211service.com
Izpratne par okeāna mazākajām radībām
Institūta profesore Penija Čisholma atklāj sarežģītas jūras ekosistēmas un grūtības paredzēt, kā tās reaģēs uz globālo sasilšanu. 2015. gada 22. decembris
Sallija (Penija) Čisholma, ekoloģe un jūras biologe, ir pazīstama ar to, ka atklāj nelielu okeānā mītošo baktēriju veidu, kas katru gadu saražo līdz pat 10 procentiem no visa skābekļa, ko rada fotosintēze uz Zemes. Viņas darbs ir ļoti svarīgs, lai izprastu jūras dzīves sarežģītību un prognozētu, kā klimata pārmaiņas galu galā varētu to traucēt. Tomēr līdz 14 gadu vecumam, kad viņas ģimene apmeklēja Džersijas krastu, viņa nekad nebija redzējusi okeānu, nemaz nerunājot par tā mazāko zināmo fotosintētisko radījumu apcerēšanu. Čisholma uzauga Baby Boom laikā attālajā Mičiganas augšdaļā un lielu daļu sava laika pavadīja slēpojot. Viņa atceras, ka manā dzimtajā pilsētā nebija pietiekami daudz skolu, tāpēc lielāko daļu vidusskolas un vidusskolas skolēni apmeklēja tikai pusi dienas. Un vienmēr, kad bija sniegs, otro pusi dienas mēs slēpojām.
Viņas mīlestība pret ūdens dzīvi sākās Superior ezerā, kur viņa vasarās peldēja. Tā bija idilliska vieta, viņa saka. Kad viņa 1965. gadā pārcēlās uz austrumiem, lai apmeklētu Skidmoras koledžu, viņa sāka akadēmiskāku interesi par ezeriem, rakstot vecāko darbu par to ķīmiju. Un kā ekoloģijas maģistrantūras studente Ņujorkas štata universitātē Olbanijā viņa pētīja saldūdens fitoplanktonu, sīkus fotosintēzes organismus, kas dzīvo saules apspīdētos virszemes ūdeņos. Chisholm pabeidza savu disertāciju par barības vielu uzņemšanu saldūdens sugām, ko sauc Eiglēna . Tomēr viņa arī saprata, ka, runājot par fitoplanktona ekoloģiju, patiesā darbība notika okeānā, daļēji tāpēc, ka ASV flote iegulda jūras pamatzinātnēs. Tāpēc 1974. gadā viņa pieņēma pēcdoktorantūras stipendiju Scripps Okeanogrāfijas institūtā Kalifornijā, kur, viņa saka, es uzzināju visu, ko zinu par okeānu.
Augšā: RV Melville brauc pie Rapa Nui krastiem Klusā okeāna dienvidu ekspedīcijā, lai pētītu Prochlorococcus. Vidus: Pētnieki ieguva jūras ūdens paraugus no dažādiem dziļumiem, vācot datus par temperatūru un šūnu fluorescenci pētniecības kruīzā no Apvienotās Karalistes uz Čīli 2003. gadā kā daļu no pētījuma, ko izstrādāja toreizējais pēcdoktors Zekarijs Džonsons, par izmaiņām Prochlorococcus populācijas struktūrā un daudzveidībā. dažādos platuma grādos. Apakšā: 1996. gadā Chisholm (centrā), kolēģi (tostarp Robs Olsons labajā malā un Džons Voterberijs aiz viņa) un studenti brauca pa Sargaso jūru uz RV Oceanus klāja, lai pētītu Prochlorococcus.
Kad viņai 1976. gadā tika piedāvāts amats MIT, Būvniecības departamentā, viņa stāsta, ka nodaļā nebija neviena biologa, un viņai nebija ne jausmas, ko sagaidīt. Bet viņa novērtēja starpdisciplināro pētnieku kombināciju, kas interesējas par mūsu vides fiziku, ķīmiju un bioloģiju. Viņa arī izveidoja ciešas attiecības ar jūras ekspertiem, izmantojot MIT/Woods Hole kopīgo programmu okeanogrāfijas un okeanogrāfijas inženierzinātnēs, uzsākot izpētes kruīzus Karību jūras reģionā un Sargasso jūrā. Fotogrāfijas viņas birojā, no kurām vairākās redzama viņas dvesma, vēja skarta un smaidoša uz kuģu klājiem, sniedz ieskatu šajās viņas izpētes sākuma dienās.
Chisholm ir vislabāk pazīstama ar savas grupas atklājumu 80. gados mikrobu, ko sauc par Prohlorokoks , mazākās zināmās fotosintēzes baktērijas okeānā, kas ir mazāks par vienu mikrometru. Tie ir arī visizplatītākie: vienā mililitrā jūras ūdens var būt vairāk nekā 100 000. Un tā kā tie patērē oglekļa dioksīdu un atbrīvo skābekli fotosintēzes laikā, Prohlorokoks sniegt būtisku ieguldījumu šo gāzu līdzsvarā uz Zemes.
Saimons Levins, Prinstonas biologs, Chisholm rakstus par šiem mikrobiem raksturo kā zinātnisku klasiku. Viņa un viņas grupa ir bijusi vadošā loma izpratnē, kā darbojas okeānu ekosistēmas, viņš saka, un viņu atklājumiem ir izšķiroša nozīme, lai saprastu, kā okeāni reaģēs uz klimata pārmaiņām.
Pati Čisholma norāda, ka bez skābekli ražojošiem mikrobiem patīk Prohlorokoks , cilvēki, iespējams, nepastāvētu. Viņa raksta, ka, ja kāds senais jūras mikroorganisms nebūtu ieguvis galveno mutāciju pirms aptuveni 3,5 miljardiem gadu, kas ļāva tam sadalīt ūdeni, lai iegūtu skābekli, dzīvības attīstība uz Zemes būtu pagājusi pavisam citā trajektorijā.
Tāpēc ir ievērojams, ka zinātniekiem tik ilgi bija tik nepilnīgs priekšstats par šīm radībām. Gadiem ilgi viņi uzskatīja, ka vienīgie vienšūnu organismi, kas veic fotosintēzi okeānos, ir eikarioti, piemēram, aļģes, kas ir salīdzinoši sarežģītas šūnas, kurās ir kodols, mitohondriji un hloroplasti. Lielais atklājums, saka Chisholm, tika veikts 1970. gadu beigās, kad Džons Voterberijs un kolēģi Vudsholas okeanogrāfijas institūtā pirmo reizi identificēja fotosintētiskās baktērijas, ko sauc. Sinekokoks , kas ir plaši izplatīti okeānā. Zinātnieki bija pārsteigti, ka šie vienkāršie prokarioti — vienšūnas organismi, kas nesatur kodolu, mitohondriju vai hloroplastus — spēj fotosintēzi.
Desmit gadus vēlāk Chisholm un viņas komanda devās tālāk Prohlorokoks , tuvi brālēni Sinekokoks kas izrādījās mazāki un vairāk. Viens no viņas bijušajiem pēcdoktoriem Roberts Olsons bija izdomājis veidu, kā uz pētniecības kuģa jūrā darbināt plūsmas citometru — jutīgu šūnu šķirošanas iekārtu, ko toreiz izmantoja galvenokārt medicīnā. (Kā pēcdoktors viņš to bija izveidojis viņas laboratorijā.) Astoņdesmito gadu vidū vairāki viņas grupas locekļi izmantoja plūsmas citometru, lai pētītu jūras ūdens paraugus Atlantijas okeāna ziemeļdaļā. Olsons, kurš joprojām sadarbojās ar Chisholm, pamanīja sīkas daļiņas, kas izstaro sarkanu fluorescējošu gaismu, kas liek domāt, ka tās satur hlorofilu, bet tajās nebija papildu pigmentu, kas atrodami Sinekokoks , kas liek tiem fluorescēt oranžā krāsā. Sākumā viņi domāja, ka sarkanā gaisma, ko uztver viņu instrumenti, varētu vienkārši attēlot elektronisko troksni no instrumenta un fonu no sīkām, nedzīvām daļiņām. Mums uzreiz nešķita, ka tas būs liels darījums, saka Chisholm.
Bet viņa drīz nolēma to izdarīt Prohlorokoks viņas pētījumu centrālais elements. Komandas papīrs gadā, iepazīstinot ar saviem atklājumiem par šīm jaunatklātajām baktērijām Daba 1988. gadā.
Pēc tam, kad vienam no viņas absolventiem izdevās izolēt pirmo Prohlorokoks no Sargaso jūras, Chisholm un viņas grupa publicēja a Detalizēts apraksts baktērijām 1992. gadā, izceļot to šūnu struktūru un pigmentāciju. Viņi arī sekvencēja daļu no baktēriju DNS, izmantojot ikdienas darbietilpīgās metodes, lai novērtētu Prohlorokoks attiecības ar citiem fotosintēzes organismiem.
Chisholm pārbauda vienu no daudzajiem Prochlorococcus celmiem, kas arhivēti viņas laboratorijas kultūras kolekcijā.
Deviņdesmito gadu beigās Chisholm pārliecināja ASV Enerģētikas departamentu, kurā bija dažas pirmās paaudzes sekvencēšanas iekārtas, lai secinātu divu cilvēku DNS. Prohlorokoks genomi. Viens, kas iegūts no šūnām, kas savāktas no saules apspīdētas vides tuvāk virsmai, satur 1716 gēnus; otrai, no baktērijām, kas spēj izdzīvot vājākā gaismā, zemāk ūdenī, bija 2275 gēni. Aptuveni 1350 no šiem gēniem tika koplietoti. gadā publicētajā rakstā Daba 2003. gadā Chisholm aprakstīja tos kā fotosintēzei nepieciešamo minimālo instrukciju kopumu. Tikmēr atšķirības starp genomiem lielā mērā atspoguļoja baktēriju daudzpusību, pielāgojoties videi ar atšķirīgu gaismas intensitāti un atšķirīgu slāpekļa un metālu koncentrāciju.
Chisholm tagad ir sekvencējis aptuveni 50 celmus Prohlorokoks , ko viņa raksturo kā stabilu un ļoti daudzveidīgu organismu federāciju, kas mēdz mīt okeāna augšējos 200 metros. Viņa saka, ka aptuveni 1000 gēnu nosaka būtību tam, ko nozīmē piederība šai sugai, taču katra jauna secība atklāj 80 līdz 200 pilnīgi jaunus gēnu. Tradicionāls uzskats varētu likt domāt, ka dažādie celmi ir iesaistīti Darvina cīņā par okeāna resursiem, taču Chisholm raugās ar stingrāku skatījumu: dažādi celmi pieaug un samazinās, mainoties barības vielu pieejamībai un citiem vides aspektiem. Plašs klāsts Prohlorokoks Viņa saka, ka tas ir daļa no tā, kas viņiem nodrošina šādu stabilitāti un ļauj viņiem kopīgi spēlēt tik galveno lomu okeānā. Patiešām, Prohlorokoks tiek lēsts, ka fotosintēzes ceļā katru gadu saražo piecus miljardus tonnu dzīvas biomasas — gandrīz tikpat daudz, cik tā lielākais brālēns. Sinekokoks . Šo oglekli ēd citi mazie mikroorganismi, kurus savukārt ēd zooplanktons, ko savukārt ēd zivis, saka Chisholm. Galu galā Prohlorokoks baro vienu desmito daļu no visiem jūras radījumiem.
Augšā: šī modernā plūsmas citometra vecāka versija bija noderīga Prochlorococcus atklāšanā. Apakšā: Transmisijas elektronu mikrogrāfijās redzams Prochlorococcus celms, ko no Vidusjūras izolējis bijušais Chisholm Lab absolvents. Katras šūnas diametrs ir aptuveni 0,6 mikrometri.
Koncentrēšanās uz sugu daudzveidību ir bijusi būtiska Chisholm darba sastāvdaļa: es kā ekoloģe vienmēr esmu uzskatījusi, ka atšķirības starp ļoti līdzīgām lietām mums daudz ko pastāsta par spēkiem, kas veido mūsu pasauli, viņa saka. Un šis instinkts izrādījās tālredzīgs gadījumā Prohlorokoks . Ja mēs būtu palikuši tikai viena celma izpētē, nevis meklējuši ģenētiskos variantus jūrā, viņa saka, mēs kļūdītos par to, ko Prohlorokoks ir un kā tās darbojas.
Čišholmas laboratorijā, kas atrodas pieticīgās, vecās skolas 48. ēkas ceturtajā stāvā, ir daudz baktēriju. Vienā istabā, rindas Prohlorokoks aug mēģenēs zem dažāda daudzuma melnā tīkla. Dažas no tām var augt ar gaismas intensitāti, kas nogalinātu pārējos, viņa skaidro fanu gaudošanā. (Ventilatori atdzesē baktērijas un rada skaļu vēju, kas atgādina jūras krastu.) Citviet laboratorijā lieli konteineri, kurus Chisholm sauc par saules iekārtām, baktērijām imitē rītausmu un krēslu, lai tās justos kā okeānā. viņa saka. Viņiem ļoti nepatīk, ja gaismas pēkšņi nodziest un iedegas.
Okeānos, Prohlorokoks sadzīvo ne tikai ar citām baktērijām, bet arī ar vīrusiem, kas ar tām mijiedarbojas. 2003. gadā pētnieki Apvienotajā Karalistē atklāja, ka vīrusi inficē Prohlorokoks paši pārnēsā fotosintēzes gēnus. 2004. un 2005. gadā Chisholm grupa parādīja, ka infekcijas laikā šie vīrusu gēni tiek ekspresēti baktēriju šūnās, savukārt pašu šūnu fotosintēzes gēni kļūst mazāk aktīvi (vēl neskaidru iemeslu dēļ). Vīrusiem pārvietojoties no vienas baktēriju šūnas uz otru, tiek pārvietoti arī DNS fragmenti. Tas atvieglo baktēriju evolūciju un paātrina to, jo vīrusos gēni attīstās ātrāk.
Vīrusu un baktēriju dejā ir iekļauts vēl viens noslēpumains spēlētājs: mazi pūslīši jeb ar šķidrumu pildīti maisiņi, kas peld apkārt okeānā. 2014. gadā Chisholm komanda to atklāja Prohlorokoks izdala lipīdu pilienus, kas satur nejaušus DNS fragmentus, kurus viņi vispirms sauca par pūtītēm. Un, lai gan šo pūslīšu funkcija nav zināma, viena iespēja ir, ka tās darbojas kā vīrusu mānekļi. Tiem ir daži tādi paši virsmas marķējumi kā Prohlorokoks , tāpēc tiem var pievienoties tie paši vīrusi. Bet, tā kā tās nav īstas šūnas, vīrusi nevar tajās vairoties un izplatīties, kā tas citādi varētu notikt. Alternatīvi, tā kā pūslīši satur DNS, RNS un olbaltumvielas, tie var kalpot kā mehānisms ķīmiskās informācijas pārsūtīšanai no vienas šūnas uz otru.
Chisholm pētījumi viņai ir nopelnījuši daudzus apbalvojumus, tostarp dalību Nacionālajā Zinātņu akadēmijā un ielūgumu uz Balto namu no prezidenta Obama, kurš viņai piešķīra Nacionālo zinātnes medaļu. MIT viņa uzvarēja Kiliana balva 2014. gadā un 2015. gadā tika nosaukts par institūta profesoru — divi augstākie apbalvojumi, kas piešķirti mācībspēkiem. Bet aizstāvība, valsts dienests un izglītība arī ir viņas darba galvenās daļas. Papildus vēlmei dalīties tajā, ko viņa ir iemācījusies ar nodokļu maksātājiem, kuri ir finansējuši viņas pētījumu, Chisholm ir neapmierināts, ka pat izglītoti pieaugušie salīdzinoši maz zina par bioloģiju un jo īpaši par fotosintēzi. Viņa citē 90. gadu beigu video, kurā redzami nesen MIT un Hārvardas absolventi pasniedza sēklu un baļķi un jautāja, no kurienes nāk koka masa. Skolēni ir šokēti, uzzinot, ka lielākā daļa no tā rodas no oglekļa dioksīda gaisā. Viņa saka, ka MIT pat nav klases, kas būtu pilnībā veltīta augu bioloģijai.
Chisholm vēlme mācīt cilvēkiem pamatus ir likusi viņai plaši lasīt lekcijas un rakstīt bērnu grāmatas (lai gan viņai un viņas vīram nav bērnu). Viņa un bērnu grāmatu autore un ilustratore Mollija Banga, ilggadēja draudzene, ir sadarbojušās daudzgadu projektā ar nosaukumu Saules gaismas sērija , kas spilgti atspoguļo saules enerģijas nozīmi dzīvībai uz Zemes. Es domāju, ka cilvēki to lasīs saviem bērniem, viņa saka. Un tādā veidā es varētu sasniegt pieaugušos. Sērija neskopojas ar zinātniskām detaļām. Tā arī nevairās no klimata pārmaiņu steidzamības; jaunākajā grāmatā ir aprakstīta fosilā kurināmā izcelsme un paskaidrots, kā to pārāk ātra sadedzināšana, iespējams, izraisa globālo sasilšanu. Tomēr mērķis nav izsaukt trauksmes signālus, bet gan palīdzēt cilvēkiem saprast, kā planēta darbojas, saka Chisholm.
Prezidents Obama ceremonijā Baltajā namā 2013. gadā pasniedza Chisholm 2011. gada Nacionālo zinātnes medaļu.
Neskatoties uz viņas pašas bažām par globālo sasilšanu, Chisholm pētījumi ir radījuši viņā dziļu piesardzību par darbībām, kas varētu izraisīt plašas ekoloģiskas pārmaiņas. Tas ir padarījis viņu īpaši skeptisku pret cilvēku centieniem mainīt okeāna dzīvi, lai izvadītu no gaisa oglekļa dioksīdu. 2014. gadā viņa publicēja eseju Zinātne brīdinot par iespējamām neparedzētām sekām, ko rada okeāna mēslošana ar dzelzi, lai mēģinātu mazināt klimata pārmaiņas, stimulējot fotosintētisko organismu augšanu. Patiešām, Chisholm uztraucas, ka sarežģītu ekoloģisko sistēmu dinamiku ir gandrīz neiespējami paredzēt. Atklājums par Prohlorokoks Viņa rakstīja, ka pirms 30 gadiem mums vajadzētu atgādināt, cik maz mēs saprotam jūras barības tīklu sarežģītību.
Mikrobu ekosistēmas ir tas, kas vada planētu, saka Chisholm, atzīmējot to būtisko lomu jūras barības tīklā un skābekļa ražošanā. Viņa un viņas kolēģi cer, ka viņu darbs ļaus citiem labāk saprast, kā biosfēra darbojas, lai mūs uzturētu. Neatkarīgi no tā, vai cilvēka darbības, piemēram, fosilā kurināmā dedzināšana, vai sistēmas raksturīgās īpašības, kas ir attīstījušās 3,5 miljardus gadu, mēs zinām, ka šīs Zemes sistēmas funkcionēšanā notiks izmaiņas, viņa saka. Tikai tad, ja mēs saprotam, kā sistēma darbojas, mēs varam būt gatavi risināt šīs izmaiņas.
Lai saprastu, kā dzīve uz Zemes varētu mainīties klimata pārmaiņu apstākļos, Levins saka, mums ir jāzina, kas ir galvenie dalībnieki un kas kontrolē to dinamiku. Chisholm darbs tieši veicina šo pamatu. Kad okeāni sasilst, pētnieki lēš, Prohlorokoks Līdz gadsimta beigām to skaits var pieaugt līdz pat 30 procentiem ar nezināmām, bet potenciāli lielām sekām uz pārējo planētas dzīvi. Šīs ir sarežģītas, pašorganizējošas, dzīvas sistēmas, saka Chisholm. Es zinu, ka cilvēki vēlas vienkāršas atbildes… bet tādu nav, kad runa ir par šo evolūcijas pilnveidošanas šedevru.