Een team onder leiding van wetenschappers van Scripps Institution of Oceanography aan de University of California San Diego en het J. Craig Venter Institute (JCVI) heeft aangetoond dat de overtollige koolstofdioxide die aan de atmosfeer wordt toegevoegd door de verbranding van fossiele brandstoffen de gezondheid van fytoplankton verstoort die de basis vormen van mariene voedselwebben.

Fytoplankton zijn microscopisch kleine planten waarvan de groei in het oppervlaktewater van de oceaan de voedselwebben in de oceaan en de wereldwijde zeevisserij ondersteunt. Ze zijn ook belangrijke agenten in de lange termijn verwijdering van kooldioxide (CO ₂ )

Zoals gemeld in de editie van 14 maart van Natuur , het team laat zien dat een mechanisme dat veel wordt gebruikt door fytoplankton om ijzer te verwerven, carbonaationen nodig heeft. Stijgende concentraties van atmosferisch CO ₂ verzuren de oceaan en verminderen carbonaat, en het team laat zien hoe dit verlies van carbonaat het vermogen van fytoplankton beïnvloedt om genoeg van het voedingsijzer voor groei te verkrijgen. Door de verzuring van de oceaan zal de concentratie van carbonaationen op het zeeoppervlak tegen het einde van deze eeuw met 50 procent zijn afgenomen.

De studie, "Koolzuurgevoelig fytotransferrine regelt ijzeropname met hoge affiniteit in diatomeeën, " werd gefinancierd door de National Science Foundation, de Gordon en Betty Moore Stichting, en het Amerikaanse ministerie van Energie. Het onthult een onverwachte wending aan de theorie over hoe ijzer de groei van fytoplankton regelt. Door te laten zien hoe het verlies van zeewatercarbonaat het vermogen van fytoplankton om ijzer vast te grijpen, belemmert, de auteurs laten een direct verband zien tussen de effecten van oceaanverzuring en de gezondheid van fytoplankton aan de basis van de mariene voedselketen.

"Uiteindelijk onthult onze studie de mogelijkheid van een 'feedbackmechanisme' dat werkt in delen van de oceaan waar ijzer de groei van fytoplankton al beperkt, " zei Jeff McQuaid, hoofdauteur van de studie die de ontdekkingen deed als promovendus bij Scripps Oceanography. "In deze regio's hoge concentraties atmosferische CO ₂ kan de groei van fytoplankton verminderen, beperking van het vermogen van de oceaan om CO . op te nemen ₂ en dus leidend tot steeds hogere CO .-concentraties ₂ zich ophopen in de atmosfeer."

"Studies naar de effecten van hoge CO ₂ op de groei van fytoplankton hebben tot nu toe gemengde resultaten opgeleverd. In sommige gevallen, bepaald fytoplankton lijkt baat te hebben bij hoge CO ₂ , " voegde Andrew E. Allen toe, een bioloog met een gezamenlijke aanstelling bij Scripps en JCVI die senior auteur en initiatiefnemer van de studie is. "De meeste van deze onderzoeken, echter, zijn uitgevoerd onder omstandigheden met een hoog ijzergehalte. Onze studie onthult een wijdverbreid cellulair mechanisme dat een hoge CO . suggereert ₂ kan bijzonder problematisch zijn voor de groei van fytoplankton in gebieden met een laag ijzergehalte in de oceaan."

Een gevolg van verzuring is een bijna één-op-één verlaging van de concentratie carbonaationen voor elk molecuul CO ₂ dat oplost in de oceaan. De concentratie van atmosferisch CO ₂ wordt voorspeld tegen het einde van deze eeuw te verdubbelen; dus, de concentratie van carbonaationen aan het oppervlak van de oceaan zal tegen het jaar 2100 bijna gehalveerd zijn. Hoewel de negatieve invloed van verzuring op koralen en schelpdieren bekend is, dit is de eerste studie die een mechanisme onthult dat het leven beïnvloedt en dat de basis vormt van de meeste mariene voedselwebben.

Deze studie herziet een sleutelconcept in de oceanografie dat de groei van fytoplankton in grote delen van de oceaan wordt gereguleerd door de ijzerconcentratie. In oceaangebieden met veel opgeloste voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor, ijzerbeperking resulteert in lage aantallen fytoplankton in verhouding tot de beschikbare nutriënten. Toevoeging van ijzer aan deze gebieden veroorzaakt fytoplankton, met name diatomeeën, groeien. In de grootste van deze regio's, de Zuidelijke Oceaan, concentraties beschikbaar ijzer lager zijn dan een biljoenste gram per liter, het naderen van de grens die het leven ondersteunt.

Zeewetenschappers hebben decennialang onderzocht hoe fytoplankton zulke lage concentraties ijzer uit zeewater kan halen en internaliseren.

"Het begrijpen van het mechanisme van ijzeropname is van cruciaal belang om zinvolle voorspellingen te doen over hoe fytoplankton kan reageren op toekomstige oceaanomstandigheden, maar dit begrip was ongrijpbaar, " zei Adam Kustka, een sporenmetaalfysioloog en projectmedewerker van de Rutgers University.

In 2008 kwamen er aanwijzingen toen Allen verschillende op ijzer reagerende genen ontdekte in diatomeeën die geen bekende functie hadden. Datzelfde jaar, McQuaid reisde rond Oost-Antarctica om te assisteren bij een onderzoek naar plankton in de Zuidelijke Oceaan. Uit DNA-analyse van die monsters bleek dat een van de ijzergenen van Allen niet alleen in elk zeewatermonster aanwezig was, maar elke grote groep fytoplankton in de Zuidelijke Oceaan leek een kopie te hebben.

"Dit gen, genaamd ISIP2A, was een van de meest overvloedig getranscribeerde genen in de Zuidelijke Oceaan met een laag ijzergehalte, wat suggereert dat het een heel belangrijke rol speelde in het milieu, " zei Allen.

Eerdere studies suggereerden een transferrine-achtig eiwit, genaamd fytotransferrine, aan het werk was in het mariene milieu, maar ISIP2A leek in niets op transferrine. Het vergde de ontwikkeling van een geheel nieuwe discipline, Synthetische biologie, om de hypothese van het team te helpen bewijzen dat ISIP2A een type transferrine was. Synthetische biologie is de versmelting van biologie en techniek, en in samenwerking met wetenschappers van het Venter Instituut, het team ontwikkelde methoden om synthetisch DNA in een mariene diatomee te plaatsen. De wetenschappers verwijderden ISIP2A en vervingen het door een synthetisch gen voor humaan transferrine, wat aantoont dat ISIP2A een type transferrine was.

Het team startte vervolgens een studie om de evolutionaire relaties van transferrine en fytotransferrine te onderzoeken. Tot hun verbazing, de eiwitten waren functionele analogen waarvan de oude oorsprong zich uitstrekt tot de pre-Cambrische periode van de geschiedenis van de aarde, vóór het verschijnen van moderne planten en dieren.

"Het verschijnen van fytotransferrine zo'n 700 miljoen jaar geleden komt overeen met een tijd in de geschiedenis van de aarde die wordt gekenmerkt door enorme veranderingen in de oceaanchemie, en deze oude evolutionaire geschiedenis helpt verklaren waarom niemand ISIP2A en transferrine heeft verbonden, " zei Miroslav Oborník, een moleculair evolutionair bioloog van de Universiteit van Zuid-Bohemen en co-auteur van het papier.

In transferrine, ijzer en carbonaat binden tegelijkertijd, en geen van beide kan binden in afwezigheid van de ander. Een dergelijke synergetische binding is uniek onder biologische interacties. Het onderzoeksteam veronderstelde dat diatomeeënfytotransferrine een soortgelijk mechanisme gebruikt en dat, als resultaat, reducties in carbonaationen kunnen leiden tot verminderde groeisnelheid van fytoplankton.

Met behulp van een aantal biochemische methoden, de onderzoekers waren in staat om onafhankelijk de pH te manipuleren, samen met de concentraties van ijzer- en carbonaationen. Terwijl ze in toenemende concentraties CO . pompten ₂ , het team toonde aan dat het vermogen van hun diatomeeën om op ijzer te grijpen proportioneel afnam met de concentratie van carbonaationen.

"Omdat carbonaat en ijzer gelijktijdig moeten binden, als de carbonaatconcentraties dalen, fytotransferrine kan minder ijzer 'zien', "zei McQuaid. "De totale hoeveelheid ijzer verandert niet - eerder het vermogen om het vast te pakken, verandert, en dit heeft uiteindelijk invloed op de groeisnelheid."