Forskere afslører hemmelighederne bag gletsjer-fodrede vandløb, fra Grønland til Schweiz

Feltforskerne, der arbejder på Vanishing Glaciers-projektet, er ikke bange for højder. De klatrer til de iskolde tinder af bjergkæder fra Himalaya til Alperne, udstyret med hætteglas, pipetter, termometre og cylindre med flydende nitrogen (som de har givet tilnavnene Dido og Fido). Deres mål er at indsamle prøver af de mikroorganismer, der lever i gletsjer-fodrede vandløb og bringe dem tilbage til EPFL til analyse af deres kolleger.

Når verdens gletschere forsvinder, de tager velbevarede hemmeligheder med sig. Gletsjerafsmeltning er et af de mest synlige tegn på klimaændringer og vil i sidste ende få gletscherfodrede vandløb til at tørre op - hvilket ødelægger en vigtig, unikt økosystem.

Forskere ved EPFLs Stream Biofilm and Ecosystem Research Laboratory (SBER) arbejder hårdt på at lære disse hemmeligheder, før det er for sent. "Disse vandløb dræner taget af vores planet, " siger Tom Battin, leder af SBER og projektets ledende videnskabsmand. "Selvom vi ved, at planetens biogeokemiske kredsløb generelt er orkestreret af mikroorganismer, vi forstår endnu ikke den nøjagtige rolle af mikroorganismer, der lever i store højder. Så det er vigtigt, at vi studerer deres økosystemer og kortlægger, hvad konsekvenserne ville være, hvis de forsvandt."

Sampling af det usynlige

Ude i marken, biofilm er det eneste synlige bevis på mikroorganismerne, der befolker gletsjer-fodrede vandløb – selvom de er der i milliarder. Biofilm er det tynde, grønligt udseende, tyktflydende lag, der dækker vandløbenes klipper. I Arolla, i kantonen Valais, Martina Schön, en felttekniker, der arbejder på projektet, skraber biofilmprøver fra en sten, hun har set, og placerer dem forsigtigt i sin rygsæk til senere analyse.

I mellemtiden Felttekniker Matteo Tolosano indsamler sedimentprøver. "Vi delte prøvetagningsarbejdet op, så vi kan komme hurtigere frem. Men det er en mærkelig opgave, fordi vi prøver på noget, der dybest set er usynligt, " siger han. I nærheden, Vincent De Staercke står midt i et vandløb for at udføre en anden type feltarbejde - måling af iltkoncentrationen i vandet, hvor prøverne blev indsamlet, ved hjælp af sensorer og fiberoptiske kabler forbundet til en computer. "Det er de eneste levende data, vi har om mikroorganismerne, " siger De Staercke. "Hvis iltkoncentrationen falder, det betyder, at bakterier er til stede, fordi de indånder det."

Andre medlemmer af projektgruppen er ansvarlige for at indsamle prøver af gletscherens afløbsvand og analysere dets næringsstoffer og ionkoncentrationer. Dette vil give en indikation af, hvilke betingelser der er nødvendige for, at bakteriepopulationer kan leve og vokse. Mike Styllas, en ekspeditionsleder, forklarer:"Bakterier er ligesom os - de vil gerne spise! Men i disse farvande er der ikke meget valg på menuen."

Ud over at studere mikrobielt liv, forskerholdet ser også nøje på det omgivende miljø. "Vi forsøger at få et detaljeret øjebliksbillede af de omgivende forhold, " siger Schön. "En måde at gøre dette på er ved at tage målinger af variabler som vandtemperatur, iltkoncentration, kuldioxidniveau og pH."

Fra bjergtoppe til forskningslaboratoriet

Indtil nu, holdet har indsamlet vand- og sedimentprøver fra over 100 gletsjer-fodrede vandløb i New Zealand, Rusland, Grønland, Ecuador, Skandinavien og Alperne. Disse prøver bliver nu analyseret hos SBER. Hannes Peter, en videnskabsmand ved SBER, forklarer:"Disse prøver er exceptionelle på grund af de ekstreme forhold, de kom fra. Et af de første skridt, vi skulle tage i dette projekt, og en af ​​de vigtigste, var at designe vores testprotokoller til optimal effektivitet, så vi kan udføre alle de analyser, vi ønsker."

SBER-forskerne delte også deres arbejde op for maksimal effektivitet. En gruppe studerer mikrobiel økologi, det er, mikroorganismernes rolle i deres levesteder og samfund og hvordan de opfører sig. "Vi ser på faktorer relateret til biomassen, som er mængden af ​​levende organismer i vores prøver, " siger Peter. "For eksempel, vi måler klorofyl a-koncentrationer - en indikator for alger - tæller antallet af bakterieceller, og udføre eksperimenter med bakterieproduktion."

Tyler Kohler, en postdoc ved SBER, er ansvarlig for måling af ekstracellulære enzymer, hvilken, han siger, "er gode, fordi de lader os læse bakteriernes tanker." Disse enzymer, også kaldet exoenzymer, produceres af bakterier, når en forbindelse, de har brug for - som kulstof eller nitrogen - findes i deres omgivelser. "At studere exoenzymer giver os en idé om, hvad der hjælper bakterierne med at vokse og formere sig, siger Kohler.

På samme tid, andre SBER-forskere sekventerer og analyserer DNA'et fundet i prøverne. De bruger metagenomics til at sekvensere genomerne fra flere forskellige arter, der lever i samme miljø, og besvare afgørende spørgsmål som:Hvad er der? Hvorfor? Hvordan? "Vores analyser vil fortælle os præcis, hvor forskelligartet det mikrobielle samfund er i vores prøver, og lad os identificere genomerne af nogle af disse mikroorganismer, uanset hvilket samfund de er i, " siger Paraskevi Pramateftaki, en teknisk ekspert.

Prøver, fortælle os alt

Det væld af data, der genereres i dette projekt, vil give vigtig indsigt i de strategier, mikrober har vedtaget for at overleve under sådanne ekstreme forhold. Denne undersøgelse markerer første gang, at biogeokemisk information om gletsjerfodrede vandløb kombineres med data om strukturen og funktionen af ​​de mikroorganismer, der lever i disse vandløb.

Hvad har forskerne opdaget indtil videre? Først, at der er en stor og varieret mængde af mikrobielt liv i vandløbene. "Bare en teskefuld sediment kan indeholde op til en million bakterieceller og hundredvis af mikrobielle arter, siger Battin.

Sekund, at stort set de samme grupper og arter af mikroorganismer kan findes uanset hvor prøverne tages. Dette indikerer, at mikroorganismerne har tilpasset sig perfekt til deres omgivelser.

Og sidst men ikke mindst, fordi mikroorganismerne har meget lille kapacitet til at udvikle sig under så ekstreme forhold, de har gennemgået mikroevolution. Battin forklarer:"Mikroevolution har skabt en meget specifik form for mikrodiversitet, som kun findes i disse bakteriepopulationer. Og da gletschermiljøet ændrer sig, risikoen er, at mikroevolutionsprocessen – og mikrodiversiteten – forsvinder, tager noget af planetens biodiversitet med sig i større skala."

Forståelse af det usynlige

Vanishing Glaciers-projektet har, ligesom resten af ​​planeten, blevet ramt af pandemien, men forskerne håber stadig på at gennemføre deres planlagte ekspeditioner til Nepal, Centralasien, Andesbjergene og Alaska. I mellemtiden, de knuser stadig dataene fra prøver, der allerede er indsamlet. "Vores mål er at være i stand til at afsløre hemmelighederne bag mikrobielt liv i gletsjer-fodrede vandløb inden for de næste par år, og at forudsige, hvordan vandløbene og deres mikrobiomer vil ændre sig, når verdens gletsjere forsvinder, " siger Battin. "Med andre ord, vi ønsker bedre at forstå det usynlige."