Bakterier kan overleve i marine miljøer, der er næsten fuldstændigt sultne af ilt

Jorden rundt, brede skår af åbent hav er næsten opbrugt af ilt. Ikke helt døde zoner, de er "iltminimumzoner, "hvor en sammenflydning af naturlige processer har ført til ekstremt lave koncentrationer af ilt.

Kun de hårdeste af organismer kan overleve under så alvorlige forhold, og nu har MIT-oceanografer fundet ud af, at disse hårde små livsformer-for det meste bakterier-har en overraskende lav grænse for mængden af ​​ilt, de skal trække vejret.

I et papir udgivet af tidsskriftet Limnologi og Oceanografi , teamet rapporterer, at havbakterier kan overleve ved iltkoncentrationer så lave som cirka 1 nanomolar pr. liter. For at sætte dette i perspektiv, det er cirka 10, 000 gange lavere end hvad de fleste små fisk kan tåle og omkring 1, 000 gange lavere end hvad forskere tidligere mistænkte for havbakterier.

Forskerne har fundet ud af, at under denne kritiske grænse, mikrober dør enten af ​​eller skifter til mindre almindelige, anaerobe åndedrætsformer, optager nitrogen i stedet for ilt for at trække vejret.

Med klimaforandringer, havene forventes at gennemgå et udbredt ilttab, muligvis øge spredningen af ​​iltminimumzoner rundt om i verden. MIT -teamet siger, at kendskabet til de minimale iltkrav til havbakterier kan hjælpe forskere med bedre at forudsige, hvordan fremtidig deoxygenering vil ændre havets balance af næringsstoffer og de marine økosystemer, der er afhængige af dem.

"Der er et spørgsmål, som cirkulation og ilt ændrer sig i havet:Vil disse iltminimumzoner stime og blive mere overfladiske, og reducere levestedet for disse fisk nær overfladen? "siger Emily Zakem, papirets hovedforfatter og en kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS). "At kende denne biologiske kontrol af processen er virkelig nødvendigt for at kunne lave den slags forudsigelser."

Zakems medforfatter er EAPS-lektor Mick Follows.

Hvor lavt går ilt?

Oxygen minimum zoner, undertiden omtalt som "skyggezoner, "findes typisk i dybder på 200 til 1, 000 meter. Interessant nok, disse iltforarmede områder er ofte placeret lige under et lag med høje iltstrømme og primær produktivitet, hvor fisk, der svømmer nær overfladen, er i kontakt med den iltrige atmosfære. Sådanne områder genererer en enorm mængde organisk stof, der synker til dybere lag af havet, hvor bakterier bruger ilt - langt mindre rigeligt end på overfladen - til at forbruge detritus. Uden en kilde til at genopbygge iltforsyningen på sådanne dybder, disse zoner bliver hurtigt udtømte.

Andre grupper har for nylig målt iltkoncentrationer i udtømte zoner ved hjælp af et meget følsomt instrument og observeret, til deres overraskelse, niveauer så lave som et par nanomolare pr. liter - cirka 1, 000 gange lavere end hvad mange andre tidligere havde målt - på tværs af hundredvis af meter dybt hav.

Zakem og Follows søgte at identificere en forklaring på så lave iltkoncentrationer, og kiggede på bakterier for svaret.

"Vi forsøger at forstå, hvad der styrer store strømninger i jordsystemet, som koncentrationer af kuldioxid og ilt, som sætter livets parametre, "Zakem siger." Bakterier er blandt de organismer på Jorden, der er integrerede i at fastsætte storstilet næringsfordeling. Så vi kom ind i dette og ville udvikle, hvordan vi tænker på bakterier i klimaskalaen. "

Indstilling af en grænse

Forskerne udviklede en simpel model til at simulere, hvordan en bakteriecelle vokser. De fokuserede på særligt ressourcestærke stammer, der kan skifte mellem aerobe, iltåndende åndedræt, og anaerob, ikke-oxygenbaseret åndedræt. Zakem og Follows antog, at når ilt er til stede, sådanne mikrober bør bruge ilt til at trække vejret, da de ville bruge mindre energi på at gøre det. Når iltkoncentrationerne falder under et bestemt niveau, bakterier bør skifte til andre former for åndedræt, såsom at bruge nitrogen i stedet for ilt til at brænde deres metaboliske processer.

Teamet brugte modellen til at identificere den kritiske grænse, ved hvilken denne switch sker. Hvis den kritiske iltkoncentration er den samme som de laveste koncentrationer, der for nylig er observeret i havet, det ville foreslå, at bakterier regulerer havets laveste iltzoner.

For at identificere bakteriers kritiske iltgrænse, teamet inkluderede i sin model flere nøgleparametre, der regulerer en bakteriepopulation:størrelsen af ​​en individuel bakteriecelle; temperaturen i det omgivende miljø og befolkningens omsætningshastighed, eller den hastighed, hvormed celler vokser og dør. De modellerede en enkelt bakteriecelles iltindtag med ændrede parameterværdier og fandt ud af, at uanset de forskellige forhold, bakteriers kritiske grænse for iltindtag centreret omkring forsvindende små værdier.

"Det interessante er, vi fandt ud af, at på tværs af alt dette parameterrum, den kritiske grænse var altid centreret omkring 1 til 10 nanomolar pr. liter, "Zakem siger." Dette er minimumskoncentrationen for det meste af det realistiske rum, du ville se i havet. Dette er nyttigt, fordi vi nu synes, vi har et godt styr på, hvor lavt iltindhold der kommer i havet, og [vi foreslår], at bakterier styrer denne proces. "

Havets frugtbarhed

Ser frem til, Zakem siger, at teamets enkle bakteriemodel kan foldes ind i globale modeller for atmosfærisk og havcirkulation. Denne tilføjede nuance, hun siger, kan hjælpe forskere med bedre at forudsige, hvordan ændringer i verdens klima, såsom udbredt opvarmning og deoxygenering af havet, kan påvirke bakterier.

Selvom de er de mindste organismer, bakterier kan potentielt have globale virkninger, Siger Zakem. For eksempel, efterhånden som flere bakterier skifter til anaerobe åndedrætsformer i deoxygenerede zoner, de kan forbruge mere nitrogen og afgive som et biprodukt nitrogendioxid, som kan frigives tilbage i atmosfæren som en potent drivhusgas.

"Vi kan tænke på denne omstilling i bakterier som at sætte havets frugtbarhed, "Siger Zakem." Når nitrogen går tabt fra havet, du mister tilgængelige næringsstoffer tilbage i atmosfæren. For at vide, hvor meget denitrifikation og nitrogendioxidflux vil ændre sig i fremtiden, vi har absolut brug for at vide, hvilke kontroller der skifter fra at bruge ilt til at bruge nitrogen. I den forbindelse dette arbejde er meget grundlæggende. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.