211service.com
Förstå havets minsta varelser
Institutet Professor Penny Chisholm kastar ljus över komplexa marina ekosystem – och svårigheten att förutsäga hur de kommer att reagera på den globala uppvärmningen. 22 december 2015
Sallie (Penny) Chisholm, en ekolog och marinbiolog, är känd för att ha upptäckt en typ av små havslevande bakterier som producerar upp till 10 procent av allt syre som genereras av fotosyntes på jorden varje år. Hennes arbete är avgörande för att förstå det marina livets komplexitet och förutsäga hur klimatförändringar i slutändan kan störa det. Men fram till 14 års ålder, när hennes familj besökte Jerseys kust, hade hon aldrig sett havet, än mindre tänkt på dess minsta kända fotosyntetiska varelser. Chisholm växte upp under Baby Boom i avlägsna övre Michigan och tillbringade mycket av sin tid på skidor. Min hemstad hade inte tillräckligt med skolor, minns hon, så under större delen av mellanstadiet och gymnasiet gick eleverna bara en halv dag. Och när det var snö, den andra halvdagen åkte vi skidor.
Hennes kärlek till vattenlivet började vid Lake Superior, där hon simmade på somrarna. Det var en idyllisk plats, säger hon. När hon flyttade österut 1965 för att gå på Skidmore College utvecklade hon ett mer akademiskt intresse för sjöar och skrev en senioravhandling om deras kemi. Och som doktorand i ekologi vid State University of New York i Albany studerade hon sötvattensfytoplankton, små fotosyntetiska organismer som lever i solbelyst ytvatten. Chisholm avslutade sin avhandling om näringsupptaget hos en sötvattensart som kallas Euglena . Ändå insåg hon också att när det gällde växtplanktonekologi var den verkliga handlingen i havet, delvis för att den amerikanska flottan investerade i grundläggande marin vetenskap. Så 1974 accepterade hon ett postdoktoralt stipendium vid Scripps Institution of Oceanography i Kalifornien, där, säger hon, jag lärde mig allt jag vet om havet.
Överst: RV Melville seglar utanför Rapa Nuis kust på en expedition i södra Stilla havet för att studera Prochlorococcus. Mitten: Forskare extraherade havsvattenprover från olika djup samtidigt som de samlade in data om temperatur och cellfluorescens på en forskningskryssning från Storbritannien till Chile 2003 som en del av en studie, designad av dåvarande postdoc Zackary Johnson, av förändringar i Prochlorococcus populationsstruktur och mångfald på olika breddgrader. Nederst: 1996 kryssade Chisholm (i mitten), kollegor (inklusive Rob Olson längst till höger och John Waterbury bakom honom), och studenter över Sargassohavet ombord på RV Oceanus för att studera Prochlorococcus.
När hon erbjöds en tjänst vid MIT, 1976, på institutionen för byggnadsteknik, fanns det inga biologer på institutionen, säger hon, och hon hade ingen aning om vad som väntade. Men hon kom att uppskatta den tvärvetenskapliga blandningen av forskare som är intresserade av vår miljös fysik, kemi och biologi. Hon utvecklade också nära relationer med marinexperter genom MIT/Woods Hole Joint Program in Oceanography and Oceanographic Engineering, och påbörjade forskningskryssningar i Karibien och Sargassohavet. Fotografier på hennes kontor, av vilka flera visar hur hon är vindpust och leende på fartygsdäck, ger en inblick i dessa tidiga dagar av hennes forskning.
Chisholm är mest känd för sin grupps upptäckt, på 1980-talet, av mikrober som kallas Prochlorococcus , de minsta kända fotosyntetiska bakterierna i havet på mindre än en mikrometer bred. De är också de vanligaste: i en milliliter havsvatten kan det finnas mer än 100 000. Och eftersom de förbrukar koldioxid och frigör syre under fotosyntesen, Prochlorococcus göra ett väsentligt bidrag till balansen mellan dessa gaser på jorden.
Simon Levin, biolog vid Princeton, beskriver Chisholms artiklar om dessa mikrober som vetenskapliga klassiker. Hon och hennes grupp har varit i täten när det gäller att förstå hur havets ekosystem fungerar, säger han, och deras upptäckter är avgörande för att förstå hur haven kommer att reagera på klimatförändringarna.
Chisholm påpekar själv att utan syreproducerande mikrober som Prochlorococcus , människor skulle förmodligen inte existera. Hade någon uråldrig marin mikroörganism inte förvärvat en nyckelmutation för cirka 3,5 miljarder år sedan som gjorde att den kunde dela vatten för att producera syre, har hon skrivit, skulle livets utveckling på jorden ha tagit en helt annan bana.
Det är därför anmärkningsvärt att forskare hade en så ofullständig bild av dessa varelser så länge. I åratal trodde de att de enda encelliga organismerna som utför fotosyntes i haven var eukaryoter som alger, som är relativt komplexa celler som innehåller en kärna, mitokondrier och kloroplaster. Den stora upptäckten, säger Chisholm, kom i slutet av 1970-talet, när John Waterbury och kollegor vid Woods Hole Oceanographic Institution först identifierade fotosyntetiska bakterier som kallas Synekokocker , som är utbredda i havet. Forskare var förvånade över att dessa enkla prokaryoter - encelliga organismer som inte innehåller en kärna, mitokondrier eller kloroplaster - var kapabla till fotosyntes.
Ett decennium senare slog Chisholm och hennes team in Prochlorococcus , nära kusiner till Synekokocker som visade sig vara mindre och fler. En av hennes tidigare postdoktorer, Robert Olson, hade kommit på ett sätt att använda en flödescytometer – en känslig cellsorteringsmaskin som då främst användes inom medicin – ombord på ett forskningsfartyg till havs. (Som postdoc hade han satt upp en i hennes labb.) I mitten av 1980-talet använde flera medlemmar i hennes grupp en flödescytometer för att studera havsvattenprover i Nordatlanten. Olson, som fortfarande samarbetade med Chisholm, lade märke till små partiklar som avgav ett rött fluorescerande ljus, vilket tyder på att de innehöll klorofyll men inte hade de tillbehörspigment som finns i Synekokocker , vilket får dem att fluorescera orange. Först trodde de att det röda ljuset som plockades upp av deras instrument helt enkelt kan representera elektroniskt brus från instrumentet och bakgrund från små, icke-levande partiklar. Det gick inte upp för oss direkt att det skulle bli en stor grej, säger Chisholm.
Men hon bestämde sig snart för att göra det Prochlorococcus en central del av hennes forskning. lagets papper introducerade sina fynd om dessa nyupptäckta bakterier dök upp i Natur år 1988.
Efter att en av hennes doktorander lyckades isolera den första Prochlorococcus från Sargassohavet publicerade Chisholm och hennes grupp en detaljerad beskrivning av bakterierna 1992, vilket framhävde deras cellstruktur och pigmentering. De sekvenserade också en del av bakteriens DNA, med hjälp av dagens mödosamma tekniker, för att bedöma Prochlorococcus s förhållande till andra fotosyntetiska organismer.
Chisholm undersöker en av många Prochlorococcus-stammar som finns arkiverade i hennes labbs kultursamling.
I slutet av 1990-talet övertalade Chisholm det amerikanska energidepartementet, som hade några av den första generationens sekvenseringsmaskiner, att sekvensera DNA från två Prochlorococcus genom. En, som kom från celler som samlats in från en solbelyst miljö närmare ytan, visade sig innehålla 1 716 gener; den andra, från bakterier som kan överleva i svagare ljus, lägre i vattnet, hade 2 275 gener. Ungefär 1 350 av dessa gener delades. I en tidning publicerad i Natur 2003 beskrev Chisholm att de inkluderade den minimala uppsättning instruktioner som krävs för fotosyntes. Skillnaderna mellan genomen återspeglade till stor del bakteriernas mångsidighet när det gäller att anpassa sig till miljöer med olika ljusintensiteter och olika koncentrationer av kväve och spårmetaller.
Chisholm har nu sekvenserat ett 50-tal stammar av Prochlorococcus , som hon beskriver som en stabil och mycket mångsidig federation av organismer som tenderar att vistas i de översta 200 metrarna av havet. Ungefär 1 000 gener definierar kärnan i vad det innebär att tillhöra denna art, säger hon, men varje ny sekvens avslöjar 80 till 200 helt nya gener. En traditionell syn kan antyda att de olika stammarna är låsta i en darwinistisk kamp om havets resurser, men Chisholm har ett mer sanslöst perspektiv: olika stammar stiger och faller i överflöd när näringstillgången och andra aspekter av miljön förändras. Det breda utbudet av Prochlorococcus är, säger hon, en del av det som ger dem sådan stabilitet och låter dem, kollektivt, spela en så central roll i havet. Verkligen, Prochlorococcus beräknas producera fem miljarder ton levande biomassa genom fotosyntes varje år - nästan lika mycket som dess större kusin Synekokocker . Det här kolet äts av andra små mikroorganismer, som i sin tur äts av zoöplankton, som i sin tur äts av fisk, säger Chisholm. I sista hand, Prochlorococcus matar en tiondel av alla varelser i havet.
Överst: En äldre version av denna moderna flödescytometer var avgörande för upptäckten av Prochlorococcus. Nederst: Transmissionselektronmikrofotografier visar en Prochlorococcus-stam isolerad från Medelhavet av en före detta Chisholm Lab-student. Varje cell är cirka 0,6 mikrometer i diameter.
Att fokusera på arternas mångfald har varit en väsentlig del av Chisholms arbete: Jag har alltid trott, som ekolog, att skillnader mellan mycket liknande saker har mycket att berätta om de krafter som formar vår värld, säger hon. Och denna instinkt visade sig vara förutseende i fallet med Prochlorococcus . Om vi hade fastnat för att bara studera en stam istället för att bryta havet efter genetiska varianter, säger hon, skulle vi ha så fel om vad Prochlorococcus är som och hur de fungerar.
Chisholms labb på fjärde våningen i den blygsamma, gammaldags byggnad 48 rymmer ett överflöd av bakterier. I ett rum, rader av Prochlorococcus växa i provrör under varierande mängd svart nät. Vissa av dem kan växa med ljusintensiteter som skulle döda de andra, förklarar hon över fansens surrande. (Fläktarna kyler ner bakterierna – och råkar skapa en kraftig vind som påminner om stranden.) På andra ställen i labbet simulerar stora behållare som Chisholm kallar solmaskiner gryning och skymning för bakterierna så att de känns som att de är i havet, hon säger. De gillar verkligen inte när lamporna slocknar och tänds plötsligt.
I haven, Prochlorococcus samexisterar inte bara med andra bakterier utan också med de virus som interagerar med dem. År 2003 hade forskare i Storbritannien upptäckt att virus infekterade Prochlorococcus själva bär gener för fotosyntes. 2004 och 2005 visade Chisholms grupp att under en infektion uttrycks dessa virala gener i bakterieceller medan cellens egna gener för fotosyntes blir mindre aktiva (av skäl som ännu inte är klarlagda). När virus flyttar från en bakteriecell till en annan transporteras också DNA-bitar. Detta underlättar bakteriell evolution - och accelererar den, eftersom gener utvecklas snabbare i virus.
Dansen av virus och bakterier inkluderar en annan mystisk spelare: små vesiklar, eller vätskefyllda säckar, som flyter runt i havet. 2014 upptäckte Chisholms team det Prochlorococcus fäller lipiddroppar som innehåller slumpmässiga bitar av DNA, som de först kallade blebs. Och även om funktionen hos dessa vesiklar inte är känd, är en möjlighet att de fungerar som lockbete för virus. De har några av samma ytmarkeringar som Prochlorococcus , så samma virus kan fästa vid dem. Men eftersom de inte är verkliga celler, kan virusen inte replikera i dem och sprida sig, som de annars skulle kunna. Alternativt, eftersom vesiklarna innehåller DNA, RNA och proteiner, kan de fungera som en mekanism för att överföra kemisk information från en cell till en annan.
Chisholms forskning har gett henne många utmärkelser, inklusive medlemskap i National Academy of Sciences och en inbjudan till Vita huset från president Obama, som gav henne National Medal of Science. På MIT vann hon Killian Award 2014 och utsågs till institutsprofessor 2015 – de två högsta utmärkelser som tilldelades fakultetsmedlemmar. Men opinionsbildning, public service och utbildning är också centrala delar av hennes arbete. Förutom att vilja dela med sig av det hon har lärt sig med skattebetalarna som har finansierat hennes forskning, drivs Chisholm av frustration över att även utbildade vuxna vet relativt lite om biologi, och särskilt om fotosyntes. Hon citerar en video från slutet av 1990-talet där nyutexaminerade från MIT och Harvard är räckte ett frö och en stock och frågade varifrån massan av ett träd kommer. Eleverna blir chockade när de får veta att det mesta kommer från koldioxid i luften. MIT har inte ens en klass som helt ägnas åt växtbiologi, säger hon.
Chisholms önskan att lära folk grunderna har fått henne att föreläsa brett – och att skriva barnböcker (även om hon och hennes man inte har barn). Hon och barnboksförfattaren och illustratören Molly Bang, en mångårig vän, har samarbetat i ett flerårigt projekt kallat Sunlight-serien , som tydligt fångar solenergins betydelse för livet på jorden. Jag trodde att folk skulle läsa den för sina barn, säger hon. Och på det sättet kunde jag faktiskt nå vuxna. Serien snålar inte med vetenskapliga detaljer. Den skyr inte heller det brådskande med klimatförändringarna; den senaste boken beskriver ursprunget till fossila bränslen och förklarar hur förbränning av dem för snabbt förmodligen orsakar global uppvärmning. Målet är dock inte att larma utan att hjälpa människor att förstå hur planeten fungerar, säger Chisholm.
President Obama överlämnade Chisholm 2011 års National Medal of Science vid en ceremoni i Vita huset 2013.
Trots hennes egen oro för den globala uppvärmningen har Chisholms forskning ingjutit i henne en djup känsla av försiktighet för åtgärder som kan orsaka genomgripande ekologisk förändring. Det har gjort henne särskilt skeptisk till mänskliga ansträngningar att förändra havets liv för att dra ut koldioxid ur luften. 2014 publicerade hon en uppsats i Vetenskap varning för de potentiella oavsiktliga konsekvenserna av att gödsla havet med järn för att försöka mildra klimatförändringarna genom att stimulera tillväxten av fotosyntetiska organismer. Chisholm oroar sig faktiskt för att dynamiken i komplexa ekologiska system är nästan omöjliga att förutsäga. Upptäckten av Prochlorococcus 30 år sedan borde påminna oss om hur lite vi förstår komplexiteten i marina näringsnät, skrev hon.
Mikrobiella ekosystem är det som driver planeten, säger Chisholm och noterar deras avgörande roll i den marina näringsväven och i syreproduktionen. Hon och hennes kollegor hoppas att deras arbete kommer att göra det möjligt för andra att bättre förstå hur biosfären fungerar för att upprätthålla oss. Oavsett om det beror på mänskliga aktiviteter som att bränna fossila bränslen eller de inneboende egenskaperna hos systemet, som har utvecklats i 3,5 miljarder år, så vet vi att det kommer att ske förändringar i hur detta jordsystem fungerar, säger hon. Endast om vi förstår hur systemet fungerar kan vi vara beredda att hantera dessa förändringar.
För att förstå hur livet på jorden kan förändras inför klimatförändringarna, säger Levin, måste vi veta vilka nyckelaktörerna är och vad som styr deras dynamik. Chisholms arbete bidrar direkt till denna stiftelse. När haven värms upp, uppskattar forskare, Prochlorococcus s antal kan öka med upp till 30 procent i slutet av seklet, med okända men potentiellt stora konsekvenser för resten av livet på planeten. Det är komplexa, självorganiserande, levande system, säger Chisholm. Jag vet att folk vill ha enkla svar ... men det finns inga när det kommer till detta mästerverk av evolutionär finjustering.