Разумевање најмањих бића океана

Професорка Института Пени Чисхолм баца светло на сложене морске екосистеме - и на потешкоће у предвиђању како ће они реаговати на глобално загревање.22. децембра 2015. године



Сели (Пени) Чисхолм, еколог и морски биолог, позната је по томе што је открила врсту минијатурне бактерије која живи у океану и која сваке године производи до 10 одсто целокупног кисеоника који се генерише фотосинтезом на Земљи. Њен рад је од кључног значаја за разумевање сложености морског живота и предвиђање како би климатске промене могле да га поремете. Ипак, до своје 14. године, када је њена породица посетила обалу Џерсија, она никада није видела океан, а камоли да је размишљала о његовим најмањим познатим фотосинтетичким створењима. Чисхолм је одрасла током бејби бума у ​​удаљеном горњем Мичигену и већину свог времена проводила је на скијању. Мој родни град није имао довољно школа, сећа се, па су већину средње и средње школе ученици похађали само пола дана. И кад год је било снега, других пола дана смо скијали.

Њена љубав према воденом животу почела је на језеру Супериор, где је пливала лети. Било је то идилично место, каже она. Када се 1965. преселила на исток да би похађала колеџ Скидмор, развила је више академско интересовање за језера, пишући дипломски рад о њиховој хемији. И као дипломирани студент екологије на Државном универзитету Њујорка у Албанију, проучавала је слатководни фитопланктон, сићушне фотосинтетске организме који живе у сунчаним површинским водама. Чисхолм је завршила своју дисертацију о уносу хранљивих материја у слатководну врсту тзв Еуглена . Ипак, такође је схватила да је, када је у питању екологија фитопланктона, права акција била у океану, делом зато што је америчка морнарица улагала у основну науку о мору. Тако је 1974. прихватила постдокторску стипендију на Скрипс институту за океанографију у Калифорнији, где сам, каже, научила све што знам о океану.





Врх: РВ Мелвилле плови поред обале Рапа Нуија на експедицији у јужном Пацифику да проучава Процхлороцоццус. Средина: Истраживачи су извлачили узорке морске воде са различитих дубина док су прикупљали податке о температури и флуоресценцији ћелија на истраживачком крстарењу од Велике Британије до Чилеа 2003. године, као део студије, коју је осмислио тадашњи постдок Закари Џонсон, о променама у структури и разноликости популације прохлорокока. на различитим географским ширинама. Доле: 1996. године, Чисхолм (у средини), колеге (укључујући Роба Олсона крајње десно и Џона Вотерберија иза њега) и студенти крстарили су Саргашким морем на броду РВ Оцеанус да би проучавали Процхлороцоццус.

Када јој је 1976. године понуђено место на МИТ-у, на Одсеку за грађевинарство, на одсеку, каже, није било биолога и није имала појма шта да очекује. Али почела је да цени интердисциплинарну мешавину истраживача заинтересованих за физику, хемију и биологију нашег окружења. Такође је развила блиске односе са стручњацима за море кроз заједнички програм МИТ/Воодс Холе за океанографију и океанографско инжењерство, крећући се на истраживачка крстарења по Карибима и Саргаском мору. Фотографије у њеној канцеларији, од којих се на неколико види како је мршава, разбарушена и насмејана на палубама бродова, пружају увид у ове прве дане њеног истраживања.

Чисхолм је најпознатија по открићу своје групе, 1980-их, микроба тзв. Процхлороцоццус , најмања позната фотосинтетичка бактерија у океану са ширином мање од једног микрометра. Они су и најзаступљенији: у милилитру морске воде може бити више од 100.000. И зато што троше угљен-диоксид и ослобађају кисеоник током фотосинтезе, Процхлороцоццус дају суштински допринос равнотежи ових гасова на Земљи.



Сајмон Левин, биолог са Принстона, описује Чисхолмове радове о овим микробима као научне класике. Она и њена група водеће су у разумевању како функционишу екосистеми океана, каже он, а њихова открића су кључна за разумевање како ће океани реаговати на климатске промене.

Сама Чисхолм истиче да без микроба који производе кисеоник као Процхлороцоццус , људска бића вероватно не би постојала. Да неки древни морски микроорганизам није добио кључну мутацију пре неких 3,5 милијарди година која му је омогућила да цепа воду и производи кисеоник, написала је она, еволуција живота на Земљи би кренула потпуно другачијом путањом.

Невероватно је, дакле, да су научници тако дуго имали тако непотпуну слику о овим створењима. Годинама су веровали да су једини једноћелијски организми који спроводе фотосинтезу у океанима еукариоти попут алги, које су релативно сложене ћелије које садрже језгро, митохондрије и хлоропласте. Велико откриће, каже Чисхолм, дошло је касних 1970-их, када су Џон Вотербери и колеге из Океанографске институције Воодс Холе први идентификовали фотосинтетичке бактерије тзв. Синецхоцоццус , који су распрострањени у океану. Научници су били изненађени да су ови једноставни прокариоти — једноћелијски организми који не садрже језгро, митохондрије или хлоропласте — били способни за фотосинтезу.

Деценију касније, Цхисхолм и њен тим су се придружили Процхлороцоццус , блиски рођаци од Синецхоцоццус који се показао мањим и бројнијим. Један од њених бивших постдоктора, Роберт Олсон, смислио је начин да управља проточним цитометром - осетљивом машином за сортирање ћелија која се тада углавном користила у медицини - на истраживачком броду на мору. (Као постдоктор, поставио је један у њеној лабораторији.) Средином 1980-их, неколико чланова њене групе користило је проточни цитометар за проучавање узорака морске воде у северном Атлантику. Олсон, који је још увек сарађивао са Чисхолмом, приметио је ситне честице које емитују црвено флуоресцентно светло, што сугерише да садрже хлорофил, али да немају додатне пигменте који се налазе у Синецхоцоццус , што узрокује да флуоресцирају наранџасто. У почетку су мислили да црвено светло које ухвате њихови инструменти може једноставно представљати електронски шум из инструмента и позадину од сићушних, неживих честица. Није нам одмах синуло да ће то бити велика ствар, каже Чисхолм.



Али убрзо је одлучила да направи Процхлороцоццус средишњи део њеног истраживања. Тим је папир уводећи своја открића о овим новооткривеним бактеријама појавила се у Природа 1988. године.

Након што је један од њених постдипломаца успео да изолује првог Процхлороцоццус из Саргашког мора, Чисхолм и њена група објавили су а Детаљан опис бактерија 1992. године, наглашавајући њихову ћелијску структуру и пигментацију. Такође су секвенционирали део ДНК бактерије, користећи досадашње напорне технике, да би проценили Процхлороцоццус однос према другим фотосинтетичким организмима.

Цхисхолм испитује један од многих сојева Процхлороцоццус архивираних у колекцији култура њене лабораторије.

Крајем 1990-их, Чисхолм је убедио Министарство енергетике САД, које је имало неке од машина за секвенцирање прве генерације, да секвенционира ДНК две Процхлороцоццус геноми. У једном, који је дошао из ћелија сакупљених из окружења обасјаног сунцем ближе површини, утврђено је да садржи 1.716 гена; други, од бактерија способних да преживе при слабијем светлу, ниже у води, имао је 2.275 гена. Отприлике 1.350 ових гена је подељено. У раду објављеном у Природа 2003. године, Чисхолм их је описао као да укључују минимални сет инструкција потребних за фотосинтезу. У међувремену, разлике између генома су у великој мери одражавале разноврсност бактерија у прилагођавању окружењима са различитим интензитетом светлости и различитим концентрацијама азота и метала у траговима.

Цхисхолм је сада секвенцирао око 50 сојева Процхлороцоццус , коју она описује као стабилну и веома разнолику федерацију организама који имају тенденцију да живе у горњим 200 метара океана. Отприлике 1.000 гена дефинише срж онога што значи припадати овој врсти, каже она, али свака нова секвенца открива 80 до 200 потпуно нових гена. Традиционално гледиште може сугерисати да су различити сојеви закључани у дарвинистичкој борби за океанске ресурсе, али Чисхолм узима оптимистичнију перспективу: различити сојеви расту и опадају у изобиљу како се доступност хранљивих материја и други аспекти животне средине мењају. Широк спектар Процхлороцоццус је, каже она, део онога што им даје такву стабилност и омогућава им, колективно, да играју тако централну улогу у океану. Заиста, Процхлороцоццус процењује се да производи пет милијарди тона живе биомасе фотосинтезом сваке године — скоро колико и његов већи рођак Синецхоцоццус . Овај угљеник једу други мали микроорганизми, које заузврат једу зоопланктон, који заузврат једу рибе, каже Чисхолм. Коначно, Процхлороцоццус храни једну десетину свих створења у мору.

Врх: Старија верзија овог модерног проточног цитометра била је кључна у открићу Процхлороцоццус. Доле: Трансмисиони електронски микрографи показују сој Процхлороцоццус изолован из Медитерана од стране бившег студента Цхисхолм Лаб-а. Свака ћелија је око 0,6 микрометара у пречнику.

Фокусирање на разноликост врста био је суштински део Чисхолмовог рада: одувек сам веровала, као еколог, да разлике међу веома сличним стварима имају много тога да нам кажу о силама које обликују наш свет, каже она. И овај инстинкт се показао предвидљивим у случају Процхлороцоццус . Да смо се заглавили са проучавањем само једног соја уместо да копамо море за генетске варијанте, каже она, много бисмо погрешили у вези Процхлороцоццус како и како функционишу.

Чисхолмова лабораторија на четвртом спрату скромне зграде 48 старе школе садржи обиље бактерија. У једној просторији, редови Процхлороцоццус расте у епруветама под различитим количинама црне мреже. Неки од њих могу да расту при интензитету светлости који би убио друге, објашњава она уз звиждање обожаватеља. (Вентилатори хладе бактерије — и дешава се да стварају гласан ветар који подсећа на морску обалу.) На другом месту у лабораторији, велики контејнери које Чисхолм назива машинама за сунце симулирају зору и сумрак за бактерије тако да се осећају као да су у океану, она каже. Заиста не воле када се светла изненада угасе и упале.

у океанима, Процхлороцоццус коегзистира не само са другим бактеријама већ и са вирусима који су у интеракцији са њима. 2003. истраживачи у Великој Британији су открили да вируси заразе Процхлороцоццус сами носе гене за фотосинтезу. Током 2004. и 2005. године, Чисхолмова група је показала да се током инфекције ови вирусни гени експримирају у бактеријским ћелијама, док сопствени гени ћелија за фотосинтезу постају мање активни (из разлога који још нису јасни). Како се вируси крећу из једне бактеријске ћелије у другу, делови ДНК се такође преносе. Ово олакшава еволуцију бактерија - и убрзава је, пошто гени еволуирају брже у вирусима.

Плес вируса и бактерија укључује још једног мистериозног играча: мале везикуле, или кесице испуњене течношћу, које лебде около океаном. У 2014, Цхисхолмов тим је то открио Процхлороцоццус испушта капљице липида које садрже насумичне делове ДНК, које су прво назвали мехурићи. И док функција ових везикула није позната, једна од могућности је да делују као мамац за вирусе. Имају неке од истих ознака на површини као Процхлороцоццус , тако да се исти вируси могу везати за њих. Али пошто то нису стварне ћелије, вируси се не могу размножавати у њима и ширити, као што би иначе могли. Алтернативно, пошто везикуле садрже ДНК, РНК и протеине, они могу послужити као механизам за пребацивање хемијских информација из једне ћелије у другу.

Чисхолмова истраживања донела су јој многе почасти, укључујући чланство у Националној академији наука и позив у Белу кућу од председника Обаме, који јој је доделио Националну медаљу науке. На МИТ-у је освојила Килијанова награда 2014. године, а 2015. године именован је за професора института — две највеће награде додељене члановима факултета. Али заступање, јавна служба и образовање су такође централни делови њеног рада. Осим што жели да подели оно што је научила са пореским обвезницима који су финансирали њено истраживање, Чисхолм је вођена фрустрацијом што чак и образовани одрасли знају релативно мало о биологији, а посебно о фотосинтези. Она цитира видео снимак из касних 1990-их у којем су недавно дипломци МИТ-а и Харварда предао семе и балван и питао одакле долази маса дрвета. Ученици су шокирани када сазнају да највећи део долази од угљен-диоксида у ваздуху. МИТ чак нема ни час који је у потпуности посвећен биологији биљака, каже она.

Чисхолмова жеља да научи људе основама довела ју је до тога да држи широка предавања - и да пише књиге за децу (иако она и њен муж немају деце). Она и ауторка књига за децу и илустраторка Моли Банг, дугогодишња пријатељица, сарађивале су на вишегодишњем пројекту под називом Сунлигхт серија , који живописно приказује значај сунчеве енергије за живот на Земљи. Мислила сам да ће људи то читати својој деци, каже она. И на тај начин сам заправо могао да допрем до одраслих. Серија не штеди на научним детаљима. Нити се зазире од хитности климатских промена; најновија књига описује порекло фосилних горива и објашњава како њихово пребрзо сагоревање вероватно изазива глобално загревање. Циљ, међутим, није да се огласи аларми, већ да се помогне људима да схвате како планета функционише, каже Чисхолм.

Председник Обама са Чисхолмом

Председник Обама је уручио Чисхолму Националну медаљу за науку 2011. на церемонији у Белој кући 2013.

Индија је оборила сателит

Упркос њеној забринутости због глобалног загревања, Чисхолмово истраживање усадило је у њу дубок осећај опреза у погледу акција које би могле да изазову велике еколошке промене. То ју је учинило посебно скептичном према људским напорима да промене живот у океану како би извукли угљен-диоксид из ваздуха. Године 2014. објавила је есеј у Наука упозоравајући на потенцијалне ненамерне последице ђубрења океана гвожђем како би покушали да ублаже климатске промене стимулисањем раста фотосинтетских организама. Заиста, Цхисхолм брине да је динамику сложених еколошких система готово немогуће предвидјети. Откриће од Процхлороцоццус Пре 30 година требало би да нас подсети колико мало разумемо сложеност морских прехрамбених мрежа, написала је она.

Микробни екосистеми су оно што управља планетом, каже Чисхолм, истичући њихову кључну улогу у морској мрежи хране и производњи кисеоника. Она и њене колеге се надају да ће њихов рад омогућити другима да боље разумеју како биосфера функционише да би нас одржала. Било због људских активности као што је сагоревање фосилних горива или инхерентних својстава система, који се развијао 3,5 милијарди година, знамо да ће доћи до промена у начину функционисања овог земаљског система, каже она. Само ако разумемо како систем функционише, можемо бити спремни да се носимо са тим променама.

Да бисмо разумели како би се живот на Земљи могао променити у условима климатских промена, каже Левин, морамо да знамо ко су кључни играчи и шта контролише њихову динамику. Чисхолмов рад директно доприноси овој основи. Како се океани загревају, процењују истраживачи, Процхлороцоццус Број људи може порасти и до 30 процената до краја века, са непознатим, али потенцијално великим последицама за остатак живота на планети. То су сложени, самоорганизујући, живи системи, каже Чисхолм. Знам да људи желе једноставне одговоре... али их нема када је у питању ово ремек-дело еволуционог финог подешавања.

сакрити

Стварне Технологије

Категорија

Унцатегоризед

Технологија

Биотехнологија

Технолошка Политика

Климатске Промене

Људи И Технологија

Силиконска Долина

Рад На Рачунару

Мит Невс Магазин

Вештачка Интелигенција

Спаце

Паметни Градови

Блоцкцхаин

Репортажа

Алумни Профил

Алумни Веза

Функција Мит Невс

1865. Године

Мој Поглед

77 Масс Аве

Упознајте Аутора

Профили У Великодушности

Виђено У Кампусу

Алумни Леттерс

Вести

Избори 2020

Витх Индек

Под Куполом

Ватрогасно Црево

Бесконачне Приче

Пандемиц Тецхнологи Пројецт

Од Председника

Насловна Прича

Фото Галерија

Рецоммендед