När Alyson Santoro flyttade från Kalifornien till Massachusetts 2008 fraktade hon de flesta av sina saker med lastbil. Men Santoro höll ett viktigt föremål nära när hon körde genom landet. Det var en plastkylare. Fyra fyrkantiga flaskor satt inuti, var och en inlindad i stanniol. Havsvattnet som skvalpade runt i dem innehöll miljontals mystiska mikrober.
Santoro hade öste upp de vattenburna mikroberna ett år tidigare när han kryssade Stilla havet. De var i vattnet som hon provtog som en del av forskningen för sin doktorsexamen. i mikrobiologi. Den två veckor långa kryssningen hade varit hennes första tid till sjöss. Och hon hade jobbat oavbrutet och knappt sovit. Väl hemma igen stoppade Santoro in de fyra flaskorna med havsvatten i sitt kylskåp, bakom mjölken. Sedan föll hon ihop och tog en tupplur.
Och de flaskorna förblev orörda i kylen tills Santoro äntligen körde över landet nästa år. Hon behandlade varje flaska med stor omsorg. Varje natt, till exempel, bodde de på hennes hotellrum medan hon sov tillsammans med flera känsliga orkidéplantor som hon hade lockat till att blomma. “De gillar att vara precis runt rumstemperatur”, säger hon om både orkidéerna och hennes havsmikrober.
Hon visste det inte då, men de mikroberna skulle hjälpa till att svara på en fråga som förbryllat forskare i decennier: Varför förvandlar inte enorma mängder ruttnande avfall haven till ett enormt, ohälsosamt avlopp?
Santoro trodde att svaret låg hos speciella mikrober, kallade archaea (Ar-KEE-ah).
Biologer tycker att archaea är en sann kuriosa. De utgör en av livets tre huvudgrenar. De två mer kända grenarna är bakterier och eukaryoter (u KARE ee otz). Den sista grenen inkluderar djur, växter och svampar. Men arkéer har förblivit mystiska. Mycket lite är känt om dem. Faktum är att deras unika status inte ens erkändes förrän relativt nyligen, 1977.
Men om Santoro hade rätt gjorde dessa mystiska arkéer ett enormt jobb – att torka upp ett avfall som annars skulle förgifta stora havsarter.
Ammoniak muncher
Men skadliga nivåer av ammoniak byggs inte upp i haven. I 50 år har biologer undrat över vad som kan ta bort det. De antog att mikrober måste spela en roll. Men vilka? Haven innehåller trots allt miljontals olika typer. Ändå skulle bara ett fåtal av dem äta ammoniak.
Santoro var bland dem som letade efter den hjälpsamma mystiska mikroben. Hon trodde att vissa okända arkaearter måste sluka ammoniak så snabbt som den bildas. Och den måste omvandla den ammoniaken till andra kemikalier.
Samma archaea, resonerade Santoro, kan till och med ligga i centrum för ett andra mysterium – källan till enorma mängder av en gas som kallas lustgas (N 2O). Varje år lämnar nästan 2 miljoner ton av denna gas världens hav. När den kommer in i atmosfären fungerar den som en potent växthusgas. Gram för gram absorberar lustgas mer solljus – och värmer upp atmosfären mycket starkare – än koldioxid.
Ingen visste vilken livsform som låg bakom all denna lustgas. Allt biologer visste var att denna gas bar en konstig kemisk signatur. Precis som med den ammoniakätande mikroben var vilken organism som än producerade lustgas också okänd för vetenskapen.
Santoro trodde att en okänd typ av arkea låg bakom båda mysterierna. Den slukade ammoniak och rapade ut enorma mängder dikväveoxid.
Svårt att växa
Anta att du har ett okänt frö. Du kan ta reda på vilken typ det är genom att sticka den i jord, vattna den och vänta på att se vilken typ av växt som gror. Under lång tid identifierade biologer mystiska mikrober på ungefär samma sätt. De skulle placera dem i små glasflaskor eller petriskålar och mata dem. När de väl fick nog av mikroben kunde de identifiera dess gener. Eller så kan de göra experiment för att se vad den äter och hur den lever.
Att odla mikrober är ungefär som att odla orkidéer eller andra knepiga krukväxter, konstaterar Santoro, som nu arbetar vid University of Maryland Center for Environmental Science i Cambridge. Du måste prova olika temperaturer och menyalternativ.
De där flaskorna med havsvatten som Santoro samlade in kan ha innehållit en miljon olika typer av mikrober. Men 99 av 100 hade aldrig odlats i ett labb tidigare.
“Det finns en stor värld av mikrober där ute som inte vill leva i våra djurparker”, säger Edward DeLong. Han är mikrobiell ekolog vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. Mikroorganismernas vägran att växa i labbet förbryllar forskarna. Det hindrar också forskare från att förstå hur mikrober formar miljön.
Om du gör några experiment kan du lära dig hur var och en överlever öknen. Kaniner växer och förökar sig snabbt. Så under goda år, när det finns mycket mat, skjuter deras antal i höjden. Sköldpaddor växer långsamt, men de behöver väldigt lite vatten och mat. Så antalet sköldpaddor förändras långsamt under goda och dåliga år.
Odla sköldpaddor
Att studera samhällen av havsmikrober, som Santoro gör, är mycket mer utmanande. Själva handlingen att titta på ett mikrobiellt ekosystem genom att odla det i labbet kan förändra det. Och ingen vetenskapsman kan förutsäga hur det kommer att förändras.
Förhållandena i en glasflaska skiljer sig nästan alltid från dem i det riktiga havet. Kanske innehåller flaskans vatten mycket mer mat. Detta kan underblåsa tillväxten av mikrober som kan vara havets version av en ökens kaniner. Sådana “kanin”-mikrober kan tränga ut havets långsamt växande “sköldpaddor”. Så även om du började med lika många kaniner och sköldpaddor i ditt labbexperiment, kan du snabbt sluta med ziljoner kaniner. Och inga sköldpaddor!
Detta är en anledning till att labbforskare ibland förbiser de mikrober som är vanligast i naturen. Forskare som försökte ta reda på vad som åt ammoniak i havet mötte detta problem. Ammoniak-mumsande mikrober var förmodligen mycket vanliga – men de växte mycket långsamt. Så hur kunde biologer odla tillräckligt med dessa “sköldpaddor” för att studera?
Santoro löste det problemet av en slump. Efter att ha lagt sina vattenflaskor i kylskåpet 2007 glömde hon bort dem. Så de fick aldrig mer mat. Stora delar av havet är som en öken, med väldigt lite mat. Genom att återskapa havets öken i sitt kylskåp hade Santoro gjort livet tufft för mikroberna.
När hon äntligen öppnade flaskorna i februari 2009 hade mikroberna gått ett och ett halvt år utan mat. De måste ha svältit!
Men det var precis vad hennes sköldpaddor behövde.
Överlevarna
DNA-tester visade att de flesta av flaskornas mikrober försvann under deras 18 månader utan mat. Under den tiden hade kaniner i havets mikrobiella värld svalt. Bara de långsamt växande sköldpaddorna fanns kvar. Dessa var främst arkéer. Vid första anblicken liknar archaea bakterier. De är ungefär lika stora. De har ofta samma kula och stavformer som bakterier när de ses i mikroskop. Men arkéer är helt olika organismer.
Santoro odlade sina överlevande sköldpaddsmikrober i ytterligare ett år. Under den tiden matade hon dem små mängder ammoniak – men ingen av de kemikalier som de flesta andra mikrober är beroende av. Och sakta växte hennes ammoniakmumsande arkea. När de åt ammoniak rapade de upp små mängder dikväveoxidgas som avfallsprodukt.
Kemiskt fingeravtryck
Lustgas som bubblar ut ur havet har en ovanlig kemisk signatur. Santoro ville se om hennes archaea gjorde lustgas med en matchande kemisk signatur. Det skulle antyda att de var källan till gasen.
Atomer av vissa grundämnen, såsom kväve och syre som utgör lustgas, finns i så kallade lätta och tunga former. Och lustgasen som sipprar ut ur havet har en ovanlig andel sådana “tunga” atomer. De definierar dess karakteristiska signatur.
Har du någonsin knäckt ett ägg och hittat två äggulor istället för bara en? Atomer är ungefär så. Några få atomer har en eller två extra neutroner (en typ av atomär byggsten) i mitten. Lustgas som lämnar havet har en mycket specifik signatur: 369 av varje 100 000 kväveatomer och 209 av varje 100 000 syreatomer i den är “tunga”. De har en extra neutron eller två. Kväve och syre på andra platser, såsom jordens atmosfär, innehåller också några tunga atomer. Men i lustgas från havet är dessa tunga atomer vanligare. Denna udda signatur ger en ledtråd om vad som kan rapa upp gasen.
Andra forskare hade redan odlat havbakterier som äter burk ammoniak och gör lustgas. Men när Santoro odlade samma bakterier i sitt labb producerade de lustgas med för få tunga atomer. Ingen andades ut en gas som “såg ut som lustgasen i havet”, säger hon. Så deras utandning stämde helt enkelt inte.
Men andan från Santoros arkaea matchade. Dess dikväveoxid “har en sammansättning som är mycket lik den vi mäter i ythavet”, säger Santoro. Detta antydde att arkéer, och inte bakterier, gör mycket av lustgasen som bubblar ut ur havet.
Så dessa länge förbisedda mikrober äter inte bara ammoniak. De andas också ut enorma mängder av en potent växthusgas.
Halterna av dikväveoxid i atmosfären har ökat stadigt. Det händer inte för att mikroberna gör något dåligt. Istället sker det för att människor förändrar planeten. Kraftig användning av kvävegödsel på t.ex. gårdar gör att m malm ammoniak att rinna ut i haven. Där mumsar sinneslösa små arkéer upp den extra ammoniaken. Och ett resultat: De rapar ut mer och mer lustgas.
Om forskarna vet vilka mikrober som faktiskt gör denna växthusgas kan det hjälpa dem att förutsäga hur snabbt nivåerna av lustgas – och globala temperaturer – kommer att stiga i framtiden.
Främlingar bland oss
Santoros upptäckt följde på tidigare genombrott av andra, inklusive Stahl och DeLong. Många sådana upptäckter har kommit först på senare år. För fyrtio år sedan insåg forskare inte ens att archaea tillhörde en separat gren av livet. Biologer trodde att de helt enkelt var udda bakterier.
En ammoniakätande arkeon, sedd genom ett elektronmikroskop. David Stahl upptäckte denna tidigare okända mikrob som växte bland grus i en tank vid Seattle Aquarium. Kredit: David Stahl (University of Washington) och Martin Könneke (University of Oldenburg, Germany)
Men när forskare tittade på mikrobernas DNA uppstod en annan historia. Archaea hade lite gemensamt med bakterier – eller andra levande varelser.
Att säga att arkéer är bakterier skulle faktiskt vara som att säga att en elefant är en typ av träd. Archaeas gener skiljer dem ännu längre från bakterier än vad en elefant är från ett äppelträd. “De är lika olika som vi är från bakterier”, säger Norman Pace, biokemist vid University of Colorado i Boulder.
Archaea kan överleva mycket extrema förhållanden. Vissa bor i kokande varma källor. Forskare har hittat andra i saltdammar. Dessa mikrober lever till och med i sällsynta strömmar av syrarikt vatten som rinner ut ur förorenade gruvor. “Archaea är en konstig grupp”, avslutar DeLong vid MIT.
Eftersom de kan tolerera extrema förhållanden, blev archaea snabbt kända som critters of last resort: De levde i skrymslen och vrår på vår planet för hårda för att andra arter skulle överleva. Biologer undrade om archaea till och med kan vara en primitiv kvarhållning från livet på den tidiga jorden. De verkade som dinosaurier i den mikrobiella världen – sådana som mer moderna organismer mestadels hade skjutit åt sidan. Att hitta dem i några udda, obehagliga hörn av planeten verkade bekräfta detta. Till och med deras namn kommer från
arkhaios, det grekiska ordet för forntida.Men det ryktet har visat sig vara fel. Idag vet forskare att arkéer är långt ifrån mindre spelare, och de lever knappt på jordens mest isolerade platser. Istället lever arkéer överallt, inte bara på havsbotten utan också högt på torra land. Archaea lever till och med inuti människors tarmar. Forskare har diskuterat om arkéerna där kan påverka om vi är magra eller feta. De senaste uppgifterna stöder inte archaea som påverkar vikten. Men de ger bevis på att arkea kan hjälpa till att smälta kostfiber, vilket kan erbjuda hälsofördelar. Forskare vid University of Toronto och ett kanadensiskt sjukhus beskriver sina resultat i augusti 2013 Journal of Nutrition.
Men de flesta av dessa arkéer i havet (och överallt annars, för den delen) är fortfarande okända för vetenskapen. En studie från juli 2013 publicerad i Nature upptäcker fyra nya stora grenar inom livets arkeaträd. Det är lätt att tänka på dessa grenar som små kvistar på en ek. I själva verket är de stora, viktiga lemmar. Var och en av de fyra är lika stor som den gren av livet som människor känner bäst: grenen (kallad chordate) som innehåller alla djur med ryggrad — inklusive allt från människor och möss till elefanter, fåglar, reptiler och fiskar!
Ändå, när DeLong först hittade arkéer i havet, hade han ingen aning om deras roll. Det har tagit 20 år till för DeLong, Santoro, Stahl och andra att inse att dessa länge ignorerade mikrober är stora konsumenter av ammoniak. De kan också generera mycket av planetens lustgas. Genom att göra det spelar de en stor roll för att reglera kemin i jordens hav och atmosfär.
Archaea undgick varsel delvis eftersom biologer inte kunde odla dem. Från och med haven ser denna en gång osynliga grupp “plötsligt ut som en stor aktör”, säger DeLong. Äntligen får archaea den respekt de förtjänar.
Leave a Reply