211service.com
Zrozumienie najmniejszych stworzeń oceanu
Profesor Penny Chisholm z Instytutu rzuca światło na złożone ekosystemy morskie i trudności w przewidzeniu, jak zareagują na globalne ocieplenie. 22 grudnia 2015 r.
Sallie (Penny) Chisholm, ekolog i biolog morski, znana jest z odkrycia rodzaju maleńkiej bakterii zamieszkującej oceany, która każdego roku wytwarza do 10 procent całego tlenu generowanego przez fotosyntezę na Ziemi. Jej praca ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia złożoności życia morskiego i przewidywania, w jaki sposób zmiany klimatu mogą je ostatecznie zakłócić. Jednak aż do wieku 14 lat, kiedy jej rodzina odwiedziła wybrzeże Jersey, nigdy nie widziała oceanu, nie mówiąc już o kontemplowaniu jego najmniejszych znanych fotosyntetycznych stworzeń. Chisholm dorastała podczas Baby Boom w odległym górnym Michigan i spędzała większość czasu na nartach. Wspomina, że w moim rodzinnym mieście było za mało szkół, więc do większości gimnazjów i liceów uczniowie uczęszczali tylko przez pół dnia. A ilekroć padał śnieg, przez pozostałe pół dnia jeździliśmy na nartach.
Jej miłość do życia w wodzie zaczęła się nad Jeziorem Górnym, gdzie latem pływała. Mówi, że to było idylliczne miejsce. Kiedy przeniosła się na wschód w 1965, aby uczęszczać do Skidmore College, rozwinęła bardziej akademickie zainteresowanie jeziorami, pisząc pracę dyplomową na temat ich chemii. Jako studentka ekologii na Uniwersytecie Stanowym Nowego Jorku w Albany studiowała fitoplankton słodkowodny, maleńkie organizmy fotosyntetyczne, które żyją w nasłonecznionych wodach powierzchniowych. Chisholm ukończyła swoją rozprawę doktorską na temat pobierania składników odżywczych przez gatunek słodkowodny zwany Euglena . Zdała sobie jednak sprawę, że jeśli chodzi o ekologię fitoplanktonu, prawdziwe działania miały miejsce w oceanie, po części dlatego, że marynarka wojenna USA inwestowała w podstawowe nauki o morzu. Tak więc w 1974 roku przyjęła stypendium podoktoranckie w Scripps Institution of Oceanography w Kalifornii, gdzie, jak mówi, nauczyłam się wszystkiego, co wiem o oceanie.
U góry: RV Melville płynie u wybrzeży Rapa Nui podczas ekspedycji na południowym Pacyfiku w celu zbadania Prochlorococcus. Środek: Naukowcy pobrali próbki wody morskiej z różnych głębokości, jednocześnie zbierając dane dotyczące temperatury i fluorescencji komórek podczas rejsu badawczego z Wielkiej Brytanii do Chile w 2003 r. w ramach badania, zaprojektowanego przez ówczesnego podoktora Zackary'ego Johnsona, dotyczącego zmian w strukturze i różnorodności populacji Prochlorococcus na różnych szerokościach geograficznych. Na dole: W 1996 roku Chisholm (w środku), koledzy (w tym Rob Olson po prawej i John Waterbury za nim) oraz studenci pływali po Morzu Sargassowym na pokładzie RV Oceanus, aby studiować Prochlorococcus.
Kiedy zaproponowano jej pracę w MIT w 1976 roku na Wydziale Inżynierii Lądowej, na wydziale nie było biologów i nie miała pojęcia, czego się spodziewać. Ale doceniła interdyscyplinarną mieszankę badaczy zainteresowanych fizyką, chemią i biologią naszego środowiska. Nawiązała również bliskie relacje z ekspertami morskimi w ramach programu MIT/Woods Hole Joint Programme in Oceanography and Oceanographic Engineering, rozpoczynając rejsy badawcze po Karaibach i Morzu Sargassowym. Zdjęcia w jej biurze, z których kilka ukazuje jej zdrową, potarganą wiatrem i uśmiechniętą na pokładach statków, dają wgląd w te wczesne dni jej badań.
Chisholm jest najbardziej znana z odkrycia przez swoją grupę w latach 80. drobnoustrojów zwanych Prochlorokok , najmniejsza znana bakteria fotosyntetyczna w oceanie o szerokości mniejszej niż jeden mikrometr. Są też najliczniejsze: w mililitrze wody morskiej może być ponad 100 000. A ponieważ zużywają dwutlenek węgla i uwalniają tlen podczas fotosyntezy, Prochlorokok wnieść istotny wkład w bilans tych gazów na Ziemi.
Simon Levin, biolog z Princeton, opisuje artykuły Chisholma na temat tych drobnoustrojów jako klasykę naukową. Ona i jej grupa są liderami w zrozumieniu, jak działają ekosystemy oceaniczne, mówi, a ich odkrycia mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jak oceany zareagują na zmianę klimatu.
Sama Chisholm zwraca uwagę, że bez drobnoustrojów produkujących tlen, takich jak Prochlorokok , istoty ludzkie prawdopodobnie by nie istniały. Pisała, że gdyby jakiś pradawny mikroorganizm morski nie nabył kluczowej mutacji około 3,5 miliarda lat temu, która umożliwiła mu rozszczepienie wody w celu wytworzenia tlenu, ewolucja życia na Ziemi potoczyłaby się zupełnie inaczej.
Zadziwiające jest więc, że naukowcy przez tak długi czas mieli tak niepełny obraz tych stworzeń. Przez lata wierzyli, że jedynymi organizmami jednokomórkowymi przeprowadzającymi fotosyntezę w oceanach są eukarionty, takie jak algi, które są stosunkowo złożonymi komórkami zawierającymi jądro, mitochondria i chloroplasty. Jak mówi Chisholm, wielkie odkrycie miało miejsce pod koniec lat 70., kiedy John Waterbury i współpracownicy z Woods Hole Oceanographic Institution po raz pierwszy zidentyfikowali bakterie fotosyntetyczne zwane Synechokoki , które są szeroko rozpowszechnione w oceanie. Naukowcy byli zaskoczeni, że te proste prokariota – jednokomórkowe organizmy, które nie zawierają jądra, mitochondriów ani chloroplastów – są zdolne do fotosyntezy.
Dziesięć lat później Chisholm i jej zespół wrócili do domu Prochlorokok , bliscy kuzyni Synechokoki które okazały się mniejsze i liczniejsze. Jeden z jej byłych doktorów, Robert Olson, wymyślił sposób obsługi cytometru przepływowego — czułej maszyny sortującej komórki, używanej wówczas głównie w medycynie — na pokładzie statku badawczego na morzu. (Jako postdokant założył jeden w jej laboratorium.) W połowie lat 80. kilku członków jej grupy używało cytometru przepływowego do badania próbek wody morskiej na Północnym Atlantyku. Olson, który nadal współpracował z Chisholmem, zauważył maleńkie cząsteczki, które emitowały czerwone światło fluorescencyjne, co sugeruje, że zawierały chlorofil, ale nie zawierały dodatkowych pigmentów znalezionych w Synechokoki , co powoduje, że fluoryzują na pomarańczowo. Początkowo myśleli, że czerwone światło wychwytywane przez ich instrumenty może po prostu reprezentować elektroniczny szum z instrumentu i tło z maleńkich, nieożywionych cząstek. Nie od razu przyszło nam do głowy, że to będzie wielka sprawa, mówi Chisholm.
Ale wkrótce postanowiła zrobić Prochlorokok centralnym punktem jej badań. Drużyny papier wprowadzenie swoich ustaleń na temat tych nowo odkrytych bakterii pojawiło się w Natura w 1988 roku.
Po tym, jak jednemu z jej absolwentów udało się wyizolować pierwszego Prochlorokok z Morza Sargassowego, Chisholm i jej grupa opublikowała szczegółowy opis bakterii w 1992 roku, podkreślając ich strukturę komórkową i pigmentację. Zsekwencjonowali również część DNA bakterii, używając pracochłonnych technik tamtych czasów, aby ocenić Prochlorokok związek z innymi organizmami fotosyntetycznymi.
Chisholm bada jeden z wielu szczepów Prochlorococcus zarchiwizowanych w kolekcji kultur jej laboratorium.
Pod koniec lat 90. Chisholm przekonał Departament Energii Stanów Zjednoczonych, który posiadał niektóre z maszyn sekwencjonujących pierwszej generacji, do zsekwencjonowania DNA dwóch Prochlorokok genomy. Jeden, który pochodził z komórek zebranych z nasłonecznionego środowiska bliżej powierzchni, zawierał 1716 genów; druga, z bakterii zdolnych do przetrwania w słabszym świetle, niżej w wodzie, miała 2275 genów. Około 1350 z tych genów było wspólnych. W artykule opublikowanym w Natura w 2003 roku Chisholm opisał je jako zawierające minimalny zestaw instrukcji wymaganych do fotosyntezy. Tymczasem różnice między genomami w dużej mierze odzwierciedlały wszechstronność bakterii w adaptacji do środowisk o różnym natężeniu światła i różnych stężeniach azotu i metali śladowych.
Chisholm zsekwencjonował teraz około 50 szczepów Prochlorokok , którą opisuje jako stabilną i bardzo zróżnicowaną federację organizmów, które mają tendencję do zamieszkiwania na górnych 200 metrach oceanu. Jak mówi, około 1000 genów określa rdzeń tego, co to znaczy należeć do tego gatunku, ale każda nowa sekwencja ujawnia 80 do 200 zupełnie nowych genów. Tradycyjny pogląd może sugerować, że różne szczepy są uwięzione w darwinowskiej walce o zasoby oceaniczne, ale Chisholm przyjmuje bardziej optymistyczną perspektywę: różne szczepy rosną i spadają w obfitości w miarę zmiany dostępności składników odżywczych i innych aspektów środowiska. Szeroka gama Prochlorokok jest, jak mówi, częścią tego, co daje im taką stabilność i pozwala im wspólnie odgrywać tak centralną rolę w oceanie. W rzeczy samej, Prochlorokok szacuje się, że każdego roku w procesie fotosyntezy wytwarza pięć miliardów ton żywej biomasy — prawie tyle, ile jego większy kuzyn Synechokoki . Ten węgiel jest zjadany przez inne małe mikroorganizmy, które z kolei są zjadane przez zooplankton, który z kolei jest zjadany przez ryby, mówi Chisholm. Ostatecznie, Prochlorokok karmi jedną dziesiątą wszystkich stworzeń w morzu.
U góry: Starsza wersja tego nowoczesnego cytometru przepływowego odegrała kluczową rolę w odkryciu Prochlorococcus. Na dole: Transmisyjne mikrofotografie elektronowe pokazują szczep Prochlorococcus wyizolowany z Morza Śródziemnego przez byłego absolwenta Chisholm Lab. Każda komórka ma średnicę około 0,6 mikrometra.
Skupienie się na różnorodności gatunków było istotną częścią pracy Chisholm: jako ekolog zawsze wierzyłam, że różnice między bardzo podobnymi rzeczami mogą nam wiele powiedzieć o siłach, które kształtują nasz świat, mówi. I ten instynkt okazał się proroczy w przypadku Prochlorokok . Mówi, że gdybyśmy tkwili w badaniu tylko jednego szczepu zamiast eksplorować morze w poszukiwaniu wariantów genetycznych, mylilibyśmy się co do tego, co Prochlorokok jest jak i jak funkcjonują.
Laboratorium Chisholma na czwartym piętrze skromnego, staromodnego budynku nr 48 mieści mnóstwo bakterii. W jednym pokoju rzędy Prochlorokok rosną w probówkach pod różnymi ilościami czarnej siatki. Niektóre z nich mogą rosnąć z natężeniem światła, które zabiłoby inne, wyjaśnia warkotem fanów. (Wentylatory schładzają bakterie – i zdarza się, że wytwarzają głośny wiatr przypominający brzeg morza). ona mówi. Naprawdę nie lubią, gdy nagle gasną i zapalają się światła.
W oceanach Prochlorokok współistnieje nie tylko z innymi bakteriami, ale także z wirusami, które z nimi oddziałują. W 2003 roku naukowcy z Wielkiej Brytanii odkryli, że wirusy infekujące Prochlorokok same niosą geny do fotosyntezy. W 2004 i 2005 roku grupa Chisholma wykazała, że podczas infekcji te wirusowe geny ulegają ekspresji w komórkach bakteryjnych, podczas gdy własne geny komórek odpowiedzialne za fotosyntezę stają się mniej aktywne (z przyczyn, które nie są jeszcze jasne). Gdy wirusy przemieszczają się z jednej komórki bakteryjnej do drugiej, fragmenty DNA są również przemieszczane. Ułatwia to ewolucję bakterii — i przyspiesza ją, ponieważ geny ewoluują szybciej w wirusach.
Taniec wirusa i bakterii obejmuje jeszcze jednego tajemniczego gracza: małe pęcherzyki lub wypełnione płynem worki, które unoszą się w oceanie. W 2014 roku zespół Chisholma odkrył, że Prochlorokok zrzuca kropelki lipidów zawierające losowe fragmenty DNA, które po raz pierwszy nazwali pęcherzykami. I chociaż funkcja tych pęcherzyków nie jest znana, jedną z możliwości jest to, że działają one jak wabiki na wirusy. Mają niektóre z takich samych oznaczeń powierzchni jak Prochlorokok , więc te same wirusy mogą się do nich dołączyć. Ale ponieważ nie są one rzeczywistymi komórkami, wirusy nie mogą się w nich replikować i rozprzestrzeniać, jak mogłoby się to stać w innym przypadku. Alternatywnie, ponieważ pęcherzyki zawierają DNA, RNA i białka, mogą służyć jako mechanizm przesyłania informacji chemicznych z jednej komórki do drugiej.
Badania Chisholm przyniosły jej wiele wyróżnień, w tym członkostwo w Narodowej Akademii Nauk i zaproszenie do Białego Domu od prezydenta Obamy, który przyznał jej Narodowy Medal Nauki. Na MIT wygrała Nagroda Killiana w 2014 r., a w 2015 r. został mianowany profesorem Instytutu — dwa najwyższe wyróżnienia przyznawane członkom wydziału. Ale rzecznictwo, służba publiczna i edukacja są również centralnymi częściami jej pracy. Oprócz chęci podzielenia się tym, czego się nauczyła z podatnikami, którzy sfinansowali jej badania, Chisholm kieruje się frustracją, że nawet wykształceni dorośli stosunkowo niewiele wiedzą o biologii, a zwłaszcza o fotosyntezie. Cytuje wideo z końca lat 90., w którym niedawni absolwenci MIT i Harvardu są wręczył ziarno i dziennik i zapytał, skąd pochodzi masa drzewa. Studenci są zszokowani, gdy dowiadują się, że większość z nich pochodzi z dwutlenku węgla w powietrzu. Mówi, że MIT nie ma nawet zajęć poświęconych wyłącznie biologii roślin.
Chęć Chisholm, by uczyć ludzi podstaw, doprowadziła ją do szerokich wykładów i pisania książek dla dzieci (chociaż ona i jej mąż nie mają dzieci). Ona i autorka książek dla dzieci i ilustratorka Molly Bang, długoletnia przyjaciółka, współpracowali przy wieloletnim projekcie pod nazwą Seria światła słonecznego , który w żywy sposób oddaje znaczenie energii słonecznej dla życia na Ziemi. Myślałam, że ludzie przeczytają to swoim dzieciom, mówi. I w ten sposób mogłem dotrzeć do dorosłych. Seria nie skąpi na naukowych szczegółach. Nie boi się również pilnych zmian klimatu; najnowsza książka opisuje pochodzenie paliw kopalnych i wyjaśnia, w jaki sposób zbyt szybkie ich spalanie prawdopodobnie powoduje globalne ocieplenie. Celem nie jest jednak alarmowanie, ale pomoc ludziom w zrozumieniu, jak działa planeta, mówi Chisholm.
Prezydent Obama wręczył Chisholmowi Narodowy Medal Nauki 2011 podczas ceremonii w Białym Domu w 2013 roku.
Pomimo jej własnego zaniepokojenia globalnym ociepleniem, badania Chisholm zaszczepiły w niej głębokie poczucie ostrożności w odniesieniu do działań, które mogą spowodować radykalną zmianę ekologiczną. To sprawiło, że jest szczególnie sceptycznie nastawiona do ludzkich wysiłków, aby zmienić życie oceaniczne, aby wyciągnąć dwutlenek węgla z powietrza. W 2014 roku opublikowała esej w: Nauka ostrzeżenie przed potencjalnymi niezamierzonymi konsekwencjami nawożenia oceanów żelazem, aby spróbować złagodzić zmiany klimatu poprzez stymulowanie wzrostu organizmów fotosyntetycznych. Istotnie, Chisholm obawia się, że dynamika złożonych systemów ekologicznych jest prawie niemożliwa do przewidzenia. Odkrycie Prochlorokok 30 lat temu powinno nam przypomnieć, jak mało rozumiemy złożoność morskich sieci pokarmowych – napisała.
Ekosystemy mikrobiologiczne napędzają planetę, mówi Chisholm, zwracając uwagę na ich kluczową rolę w morskiej sieci pokarmowej i produkcji tlenu. Ona i jej koledzy mają nadzieję, że ich praca pozwoli innym lepiej zrozumieć, jak funkcjonuje biosfera, aby nas podtrzymywać. Wiemy, że nastąpią zmiany w funkcjonowaniu tego systemu Ziemi, czy to z powodu działalności człowieka, takiej jak spalanie paliw kopalnych, czy nieodłącznych właściwości systemu, który ewoluuje od 3,5 miliarda lat. Tylko jeśli zrozumiemy, jak działa system, możemy być przygotowani do radzenia sobie z tymi zmianami.
Aby zrozumieć, jak życie na Ziemi może się zmienić w obliczu zmian klimatycznych, mówi Levin, musimy wiedzieć, kim są kluczowi gracze i co kontroluje ich dynamikę. Praca Chisholma bezpośrednio przyczynia się do powstania tego fundamentu. Naukowcy szacują, że wraz z ocieplaniem się oceanów Prochlorokok Do końca stulecia ich liczba może wzrosnąć nawet o 30 procent, z nieznanymi, ale potencjalnie poważnymi konsekwencjami dla reszty życia na planecie. Są to złożone, samoorganizujące się, żywe systemy, mówi Chisholm. Wiem, że ludzie chcą prostych odpowiedzi… ale nie ma ich, jeśli chodzi o to arcydzieło ewolucyjnego dostrajania.