Giver brændstof til et dybhavsøkosystem:Overraskende produktive mikrober er en nøglekilde til mad i afgrunden

Mile under havets overflade i den mørke afgrund, store samfund af undersøiske mikrober ved dybhavsvarme kilder omdanner kemikalier til energi, der gør det muligt for dybhavslivet at overleve – og endda trives – i en verden uden sollys. Indtil nu, imidlertid, at måle produktiviteten af ​​mikrobesamfund under havbunden - eller hvor hurtigt de oxiderer kemikalier og mængden af ​​kulstof, de producerer - har været næsten umuligt.

En ny undersøgelse foretaget af videnskabsmænd fra Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) har afsløret, at disse mikrobebaserede økosystemer er overraskende produktive og spiller en vigtig rolle, der understøtter liv højere oppe i fødekæden i det madudsultede dybe hav. De vurderer, at på verdensplan, mikrobielle samfund med hydrotermisk ventilation i dybhavet kan producere mere end 4, 000 tons organisk kulstof hver dag, livets byggesten. Det er nogenlunde den samme mængde kulstof i 200 blåhvaler - hvilket gør disse økosystemer blandt havets mest produktive på volumenbasis. Undersøgelsen vises i juni 11, 2018, udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi fandt ud af, at mikrobielle samfund, der lever under havbunden ved åbninger, kan generere lignende mængder kulstof som de velkendte dyresamfund over havbunden, som rørormene, som er kendt for at være lige så produktive som regnskovsøkosystemer, sagde Stefan Sievert, en mikrobiolog ved WHOI og seniorforfatter af undersøgelsen. "De betydelige mængder kulstof, som disse organismer producerer dagligt, er en vigtig kilde til føde og energi for andre organismer i dybhavet, hvor der generelt er meget mindre kulstof tilgængeligt." Når kulstof fra nedbrydning af havliv synker fra overfladevand til dybet, bakterier og andre mikroorganismer hugger væk på det, indtil det visner bort til marine gristle. "Det, der kommer ned fra overfladen til disse dybder, er ikke så meget, og ikke særlig fordøjelig for dybhavslivet, " sagde Jesse McNichol, der udførte dette arbejde som ph.d. studerende ved WHOI og er førsteforfatter til undersøgelsen.

Mikroberne ved åbninger får deres energi til at leve og vokse gennem kemosyntese, fodring af en kemisk cocktail af varme hydrotermiske væsker, der udgår fra havets skorpe. Og de, på tur, repræsentere bunden af ​​fødenettet, skaffe mad til andre organismer, der kræver prædannet organisk materiale, ligesom mennesker gør.

"Så mikroberne spiller en vigtig rolle ved at generere nye kilder til kulstof, som andre organismer kan forbruge, " sagde McNichol. "Baseret på det relativt lille område, som ventilationsåbningerne optager af havbunden, den samlede produktivitet dernede er lille sammenlignet med, hvad vi ser på overfladen, men lidt kan nå langt i det dybe hav, og det skaber også varme steder med aktivitet i nærheden af ​​ventilationsåbninger."

At måle produktiviteten af ​​mikrobesamfund under havbunden har været en skræmmende opgave. For at opnå det, forskerne indsamlede mikrobeprøver fra et velundersøgt udluftningssted på East Pacific Rise kendt som Crab Spa. Udluftningsvæskerne blev opsamlet i vandprøvetagningsbeholdere kendt som Isobaric Gas-Tight samplers (IGT'er), som er designet til at opretholde det ekstreme pres i det naturlige dybhavsmiljø, hvor mikroberne lever. "Hvis du bringer prøvetagerne op til overfladen uden at opretholde det tryk, der findes ved havbunden, " forklarede Jeff Seewald, en geokemiker ved WHOI, der udviklede disse prøveudtagere og er medforfatter til undersøgelsen, "gasser opløst i væsken vil udgasse, svarende til, når du åbner en flaske med brusende vand. Dette kan ændre væskens kemi og mikrobernes aktivitet."

I laboratoriet, dybhavstryk og temperaturer blev opretholdt, mens forskerne tilføjede kemikalier såsom nitrat, brintgas, og oxygengas til prøverne. Gennem denne proces, forskerne var i stand til at måle de hastigheder, hvormed mikroberne indtog bestemte kemikalier, og hvor effektivt de konverterede dem til biomasse, en kritisk parameter til at bestemme produktiviteten af ​​det mikrobielle økosystem.

For at gøre det, WHOI-forskerne gik sammen med forskere i Leipzig, Tyskland, at anvende en ny analysemetode kendt som NanoSIMS, giver dem mulighed for at matche mikrobernes identitet med deres kulstofproduktionshastigheder under forskellige inkubationsbetingelser på niveauet af individuelle mikrobielle celler, viser, at mikrober kendt som Campylobacteria (tidligere kendt som Epsilonproteobacteria) var de dominerende kulstofproducenter.

"Nogle af mikroberne i inkubationerne fordoblede deres populationer på få timer", sagde Sievert. "Dette peger på en meget aktiv biosfære under havbunden ved dybhavsåbninger."

I betragtning af den kritiske rolle, disse mikrobielle samfund spiller i det dybe hav, forskerne leder efter nye og mere rutineprægede måder at måle produktiviteten kilometer under havoverfladen på. For nylig, Sievert sammen med WHOI mikrobiolog Craig Taylor, mikrobiel biogeokemiker Jeremy Rich ved University of Maine, og ingeniører ved WHOI har modtaget finansiering fra National Science Foundation til at udvikle en ny type prøvetagningsinstrument kendt som Vent-Submersible Incubation Device ("Vent-SID"), der komplementerer den IGT-baserede tilgang.

"Det er designet til at inkubere mikrober og måle deres aktiviteter lige ved havbunden, " forklarede Sievert, at minimere tiden før inkubationerne kan starte efter at have taget en prøve. Bevæger sig fremad, forskerne planlægger også at måle mikrobiel produktivitet på andre udluftningssteder på tværs af det globale hav for at forfine estimaterne opnået i denne undersøgelse.

"Vi har studeret en type udluftningssystem, der er ret almindeligt, men vi vil gerne se på andre udluftningssteder, hvor der er en overflod af andre kemikalier som brint, for eksempel, og se, om produktivitetsværdierne ændrer sig væsentligt, " sagde McNichol.