Victoria Orphan har älskat havet så länge hon kan minnas. Hon brukade snorkla i Stilla havet nära sin familjs hem i San Diego, Kalifornien. Hon tog sin mask och snorkelrör för att besöka den dolda världen av växter och djur under havets yta. Orphan gick på college vid University of California, Santa Barbara i början av 1990-talet. Där upptäckte hon något som förändrade hennes sätt att tänka på haven – och livet på jorden.
En annan elev visade henne en liten flaska med havsvatten. Orphan tyckte inte att det såg så intressant ut. Det var bara vanligt gammalt vatten. Sedan tillsatte den andra studenten en fluorescerande kemikalie i vattnet och lyste ultraviolett ljus på det. Röret lyste upp när miljontals små bakterier började glöda. Bara några ögonblick tidigare hade mikroberna varit osynliga. “Dessa små organismer fanns överallt”, säger Orphan, “och ändå kunde vi inte se dem. Vi visste nästan ingenting om dem.”
Hon tillbringar nu sina dagar med att utforska denna dolda encelliga värld. Som geobiolog vid Caltech i Pasadena, Kalifornien, studerar hon hur bakterier och annat mikroskopiskt liv formar djuphavet.
På en forskningsfartyg, Victoria Orphan håller ett rör med sediment hämtat från havsbotten. Det orange materialet är en stor matta av bakterier. Forskare samlade insekterna från en spricka i havsbotten nära Kalifornien. Det är en plats där metangas sipprar ut.
Victoria Orphan
Bakterier spelar en central roll i många ekosystem. Dessa inkluderar haven, marken och atmosfären. De är också en stor del av det globala näringsnätet. Bakterier gör det möjligt för allt annat liv på jorden att existera. Det är därför forskare säger att dessa encelliga organismer är den osynliga ryggraden i allt liv – åtminstone på jorden.
Ändå finns det mycket vi inte vet om dem. Forskare tror att de har identifierat färre än en procent av alla bakteriearter. Det har drivit Orphan och andra att utforska mysterierna i deras encelliga värld. De misstänker att bakterier kommer att visa sig vara nyckeln till att förstå – och skydda – jordens viktigaste naturresurser.
Metanätarna
Vissa bakterier äter väldigt konstiga saker. Forskare har hittat bakterier som äter stenar, avlopp – till och med kärnavfall. Orphan studerar en typ av bakterier som lever på havsbotten och slukar upp metan.
Förklarare: CO2 och andra växthusgaser
Metan är en växthusgas. Liksom koldioxid och vissa andra växthusgaser kommer den ut i luften när människor eldar olja, gas och kol. Det finns också naturliga källor till metan, som naturgas, risproduktion och kogödsel. Växthusgaser fångar värme i atmosfären. Ett överskott av dessa gaser i jordens atmosfär har värmt upp det globala klimatet.
Metan kan sippra ut ur jorden på havsbotten. Vissa forskare säger att ännu mer metan skulle fly ut i atmosfären om det inte var för marina bakterier. Vissa av dessa bakterier äter på metan. Det gör att haven kan fånga en enorm mängd av gasen. “Dessa mikroorganismer är grindvakterna. De hindrar havets metan från att komma in i atmosfären där det kan förändra växthusgasnivåerna”, förklarar Orphan.
Att hitta encelliga organismer på den stora havsbotten kan vara en utmaning. Genom fönstret på en ubåt letar hon efter klasar av musslor och gigantiska rörmaskar. Dessa organismer signalerar att osynliga marina bakterier lever där också. Var än dessa metanätare bor, skapar de nya molekyler när de äter. Andra organismer använder dessa nya molekyler som föda. Ett helt näringsnät dyker upp på havsbotten.
Orphan och hennes team har hittat metanätande bakterier längs sprickor på havsbotten, där denna gas sipprar ut. Dessa sprickor inträffar ofta där två tektoniska plattor
stöter på varandra.
Vissa bakterier, lärde de sig, kan bara äta metan genom att samarbeta med andra encelliga organismer som kallas archaea (Ar-KEE-uh). Den viktiga detaljen kan hjälpa forskare att bättre förutsäga hur mycket metan som kommer ut i luften, säger Orphan.
I skyttegravarna
Metanätare är inte de enda djuphavsbakterierna som intresserar forskare. “Djupa havet är hem för några ganska coola mikrober”, säger Jennifer Biddle. Hon är marinmikrobiolog vid University of Delaware i Newark. Biddle studerar bakterier som lever i djuphavsgravar.
Mariangraven är den djupaste platsen på planeten . Jennifer Biddle och kollegor upptäckte nya ledtrådar om bakterierna som överlever här.
Kmusser /Wikimedia Commons (CC-BY-SA-3.0)
Dessa undervattenskanjoner är några av de minst studerade platserna på jorden. De är otroligt svåra att nå. Challenger Deep vinner rekordet för den djupaste kända platsen på planeten. På botten av Mariana Trench, i västra Stilla havet, ligger Challenger Deep cirka 11 kilometer (mer än 7 miles) under havsytan. Om Mount Everest, världens högsta berg, satt i Mariangraven, skulle dess topp fortfarande vara mer än en mil under vågorna.
Mariangraven är en av de tuffaste platserna för livet att överleva. Noll solljus når den. Dess temperaturer är kyliga. Stora djur, som valar eller fiskar, kan inte besöka dem eftersom det intensiva trycket där skulle krossa dem. Lite förvånande, alltså, att de flesta av lokalbefolkningen är mikroskopiska. De har anpassat sina extrema förhållanden.
Biddle och andra forskare slog sig ihop med djuphavsforskare för att skicka en ubåt till Challenger Deep. James Cameron lotsade fartyget. (Han är filmregissören känd för Avatar
och Titanic.) Cameron besökte botten av Challenger Deep i mars 2012 när han gjorde en dokumentär som heter Deepsea Challenge 3D. Men subens vandring var inte bara för att få fascinerande video för den stora skärmen. Fartyget förde också tillbaka sediment från botten av diket.
Biddle och de andra forskarna screenade det sedimentet för DNA. De letade efter gener från bekanta bakterier. De hittade bevis på några kända som Parcubacteria.
Förklarare: DNA-jägare
Forskare visste inte ens att denna stora grupp bakterier existerade förrän 2011. Då hittade de några i grundvatten och smuts från några platser på land. Men Biddles grupp visade nu att den också överlever i ett av havets mest otillgängliga djup.
Här, på dikets golv, andades mikroberna kväve, inte syre (som de gjorde på land). Och det är vettigt. De hade anpassat sig till kväve eftersom deras hem hade liten tillgång till syre.
Ju fler platser vi hittar sådana föga kända bakterier, säger Biddle, desto mer kan vi lära oss om vad de gör för sina ekosystem.
Berättelsen fortsätter under videon.
År 2012 reste filmregissören James Cameron till den djupaste platsen i havet: Challenger Deep. Där samlade han vatten- och sedimentprover som forskare kunde studera.World Science Festival
Från bröd till biobränslen
Även bakterierna i våra kök och komposthögar intresserar forskarna.
Surdegsbröd får sin unika syrliga smak när en blandning av bakterier mumsar på sockerarterna i brödmjölet. Dessa bakterier gör koldioxid, syror och andra smakrika föreningar. Men för att fungera behöver surdegsbakterier sina vänner. Isolera bara en bakterieart från blandningen och den kemiska reaktionen kommer inte att inträffa. Ingen surdeg.
Mikrobiologen Steve Singer bor nära San Francisco, en stad i Kalifornien som är känd för surdegsbröd. Han arbetar för Department of Energy vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Och han misstänkte att han kunde använda lärdomarna av surdeg för att göra bättre biobränslen. Dessa växtbaserade bränslen kan driva bilar eller lastbilar. De anses vara “gröna”, vilket betyder mer jordvänliga än fossila bränslen.
För idéer om hur man gör jordvänliga bränslen studerar mikrobiologen Steve Singer bakterier som lever på sopor.
Steve Singer
För att göra biobränslen måste forskare bryta ner växter till sockerarter. Dessa sockerarter kan sedan omvandlas till bränslen som etanol (en typ av alkohol). De kemiska reaktionerna som bryter ner växterna kräver hjälp av enzymer. Dessa är molekyler som sätter igång eller påskyndar kemiska reaktioner.
De enzymer som för närvarande används för att tillverka biobränslen är dyra. De fungerar inte heller bra, säger Singer. Det är därför forskare över hela världen letar efter enzymer som kan sänka kostnaderna och påskynda produktionen av biobränslen.
Han vände sitt sökande efter dem till komposthögen. Där arbetade bakteriesamhällen hårt med att bryta ner ruttnande frukter och grönsaker.
Singer tog ett litet prov av komposten tillbaka till sitt labb. Där lät han bakterier från komposten växa i en bägare. Senare samlade han enzymer som dessa bakterier gjorde och testade dem på andra växtbitar. Det fungerade: Enzymerna bröt ner växterna till sockerarter.
Precis som surdegsbakterierna behöver sina vänner för att fungera, upptäckte Singer att dessa mikrober producerade de användbara enzymerna endast när de var en del av robusta samhällen av olika kompostbakterier. Singer skalar nu upp sitt projekt. Hans team odlar bakterier i enorma kar som kallas bioreaktorer. Efter att han tillverkat massor av de nya enzymerna kan han testa om de fungerar bättre än befintliga för att omvandla växtavfall till bränslen.
“Att ta något från miljön och försöka ta reda på hur det fungerar är en av de bästa delarna med att vara mikrobiolog”, säger Singer.
Metamikrober
Singer studerar sina nya enzymer utan att veta vilka bakterier som gör dem. Det här är inte så ovanligt. Bakterier är osynliga för blotta ögat. Även med ett mikroskop kan det vara svårt att skilja två arter åt. De ser inte lika olika ut som två fågelarter eller blommor.
Forskare behövde ett annat sätt att skilja bakterier åt och veta när de har stött på nya. Nyckeln till denna undersökning: DNA.
Alla organismer fäller lite DNA i hela sin miljö. “Det är som ett fingeravtryck. Var och en är unik”, förklarar Kelly Ramirez. Hon studerar bakterier vid Dutch Institute of Ecology i Wageningen.
Torka av din köksbänk och du kanske hittar mänskligt DNA (från dig och dina föräldrar). Det kan vara lite växt-DNA (från grönsakerna du precis skar upp) och från en svamp eller två. Det kan till och med finnas lite hund- eller katt-DNA om du har ett husdjur. Du kommer också att få ett gäng bakteriellt DNA eftersom, ja, bakterier finns överallt!
Alla de bortkastade genetiska bitarna är kända som miljö-DNA, eller eDNA.
Mer än 1 000 forskare arbetar tillsammans för att katalogisera alla bakterier på planeten. Deras projekt heter Earth Microbiome Project. Hittills har de samlat in mer än 100 000 bakterieprover. Här är några av platserna de har letat.
Earth Microbiome Project
Forskare kan använda dessa genetiska fingeravtryck för att upptäcka nya bakterier, konstaterar Ramirez. De behöver bara ta med lite smuts eller havsvatten eller kompost till ett labb och kolla vad som finns i det.
Summan av allt genetiskt material i en miljö kallas metagenom (MET-uh-GEE-noam). Se det som en DNA-soppa. Alla molekyler som används för att bygga gener från olika organismer blandas ihop.
Forskare använder datorer för att reda ut röran.
Som ett såll filtrerar datorprogram soppan. De letar efter välbekanta mönster som kallas genetiska sekvenser. De bildar en organisms DNA-fingeravtryck. Om forskare hittar ett fingeravtryck de inte känner igen kan det bero på att det kommer från någon ny art.
Forskare kan jämföra dessa mönster med fingeravtrycken från bekanta bakterier för att se var de nya bakterierna faller inom livets träd. “Vi kan nu upptäcka nya mikrober utan att någonsin se dem”, förklarar Biddle vid University of Delaware.
Den bakteriella delen av livets träd spirar nya skott och grenar snabbare än någon gång i historien. För 30 år sedan passade alla kända encelliga organismer på planeten in i ett dussin stora grupper. Nu finns det cirka 120 kända grupper, eller phyla (FY-lah). Och antalet namngivna bakterier i varje grupp växer dagligen.
Litt liv, big data
Vad får du när du lägger ihop DNA-sekvenserna för miljoner nya bakterier? Massor av data.
Man kan tänka på planeten som en maskin, och alla ekosystem på jorden som maskinens delar, säger Jack Gilbert. Alla dessa data om bakteriellt DNA är nyckeln till att “förstå delarna som utgör maskinen och hur de alla fungerar tillsammans”, säger han. Gilbert är mikrobiolog vid Argonne National Laboratory nära Chicago, Ill.
Hans team försöker organisera dessa data i en virtuell katalog över alla bakterier på jorden. Det kallas Earth Microbiome Project. Mer än 1 000 forskare runt om i världen hjälper till att samla in prover. De letar i en mängd olika miljöer och testar dem sedan för bakteriellt DNA.
Hittills har forskarna samlat in 100 000 prover. De har katalogiserat bakterier från det djupaste havet. De har hittat bakterier på den internationella rymdstationen, cirka 350 kilometer (220 miles) över jorden. De har upptäckt bakterier på exotiska platser som Amazonas regnskog och vanliga platser som offentliga toaletter.
Klassrumsfrågor
Att upptäcka vilka bakterier som lurar där – och varför – är det första steget för att förstå hur olika ekosystem driver den enorma maskin vi tänker på som liv på jorden. Att lära sig om bakterier kan hjälpa oss att svara på frågor om hur vår planet fungerar, säger Gilbert. Bakterier kan förklara varför korallreven i havet myllrar av liv. Eller så kan de förklara varför jordarna i den nordamerikanska prärien är så bra för att plantera grödor.
Det är därför denna sökning är så viktig, säger han: “Det här är kunskap som kan hjälpa oss att ta bättre hand om planeten.”
Leave a Reply