De mange genetiske variationer af de små bakterier kaldet Prochlorococcus er fordelt i en lagdelt struktur, med hver variant tilpasset den særlige blanding af sollys og næringsstoffer, der findes i det lag af havvand. Kredit:Rogier Braakman (gengivet med tilladelse fra Proceedings of the National Academy of Sciences
William Blake har måske set en verden i et sandkorn, men for forskere ved MIT har den mindste af alle fotosyntetiske bakterier et fingerpeg om udviklingen af hele økosystemer, og måske endda hele biosfæren.
Nøglen er en lillebitte bakterie kaldet Prochlorococcus, som er den mest udbredte fotosyntetiske livsform i havene. Ny forskning viser, at dette lille væsens stofskifte har udviklet sig på en måde, der kan have hjulpet med at udløse stigningen af andre organismer, at danne et mere komplekst marint økosystem. Dens udvikling kan endda have været med til at drive globale ændringer, der muliggjorde udviklingen af Jordens mere komplekse organismer.
Forskningen tyder også på, at co-evolutionen af Prochlorococcus og dens indbyrdes afhængige co-organismer kan ses som et mikrokosmos af de metaboliske processer, der finder sted inde i cellerne i meget mere komplekse organismer.
Den nye analyse offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , i et papir af postdoc Rogier Braakman, Professor Michael følger, og institutprofessor Sallie (Penny) Chisholm, som var en del af holdet, der opdagede denne lille organisme og dens store indflydelse.
"Vi har alle disse forskellige stammer, der er blevet isoleret fra hele verdenshavene, der har forskellige genomer og forskellig genetisk kapacitet, men de er alle én art efter traditionelle mål, " Chisholm forklarer. "Så der er denne ekstraordinære genetiske mangfoldighed inden for denne enkelte art, der gør det muligt for den at dominere så store dele af jordens oceaner."
Fordi Prochlorococcus er både så rigeligt og så velundersøgt, Braakman siger, at det var et ideelt emne for at prøve at finde ud af "inden for al denne mangfoldighed, hvordan ændrer de metaboliske netværk sig? Hvad driver det, og hvad er konsekvenserne af det?"
De fandt en stor mængde variation i bakteriernes "metaboliske netværk, "som refererer til den måde, som materialer og energi passerer ind og ud af organismen, langs dens fylogeni. Det faktum, at så markante ændringer har fundet sted i løbet af Prochlorococcus-evolutionen "fortæller dig noget ganske dramatisk, " han siger, fordi disse metaboliske processer er så fundamentale for organismens overlevelse, at "det er ligesom systemets motor. Så forestil dig at prøve at skifte motoren på din bil, mens du kører. Det er ikke nemt at gøre, så hvis noget ændrer sig, det fortæller dig noget væsentligt."
Variationerne danner en slags lagdelt struktur, med flere forfædres varianter, der lever dybere i vandsøjlen og nyere varianter, der lever nær overfladen. Holdet fandt ud af, at da Prochlorococcus begyndte at leve i de øverste lag af havet, hvor lyset er rigeligt, men føden er relativt knap, det udviklede et højere og højere stofskifte. Den optog mere solenergi og brugte den til at drive en stærkere optagelse af knappe næringsstoffer fra vandet – faktisk, skabe en mere kraftfuld støvsuger, men i processen også generere mere affald, siger Braakman.
Da nyere varianter støvsugede næringsstoffer op i overfladelagene, flere forfædres typer måtte flytte ned til større dybder, hvor næringsstofniveauet forblev højere, resulterer i sidste ende i den lagdelte struktur, der ses i dag.
Kulstofforbindelserne, der udgør Prochlorococcus' affald, gav igen næringsstoffer, der drev udviklingen af en anden slags bakterier, kendt som SAR11, hvis egne affaldsprodukter var nyttige for Prochlorococcus, derved dannede et samarbejdssystem, der gavnede begge organismer. Den gensidige genanvendelse af affald styrker den kollektive maksimering af stofskiftet. "Det ser ud til, at systemet rent faktisk udvikler sig for at maksimere den samlede gennemstrømning" af energi, ikke kun for individuelle organismer, siger Braakman.
"Når de optimerer deres evne til at tilegne sig næringsstoffer, celler producerer mere organisk kulstof og ender med at fremme større niveauer af gensidighed, " Følger tilføjer.
Det indbyrdes afhængige, samarbejdsforhold ligner meget forholdet mellem mitokondrier og kloroplaster, de to slags underenheder, der leverer energien inde i cellerne af alle former for planteliv, siger Braakman. Kloroplaster opsamler energi fra sollys og bruger det til at danne kemiske forbindelser, der overfører energi til mitokondrier, som igen kan frigive og overføre kulstof og energi tilbage til kloroplaster og resten af cellen - gennem veje, der ligner meget dem, der bruges af Prochlorococcus og SAR11.
Andre funktioner ved de to systemer er også meget ens, herunder deres fotosyntetiske pigmenter og hvordan de håndterer afgiftningen af hydrogenperoxid. Dette tyder på, at parallelle evolutionære processer producerede det samme resultat i meget forskellige miljøer. "Planteceller ligner virkelig mikroskopiske havmikrobielle økosystemer, " forklarer han.
Dels på grund af disse paralleller, Braakman siger, at denne dynamik potentielt kunne beskrive udviklingen af biosfæren mere generelt. Han foreslår, at de matematiske beskrivelser af Prochlorococcus evolution, som han og Follows udviklede sammen, udspringer af grundlæggende principper for kinetik og termodynamik og kan således også give nogle indsigter i andre systemer. "Det kunne være en universel form for dynamik, " han siger.
Den nye analyse viser, at den lagdelte struktur af det marine bakterielle økosystem udviklede sig over tid, med nyere versioner, der fortrænger dem nær overfladen og tvinger dem ind på dybere niveauer. Kredit:Rogier Braakman (gengivet med tilladelse fra Proceedings of the National Academy of Sciences)
"Denne ramme kan også hjælpe os med at modellere livets interaktioner, sollys, og havkemi på havskalaen, " siger Follows.
Den metaboliske udvikling af Prochlorococcus kan have haft en anden vigtig effekt:Gennem en kompleks geokemisk cyklus, der involverer de kulstofforbindelser, som mikroben producerer, og deres interaktioner med jern, bakterierne kan have bidraget til en betydelig stigning i ilt i Jordens atmosfære for omkring en halv milliard år siden, fra meget lave niveauer op til nærmest moderne niveauer. Denne store stigning i ilt menes at have udløst en hurtig eksplosion af nye arter også kendt som den kambriske eksplosion, som så fødslen af de fleste større dyrefyler.
Hvad denne analyse antyder, han siger, "er det, der ligner en retningsbestemt evolutionær proces, som støt marcherer mod en retning, hvor den øger energistrømmen gennem systemet. En af konsekvenserne af det er, at så endte ilt med at stige i atmosfæren, og kompleksiteten af økosystemet steg."
En masse evolutionsteori lægger vægt på konkurrence, Braakman siger, hvor "der er begrænsede ressourcer, og vi kæmper alle for dem. Men hvad denne evolutionære dynamik siger, er, at det er en måde at øge ressourcerne for hele systemet, så alle har det bedre. Det øger de samlede systemressourcer."
Dette arbejde, Chisholm siger, viser, at "du virkelig skal tænke på evolution på alle disse skalaer, at forstå det. Det handler ikke kun om en flok egoistiske gener, der springer rundt. Hvis du vil forstå livet i alle dets dimensioner, du skal se på generne, men også helt op til økosystemerne. Intet af det vil give mening, hvis du ikke ser på det på alle de skalaer."
Dette teams "innovative integration af fylogeni, fysiologi, og genomik åbner nye veje til forskning i fytoplanktonudvikling, samtidig med at man stimulerer nytænkning om den langsigtede samudvikling af Jorden og livet, " siger Andrew Knoll, professor i naturhistorie ved Harvard University, som ikke var forbundet med denne forskning.
Sidste artikelForsker vejer ind i eventyrkredse i Namibia
Næste artikelTrump går videre med klimaet, endnu ikke noget om Paris-aftalen