De veldwetenschappers die aan het Vanishing Glaciers-project werken, hebben geen hoogtevrees. Ze klimmen naar de ijzige toppen van bergketens van de Himalaya tot de Alpen, uitgerust met flesjes, pipetten, thermometers en cilinders voor vloeibare stikstof (die ze Dido en Fido hebben genoemd). Hun doel is om monsters te verzamelen van de micro-organismen die in gletsjergevoede stromen leven en ze terug te brengen naar EPFL voor analyse door hun collega's.

Terwijl de gletsjers van de wereld verdwijnen, ze nemen goedbewaarde geheimen mee. Het smelten van gletsjers is een van de meest zichtbare tekenen van klimaatverandering en zal er uiteindelijk toe leiden dat door gletsjers gevoede stromen opdrogen, waardoor een belangrijke, uniek ecosysteem.

Wetenschappers van EPFL's Stream Biofilm en Ecosystem Research Laboratory (SBER) werken er hard aan om die geheimen te leren voordat het te laat is. "Deze stromen draineren het dak van onze planeet, " zegt Tom Battin, hoofd van SBER en hoofdwetenschapper van het project. "Hoewel we weten dat de biogeochemische cycli van de planeet over het algemeen worden georkestreerd door micro-organismen, we begrijpen nog niet de exacte rol van micro-organismen die op grote hoogte leven. Het is dus essentieel dat we hun ecosystemen bestuderen en in kaart brengen wat de gevolgen zouden zijn als ze verdwijnen."

Het onzichtbare bemonsteren

Buiten in het veld, biofilms zijn het enige zichtbare bewijs van de micro-organismen die gletsjergevoede stromen bevolken - ook al zijn ze er met miljarden. Biofilms zijn de dunne, groenachtig uitziende, stroperige lagen die de rotsen van de beken bedekken. In Arolla, in het kanton Wallis, Martina Schön, een veldtechnicus die aan het project werkt, schraapt biofilmmonsters van een rots die ze heeft gezien en stopt ze voorzichtig in haar rugzak voor latere analyse.

In de tussentijd, collega-veldtechnicus Matteo Tolosano verzamelt sedimentmonsters. "We hebben het bemonsteringswerk opgedeeld zodat we sneller vooruitgang kunnen boeken. Maar het is een vreemde taak omdat we iets bemonsteren dat in wezen onzichtbaar is, "zegt hij. In de buurt, Vincent De Staercke staat in het midden van een beek om een ​​ander type veldwerk uit te voeren:het meten van de zuurstofconcentratie van het water waar monsters werden genomen, met behulp van sensoren en glasvezelkabels aangesloten op een computer. "Het zijn de enige live gegevens die we hebben over de micro-organismen, ", zegt De Staercke. "Als de zuurstofconcentratie daalt, dat betekent dat bacteriën aanwezig zijn omdat ze het inademen."

Andere leden van het projectteam zijn verantwoordelijk voor het verzamelen van monsters van afvloeiend water van de gletsjer en het analyseren van de nutriënten- en ionenconcentraties. Dit geeft een indicatie van de voorwaarden die nodig zijn om bacteriepopulaties te laten leven en groeien. Mike Styles, een expeditieleider, legt uit:"Bacteriën zijn net als wij - ze willen eten! Maar in deze wateren is er niet veel keuze op het menu."

Naast het bestuderen van microbieel leven, het onderzoeksteam kijkt ook goed naar de omgeving. "We proberen een gedetailleerd beeld te krijgen van de omgevingsomstandigheden, ", zegt Schön. "Een manier om dit te doen is door metingen te doen van variabelen zoals watertemperatuur, zuurstofconcentratie, kooldioxidegehalte en pH."

Van bergtoppen tot het onderzoekslab

Tot dusver, het team heeft water- en sedimentmonsters verzameld van meer dan 100 gletsjergevoede stromen in Nieuw-Zeeland, Rusland, Groenland, Ecuador, Scandinavië en de Alpen. Deze monsters worden nu geanalyseerd bij SBER. Hannes Pieter, een wetenschapper bij SBER, legt uit:"Deze monsters zijn uitzonderlijk vanwege de extreme omstandigheden waar ze vandaan komen. Een van de eerste stappen die we moesten nemen in dit project, en een van de belangrijkste, was om onze testprotocollen te ontwerpen voor optimale efficiëntie, zodat we alle analyses kunnen uitvoeren die we willen."

Ook de SBER-wetenschappers verdeelden hun werk voor maximale effectiviteit. De ene groep bestudeert microbiële ecologie, dat is, de rol van de micro-organismen in hun leefgebied en gemeenschap en hoe ze zich gedragen. "We kijken naar factoren die te maken hebben met de biomassa, dat is de hoeveelheid levende organismen in onze monsters, " zegt Peter. "Bijvoorbeeld, we meten chlorofyl a-concentraties - een indicator van algen - tellen het aantal bacteriecellen, en experimenten uit te voeren op de productie van bacteriën."

Tyler Kohler, een postdoc bij SBER, is verantwoordelijk voor het meten van extracellulaire enzymen, die, hij zegt, "zijn geweldig omdat ze ons de gedachten van de bacteriën laten lezen." Deze enzymen, ook wel exo-enzymen genoemd, worden geproduceerd door bacteriën wanneer een verbinding die ze nodig hebben, zoals koolstof of stikstof, in hun omgeving wordt aangetroffen. "Het bestuderen van exo-enzymen geeft ons een idee van wat de bacteriën helpt groeien en reproduceren, ’ zegt Kohler.

Tegelijkertijd, andere SBER-wetenschappers sequensen en analyseren het DNA dat in de monsters wordt gevonden. Ze gebruiken metagenomica om de genomen te sequensen van verschillende soorten die in dezelfde omgeving leven, en om cruciale vragen te beantwoorden als:Wat is er? Waarom? Hoe? "Onze analyses zullen ons precies vertellen hoe divers de microbiële gemeenschap in onze monsters is en laten ons de genomen van sommige van die micro-organismen identificeren, ongeacht in welke gemeenschap ze zich bevinden, " zegt Paraskevi Pramateftaki, een technisch deskundige.

Monsters, vertel ons alles

De schat aan gegevens die in dit project worden gegenereerd, zal een belangrijk inzicht verschaffen in de strategieën die microben hebben aangenomen om te overleven onder dergelijke extreme omstandigheden. Deze studie markeert de eerste keer dat biogeochemische informatie over gletsjer gevoede stromen wordt gecombineerd met gegevens over de structuur en functie van de micro-organismen die in die stromen leven.

Wat hebben de wetenschappers tot nu toe ontdekt? Eerst, dat er een enorme en gevarieerde hoeveelheid microbieel leven in de stromen is. "Slechts één theelepel sediment kan tot een miljoen bacteriecellen en honderden microbiële soorten bevatten, ' zegt Battin.

Tweede, dat vrijwel dezelfde groepen en soorten micro-organismen kunnen worden gevonden, ongeacht waar de monsters worden genomen. Dit geeft aan dat de micro-organismen zich perfect hebben aangepast aan hun omgeving.

Tenslotte, dat omdat de micro-organismen zeer weinig vermogen hebben om onder zulke extreme omstandigheden te evolueren, ze hebben een micro-evolutie ondergaan. Battin legt uit:"Micro-evolutie heeft een zeer specifieke soort microdiversiteit gecreëerd die alleen in deze bacteriepopulaties voorkomt. En aangezien de gletsjeromgeving verandert, het risico is dat het micro-evolutieproces - en de microdiversiteit - zal verdwijnen, een deel van de biodiversiteit van de planeet met zich mee te nemen op grotere schaal."

Het onzichtbare begrijpen

Het Vanishing Glaciers-project heeft, net als de rest van de planeet, getroffen zijn door de pandemie, maar de wetenschappers hopen nog steeds hun geplande expedities naar Nepal uit te voeren, Centraal-Azië, de Andes en Alaska. Ondertussen, ze zijn nog steeds bezig met het kraken van de gegevens van al verzamelde monsters. "Ons doel is om in de komende jaren de geheimen van het microbiële leven in gletsjergevoede stromen te kunnen ontrafelen, en om te voorspellen hoe de stromen en hun microbiomen zullen veranderen als de gletsjers van de wereld verdwijnen, " zegt Battin. "Met andere woorden, we willen het onzichtbare beter begrijpen."