Een door het USC geleid onderzoeksteam heeft ontdekt dat mariene microben met een speciaal metabolisme alomtegenwoordig zijn en een belangrijke rol kunnen spelen in de manier waarop de aarde het klimaat reguleert.

De studie vindt bacteriën die rodopsines bevatten, een zonneschijn-grijpend pigment, zijn overvloediger dan ooit werd gedacht. In tegenstelling tot algen, ze halen geen kooldioxide (CO2) uit de lucht. En ze zullen waarschijnlijk overvloediger worden in opwarmende oceanen, het signaleren van een herschikking van microbiële gemeenschappen aan de basis van de voedselketen waar het belangrijkste werk van energieconversie plaatsvindt.

"Oceanen zijn belangrijk voor klimaatverandering omdat ze een sleutelrol spelen in de koolstofcyclus. Begrijpen hoe dat werkt, en de betrokken mariene organismen, helpt ons onze klimaatmodellen te verfijnen om het klimaat in de toekomst te voorspellen, " zei Laura Gómez-Consarnau, universitair docent (onderzoek) biologie aan het USC Dornsife College of Letters, Kunsten en Wetenschappen.

De studie verschijnt vandaag in wetenschappelijke vooruitgang . Gómez-Consarnau is de hoofdauteur van een internationaal team van wetenschappers uit Californië, China, het Verenigd Koninkrijk en Spanje.

De bevindingen breken met de traditionele interpretatie van mariene ecologie die in leerboeken wordt gevonden, waarin staat dat bijna al het zonlicht in de oceaan wordt opgevangen door chlorofyl in algen. In plaats daarvan, met rodopsine uitgeruste bacteriën functioneren als hybride auto's, aangedreven door organisch materiaal indien beschikbaar - zoals de meeste bacteriën - en door zonlicht wanneer voedingsstoffen schaars zijn.

Rhodopsinen werden 20 jaar geleden ontdekt, en wetenschappers van het USC en elders hebben sindsdien hun prevalentie en metabolisme bestudeerd. Deze microben hebben lichtgevoelige eiwitsystemen in hun celmembranen die zonlicht opvangen, een aanpassing analoog aan hoe staafjes en kegeltjes in het menselijk oog licht verzamelen.

In dit onderzoek, onderzoekers trolden een 3, 000 mijl lange strook van de oostelijke Atlantische Oceaan en de Middellandse Zee in 2014. Ze bemonsterden micro-organismen in de waterkolom tot 200 meter diep in een poging te achterhalen hoe wijdverbreid rodopsines zijn en onder welke omstandigheden ze de voorkeur hebben.

Ze ontdekten dat rodopsine-fotosystemen veel overvloediger waren dan eerder werd gerealiseerd en geconcentreerd in voedselarme wateren. In dergelijke oligotrofe zones, ze presteren beter dan algen bij het opvangen van licht. Terwijl algen zonlicht en CO2 gebruiken om organisch materiaal en zuurstof te produceren, rodopsinepigmenten gebruiken licht om adenosinetrifosfaat te maken, de basisenergievaluta die veel cellulaire processen aandrijft.

"Rhodopsinen lijken overvloediger te zijn in een voedselarme oceaan, en in de toekomst, de oceaan zal armer zijn aan voedingsstoffen naarmate de temperatuur verandert, " legde Gómez-Consarnau uit. "Dus, met minder voedingsstoffen aan de oppervlakte, algen hebben een beperkte fotosynthese, en het rodopsineproces zal overvloediger zijn. Misschien hebben we in de toekomst een verschuiving, wat betekent dat de oceaan niet zoveel koolstof kan opnemen als nu. Er kan dus meer CO2-gas in de atmosfeer achterblijven, en de planeet kan sneller opwarmen."

Tot dusver, computersimulaties van hoe de opwarming van de aarde in de toekomst zou kunnen zijn, verklaren deze microbiële verschuiving nog niet.

Eerdere studies hebben aangetoond dat rodopsines ongeveer 80% van de mariene bacteriën uitmaken, gebaseerd op genetische analyses. Maar dit is de eerste studie die hun concentratie in de oceaan meet en waar ze graag samenkomen.

De studie onderstreept hoe wetenschappers nieuwe wegen leren waardoor organismen energie krijgen om te leven. Bijvoorbeeld, ze weten al lang dat planten en algen chlorofyl gebruiken om zonneschijn en voedingsstoffen om te zetten in suikers; inderdaad, ongeveer de helft van alle fotosynthese op aarde wordt uitgevoerd door algen aan het oceaanoppervlak. En ze hebben leven op de bodem ontdekt dat wordt ondersteund door chemische energie van mineralen en chemische verbindingen die vrijkomen uit vulkanische openingen in de diepzee. In dit onderzoek, ze hebben geleerd dat bacteriën, lang beschouwd als voornamelijk ontbinders in een ecosysteem, daadwerkelijk kan functioneren als een hoofdproducent van energie aan het oceaanoppervlak.

"Wij schatten dat gezien de concentraties in zeewater, rodopsines zouden meer lichtenergie kunnen opvangen dan chlorofyl in de oceaan, ' zei Gomez-Consarnau.

"Deze bevindingen veranderen de fundamentele veronderstelling dat de mariene biosfeer alleen wordt aangedreven door zonlicht dat wordt opgevangen door chlorofylen tijdens de fotosynthese van algen."

Het betekent ook dat, jaren in de toekomst, microbiële gemeenschappen zullen waarschijnlijk verschuiven, wat resulteert in minder koolstoffixatie in de oceaan. Om volledig te evalueren hoe de bevindingen het vermogen van de oceaan om broeikasgassen te absorberen beïnvloeden, Gómez-Consarnau zei dat de CO2-fluxen in mariene systemen opnieuw moeten worden geëvalueerd en dat toekomstige klimaatmodellen dit bacteriële metabolisme moeten opnemen.