Die kleinsten Kreaturen des Ozeans verstehen

Institutsprofessorin Penny Chisholm beleuchtet komplexe Meeresökosysteme – und die Schwierigkeit vorherzusagen, wie sie auf die globale Erwärmung reagieren werden. Durch

• Amanda Schaffer Archivseite

22. Dezember 2015

Sallie (Penny) Chisholm, eine Ökologin und Meeresbiologin, ist dafür bekannt, eine Art winziges, im Ozean lebendes Bakterium zu entdecken, das jedes Jahr bis zu 10 Prozent des gesamten durch Photosynthese auf der Erde erzeugten Sauerstoffs produziert. Ihre Arbeit ist entscheidend, um die Komplexität des Meereslebens zu verstehen und vorherzusagen, wie der Klimawandel es letztendlich stören könnte. Doch bis zum Alter von 14 Jahren, als ihre Familie die Küste von Jersey besuchte, hatte sie nie den Ozean gesehen, geschweige denn seine kleinsten bekannten photosynthetischen Kreaturen betrachtet. Chisholm wuchs während des Babybooms im abgelegenen oberen Michigan auf und verbrachte einen Großteil ihrer Zeit mit Skifahren. Meine Heimatstadt hatte nicht genug Schulen, erinnert sie sich, also besuchten die Schüler die meisten Mittel- und Oberschulen nur einen halben Tag. Und wenn es schneite, sind wir den anderen halben Tag Ski gefahren.

Ihre Liebe zum Wasserleben begann am Lake Superior, wo sie im Sommer schwamm. Es sei ein idyllischer Ort gewesen, sagt sie. Als sie 1965 nach Osten zog, um das Skidmore College zu besuchen, entwickelte sie ein akademischeres Interesse an Seen und schrieb eine Abschlussarbeit über ihre Chemie. Und als Doktorandin in Ökologie an der State University of New York in Albany studierte sie Süßwasser-Phytoplankton, winzige photosynthetische Organismen, die in sonnenbeschienenen Oberflächengewässern leben. Chisholm fertigte ihre Dissertation über die Nährstoffaufnahme einer Süßwasserart an Euglena . Sie erkannte jedoch auch, dass die eigentliche Aktion in Bezug auf die Phytoplanktonökologie im Ozean stattfand, teilweise weil die US-Marine in grundlegende Meereswissenschaften investierte. Also nahm sie 1974 ein Postdoktorandenstipendium an der Scripps Institution of Oceanography in Kalifornien an, wo ich, wie sie sagt, alles über den Ozean gelernt habe, was ich weiß.

Oben: Das RV Melville segelt vor der Küste von Rapa Nui auf einer Südpazifik-Expedition zur Erforschung von Prochlorococcus. Mitte: Forscher entnahmen Meerwasserproben aus verschiedenen Tiefen, während sie auf einer Forschungskreuzfahrt von Großbritannien nach Chile im Jahr 2003 im Rahmen einer vom damaligen Postdoc Zackary Johnson entworfenen Studie über Veränderungen in der Populationsstruktur und Diversität von Prochlorococcus Daten über Temperatur und Zellfluoreszenz sammelten auf verschiedenen Breitengraden. Unten: 1996 kreuzten Chisholm (Mitte), Kollegen (einschließlich Rob Olson ganz rechts und John Waterbury hinter ihm) und Studenten an Bord des RV Oceanus auf der Sargassosee, um Prochlorococcus zu untersuchen.

Als ihr 1976 am MIT eine Stelle in der Fakultät für Bauingenieurwesen angeboten wurde, gab es dort keine Biologen, sagt sie, und sie hatte keine Ahnung, was sie erwarten würde. Aber sie lernte die interdisziplinäre Mischung von Forschern zu schätzen, die sich für die Physik, Chemie und Biologie unserer Umwelt interessieren. Sie baute auch enge Beziehungen zu Meeresexperten durch das MIT/Woods Hole Joint Program in Oceanography and Oceanographic Engineering auf und unternahm Forschungskreuzfahrten in der Karibik und in der Sargassosee. Fotografien in ihrem Büro, von denen einige sie gesund, windzerzaust und lächelnd auf den Decks von Schiffen zeigen, geben einen Einblick in diese frühen Tage ihrer Forschung.

Chisholm ist vor allem für die Entdeckung von Mikroben namens Prochlorococcus , das kleinste bekannte photosynthetische Bakterium im Ozean mit einer Breite von weniger als einem Mikrometer. Sie sind auch die am häufigsten vorkommenden: In einem Milliliter Meerwasser können mehr als 100.000 enthalten sein. Und weil sie bei der Photosynthese Kohlendioxid verbrauchen und Sauerstoff freisetzen, Prochlorococcus leisten einen wesentlichen Beitrag zum Gleichgewicht dieser Gase auf der Erde.

Simon Levin, ein Biologe in Princeton, beschreibt Chisholms Arbeiten zu diesen Mikroben als wissenschaftliche Klassiker. Sie und ihre Gruppe waren federführend beim Verständnis der Funktionsweise von Ozeanökosystemen, sagt er, und ihre Entdeckungen sind entscheidend für das Verständnis, wie die Ozeane auf den Klimawandel reagieren werden.

Chisholm selbst weist darauf hin, dass ohne sauerstoffproduzierende Mikroben gerne Prochlorococcus , würden Menschen wahrscheinlich nicht existieren. Hätte ein uralter mariner Mikroorganismus nicht vor etwa 3,5 Milliarden Jahren eine Schlüsselmutation erworben, die es ihm ermöglichte, Wasser zu spalten, um Sauerstoff zu produzieren, so schrieb sie, hätte die Evolution des Lebens auf der Erde einen völlig anderen Verlauf genommen.

Es ist daher bemerkenswert, dass Wissenschaftler so lange ein so unvollständiges Bild von diesen Kreaturen hatten. Jahrelang glaubten sie, dass die einzigen einzelligen Organismen, die Photosynthese in den Ozeanen betreiben, Eukaryoten wie Algen sind, die relativ komplexe Zellen sind, die einen Zellkern, Mitochondrien und Chloroplasten enthalten. Die große Entdeckung, sagt Chisholm, kam in den späten 1970er Jahren, als John Waterbury und Kollegen von der Woods Hole Oceanographic Institution erstmals photosynthetische Bakterien identifizierten Synechococcus , die im Ozean weit verbreitet sind. Die Wissenschaftler waren überrascht, dass diese einfachen Prokaryoten – einzellige Organismen, die keinen Zellkern, Mitochondrien oder Chloroplasten enthalten – zur Photosynthese fähig waren.

Ein Jahrzehnt später machten sich Chisholm und ihr Team auf den Weg Prochlorococcus , nahe Cousins ​​von Synechococcus das erwies sich als kleiner und zahlreicher. Einer ihrer ehemaligen Postdocs, Robert Olson, hatte einen Weg gefunden, ein Durchflusszytometer – eine empfindliche Zellsortiermaschine, die damals hauptsächlich in der Medizin eingesetzt wurde – an Bord eines Forschungsschiffs auf See zu betreiben. (Als Postdoc hatte er eines in ihrem Labor eingerichtet.) Mitte der 1980er-Jahre verwendeten mehrere Mitglieder ihrer Gruppe ein Durchflusszytometer, um Meerwasserproben im Nordatlantik zu untersuchen. Olson, der immer noch mit Chisholm zusammenarbeitete, bemerkte winzige Partikel, die ein rotes fluoreszierendes Licht aussendeten, was darauf hindeutet, dass sie Chlorophyll enthielten, aber nicht die darin enthaltenen Zusatzpigmente Synechococcus , wodurch sie orange fluoreszieren. Zuerst dachten sie, das rote Licht, das von ihren Instrumenten aufgenommen wird, könnte einfach elektronisches Rauschen vom Instrument und Hintergrund von winzigen, nicht lebenden Partikeln darstellen. Uns war nicht sofort klar, dass es eine große Sache werden würde, sagt Chisholm.

Aber sie beschloss bald zu machen Prochlorococcus ein Herzstück ihrer Forschung. Die Mannschaften Papier die Vorstellung seiner Erkenntnisse über diese neu entdeckten Bakterien erschien in Natur 1988.

Nachdem es einer ihrer Doktorandinnen gelungen war, die erste zu isolieren Prochlorococcus aus der Sargassosee veröffentlichten Chisholm und ihre Gruppe a detaillierte Beschreibung der Bakterien im Jahr 1992, Hervorhebung ihrer Zellstruktur und Pigmentierung. Sie sequenzierten auch einen Teil der Bakterien-DNA mit den mühsamen Techniken des Tages, um dies zu beurteilen Prochlorococcus s Beziehung zu anderen photosynthetischen Organismen.

Chisholm untersucht einen von vielen Prochlorococcus-Stämmen, die in der Kultursammlung ihres Labors archiviert sind.

In den späten 1990er Jahren überredete Chisholm das US-Energieministerium, das über einige der Sequenziermaschinen der ersten Generation verfügte, die DNA von zweien zu sequenzieren Prochlorococcus Genome. Eine, die aus Zellen stammte, die in einer sonnenbeschienenen Umgebung näher an der Oberfläche gesammelt wurden, enthielt 1.716 Gene; die andere stammte von Bakterien, die in schwächerem Licht weiter unten im Wasser überleben konnten, und hatte 2.275 Gene. Etwa 1.350 dieser Gene wurden geteilt. In einer Veröffentlichung in Natur 2003 beschrieb Chisholm, dass sie den minimalen Satz von Anweisungen enthalten, die für die Photosynthese erforderlich sind. Die Unterschiede zwischen den Genomen spiegelten unterdessen weitgehend die Vielseitigkeit der Bakterien bei der Anpassung an Umgebungen mit unterschiedlichen Lichtintensitäten und unterschiedlichen Konzentrationen von Stickstoff und Spurenmetallen wider.

Chisholm hat inzwischen rund 50 Stämme sequenziert Prochlorococcus , die sie als eine stabile und sehr vielfältige Föderation von Organismen beschreibt, die dazu neigen, in den oberen 200 Metern des Ozeans zu leben. Etwa 1.000 Gene definieren den Kern dessen, was es bedeutet, zu dieser Spezies zu gehören, sagt sie, aber jede neue Sequenz enthüllt 80 bis 200 völlig neue Gene. Eine traditionelle Sichtweise könnte darauf hindeuten, dass die verschiedenen Stämme in einen darwinistischen Kampf um Meeresressourcen verstrickt sind, aber Chisholm vertritt eine zuversichtlichere Perspektive: Verschiedene Stämme nehmen zu und ab, wenn sich die Nährstoffverfügbarkeit und andere Aspekte der Umwelt verändern. Das breite Spektrum an Prochlorococcus ist, sagt sie, ein Teil dessen, was ihnen eine solche Stabilität verleiht und es ihnen ermöglicht, gemeinsam eine so zentrale Rolle im Ozean zu spielen. In der Tat, Prochlorococcus wird geschätzt, dass er jedes Jahr fünf Milliarden Tonnen lebende Biomasse durch Photosynthese produziert – fast so viel wie sein größerer Cousin Synechococcus . Dieser Kohlenstoff wird von anderen kleinen Mikroorganismen gefressen, die wiederum von Zooplankton gefressen werden, das wiederum von Fischen gefressen wird, sagt Chisholm. Letzten Endes, Prochlorococcus ernährt ein Zehntel aller Lebewesen im Meer.

Oben: Eine ältere Version dieses modernen Durchflusszytometers war maßgeblich an der Entdeckung von Prochlorococcus beteiligt. Unten: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen einen Prochlorococcus-Stamm, der von einem ehemaligen Doktoranden des Chisholm Lab aus dem Mittelmeer isoliert wurde. Jede Zelle hat einen Durchmesser von etwa 0,6 Mikrometer.

Die Konzentration auf die Vielfalt der Arten war ein wesentlicher Bestandteil von Chisholms Arbeit: Als Ökologin habe ich immer geglaubt, dass Unterschiede zwischen sehr ähnlichen Dingen uns viel über die Kräfte sagen können, die unsere Welt formen, sagt sie. Und dieser Instinkt erwies sich im Fall von als vorausschauend Prochlorococcus . Wenn wir bei der Untersuchung nur einer Sorte geblieben wären, anstatt das Meer nach genetischen Varianten zu durchsuchen, sagt sie, würden wir uns in Bezug auf was so sehr irren Prochlorococcus ist wie und wie sie funktionieren.

Chisholms Labor im vierten Stock des bescheidenen, altmodischen Gebäudes 48 beherbergt eine Fülle von Bakterien. In einem Raum Reihen von Prochlorococcus wachsen in Reagenzgläsern unter unterschiedlichen Mengen schwarzer Netze. Einige von ihnen können bei Lichtintensitäten wachsen, die die anderen töten würden, erklärt sie über das Surren der Ventilatoren hinweg. (Die Ventilatoren kühlen die Bakterien – und erzeugen zufällig einen lauten Wind, der an die Meeresküste erinnert.) An anderer Stelle im Labor simulieren große Behälter, die Chisholm Sonnenmaschinen nennt, die Morgen- und Abenddämmerung für die Bakterien, damit sie sich wie im Ozean fühlen. Sie sagt. Sie mögen es wirklich nicht, wenn plötzlich das Licht aus- und wieder angeht.

In den Ozeanen, Prochlorococcus koexistiert nicht nur mit anderen Bakterien, sondern auch mit den Viren, die mit ihnen interagieren. Im Jahr 2003 hatten Forscher in Großbritannien entdeckt, dass Viren infizieren Prochlorococcus tragen selbst Gene für die Photosynthese. In den Jahren 2004 und 2005 zeigte Chisholms Gruppe, dass während einer Infektion diese viralen Gene in Bakterienzellen exprimiert werden, während die zelleigenen Gene für die Photosynthese weniger aktiv werden (aus noch nicht geklärten Gründen). Wenn sich Viren von einer Bakterienzelle zur anderen bewegen, werden auch DNA-Schnipsel mitgeführt. Dies erleichtert die bakterielle Evolution – und beschleunigt sie, da sich Gene in Viren schneller entwickeln.

Der Tanz von Viren und Bakterien beinhaltet einen weiteren mysteriösen Spieler: kleine Vesikel oder mit Flüssigkeit gefüllte Säcke, die im Ozean herumtreiben. 2014 entdeckte Chisholms Team das Prochlorococcus stößt Lipidtröpfchen aus, die zufällige DNA-Stücke enthalten, die sie zuerst Bläschen nannten. Und obwohl die Funktion dieser Vesikel nicht bekannt ist, besteht eine Möglichkeit darin, dass sie als Köder für Viren dienen. Sie haben einige der gleichen Oberflächenmarkierungen wie Prochlorococcus , sodass dieselben Viren sich an sie anheften können. Da es sich jedoch nicht um echte Zellen handelt, können sich die Viren in ihnen nicht replizieren und ausbreiten, wie sie es sonst könnten. Da die Vesikel DNA, RNA und Proteine ​​enthalten, können sie alternativ dazu dienen, chemische Informationen von einer Zelle zur anderen zu transportieren.

Chisholms Forschung hat ihr viele Ehrungen eingebracht, darunter die Mitgliedschaft in der National Academy of Sciences und eine Einladung ins Weiße Haus von Präsident Obama, der ihr die National Medal of Science verlieh. Am MIT gewann sie die Killian-Preis 2014 und wurde 2015 zum Institutsprofessor ernannt – die beiden höchsten Ehrungen, die Fakultätsmitgliedern verliehen werden. Aber auch Interessenvertretung, öffentlicher Dienst und Bildung sind zentrale Bestandteile ihrer Arbeit. Chisholm möchte nicht nur das, was sie gelernt hat, mit den Steuerzahlern teilen, die ihre Forschung finanziert haben, sondern ist auch frustriert darüber, dass selbst gebildete Erwachsene relativ wenig über Biologie und insbesondere über Photosynthese wissen. Sie zitiert ein Video aus den späten 1990er Jahren, in dem frischgebackene Absolventen des MIT und Harvard zu sehen sind übergab einen Samen und einen Baumstamm und fragte, woher die Masse eines Baumes kommt. Die Schüler sind schockiert, als sie erfahren, dass das meiste davon aus Kohlendioxid in der Luft stammt. Das MIT hat nicht einmal eine Klasse, die sich ausschließlich der Pflanzenbiologie widmet, sagt sie.

Chisholms Wunsch, Menschen die Grundlagen beizubringen, hat sie dazu veranlasst, viele Vorträge zu halten – und Kinderbücher zu schreiben (obwohl sie und ihr Mann keine Kinder haben). Sie und die Kinderbuchautorin und Illustratorin Molly Bang, eine langjährige Freundin, haben an einem mehrjährigen Projekt namens the Sonnenlicht-Serie , die die Bedeutung der Sonnenenergie für das Leben auf der Erde anschaulich einfängt. Ich dachte, die Leute würden es ihren Kindern vorlesen, sagt sie. Und so konnte ich tatsächlich Erwachsene erreichen. Die Serie spart nicht an wissenschaftlichen Details. Sie schreckt auch nicht vor der Dringlichkeit des Klimawandels zurück; Das neueste Buch beschreibt die Ursprünge fossiler Brennstoffe und erklärt, wie ihre zu schnelle Verbrennung wahrscheinlich die globale Erwärmung verursacht. Das Ziel ist jedoch nicht, Alarm zu schlagen, sondern den Menschen zu helfen, zu verstehen, wie der Planet funktioniert, sagt Chisholm.

Präsident Obama überreichte Chisholm 2013 in einer Zeremonie im Weißen Haus die National Medal of Science 2011.

Trotz ihrer eigenen Besorgnis über die globale Erwärmung hat Chisholms Forschung in ihr ein tiefes Gefühl der Vorsicht gegenüber Handlungen geweckt, die weitreichende ökologische Veränderungen verursachen könnten. Es hat sie besonders skeptisch gegenüber menschlichen Bemühungen gemacht, das Leben im Ozean zu verändern, um Kohlendioxid aus der Luft zu ziehen. 2014 veröffentlichte sie einen Aufsatz in Wissenschaft Warnung vor den möglichen unbeabsichtigten Folgen der Düngung des Ozeans mit Eisen, um den Klimawandel durch Stimulierung des Wachstums photosynthetischer Organismen abzuschwächen. Tatsächlich befürchtet Chisholm, dass die Dynamik komplexer Ökosysteme nahezu unmöglich vorherzusagen ist. Die Entdeckung von Prochlorococcus Vor 30 Jahren sollte uns daran erinnern, wie wenig wir die Komplexität mariner Nahrungsnetze verstehen, schrieb sie.

Mikrobielle Ökosysteme sind das, was den Planeten regiert, sagt Chisholm und weist auf ihre entscheidende Rolle im marinen Nahrungsnetz und bei der Sauerstoffproduktion hin. Sie und ihre Kollegen hoffen, dass ihre Arbeit es anderen ermöglicht, besser zu verstehen, wie die Biosphäre funktioniert, um uns zu erhalten. Ob aufgrund menschlicher Aktivitäten wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder der inhärenten Eigenschaften des Systems, das sich seit 3,5 Milliarden Jahren entwickelt hat, wir wissen, dass es Veränderungen in der Funktionsweise dieses Erdsystems geben wird, sagt sie. Nur wenn wir verstehen, wie das System funktioniert, können wir auf diese Veränderungen vorbereitet sein.

Um zu verstehen, wie sich das Leben auf der Erde angesichts des Klimawandels verändern könnte, müssen wir wissen, wer die Hauptakteure sind und was ihre Dynamik steuert, sagt Levin. Chisholms Arbeit trägt direkt zu dieser Stiftung bei. Wenn sich die Ozeane erwärmen, schätzen Forscher, Prochlorococcus Die Zahl von könnte bis zum Ende des Jahrhunderts um bis zu 30 Prozent ansteigen, mit unbekannten, aber potenziell großen Folgen für das übrige Leben auf dem Planeten. Dies sind komplexe, selbstorganisierende, lebende Systeme, sagt Chisholm. Ich weiß, dass die Leute einfache Antworten wollen … aber es gibt keine, wenn es um dieses Meisterwerk der evolutionären Feinabstimmung geht.

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