Op drift op een boot in het midden van de Noordelijke Stille Oceaan, de meest verbazingwekkende aanblik is de totale afwezigheid van iets te zien. Het glasachtige kalme water is ongestoord en glooit kilometers lang in alle richtingen. Zelfs als je over de rand van het dek in het kristalheldere blauwe water tuurt, het licht van de zon dringt door tot een diepte van ongeveer 600 voet zonder dat iets zijn pad blokkeert. Er lijkt hier niets anders te zien dan water, maar schijn kan bedriegen. Het zijn de onmogelijk kleine organismen en hun onevenredig grote impact op het ecosysteem die mij en een team wetenschappers hebben gelokt om de volle zee te trotseren, een nieuwsgierige haai, en een naderende orkaan. We kwamen naar het midden van de oceaan om toegang te krijgen tot de geheime levens van de microben die de open oceaan thuis noemen. We hebben onlangs onze resultaten gepubliceerd in The ISME Journaal .

In de zomer van 2015 een team van Columbia's Lamont-Doherty Earth Observatory - Sonya Dyhrman, Sheean Haley, en ik pakte de inhoud van ons laboratorium in en verscheepte het naar de andere kant van de planeet. We volgden op de voet, gelukkig met minder bagage, en voegde zich bij ongeveer 60 biologische oceanografen van over de hele wereld in Honolulu, Hawaii. Vanaf daar, we waren bestemd voor de Noord-Pacific Subtropische Gyre aan boord van een vloot van twee onderzoeksschepen.

Onze expeditie werd gefinancierd door de Simons Foundation en heette de Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, of TOEPASSINGSGEBIED. De missie van SCOPE is om te meten en te modelleren hoe mariene microben met elkaar omgaan en elkaar en het milieu in het algemeen beïnvloeden. Deze processen vinden honderden kilometers verwijderd van het droge plaats, maar ze zijn van cruciaal belang voor al het leven op aarde. Ten slotte, microscopische zeeplanten, of fytoplankton, zijn verantwoordelijk voor ongeveer de helft van de primaire productiviteit van de planeet. Dit betekent dat voor elke andere ademhaling die je neemt, je kunt een fytoplankton bedanken.

Mijn eigen onderzoek richt zich op een fytoplankton genaamd Trichodesmium. Het is een hoeksteensoort in de subtropische open oceaan. In lage voedingswaarde, bijna woestijnachtige omstandigheden, Trichodesmium is een oase. Het is een fotosynthetische bacterie, dus het kan weinig meer dan zonlicht en koolstofdioxide gebruiken om zijn eigen suiker voor voedsel te maken. Het is ook een stikstofbinder. Net als de bacteriën die in de wortels van vlinderbloemigen zoals erwten leven, Trichodesmium kan inert N2-gas uit de atmosfeer opnemen en het veranderen in een vorm die leven ondersteunt. In een barre omgeving waar andere organismen nauwelijks rondkomen van het lage aanbod van biologisch beschikbare stikstof, Trichodesmium is een drijvende kunstmestfabriek. Om deze reden, het vormt hotspots van biologische activiteit - constellaties van drijvende microbiële steden die de wereldwijde biogeochemische cycli in staat stellen te blijven karnen.

Trichodesmium vergelijken met een stad is niet zo moeilijk. De cellen zijn groot - voor een bacterie welteverstaan. Ze zijn ongeveer 20 micrometer breed, bijna 8 keer de lengte van een typische bacterie. Deze cellen vormen lange ketens, en die kettingen klonteren samen om pluisbolachtige kolonies te vormen die eruitzien als erwtengroene balen hooi ter grootte van een speldenknop. Als je zou inzoomen op een van die puffballs, je zou ontdekken dat Trichodesmium niet de enige is. Andere microben profiteren van de suiker uit fotosynthese en biologisch beschikbare stikstof die uit Trichodesmium lekt, en maken hun permanente huizen op deze kolonies. In de wereld van micro-organismen, Trichodesmiumkolonies zijn als Manhattan tijdens de restaurantweek. In werkelijkheid, Trichodesmium is een microbe met een eigen microbioom.

Trichodesmium werd voor het eerst beschreven door ontdekkingsreiziger Captain Cook tijdens een expeditie naar de Rode Zee aan het einde van de 18e eeuw. Het was pas in de jaren 80, echter, dat wetenschappers Trichodesmium-trekjes onder een krachtige microscoop stopten en ontdekten dat de kolonies wemelde van andere bacteriën. Het verkennen van dit fascinerende inzicht viel in de schaduw van een andere belangrijke ontdekking:dat schattingen van Trichodesmium's N2-fixerende capaciteiten met een orde van grootte laag waren. Nieuwe schattingen suggereerden dat, hoewel dit organisme niet numeriek overvloedig aanwezig is in de oceaan, het draagt ​​nog steeds bijna de helft bij van de totale biologisch beschikbare mariene stikstof.

Vandaag, "microbioom" is een modewoord in zowel wetenschappelijk onderzoek als buiten de benchtops van microbiologische laboratoria. De ontdekking dat de micro-organismen die in en op ons leven van cruciaal belang zijn om te controleren hoe we ons voedsel verteren, schadelijke ziekteverwekkers af te weren, en zelfs waar we aan denken heeft de manier waarop mensen hun relatie met deze kleine beestjes zien fundamenteel veranderd. Bacteriën zijn niet alleen ziektekiemen meer.

Als een gezonde samenstelling van darmbacteriën bij een mens de sleutel kan zijn tot een gezonde levensstijl, zou het microbioom dat op Trichodesmium leeft dan een voorheen over het hoofd geziene rol kunnen spelen in zijn ecologie? De bacteriën in het Trichodesmium-microbioom liften misschien mee door de golven als passieve verstekelingen, of ze kunnen op een belangrijke manier met hun gastheer omgaan. Kunnen ze op de een of andere manier het succes van Trichodesmium en zijn vermogen om stikstof te fotosynthetiseren en te fixeren mogelijk maken? De SCOPE-expeditie was onze kans om erachter te komen. Alle 60 wetenschappers werkten samen op twee schepen om gedurende twee opeenvolgende periodes van vier dagen om de vier uur monsters te nemen voor een reeks biologische en chemische metingen.

Toen de zon op de eerste ochtend van de bemonstering boven de horizon begon te gluren, Sheean en ik stonden helemaal aan het einde van het schip, wachtend op de "helemaal vrij" van de kapitein om onze Trichodesmium-bemonsteringsapparatuur overboord te gooien. Deze uitrusting was als een aquatisch vlindernet dat we door het water sleepten, zijn fijne mazen concentreren de Trichodesmium-kolonies uit duizenden liters water. Het water zag er kalm uit, maar het was een krachtige biceps-training om het touw vast te houden en weerstand te bieden aan het overboord worden gerukt. De prestatie werd nog dodelijker toen een nieuwsgierige haai ons net begon te onderzoeken.

Terug aan dek, we haastten het monster naar het laboratorium en plukten elke Trichodesmium-kolonie die we konden vinden met oogdruppels. (Niets test iemands zeebenen zoals het vissen op bacteriën op een bewegend schip.) Snel bewegen was de sleutel om de integriteit van de monsters te behouden:om erachter te komen wat de Trichodesmium en hun microbioom in het water deden, we hebben alle genen gesequenced en geanalyseerd die ze tijdens onze weken op zee aan- en uitzetten.

Het genoom van een organisme is als een kookboek:het bevat alle instructies die een organisme nodig heeft om te functioneren. De genen zijn als de individuele receptkaarten die worden uitgetrokken om aan een bepaalde aandoening te voldoen. Net zoals de winter recepten aangeeft voor gebraden kalkoen en pompoentaart, de rijzende zon activeert de genen van Trichodesmium voor fotosynthese en stikstofbinding. Als we de expressie van die genen gedurende de dag zouden kunnen volgen, en genen vinden met vergelijkbare dag-nachtpatronen in het microbioom - organismen die niet zouden moeten reageren op zonlicht - dan zouden we genetisch bewijs hebben van mogelijke interacties tussen gastheer en microbioom.

Na een lange dag monsters nemen, Sheean, Sonya en ik hadden onze pas bereikt. Maar toen de zon onderging, stonden we voor een nieuwe uitdaging:de kolonies isoleren in bijna duisternis. Om de gensignaturen te behouden die worden veroorzaakt door de opkomende en ondergaande zon, 's Nachts verwisselden we alle gloeilampen in het laboratorium van ons schip voor rode lichten. Het voelde alsof we in een onderzeeër zaten. Na 96 uur, we hadden veel monsters geregistreerd, maar weinig slaap. De zeeën waren begonnen te kolken toen een storm ons schip naderde. In mijn vaag zeeziek delirium, het leek gek dat ik kleine bacteriekolonies die uit het midden van de oceaan waren geplukt, zou kunnen veranderen in biologisch inzichtelijke gegevens.

Maanden later, terug op het droge bij het Lamont-Doherty Earth Observatory, mijn Trichodesmium-genexpressiegegevens werden gesequenced en klaar om te worden geanalyseerd. De signalen van Trichodesmium kwamen als eerste naar voren:prachtige sinusoïdale golven die genen voor fotosynthese en stikstoffixatie laten zien die over mijn computerscherm dansen in harmonie met de opkomst en ondergang van de zon. Toen richtte ik mijn aandacht op de genen van het microbioom. Er was geen reden om aan te nemen dat deze bacteriën hun fysiologie zouden choreograferen met Trichodesmium. Ten slotte, ze kunnen gewoon passieve verstekelingen zijn. Ik hield mijn adem in terwijl ik door de analyses klikte en de resultaten uittekende.

Terwijl de Trichodesmium-stikstoffixatiegenen aan en uit gingen, genen voor stikstofgebruik in het microbioom volgden in lockstep. Dezelfde patronen verschenen in genen voor koolstoffixatie van Trichodesmium en genen voor koolstofconsumptie in het microbioom. Anderzijds, we hebben ook bewijs gevonden dat het microbioom zijn brood verdient met kolonies door de zuurstof te gebruiken die door fotosynthese wordt geproduceerd, en het afbreken van de suikers in koolstofdioxide - in wezen ademen, aan het eten, en uitademen zoals dieren dat doen. Door zuurstof te verwijderen, die stikstofbinding remt, en het terugleveren van kooldioxide, het microbioom zorgt voor een gunstige omgeving voor Trichodesmium om door te gaan met het fixeren van stikstof en fotosynthese. Aan ons, deze links suggereerden een hechte symbiotische relatie die een diepgaande geochemische impact zou kunnen hebben.

Niet lang nadat we een toast uitbrachten ter ere van de gepubliceerde krant, ons gesprek keerde terug naar de zee, tot de kristalheldere blauwe oceaanstromingen en alle experimenten die we hierna willen doen. Deze biologische interacties vinden plaats op microscopische schaal - ze geven hun geheimen niet gemakkelijk prijs, maar we zijn bereid de stormen te riskeren, zeeziekte, en af ​​en toe een haai om de kleinste organismen en hun grote impact op aarde te onderzoeken.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.