In een poging om de achteruitgang van de gezondheid van de wereldzeeën te keren, de Verenigde Naties (VN) heeft 2021 tot 2030 uitgeroepen tot het decennium van oceaanwetenschap voor duurzame ontwikkeling. Een belangrijke vereiste voor het wetenschappelijke initiatief zijn gegevens over bestaande mondiale oceaanomstandigheden. Een belangrijke schat aan gegevens is al beschikbaar dankzij de Tara Oceans-expeditie, een internationaal, interdisciplinaire onderneming die 35 verzamelde, 000 monsters uit alle oceanen van de wereld tussen 2009 en 2013. De monsters werden verzameld door onderzoekers aan boord van één schoener, de Tara, op diepten variërend van het oppervlak tot 1, 000 meter diep.

Twee artikelen die op 14 november in het tijdschrift worden gepubliceerd Cel zijn de nieuwste die monsters en gegevens gebruiken die zijn verzameld tijdens de Tara Oceans-expeditie om de diversiteit over de hele plankton-planeet te analyseren, microscopisch kleine organismen die afdrijven op oceaanstromingen die essentieel zijn voor het welzijn van onze oceanen. Een studie richtte zich op de diversiteit van plankton in de oceanen van de aarde, overwegende dat in de andere studie genexpressie onder microbiële gemeenschappen werd beoordeeld als een manier om te voorspellen hoe deze gemeenschappen zich zouden kunnen aanpassen aan veranderende omgevingsomstandigheden.

Planktondiversiteit op verschillende breedtegraden

"Alles in de oceaan is met elkaar verbonden, wat betekent dat het de potentie heeft om te bewegen, " zegt Chris Bowler, een wetenschapper van het National Center for Scientific Research (CNRS) aan het Institut de Biologie de l'Ecole Normale Superieure (IBENS) in Parijs en een co-senior auteur van de planktonstudie. "Dit maakt het belangrijk om alles op wereldschaal te verzamelen. Door diepgaande analyse te doen, kunnen we ook de zeldzame organismen in de biosfeer vangen, naast de meer voorkomende."

"Onze studie was gericht op plankton omdat het een belangrijke bijdrage levert aan mariene ecosystemen in termen van biomassa, overvloed, en diversiteit, " zegt mede-senior auteur Lucie Zinger van IBENS. "Alle soorten leven hebben vertegenwoordigers in de plankton-bacteriën, archaea, protisten, dieren en planten, evenals virussen. Maar het overgrote deel van deze diversiteit is met het blote oog niet te zien."

Het artikel meldt dat de grote meerderheid van planktongroepen, van gigantische virussen tot kleine dieren, volg een gradiënt van diversiteit langs breedtegraden, met het laagste niveau van diversiteit het dichtst bij de polen. "De oceaantemperatuur is voornamelijk verantwoordelijk voor dit patroon, Zinger merkt op. "Opwarming van de oceaan als gevolg van klimaatverandering zal waarschijnlijk leiden tot een 'tropicalisering, ' of verhogen, van planktondiversiteit in gematigde en polaire wateren. De gevolgen hiervan zijn nog onduidelijk, maar we weten dat deze geografische gebieden momenteel erg belangrijk zijn voor verschillende ecosysteemdiensten, inclusief visserij en koolstofvastlegging."

Een innovatief aspect van dit onderzoek was dat het zowel beeldvormende als op DNA gebaseerde technieken combineerde om de planktondiversiteit te beoordelen. "We weten veel over het verwerken van informatie uit DNA-sequenties, ' zegt Bowler. 'Maar beelden zijn veel ingewikkelder. We hebben veel verschillende morfologieën en verschillende gedragingen van deze organismen waargenomen. Er zijn veel nieuwe organismen en nieuwe soorten interacties tussen hen die nog moeten worden ontdekt."

De activiteit van microbieel leven op verschillende diepten en geografieën van de oceaan begrijpen

De transcriptoomstudie combineerde metagenomische en metatranscriptomische gegevens, waardoor het team kan analyseren welke genen aanwezig waren, en welke genen zijn ingeschakeld, in oceaan microbiële gemeenschappen over gradiënten van zowel diepte als breedtegraad. Eerdere studies over de diversiteit van het microbiële leven in de zee waren vooral gericht op genomen. Dit was de eerste die op wereldwijde schaal naar transcriptomen keek.

"Kijken naar transcriptomen is belangrijk om niet alleen te bepalen welke microben aanwezig zijn, maar wat die microben eigenlijk doen met betrekking tot activiteiten zoals fotosynthese en opname van voedingsstoffen, ", zegt senior auteur Shinichi Sunagawa van het Instituut voor Microbiologie en het Zwitserse Instituut voor Bioinformatica aan de ETH Zürich. "Een van onze doelen was om te leren of microbiële gemeenschappen zich aanpassen aan omgevings- en temperatuurvariaties met veranderingen in hun samenstelling ten opzichte van elkaar of met veranderingen in de genexpressiepatronen binnen deze gemeenschappen."

De onderzoekers ontdekten dat in termen van taxonomische, genomisch, en transcriptomische samenstelling, er zijn duidelijke ecologische grenzen die zowel oppervlaktewater scheiden van diep water als polair van niet-polaire gebieden. Ze verwachtten enkele van deze veranderingen te zien, zoals verschillen in de niveaus van fotosynthetische organismen ten opzichte van de waterdiepte. Maar sommige andere waarnemingen waren nogal onverwacht.

"We hadden niet verwacht dat we biogeografische patronen zouden vinden voor de onderliggende mechanismen van variatie in metatranscriptomische samenstelling. we vonden dat verschillen in poolgemeenschappen werden gedomineerd door veranderingen in de samenstelling van organismen, terwijl in niet-polaire wateren, de verschillen werden gedomineerd door veranderingen in de expressie van genen, " zegt Sunagawa. Hij voegt eraan toe dat zijn team ook verrast was om genomisch en transcriptomisch bewijs te vinden voor een stikstofbindende bacterie in diepe Arctische wateren.

"Elke druppel zeewater zit vol met microben, die een centrale rol spelen in veel processen die relevant zijn voor het leven op aarde, " merkt hij op. "Inzicht in de ecologische factoren die de diversiteit bepalen, samenstelling, en activiteit van deze organismen is essentieel om toekomstige afwijkingen beter te kunnen modelleren en voorspellen, vooral in het licht van de klimaatverandering."

Een beperking van de gegevens van de Tara Oceans-expeditie is dat de monsters in een relatief korte periode zijn verzameld, minder dan vier jaar. Dit maakt het moeilijk om meetbare trends in de oceanen van vandaag in verband met klimaatverandering waar te nemen. De onderzoekers zeggen dat studies op langere termijn nodig zijn om rekening te houden met veranderingen in factoren zoals verzuring, deoxygenatie, en vervuiling.

Een oproep voor oceaanwetenschap in het licht van klimaatverandering

Onderzoekers onderzoeken de barrières die tot nu toe veranderingen in het oceaanduurzaamheidsbeleid hebben verhinderd en stellen strategieën voor om deze uitdagingen het hoofd te bieden in een Perspectief dat op 14 november in de nieuwe publicatie wordt gepubliceerd. Cel Pers journaal één aarde .

"Zoals blijkt uit de publicaties van het Intergouvernementele Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services global assessment en van het Special Report on the Ocean and Cryosphere van het IPCC, zowel in 2019, er is nu dringend behoefte aan duurzame trajecten, " zegt corresponderend auteur Joachim Claudet van het CNRS. Hij voegt eraan toe dat de belangrijkste bedreigingen voor de duurzaamheid van de oceaan de overexploitatie van vissen zijn, schaaldieren, en andere organismen; vervuiling op land en op zee; en verandering van land/zeegebruik, inclusief kustontwikkeling voor infrastructuur en aquacultuur; en klimaatverandering.

"We hebben wetenschap nodig om bewijs te ontwikkelen dat het beleid beter kan informeren om haalbare oplossingen te implementeren, evenals operationele en transformatieve acties die een betere impact kunnen hebben op samenlevingen, van lokale tot mondiale schaal, ' zegt hij. 'De Tara-expedities hebben meerdere waarden. Ze stellen ons in staat om lokale natuurlijke, chemisch, en fysieke in situ gegevens op oceaanschaal. Deze gegevens kunnen worden gebruikt in zowel fundamenteel als toegepast onderzoek. Tara's outreach-programma's kunnen ook een aanjager zijn van de meest noodzakelijke verandering in de perceptie dat de oceaan zowel zeer waardevol als kwetsbaar is."