Den biologiske nøglemekanisme er forstyrret af havforsuring

Et hold ledet af forskere fra Scripps Institution of Oceanography ved University of California San Diego og J. Craig Venter Institute (JCVI) har påvist, at det overskydende kuldioxid, der tilføres atmosfæren gennem forbrænding af fossile brændstoffer, interfererer med fytoplanktons sundhed som danner basis for marine fødevæv.

Fytoplankton er mikroskopiske planter, hvis vækst i havets overfladevand understøtter havets fødevæv og globalt havfiskeri. De er også nøglemidler i den langsigtede fjernelse af kuldioxid (CO ₂ )

Som rapporteret i 14. marts-udgaven af Natur , holdet viser, at en mekanisme, der i vid udstrækning anvendes af fytoplankton til at erhverve jern, har et behov for carbonationer. Stigende koncentrationer af atmosfærisk CO ₂ forsurer havet og reducerer karbonat, og holdet viser, hvordan dette tab af karbonat påvirker planteplanktons evne til at få nok af næringsstoffet jern til vækst. Havforsuring er klar til at reducere koncentrationen af ​​havoverfladecarbonationer med 50 procent ved udgangen af ​​dette århundrede.

Studiet, "Karbonatfølsomt phytotransferrin kontrollerer højaffinitetsjernoptagelse i kiselalger, " blev finansieret af National Science Foundation, Gordon og Betty Moore Foundation, og det amerikanske energiministerium. Det afslører en uventet drejning af teorien om, hvordan jern styrer væksten af ​​fytoplankton. Ved at vise, hvordan tabet af havvandscarbonat hæmmer planteplanktons evne til at gribe ind i jern, forfatterne viser en direkte sammenhæng mellem virkningerne af havforsuring og sundheden for fytoplankton i bunden af ​​den marine fødekæde.

"I sidste ende afslører vores undersøgelse muligheden for en 'feedback-mekanisme', der virker i dele af havet, hvor jern allerede begrænser væksten af ​​fytoplankton, " sagde Jeff McQuaid, hovedforfatter af undersøgelsen, der gjorde opdagelserne som ph.d.-studerende ved Scripps Oceanography. "I disse regioner, høje koncentrationer af atmosfærisk CO ₂ kan mindske planteplanktonvæksten, begrænser havets evne til at optage CO ₂ og dermed føre til stadig højere koncentrationer af CO ₂ akkumuleres i atmosfæren."

"Undersøgelser, der undersøger virkningerne af høj CO ₂ om planteplanktonvækst har vist blandede resultater til dato. I nogle tilfælde, visse planteplankton synes at have gavn af høj CO ₂ , " tilføjede Andrew E. Allen, en biolog med fælles ansættelse hos Scripps og JCVI, som er seniorforfatter og initiativtager til undersøgelsen. "De fleste af disse undersøgelser, imidlertid, er blevet udført under høje jernforhold. Vores undersøgelse afslører en udbredt cellulær mekanisme, der tyder på høj CO ₂ kan være særligt problematisk for fytoplanktonvækst i områder med lavt jernindhold i havet."

En konsekvens af forsuring er en næsten en-til-en reduktion i koncentrationen af ​​carbonationer for hvert molekyle af CO ₂ der opløses i havet. Koncentrationen af ​​atmosfærisk CO ₂ er forudsagt at fordobles ved udgangen af ​​dette århundrede; dermed, koncentrationen af ​​karbonationer ved havets overflade vil næsten halveres inden år 2100. Mens den negative indflydelse af forsuring på koraller og skaldyr er kendt, dette er den første undersøgelse, der afslører en mekanisme, der påvirker livet, som danner grundlaget for de fleste marine fødevæv.

Denne undersøgelse reviderer et nøglebegreb inden for oceanografi, at væksten af ​​planteplankton i store områder af havet er reguleret af koncentrationen af ​​jern. I havområder med højt indhold af opløste næringsstoffer som nitrogen og fosfor, jernbegrænsning resulterer i et lavt antal fytoplankton i forhold til mængder af tilgængelige næringsstoffer. Tilsætning af jern til disse områder forårsager fytoplankton, især kiselalger, at vokse. I den største af disse regioner, det sydlige ocean, koncentrationer af tilgængeligt jern er under en billiontedel af et gram pr. liter, nærmer sig grænsen, der understøtter livet.

Havforskere har brugt årtier på at undersøge, hvordan fytoplankton er i stand til at fange så lave koncentrationer af jern fra havvand og internalisere det.

"Forståelse af mekanismen for jernoptagelse er afgørende for at udvikle meningsfulde forudsigelser om, hvordan fytoplankton kan reagere på fremtidige havforhold, men denne forståelse har været undvigende, " sagde Adam Kustka, en spormetalfysiolog og projektsamarbejdspartner fra Rutgers University.

Ledetråde begyndte at dukke op i 2008, da Allen opdagede flere jern-responsive gener i kiselalger, som ikke havde nogen kendt funktion. Samme år, McQuaid rejste rundt i Østantarktis for at hjælpe med en undersøgelse af plankton i det sydlige ocean. DNA-analyse af disse prøver afslørede, at et af Allens jerngener ikke kun var til stede i hver prøve af havvand, men hver større planteplanktongruppe i det sydlige Ocean så ud til at have en kopi.

"Dette gen, kaldet ISIP2A, var et af de mest transskriberede gener i det sydlige Ocean med lavt jernindhold, tyder på, at det havde en virkelig vigtig rolle i miljøet, " sagde Allen.

Tidligere undersøgelser tydede på et transferrin-lignende protein, kaldet phytotransferrin, var på arbejde i havmiljøet, men ISIP2A lignede intet transferrin. Det krævede udviklingen af ​​en helt ny disciplin, syntetisk biologi, at hjælpe med at bevise holdets hypotese om, at ISIP2A var en type transferrin. Syntetisk biologi er sammensmeltningen af ​​biologi og teknik, og i samarbejde med forskere med Venter Instituttet, holdet udviklede metoder til at indsætte syntetisk DNA i en marin kiselalger. Forskerne slettede ISIP2A og erstattede det med et syntetisk gen for human transferrin, demonstrerer, at ISIP2A var en type transferrin.

Holdet indledte derefter en undersøgelse for at undersøge de evolutionære forhold mellem transferrin og phytotransferrin. Til deres overraskelse, proteinerne var funktionelle analoger, hvis ældgamle oprindelse strækker sig til den præ-kambriske periode af Jordens historie, før udseendet af moderne planter og dyr.

"Forekomsten af ​​phytotransferrin for omkring 700 millioner år siden er i overensstemmelse med en tid i Jordens historie præget af massive ændringer i havets kemi, og denne gamle evolutionære historie hjælper med at forklare, hvorfor ingen har forbundet ISIP2A og transferrin, sagde Miroslav Oborník, en molekylær evolutionær biolog fra University of South Bohemia og medforfatter på papiret.

I transferrin, jern og karbonat binder sig samtidigt, og ingen af ​​dem kan binde i fravær af den anden. En sådan synergistisk binding er unik blandt biologiske interaktioner. Forskerholdet antog, at kiselalger phytotransferrin bruger en lignende mekanisme, og at som resultat, reduktioner i carbonation kan føre til reducerede fytoplanktonvæksthastigheder.

Ved hjælp af en række biokemiske metoder, forskerne var i stand til uafhængigt at manipulere pH sammen med koncentrationerne af jern og carbonation. Da de pumpede i stigende koncentrationer af CO ₂ , holdet viste, at deres kiselalgers evne til at gribe ind i jern faldt proportionalt med koncentrationen af ​​carbonationer.

"Da karbonat og jern skal bindes samtidigt, når carbonatkoncentrationen falder, phytotransferrin er i stand til at 'se' mindre jern, " sagde McQuaid. "Den samlede mængde jern ændrer sig ikke - snarere ændres evnen til at gribe fat i det, og dette påvirker i sidste ende vækstraten."