Verbazingwekkende diversiteit verbergt zich onder het oppervlak van de oceaan waar kleine microben druk aan het werk zijn; het omzetten van koolstofdioxide uit de atmosfeer in zuurstof, zonlicht omzetten in energie, en het afbreken van stikstofgas om als voedsel te dienen. University of Maryland Center for Environmental Science-onderzoeker Victoria Coles en haar team hebben een nieuwe tool ontwikkeld die ons begrip vergroot van hoe deze microben deze complexe oceaanchemie behouden.

Het nieuwe model, vandaag gepubliceerd in Wetenschap , simuleert de impact van microbiële activiteiten op de chemie in de Noord-Atlantische Oceaan en suggereert dat de evolutie van een metabolische functie in plaats van de evolutie van een individuele soort de oceaan vormt zoals wij die kennen. Het is het eerste model dat daadwerkelijk genen en transcriptie in de oceaan voorspelt.

"Het model suggereert dat het niet de evolutie van soorten is, maar eerder de evolutie van microbiële metabolismes die onze huidige oceaanchemie bepaalt, " zei Victoria Coles, universitair hoofddocent aan het Horn Point Laboratory van het University of Maryland Center for Environmental Science.

Microben zijn als onzichtbare machines die samen de biochemische transformaties uitvoeren die het evenwicht en de functie van de oceaan in stand houden. De oceaan kan worden bewoond door maar liefst 170, 000 verschillende microbiële soorten, maar we weten bijna niets over de functies van de meeste. Toch werken ze allemaal samen om de oceaan te laten werken zoals wij die kennen.

"De meeste microben kunnen we niet naar het lab brengen en leren omdat we niet weten hoe we ze moeten laten groeien, " zei Coles. "Hoe kan een model soorten vangen die we nog niet kennen en die we niet kunnen kweken? We besloten te beginnen met het kleinere aantal verschillende metabolische processen die microben kunnen uitvoeren. We maken synthetische modelorganismen met verschillende functies en gooien ze allemaal in de modeloceaan. Daarna kijken we hoe ze het oplossen en vergelijken we de voorspelde genen en transcripten van de gemeenschap met directe observaties."

Het is een beetje zoals een Sim City-bouw-je-eigen-wereld, maar voor microben. Gooi een grote diversiteit aan personages bij elkaar in een pool en de attributen die je wilt dat ze hebben, en kijk wat er gebeurt.

"Ze winnen of verliezen. Sommige werken niet. Als er een sterft, voegen we een andere toe, " zei ze. "Dit geeft ons het vermogen in ons model om ons aan te passen aan omgevingscondities zoals nutriëntenvervuiling of veranderend klimaat."

Coles zei dat de onderzoekers dit nieuwe model vele malen met verschillende microben hebben gebruikt, en elke keer vestigden ze dezelfde basispatronen van biochemie in de oceaan. Ze ontdekten dat genfunctie, beïnvloed door lokale omgevingsomstandigheden in plaats van de soort microbe, stuurt de biochemische reacties en processen in het model aan. Met andere woorden, de bibliotheek van genfuncties die beschikbaar zijn voor de gemeenschap, in plaats van de verdeling van functies over specifieke organismen, beïnvloedt de biogeochemie van de oceaan.

"Alle modeloceanen die we maken, geven ons iets dat lijkt op de oceaan van vandaag, " zei ze. "Elke gemeenschap is echt anders aan het einde van het model, maar ze doen hetzelfde. Het gaat niet zozeer om de specifieke soort, maar om het proces. Alle microben werken samen om in de omgeving te komen die we waarnemen."

Bijvoorbeeld, het proces van stikstofbinding, stikstofgas nemen dat is opgelost in de oceaan en het in kunstmest veranderen, kan worden gedaan door planten zoals diatomeeën die samenwerken met cyanobacteriën of alleen door cyanobacteriën, maar ook door bacteriën die geen planten zijn en energie halen uit organische verbindingen. Elk van deze zijn totaal verschillende organismen met verschillende lijnen die dezelfde metabolische functie vervullen.

"De modellen die we vandaag gebruiken om klimaatverandering te begrijpen, zijn allemaal fundamenteel gebaseerd op gewone microben in de huidige oceaan. Ze bevatten geen zeldzame microben die in de toekomst misschien algemeen worden, "zei ze. "Als de oceaanomgeving verandert, dit model heeft het vermogen om te verschuiven en aan te passen, zodat we betere voorspellingen kunnen krijgen over hoe oceaanbiogeochemie zou kunnen veranderen."

De studie "Ocean biogeochemistry gemodelleerd met opkomende trait-based genomics, " werd gepubliceerd in het nummer van 1 december van Science.