211service.com
Forståelse af havets mindste skabninger
Institutprofessor Penny Chisholm kaster lys over komplekse marine økosystemer - og vanskeligheden ved at forudsige, hvordan de vil reagere på global opvarmning. 22. december 2015
Sallie (Penny) Chisholm, en økolog og havbiolog, er kendt for at opdage en type lille havboende bakterie, der producerer op til 10 procent af al den ilt, der genereres af fotosyntesen på Jorden hvert år. Hendes arbejde er afgørende for at forstå kompleksiteten af livet i havet og forudsige, hvordan klimaændringer i sidste ende kan forstyrre det. Men indtil hun var 14, da hendes familie besøgte Jersey-kysten, havde hun aldrig set havet, endsige overvejet dets mindste kendte fotosyntetiske skabninger. Chisholm voksede op under Baby Boom i det afsidesliggende øvre Michigan og brugte meget af sin tid på ski. Min hjemby havde ikke nok skoler, husker hun, så i det meste af mellem- og gymnasieskolen deltog elever kun en halv dag. Og når der var sne, den anden halve dag stod vi på ski.
Hendes kærlighed til livet i vand begyndte ved Lake Superior, hvor hun svømmede om somrene. Det var et idyllisk sted, siger hun. Da hun flyttede østpå i 1965 for at gå på Skidmore College, udviklede hun en mere akademisk interesse for søer og skrev en seniorafhandling om deres kemi. Og som kandidatstuderende i økologi ved State University of New York i Albany studerede hun ferskvandsfytoplankton, små fotosyntetiske organismer, der lever i solbeskinnet overfladevand. Chisholm afsluttede sin afhandling om næringsstofoptagelsen af en ferskvandsart kaldet Euglena . Alligevel indså hun også, at når det kom til fytoplanktonøkologi, var den virkelige handling i havet, delvist fordi den amerikanske flåde investerede i grundlæggende havvidenskab. Så i 1974 accepterede hun et postdoc-stipendium ved Scripps Institution of Oceanography i Californien, hvor jeg, siger hun, lærte alt, hvad jeg ved om havet.
Top: RV'en Melville sejler ud for Rapa Nuis kyst på en ekspedition i det sydlige Stillehav for at studere Prochlorococcus. Midten: Forskere udtog havvandsprøver fra forskellige dybder, mens de indsamlede data om temperatur og cellefluorescens på et forskningskrydstogt fra Storbritannien til Chile i 2003 som en del af en undersøgelse, designet af den daværende postdoc Zackary Johnson, af ændringer i Prochlorococcus befolkningsstruktur og diversitet på forskellige breddegrader. Nederst: I 1996 sejlede Chisholm (i midten), kolleger (inklusive Rob Olson yderst til højre og John Waterbury bag ham) og studerende på Sargassohavet ombord på RV Oceanus for at studere Prochlorococcus.
Da hun i 1976 blev tilbudt en stilling på MIT i Institut for Byggeri og Anlæg, var der ingen biologer i afdelingen, siger hun, og hun anede ikke, hvad hun kunne forvente. Men hun kom til at værdsætte den tværfaglige blanding af forskere, der er interesseret i vores miljøs fysik, kemi og biologi. Hun udviklede også tætte relationer med haveksperter gennem MIT/Woods Hole Joint Program in Oceanography and Oceanographic Engineering, hvor hun begyndte på forskningskrydstogter i Caribien og Sargassohavet. Fotografier på hendes kontor, hvoraf flere viser hendes hale, vindpjusket og smilende på skibsdæk, giver et indblik i disse tidlige dage af hendes forskning.
Chisholm er bedst kendt for sin gruppes opdagelse i 1980'erne af mikrober kaldet Prochlorococcus , de mindste kendte fotosyntetiske bakterier i havet på mindre end en mikrometer bred. De er også de mest udbredte: I en milliliter havvand kan der være mere end 100.000. Og fordi de forbruger kuldioxid og frigiver ilt under fotosyntesen, Prochlorococcus yde et væsentligt bidrag til balancen mellem disse gasser på Jorden.
Simon Levin, biolog ved Princeton, beskriver Chisholms artikler om disse mikrober som videnskabelige klassikere. Hun og hendes gruppe har været i spidsen for at forstå, hvordan havets økosystemer fungerer, siger han, og deres opdagelser er afgørende for at forstå, hvordan havene vil reagere på klimaændringer.
Chisholm påpeger selv, at uden iltproducerende mikrober som Prochlorococcus , ville mennesker sandsynligvis ikke eksistere. Havde en gammel marin mikroorganisme ikke erhvervet en nøglemutation for omkring 3,5 milliarder år siden, der gjorde det muligt for den at spalte vand for at producere ilt, har hun skrevet, ville livets udvikling på Jorden have taget en helt anden bane.
Det er derfor bemærkelsesværdigt, at videnskabsmænd havde et så ufuldstændigt billede af disse skabninger i så lang tid. I årevis troede de, at de eneste encellede organismer, der udfører fotosyntese i havene, var eukaryoter som alger, som er relativt komplekse celler, der indeholder en kerne, mitokondrier og kloroplaster. Den store opdagelse, siger Chisholm, kom i slutningen af 1970'erne, da John Waterbury og kolleger ved Woods Hole Oceanographic Institution først identificerede fotosyntetiske bakterier kaldet Synekokokker , som er udbredt i havet. Forskere var overraskede over, at disse simple prokaryoter - encellede organismer, der ikke indeholder en kerne, mitokondrier eller kloroplaster - var i stand til fotosyntese.
Et årti senere kom Chisholm og hendes hold ind Prochlorococcus , nære fætre til Synekokokker som viste sig at være mindre og flere. En af hendes tidligere postdocs, Robert Olson, havde fundet på en måde at betjene et flowcytometer - en følsom cellesorteringsmaskine, som dengang hovedsageligt blev brugt i medicin - ombord på et forskningsfartøj til søs. (Som postdoc havde han oprettet en i hendes laboratorium.) I midten af 1980'erne brugte flere medlemmer af hendes gruppe et flowcytometer til at studere havvandsprøver i Nordatlanten. Olson, som stadig samarbejdede med Chisholm, bemærkede små partikler, der udsendte et rødt fluorescerende lys, hvilket tyder på, at de indeholdt klorofyl, men ikke havde de tilbehørspigmenter, der findes i Synekokokker , som får dem til at fluorescere orange. Først troede de, at det røde lys, der blev opfanget af deres instrumenter, simpelthen kunne repræsentere elektronisk støj fra instrumentet og baggrund fra små, ikke-levende partikler. Det gik ikke op for os med det samme, at det ville blive en stor sag, siger Chisholm.
Men hun besluttede sig hurtigt for at gøre det Prochlorococcus en central del af hendes forskning. Holdets papir introducerer sine fund om disse nyopdagede bakterier dukkede op i Natur i 1988.
Efter en af hendes kandidatstuderende lykkedes det at isolere den første Prochlorococcus fra Sargassohavet udgav Chisholm og hendes gruppe en Detaljeret beskrivelse af bakterierne i 1992, hvilket fremhæver deres cellestruktur og pigmentering. De sekventerede også en del af bakteriens DNA ved hjælp af datidens besværlige teknikker til at vurdere Prochlorococcus s forhold til andre fotosyntetiske organismer.
Chisholm undersøger en af mange Prochlorococcus-stammer, der er arkiveret i hendes laboratoriums kultursamling.
I slutningen af 1990'erne overtalte Chisholm det amerikanske energiministerium, som havde nogle af de første generations sekventeringsmaskiner, til at sekventere DNA'et fra to Prochlorococcus genomer. En, som kom fra celler indsamlet fra et solbelyst miljø tættere på overfladen, viste sig at indeholde 1.716 gener; den anden, fra bakterier, der er i stand til at overleve i svagere lys, lavere i vandet, havde 2.275 gener. Omtrent 1.350 af disse gener blev delt. I et blad udgivet i Natur i 2003 beskrev Chisholm dem som inkluderende det minimale sæt instruktioner, der kræves til fotosyntese. Forskellene mellem genomerne afspejlede i mellemtiden i høj grad bakteriernes alsidighed til at tilpasse sig miljøer med forskellige lysintensiteter og forskellige koncentrationer af nitrogen og spormetaller.
Chisholm har nu sekventeret omkring 50 stammer af Prochlorococcus , som hun beskriver som en stabil og meget forskelligartet sammenslutning af organismer, der har tendens til at opholde sig i de øverste 200 meter af havet. Omtrent 1.000 gener definerer kernen af, hvad det vil sige at tilhøre denne art, siger hun, men hver ny sekvens afslører 80 til 200 helt nye gener. En traditionel opfattelse kan tyde på, at de forskellige stammer er låst i en darwinistisk kamp om havets ressourcer, men Chisholm anlægger et mere overbevisende perspektiv: forskellige stammer stiger og falder i overflod, efterhånden som næringsstoftilgængeligheden og andre aspekter af miljøet skifter. Det brede udvalg af Prochlorococcus er, siger hun, en del af det, der giver dem en sådan stabilitet og tillader dem, kollektivt, at spille en så central rolle i havet. Ja, Prochlorococcus anslås at producere fem milliarder tons levende biomasse gennem fotosyntese hvert år - næsten lige så meget som sin større fætter Synekokokker . Dette kulstof spises af andre små mikroorganismer, som igen bliver spist af zoöplankton, som igen bliver spist af fisk, siger Chisholm. Ultimativt, Prochlorococcus fodrer en tiendedel af alle skabninger i havet.
Top: En ældre version af dette moderne flowcytometer var medvirkende til opdagelsen af Prochlorococcus. Nederst: Transmissionselektronmikrofotografier viser en Prochlorococcus-stamme isoleret fra Middelhavet af en tidligere Chisholm Lab-studerende. Hver celle er omkring 0,6 mikrometer i diameter.
At fokusere på arternes mangfoldighed har været en væsentlig del af Chisholms arbejde: Jeg har altid som økolog troet, at forskelle mellem meget ens ting har meget at fortælle os om de kræfter, der former vores verden, siger hun. Og dette instinkt viste sig forudseende i tilfælde af Prochlorococcus . Hvis vi havde holdt fast i kun at studere én stamme i stedet for at udvinde havet for genetiske varianter, siger hun, ville vi tage så fejl med hensyn til, hvad Prochlorococcus er ligesom og hvordan de fungerer.
Chisholms laboratorium på fjerde sal i den beskedne, gammeldags bygning 48 huser en overflod af bakterier. I det ene rum rækker af Prochlorococcus vokse i reagensglas under varierende mængder sort net. Nogle af dem kan vokse ved lysintensiteter, der ville dræbe de andre, forklarer hun over fansens sus. (Blæserne afkøler bakterierne - og skaber tilfældigvis en kraftig vind, der minder om kysten.) Andre steder i laboratoriet simulerer store containere, som Chisholm kalder solmaskiner, daggry og skumring for bakterierne, så de føler, at de er i havet, hun siger. De kan virkelig ikke lide det, når lyset pludselig slukkes og tændes.
I havene, Prochlorococcus eksisterer ikke kun sammen med andre bakterier, men også med de vira, der interagerer med dem. I 2003 havde forskere i Storbritannien opdaget, at vira inficerede Prochlorococcus selv bærer gener til fotosyntese. I 2004 og 2005 viste Chisholms gruppe, at under en infektion kommer disse virale gener til udtryk i bakterieceller, mens cellernes egne gener for fotosyntese bliver mindre aktive (af årsager, der endnu ikke er klare). Efterhånden som vira bevæger sig fra en bakteriecelle til en anden, transporteres DNA-stykker også med. Dette letter bakteriel evolution - og accelererer den, da gener udvikler sig hurtigere i vira.
Dansen af virus og bakterier inkluderer en anden mystisk spiller: små vesikler eller væskefyldte sække, der flyder rundt i havet. I 2014 opdagede Chisholms team det Prochlorococcus udskiller lipiddråber indeholdende tilfældige bidder af DNA, som de først kaldte blebs. Og selvom funktionen af disse vesikler ikke er kendt, er en mulighed, at de fungerer som lokkefugle for vira. De har nogle af de samme overflademarkeringer som Prochlorococcus , så de samme vira kan binde sig til dem. Men fordi de ikke er egentlige celler, kan vira ikke replikere i dem og sprede sig, som de ellers kunne. Alternativt, da vesiklerne indeholder DNA, RNA og proteiner, kan de tjene som en mekanisme til at overføre kemisk information fra en celle til en anden.
Chisholms forskning har givet hende mange hæder, herunder medlemskab af National Academy of Sciences og en invitation til Det Hvide Hus fra præsident Obama, som tildelte hende National Medal of Science. På MIT vandt hun Killian Award i 2014 og blev udnævnt til institutprofessor i 2015 - de to højeste udmærkelser, der tildeles fakultetsmedlemmer. Men fortalervirksomhed, offentlig service og uddannelse er også centrale dele af hendes arbejde. Ud over at ville dele, hvad hun har lært, med skatteyderne, der har finansieret hendes forskning, er Chisholm drevet af frustration over, at selv uddannede voksne ved relativt lidt om biologi, og især om fotosyntese. Hun citerer en video fra slutningen af 1990'erne, hvor nyuddannede fra MIT og Harvard er rakte et frø og en træstamme og spurgte, hvor massen af et træ kommer fra. Eleverne er chokerede over at erfare, at det meste kommer fra kuldioxid i luften. MIT har ikke engang en klasse, der udelukkende er helliget plantebiologi, siger hun.
Chisholms ønske om at lære folk det grundlæggende har fået hende til at forelæse bredt - og til at skrive børnebøger (selvom hun og hendes mand ikke har børn). Hun og børnebogsforfatteren og illustratoren Molly Bang, en mangeårig veninde, har samarbejdet om et flerårigt projekt kaldet Sunlight-serien , som tydeligt fanger solenergiens betydning for livet på Jorden. Jeg troede, folk ville læse den for deres børn, siger hun. Og på den måde kunne jeg faktisk nå ud til voksne. Serien sparer ikke på videnskabelige detaljer. Den viger heller ikke tilbage fra klimaændringernes presserende karakter; den seneste bog beskriver oprindelsen af fossile brændstoffer og forklarer, hvordan forbrænding af dem for hurtigt sandsynligvis forårsager global opvarmning. Målet er dog ikke at slå alarmer, men at hjælpe folk med at forstå, hvordan planeten fungerer, siger Chisholm.
Præsident Obama overrakte Chisholm 2011 National Medal of Science ved en ceremoni i Det Hvide Hus i 2013.
På trods af hendes egen bekymring for global opvarmning, har Chisholms forskning indgydt hende en dyb følelse af forsigtighed over for handlinger, der kan forårsage gennemgribende økologiske forandringer. Det har gjort hende særligt skeptisk over for menneskelige bestræbelser på at ændre livet i havet for at trække kuldioxid ud af luften. I 2014 udgav hun et essay i Videnskab advare om de potentielle utilsigtede konsekvenser af at gøde havet med jern for at forsøge at afbøde klimaændringer ved at stimulere væksten af fotosyntetiske organismer. Chisholm bekymrer sig faktisk om, at dynamikken i komplekse økologiske systemer er næsten umulige at forudsige. Opdagelsen af Prochlorococcus 30 år siden burde minde os om, hvor lidt vi forstår kompleksiteten af marine fødevæv, skrev hun.
Mikrobielle økosystemer er det, der driver planeten, siger Chisholm og bemærker deres afgørende roller i det marine fødenet og i iltproduktionen. Hun og hendes kolleger håber, at deres arbejde vil give andre mulighed for bedre at forstå, hvordan biosfæren fungerer for at opretholde os. Uanset om det skyldes menneskelige aktiviteter såsom afbrænding af fossile brændstoffer eller de iboende egenskaber ved systemet, som har udviklet sig i 3,5 milliarder år, ved vi, at der vil ske ændringer i, hvordan dette jordsystem fungerer, siger hun. Kun hvis vi forstår, hvordan systemet fungerer, kan vi være parate til at håndtere disse ændringer.
For at forstå, hvordan livet på Jorden kan skifte i lyset af klimaændringer, siger Levin, er vi nødt til at vide, hvem de vigtigste aktører er, og hvad der styrer deres dynamik. Chisholms arbejde bidrager direkte til dette fundament. Mens havene bliver varmere, vurderer forskere, Prochlorococcus 's tal kan stige med op til 30 procent i slutningen af århundredet, med ukendte, men potentielt store konsekvenser for resten af livet på planeten. Det er komplekse, selvorganiserende, levende systemer, siger Chisholm. Jeg ved, at folk vil have enkle svar … men der er ingen, når det kommer til dette mesterværk af evolutionær finjustering.