To havundersøgelser ser på mikroskopisk mangfoldighed og aktivitet på tværs af hele planeten

I et forsøg på at vende nedgangen i verdenshavenes sundhed, De Forenede Nationer (FN) har erklæret 2021 til 2030 til at være tiåret for havvidenskab for bæredygtig udvikling. Et nøglekrav til det videnskabelige initiativ er data om eksisterende globale havforhold. En vigtig skare af data er allerede tilgængelig takket være Tara Oceans ekspeditionen, en international, tværfaglig virksomhed, der indsamlede 35, 000 prøver fra alle verdenshavene mellem 2009 og 2013. Prøverne blev indsamlet af forskere ombord på en skonnert, Taraen, i dybder fra overfladen til 1, 000 meter dyb.

To artikler bliver offentliggjort den 14. november i tidsskriftet Celle er de seneste til at bruge prøver og data indsamlet under Tara Oceans ekspeditionen til at analysere mangfoldighed på tværs af hele planktonplaneten, mikroskopiske organismer, der driver på havstrømme, der er nøglen til vores haves velbefindende. En undersøgelse fokuserede på mangfoldigheden af ​​plankton på tværs af Jordens oceaner, hvorimod den anden undersøgelse vurderede genekspression blandt mikrobielle samfund som en måde at forudsige, hvordan disse samfund kan tilpasse sig til skiftende miljøforhold.

Planktondiversitet på tværs af forskellige breddegrader

"Alt i havet er forbundet, hvilket betyder, at den har potentialet til at bevæge sig rundt, " siger Chris Bowler, en National Center for Scientific Research (CNRS) videnskabsmand ved Institut de Biologie de l'Ecole Normale Superieure (IBENS) i Paris og en co-senior forfatter af planktonundersøgelsen. "Dette gør det vigtigt at samle alt på en global skala. At lave dyb analyse giver os også mulighed for at fange de sjældne organismer i biosfæren ud over dem, der er mere rigelige."

"Vores undersøgelse fokuserede på plankton, fordi det er en væsentlig bidragyder til marine økosystemer med hensyn til biomasse, overflod, og mangfoldighed, " siger co-senior forfatter Lucie Zinger fra IBENS. "Alle typer af liv har repræsentanter i plankton-bakterier, archaea, protister, dyr og planter, samt vira. Men det store flertal af denne mangfoldighed er usynlig for det blotte øje."

Avisen rapporterer, at det store flertal af planktongrupper, fra kæmpe vira til små dyr, følg en gradient af diversitet langs breddegrader, med det laveste niveau af diversitet tættest på polerne. "Havtemperaturen er hovedsagelig ansvarlig for dette mønster, "Zinger bemærker. "Opvarmning af havet på grund af klimaændringer vil sandsynligvis føre til en 'tropicalisering, ' eller øge, af planktondiversitet i tempererede og polære farvande. Konsekvenserne af dette er stadig uklare, men vi ved, at disse geografiske områder i øjeblikket er meget vigtige for forskellige økosystemtjenester, herunder fiskeri og kulstofbinding."

Et innovativt aspekt af denne undersøgelse var, at den kombinerede både billeddannelse og DNA-baserede teknikker til at vurdere planktondiversiteten. "Vi ved meget om, hvordan man behandler information fra DNA-sekvenser, " siger Bowler. "Men billeder er meget mere komplicerede. Vi observerede mange forskellige morfologier og forskellige adfærd hos disse organismer. Der er mange nye organismer og nye former for interaktioner mellem dem, der stadig mangler at blive opdaget."

Forstå aktiviteten af ​​mikrobielt liv på forskellige havdybder og geografier

Transkriptomundersøgelsen kombinerede metagenomiske og metatranskriptomiske data, giver holdet mulighed for at analysere analysen af, hvilke gener der var til stede, samt hvilke gener der var tændt, i havets mikrobielle samfund på tværs af gradienter af både dybde og breddegrad. Tidligere undersøgelser af mangfoldigheden af ​​marine mikrobielle liv har primært fokuseret på genomer. Dette var den første til at se på transkriptomer på global skala.

"At se på transkriptomer er vigtigt for at bestemme, ikke kun hvilke mikrober der er til stede, men hvad disse mikrober rent faktisk gør med hensyn til aktiviteter som fotosyntese og næringsstofoptagelse, " siger seniorforfatter Shinichi Sunagawa fra Institut for Mikrobiologi og Schweizisk Institut for Bioinformatik ved ETH Zürich. "Et af vores mål var at lære, om mikrobielle samfund tilpasser sig miljø- og temperaturvariationer med ændringer i deres sammensætning i forhold til hinanden eller med ændringer i genekspressionsmønstrene i disse samfund."

Efterforskerne fandt, at med hensyn til taksonomisk, genomisk, og transkriptomisk sammensætning, der er særskilte økologiske grænser, der adskiller både overfladevand fra dybt vand og polære områder fra ikke-polære områder. De forventede at se nogle af disse ændringer - såsom forskelle i niveauerne af fotosyntetiske organismer i forhold til vanddybden. Men nogle andre observationer var ret uventede.

"Vi forventede ikke at finde biogeografiske mønstre for de underliggende mekanismer for metatranskriptomisk sammensætningsvariation. Specifikt, vi fandt, at forskelle i polarsamfund var domineret af ændringer i organismesammensætning, mens du er i ikke-polære farvande, forskellene var domineret af ændringer i ekspressionen af ​​gener, " siger Sunagawa. Han tilføjer, at hans team også var overrasket over at finde genomiske og transkriptomiske beviser for en nitrogenfikserende bakterie i dybe arktiske farvande.

"Hver dråbe havvand er fuld af mikrober, som spiller en central rolle i mange processer, der er relevante for livet på Jorden, " bemærker han. "Forståelse af de økologiske faktorer, der bestemmer mangfoldigheden, sammensætning, og aktiviteten af ​​disse organismer er afgørende for bedre at modellere og forudsige fremtidige afvigelser, især i lyset af klimaændringer."

En begrænsning af de data, der kommer fra Tara Oceans ekspeditionen, er, at prøverne blev indsamlet over en relativt kort periode, mindre end fire år. Dette gør det vanskeligt at observere nogen målbare tendenser i nutidens have relateret til klimaændringer. Forskerne siger, at længerevarende undersøgelser er nødvendige for at tage højde for ændringer i faktorer som forsuring, deoxygenering, og forurening.

En opfordring til havvidenskab i lyset af klimaændringer

Forskere undersøger de barrierer, der har forhindret ændringer i havbæredygtighedspolitikken hidtil, og foreslår strategier til at overvinde disse udfordringer i et Perspective-publikation den 14. november i det nye Celle Pressejournal Én Jord .

"Som afsløret af udgivelserne af den mellemstatslige videnskabspolitiske platform for global vurdering af biodiversitet og økosystemtjenester og af IPCC's særlige rapport om havet og kryosfæren, begge i 2019, det haster nu med at engagere sig i bæredygtige veje, " siger den tilsvarende forfatter Joachim Claudet fra CNRS. Han tilføjer, at de største trusler mod havets bæredygtighed er overudnyttelse af fisk, skaldyr, og andre organismer; land- og havbaseret forurening; og ændring af land/havbrug, herunder kystudvikling til infrastruktur og akvakultur; og klimaændringer.

"Vi har brug for videnskab til at udvikle beviser, der bedre kan informere politikker for at implementere levedygtige løsninger, såvel som operationelle og transformative handlinger, der bedre kan påvirke samfund, fra lokal til global skala, " siger han. "Tara-ekspeditionerne har flere værdier. De giver os mulighed for at indsamle lokale naturlige, kemisk, og fysiske in situ-data på havskala. Disse data kan indgå i både grundlæggende og anvendt forskning. Taras opsøgende programmer kan også være en drivkraft for den mest nødvendige ændring i opfattelsen af, at havet er både meget værdifuldt og sårbart."