldnek tűnnek. De a cianobaktériumokat köztudottan nehéz tenyészteni és izolálni a laboratóriumban. Elszigetelő Prochlorococcus A többi baktériumtól való megszabadulás, amely bekerülhet a tenyészetbe, állandó kihívást jelent, mondja Steven Biller, a Wellesley College adjunktusa és a Chisholm laboratóriumának egykori kutatója. Prochlorococcus nem szeret egyedül lenni, Biller azt mondja: „Mikor Prochlorococcus csak magától növekszik, nem növekszik olyan gyorsan, olyan nagy sűrűséggel, és sokkal érzékenyebbek a különféle feszültségekre és zavarokra a laborban” – mondja. – Szóval valójában nagyon szeretik, ha ezek a többi sejt körülöttük vannak.

De ez a termesztési nehézség elárulja a kutatóknak a közösségen belüli mikroorganizmusok közötti kölcsönhatást, mondja Biller. Biller például bizonyítékot talált arra Prochlorococcus felelős mindenféle molekula (lipidek, fehérjék, DNS-fragmensek) mozgásáért és szállításáért az óceánban extracelluláris vezikulák felszabadítása . És ez nem csak Prochlorococcus amely létrehozza ezeket a kis membránhoz kötött csomagokat. Biller megállapításai szerint a tengervíz valójában a mikrobiális anyagcsere hatalmas lebegő levese.

Miközben a kutatók még mindig a hólyagtermelés céljait kutatják, ez a cserehálózat megváltoztatja az óceán és láthatatlan erdők működéséről alkotott gondolkodásukat.

„A hólyagos vizsgálat az egyik példa, ahol elkezdtük kitalálni Prochlorococcus , de most rengeteg kérdés merül fel ezekkel a különféle mikrobákkal kapcsolatban, amelyek ezeket a struktúrákat szabadítják fel az óceánban, és hogy mi történik ott általában” – mondja Biller.

Következtetések vonhatók le a Prochlorococcus genom is – teszi hozzá.

Minden alkalommal, amikor a kutatók egy újat követnek Prochlorococcus A genomban új géneket fedeznek fel – mondja Anne Thompson. Kicsi, áramvonalas genomja – sejtenként körülbelül 1700-2000 gén – teszi Prochlorococcus mintaszervezet a kutatók számára. Míg minden sejt körülbelül 2000 gént tartalmaz, az előre jelzett 80 000 gén változatos génállományából vagy „pángenomjából” származik. Ez négyszer annyi, mint az embereké. És minden Prochlorococcus sejtnek kissé eltérő genetikai felépítése van.

„Ezek a sejtek genomjában vannak olyan területek, amelyek konzerváltak vagy azonosak az összes sejt között, és más területek között, amelyek változóak – folyamatosan változnak, és némileg új képességeket hoznak a sejtekbe, és lehetővé teszik számukra, hogy reagáljanak a környezetükre, és hatékony versenytársak legyenek. – mondja Thompson.

Ez a sokféleség előnyös a környezet változásaihoz és fenyegetéseihez való alkalmazkodáshoz, ami különösen hosszú távon hasznos az olyan eseményekkel kapcsolatban, mint például az éghajlatváltozás. A kutatók már eddig is különböző csoportoknak és típusoknak voltak tanúi Prochlorococcus természetesen ingadozik a számuk, hogy alkalmazkodjanak az évszakokhoz. Miközben jelenleg azt jósolják Prochlorococcus A populációk meglehetősen stabilak maradnának melegebb és még savasabb vizekben, nem ismert, hogy az éghajlatváltozás egyéb következményei hogyan érinthetik őket.

A kutatók továbbra is több Prochlorococcust gyűjtenek a világ óceánjaiból, hogy megértsék a láthatatlan erdőt. Chisholm laboratóriumának expedíciójáról a dél-csendes-óceáni szubtrópusi körben, a chilei Isla de Pascuától keletre. Hitel: Paul Berube

Az óceánok hőmérsékletének változásai, a tápanyagok változásai, a szennyezés, az éghajlatváltozás mind-mind meghiúsíthatja az egyensúlyt nem csak a Prochlorococcus ökoszisztéma , hanem az egész fitoplankton közösség a láthatatlan erdőben – magyarázza Thompson. A változatos mikroorganizmusok különböző funkciókat látnak el – a nitrogénmegkötő cianobaktériumoktól kezdve a szén-dioxid-szívó tengeri mikroorganizmusok sok más típusáig.

Anne Thompson A 2008-as ProchlorococcusFest-en elmondja „Kedves kis profi” című versét, részletezve a pikocianobaktériumok iránti rajongását és a tenyésztésük nehézségeit.

„Az óceáni környezet minden változása meg fogja változtatni ezen organizmusok egyensúlyát [a láthatatlan erdőben]” – mondja Thompson. 'Fennáll a változás kockázata, és nem tudjuk, mi lesz ez a változás.'

Az ismeretlenek kényszerítik Thompsont és tengeri mikrobiológus társait, hogy folytassák a fitoplankton láthatatlan erdőben betöltött szerepének vizsgálatát. Az iskolában azt taníthatták neked, hogy a fák és a növények állítják elő a belélegzett oxigént, de az óceánnak is nagy szerepe van ebben, mondja Thompson. A Föld és lakói hasznot húznak az óceán alatti fajok közötti interakciók kaszkádjából. És a mikrobiális szinten kezdődik – a tengerben úszó láthatatlan erdőben.

*Javítás 2018.08.16.: Ezt a cikket frissítettük a vezetőképesség, hőmérséklet, mélység (CTD) rozetta helyes azonosítása érdekében. Ezen túlmenően ennek a cikknek egy korábbi verziója tévesen állította, hogy a kovaföld megköti a nitrogént. Sajnáljuk a hibákat.

**2021.08.06. javítás: Ezt a cikket a fitoplankton pontosabb meghatározásával frissítettük. Tudjon meg többet ezekről tengeri mikroorganizmusok .