211service.com
De kleinste wezens van de oceaan begrijpen
Instituutsprofessor Penny Chisholm werpt licht op complexe mariene ecosystemen - en de moeilijkheid om te voorspellen hoe ze zullen reageren op de opwarming van de aarde. 22 december 2015
Sallie (Penny) Chisholm, een ecoloog en zeebioloog, staat bekend om het ontdekken van een soort minuscule, in de oceaan levende bacterie die elk jaar tot 10 procent van alle zuurstof produceert die door fotosynthese op aarde wordt gegenereerd. Haar werk is van cruciaal belang om de complexiteit van het zeeleven te begrijpen en te voorspellen hoe klimaatverandering dit uiteindelijk zou kunnen verstoren. Maar tot de leeftijd van 14, toen haar familie de kust van Jersey bezocht, had ze nog nooit de oceaan gezien, laat staan de kleinste bekende fotosynthetische wezens overwogen. Chisholm groeide op tijdens de Baby Boom in het afgelegen Upper Michigan en bracht een groot deel van haar tijd door met skiën. Mijn geboorteplaats had niet genoeg scholen, herinnert ze zich, dus voor het grootste deel van de middelbare en middelbare school waren de studenten maar een halve dag aanwezig. En als er sneeuw lag, skieden we de andere halve dag.
Haar liefde voor het waterleven begon op Lake Superior, waar ze 's zomers zwom. Het was een idyllische plek, zegt ze. Toen ze in 1965 naar het oosten verhuisde om naar Skidmore College te gaan, ontwikkelde ze een meer academische interesse in meren en schreef ze een afstudeerscriptie over hun scheikunde. En als afgestudeerde student ecologie aan de State University van New York in Albany, bestudeerde ze zoetwater fytoplankton, kleine fotosynthetische organismen die in zonovergoten oppervlaktewater leven. Chisholm voltooide haar proefschrift over de opname van voedingsstoffen door een zoetwatersoort genaamd Euglena . Maar ze realiseerde zich ook dat als het om fytoplankton-ecologie ging, de echte actie in de oceaan was, deels omdat de Amerikaanse marine investeerde in elementaire mariene wetenschap. Dus in 1974 aanvaardde ze een postdoctorale beurs aan de Scripps Institution of Oceanography in Californië, waar ik, zegt ze, alles leerde wat ik weet over de oceaan.
Boven: De RV Melville vaart voor de kust van Rapa Nui op een expeditie in de Stille Zuidzee om Prochlorococcus te bestuderen. Midden: onderzoekers haalden zeewatermonsters uit verschillende diepten terwijl ze gegevens verzamelden over temperatuur en celfluorescentie tijdens een onderzoekscruise van het VK naar Chili in 2003 als onderdeel van een onderzoek, ontworpen door de toenmalige postdoc Zackary Johnson, naar veranderingen in de populatiestructuur en diversiteit van Prochlorococcus op verschillende breedtegraden. Onder: In 1996 maakten Chisholm (midden), collega's (waaronder Rob Olson uiterst rechts en John Waterbury achter hem) en studenten een cruise over de Sargassozee aan boord van de RV Oceanus om Prochlorococcus te bestuderen.
Toen ze in 1976 een baan aangeboden kreeg aan het MIT, bij de afdeling Civiele Techniek, waren er geen biologen op de afdeling, zegt ze, en ze had geen idee wat ze kon verwachten. Maar ze begon de interdisciplinaire mix van onderzoekers te waarderen die geïnteresseerd waren in de natuurkunde, scheikunde en biologie van onze omgeving. Ze ontwikkelde ook nauwe relaties met mariene experts via het MIT/Woods Hole Joint Program in Oceanography and Oceanographic Engineering, en begon aan onderzoekscruises in het Caribisch gebied en de Sargassozee. Foto's in haar kantoor, waarvan er verschillende haar windstil, verward en glimlachend op het dek van schepen laten zien, geven een kijkje in deze vroege dagen van haar onderzoek.
Chisholm is vooral bekend om de ontdekking van haar groep, in de jaren 80, van microben genaamd Prochlorococcus , de kleinste bekende fotosynthetische bacterie in de oceaan met een breedte van minder dan een micrometer. Ze zijn ook de meest voorkomende: in een milliliter zeewater kunnen er meer dan 100.000 zijn. En omdat ze koolstofdioxide verbruiken en zuurstof afgeven tijdens fotosynthese, Prochlorococcus een essentiële bijdrage leveren aan de balans van deze gassen op aarde.
Simon Levin, een bioloog in Princeton, beschrijft de artikelen van Chisholm over deze microben als wetenschappelijke klassiekers. Zij en haar groep hebben het voortouw genomen om te begrijpen hoe oceaanecosystemen werken, zegt hij, en hun ontdekkingen zijn cruciaal om te begrijpen hoe de oceanen zullen reageren op klimaatverandering.
Chisholm wijst er zelf op dat zonder zuurstofproducerende microben zoals: Prochlorococcus , zou de mens waarschijnlijk niet bestaan. Als een oud marien micro-organisme zo'n 3,5 miljard jaar geleden geen sleutelmutatie had gekregen waardoor het water kon splitsen om zuurstof te produceren, zou de evolutie van het leven op aarde een heel ander traject hebben gevolgd.
Het is dan ook opmerkelijk dat wetenschappers zo lang zo'n onvolledig beeld van deze wezens hadden. Jarenlang geloofden ze dat de enige eencellige organismen die fotosynthese in de oceanen uitvoeren, eukaryoten waren zoals algen, relatief complexe cellen met een kern, mitochondriën en chloroplasten. De grote ontdekking, zegt Chisholm, kwam eind jaren zeventig, toen John Waterbury en collega's van het Woods Hole Oceanographic Institution voor het eerst fotosynthetische bacteriën identificeerden, genaamd Synechococcus , die wijdverbreid zijn in de oceaan. Wetenschappers waren verrast dat deze eenvoudige prokaryoten - eencellige organismen die geen kern, mitochondriën of chloroplasten bevatten - in staat waren tot fotosynthese.
Een decennium later kwamen Chisholm en haar team binnen op Prochlorococcus , naaste neven van Synechococcus dat bleek kleiner en talrijker te zijn. Een van haar voormalige postdocs, Robert Olson, had een manier bedacht om een flowcytometer te bedienen - een gevoelige celsorteermachine die toen vooral in de geneeskunde werd gebruikt - aan boord van een onderzoeksschip op zee. (Als postdoc had hij er een in haar lab opgezet.) Halverwege de jaren tachtig gebruikten verschillende leden van haar groep een flowcytometer om zeewatermonsters in de Noord-Atlantische Oceaan te bestuderen. Olson, die nog steeds samenwerkte met Chisholm, merkte minuscule deeltjes op die een rood fluorescerend licht uitstraalden, wat suggereert dat ze chlorofyl bevatten, maar niet de accessoire pigmenten die in Synechococcus , waardoor ze oranje fluoresceren. In eerste instantie dachten ze dat het rode licht dat door hun instrumenten wordt opgepikt, eenvoudigweg elektronische ruis van het instrument en de achtergrond van kleine, niet-levende deeltjes zou kunnen vertegenwoordigen. Dat het iets groots zou worden, drong niet meteen tot ons door, zegt Chisholm.
Maar ze besloot al snel om Prochlorococcus een belangrijk onderdeel van haar onderzoek. De teams papier de introductie van zijn bevindingen over deze nieuw ontdekte bacteriën verscheen in Natuur in 1988.
Nadat een van haar afstudeerstudenten erin slaagde de eerste te isoleren Prochlorococcus uit de Sargassozee publiceerden Chisholm en haar groep een gedetailleerde beschrijving van de bacteriën in 1992, met de nadruk op hun celstructuur en pigmentatie. Ze hebben ook een deel van het DNA van de bacterie gesequenced, met behulp van de moeizame technieken van de dag, om te beoordelen Prochlorococcus relatie met andere fotosynthetische organismen.
Chisholm onderzoekt een van de vele Prochlorococcus-stammen die zijn gearchiveerd in de kweekcollectie van haar laboratorium.
Eind jaren negentig overtuigde Chisholm het Amerikaanse ministerie van Energie, dat enkele van de eerste generatie sequencing-machines had, om het DNA van twee Prochlorococcus genomen. Eén, die afkomstig was van cellen die waren verzameld in een zonovergoten omgeving dichter bij het oppervlak, bleek 1.716 genen te bevatten; de andere, van bacteriën die kunnen overleven in zwak licht, lager in het water, had 2.275 genen. Ongeveer 1.350 van deze genen werden gedeeld. In een paper gepubliceerd in Natuur in 2003 beschreef Chisholm ze als de minimale set instructies die nodig zijn voor fotosynthese. De verschillen tussen de genomen weerspiegelden ondertussen grotendeels de veelzijdigheid van de bacteriën bij het aanpassen aan omgevingen met verschillende lichtintensiteiten en verschillende concentraties stikstof en sporenmetalen.
Chisholm heeft nu ongeveer 50 stammen van Prochlorococcus , die ze beschrijft als een stabiele en zeer diverse federatie van organismen die de neiging hebben om in de bovenste 200 meter van de oceaan te wonen. Ongeveer 1.000 genen bepalen de kern van wat het betekent om tot deze soort te behoren, zegt ze, maar elke nieuwe sequentie onthult 80 tot 200 geheel nieuwe genen. Een traditionele opvatting zou kunnen suggereren dat de verschillende soorten verwikkeld zijn in een darwinistische strijd om de hulpbronnen van de oceaan, maar Chisholm heeft een optimistischer perspectief: verschillende soorten komen in overvloed op en neer naarmate de beschikbaarheid van voedingsstoffen en andere aspecten van de omgeving verschuiven. Het brede aanbod van Prochlorococcus maakt, zegt ze, deel uit van wat hen zo'n stabiliteit geeft en hen in staat stelt om samen zo'n centrale rol in de oceaan te spelen. Inderdaad, Prochlorococcus produceert naar schatting jaarlijks vijf miljard ton levende biomassa door middel van fotosynthese - bijna zoveel als zijn grotere neef Synechococcus . Deze koolstof wordt opgegeten door andere kleine microörganismen, die op hun beurt worden opgegeten door zoöplankton, die op hun beurt weer worden opgegeten door vissen, zegt Chisholm. uiteindelijk, Prochlorococcus voedt een tiende van alle wezens in de zee.
Boven: Een oudere versie van deze moderne flowcytometer speelde een belangrijke rol bij de ontdekking van Prochlorococcus. Onder: Transmissie-elektronenmicrofoto's tonen een Prochlorococcus-stam geïsoleerd uit de Middellandse Zee door een voormalige student van het Chisholm Lab. Elke cel heeft een diameter van ongeveer 0,6 micrometer.
Focussen op de diversiteit van de soorten is een essentieel onderdeel van Chisholms werk geweest: als ecoloog heb ik altijd geloofd dat verschillen tussen zeer vergelijkbare dingen ons veel te vertellen hebben over de krachten die onze wereld vormen, zegt ze. En dit instinct bleek vooruitziend in het geval van: Prochlorococcus . Als we het hadden gehouden met het bestuderen van slechts één soort in plaats van de zee te delven voor genetische varianten, zegt ze, zouden we het zo mis hebben over wat Prochlorococcus is en hoe ze werken.
Het laboratorium van Chisholm op de vierde verdieping van het bescheiden, ouderwetse Building 48 herbergt een overvloed aan bacteriën. In één kamer, rijen van Prochlorococcus groeien in reageerbuizen onder verschillende hoeveelheden zwart gaas. Sommigen van hen kunnen groeien met een lichte intensiteit die de anderen zou doden, legt ze uit boven het gezoem van fans. (De ventilatoren koelen de bacteriën af - en creëren toevallig een harde wind die doet denken aan de kust.) Elders in het laboratorium simuleren grote containers die Chisholm zonnemachines noemt zonsopgang en zonsondergang voor de bacteriën, zodat ze het gevoel hebben dat ze in de oceaan zijn, ze zegt. Ze houden er echt niet van als de lichten plotseling uit en aan gaan.
In de oceanen, Prochlorococcus bestaat niet alleen naast andere bacteriën, maar ook met de virussen die ermee in wisselwerking staan. In 2003 hadden onderzoekers in het VK ontdekt dat virussen infecteren Prochlorococcus dragen zelf genen voor fotosynthese. In 2004 en 2005 toonde de groep van Chisholm aan dat tijdens een infectie deze virale genen tot expressie komen in bacteriële cellen, terwijl de eigen genen voor fotosynthese van de cellen minder actief worden (om nog niet duidelijke redenen). Terwijl virussen van de ene bacteriecel naar de andere gaan, worden ook stukjes DNA meegevoerd. Dit vergemakkelijkt de bacteriële evolutie - en versnelt deze, omdat genen zich sneller ontwikkelen in virussen.
De dans van virussen en bacteriën omvat nog een mysterieuze speler: kleine blaasjes, of met vocht gevulde zakjes, die ronddrijven in de oceaan. In 2014 ontdekte het team van Chisholm dat: Prochlorococcus werpt lipidedruppeltjes af die willekeurige stukjes DNA bevatten, die ze eerst blebs noemden. En hoewel de functie van deze blaasjes niet bekend is, is een mogelijkheid dat ze fungeren als lokmiddel voor virussen. Ze hebben enkele van dezelfde oppervlaktemarkeringen als: Prochlorococcus , zodat dezelfde virussen zich eraan kunnen hechten. Maar omdat het geen echte cellen zijn, kunnen de virussen zich er niet in repliceren en verspreiden, zoals ze anders wel zouden kunnen. Als alternatief, aangezien de blaasjes DNA, RNA en eiwitten bevatten, kunnen ze dienen als een mechanisme om chemische informatie van de ene cel naar de andere te transporteren.
Chisholms onderzoek heeft haar vele onderscheidingen opgeleverd, waaronder het lidmaatschap van de National Academy of Sciences en een uitnodiging voor het Witte Huis van president Obama, die haar de National Medal of Science toekende. Aan het MIT won ze de Killian Award in 2014 en werd in 2015 benoemd tot instituutshoogleraar - de twee hoogste onderscheidingen voor faculteitsleden. Maar belangenbehartiging, openbare dienstverlening en onderwijs zijn ook centrale onderdelen van haar werk. Chisholm wil niet alleen haar kennis delen met de belastingbetalers die haar onderzoek hebben gefinancierd, maar wordt ook gedreven door frustratie dat zelfs hoogopgeleide volwassenen relatief weinig weten over biologie, en vooral over fotosynthese. Ze citeert een video uit de late jaren negentig waarin recent afgestudeerden van MIT en Harvard zijn: overhandigde een zaadje en een logboek en vroeg waar de massa van een boom vandaan komt. De studenten zijn geschokt als ze horen dat het meeste afkomstig is van koolstofdioxide in de lucht. MIT heeft niet eens een les die volledig aan plantenbiologie is gewijd, zegt ze.
Chisholms verlangen om mensen de basis te leren, heeft ertoe geleid dat ze veel lezingen heeft gegeven - en kinderboeken heeft geschreven (hoewel zij en haar man geen kinderen hebben). Zij en kinderboekauteur en illustrator Molly Bang, een oude vriend, hebben samengewerkt aan een meerjarig project genaamd de Zonlicht serie , die het belang van zonne-energie voor het leven op aarde levendig weergeeft. Ik dacht dat mensen het hun kinderen zouden voorlezen, zegt ze. En zo kon ik ook echt volwassenen bereiken. De serie beknibbelt niet op wetenschappelijke details. Evenmin schuwt het de urgentie van klimaatverandering; het meest recente boek beschrijft de oorsprong van fossiele brandstoffen en legt uit hoe het te snel verbranden ervan waarschijnlijk de opwarming van de aarde veroorzaakt. Het doel is echter niet om alarm te slaan, maar om mensen te helpen begrijpen hoe de planeet werkt, zegt Chisholm.
President Obama overhandigde Chisholm de 2011 National Medal of Science tijdens een ceremonie in het Witte Huis in 2013.
Ondanks haar eigen bezorgdheid over de opwarming van de aarde, heeft Chisholms onderzoek haar een diep gevoel van voorzichtigheid bijgebracht over acties die ingrijpende ecologische veranderingen zouden kunnen veroorzaken. Het heeft haar bijzonder sceptisch gemaakt over menselijke pogingen om het leven in de oceaan te veranderen om koolstofdioxide uit de lucht te halen. In 2014 publiceerde ze een essay in Wetenschap waarschuwing voor de mogelijke onbedoelde gevolgen van het bemesten van de oceaan met ijzer om te proberen de klimaatverandering te verminderen door de groei van fotosynthetische organismen te stimuleren. Chisholm maakt zich inderdaad zorgen dat de dynamiek van complexe ecologische systemen bijna onmogelijk te voorspellen is. de ontdekking van Prochlorococcus 30 jaar geleden zou ons eraan moeten herinneren hoe weinig we de complexiteit van mariene voedselwebben begrijpen, schreef ze.
Microbiële ecosystemen zijn de drijvende krachten op de planeet, zegt Chisholm, wijzend op hun cruciale rol in het mariene voedselweb en in de zuurstofproductie. Zij en haar collega's hopen dat hun werk anderen in staat zal stellen beter te begrijpen hoe de biosfeer functioneert om ons te ondersteunen. Of het nu komt door menselijke activiteiten zoals het verbranden van fossiele brandstoffen of de inherente eigenschappen van het systeem, dat al 3,5 miljard jaar evolueert, we weten dat er verschuivingen zullen zijn in hoe dit aardse systeem functioneert, zegt ze. Alleen als we begrijpen hoe het systeem werkt, kunnen we erop voorbereid zijn om met die veranderingen om te gaan.
Om te begrijpen hoe het leven op aarde kan veranderen in het licht van klimaatverandering, zegt Levin, moeten we weten wie de belangrijkste spelers zijn en wat hun dynamiek bepaalt. Het werk van Chisholm draagt direct bij aan dit fundament. Naarmate de oceanen opwarmen, schatten onderzoekers, Prochlorococcus ’s aantal kan tegen het einde van de eeuw met wel 30 procent toenemen, met onbekende maar potentieel grote gevolgen voor de rest van het leven op aarde. Dit zijn complexe, zelforganiserende, levende systemen, zegt Chisholm. Ik weet dat mensen simpele antwoorden willen … maar die zijn er niet als het gaat om dit meesterwerk van evolutionaire fijnafstemming.