Verden av skjult liv stammer under våre føtter


Typer jord i USA inkluderer (med klokka fra øverst til venstre) Honga, Madison, Coxville, Cowarts, Lynn Haven, Green Level, Leon, Hiwassee, Tuxekan og Appling-serien. Alle finnes i Sørøst, unntatt Tuxekan-serien, som ligger i Alaska. Fra Quanta Magazine ( finn originalhistorien her ). Janet Jansson begynte å begynne å lure på det store universet av underjordisk liv som student ved New Mexico State University i slutten av 1970-tallet. En h

Typer jord i USA inkluderer (med klokka fra øverst til venstre) Honga, Madison, Coxville, Cowarts, Lynn Haven, Green Level, Leon, Hiwassee, Tuxekan og Appling-serien. Alle finnes i Sørøst, unntatt Tuxekan-serien, som ligger i Alaska.

Fra Quanta Magazine ( finn originalhistorien her ).

Janet Jansson begynte å begynne å lure på det store universet av underjordisk liv som student ved New Mexico State University i slutten av 1970-tallet. En håndfull jord inneholder rundt 10 milliarder bakterier, men på den tiden visste jordforskere veldig lite om hva disse mikroberene var og hva de gjorde. Senere, som en ung mikrobiell økolog ved Stockholms universitet i Sverige, begynte hun å katalogisere mikroorganismer hun samlet under jordprøveturer, dechifterer deres genetiske kode slik at de kunne forstå både deres indre arbeid og hvordan de passer inn i deres underjordiske habitat.

Som Jansson gravde, fortsatte hun å løpe inn i et problem. Hovedmetoden da brukt til å amplifisere og analysere DNA-strekk var ikke kraftig nok til å avsløre alle arbeidene til en enkelt mikroorganisme, mye mindre et hele fellesskap av dem. "Du kunne få informasjon om bestemte gener, men sekvenseringsteknologier var veldig sakte, " sa Jansson, nå divisjonsdirektør for biovitenskap ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i Richland, Wash. Hun visste lagene av sediment hun studerte holdt en skattekiste av biologiske funn, men hun hadde ennå ikke verktøyene hun trengte for å fjerne dem.

Så snart etter århundreskiftet gjorde nye høyoktante DNA-sekvenseringsmetoder det mulig å sekvensere tusenvis eller til og med millioner av gener nesten umiddelbart. Disse nye, raskere metodene betydde at forskere lett kunne sekvensere de kollektive genomene av prøven, kjent som et metagenom, for første gang. Plutselig var det mulig å skanne den samlede sammensetningen av habitater så forskjellige som stillestående myrer og frosset tundra, og produserte et detaljert portrett av det mikrobielle livet de holdt. Gen- og proteinsekvensene fra disse vidtgående skanninger - den første av deres slag - ville, når de avkodes, belyse hva mikroberene egentlig gjorde innenfor hvert økosystem. Dataene vil hjelpe forskere å forstå hvordan mikrober fanger og lagrer karbondioksid fra atmosfæren, hvordan de bryter ned organisk materiale slik at planter kan få tilgang til næringsstoffene, og hvordan de nøytraliserer jordgiftstoffer som er kjent for å true helsen. "Du kan bare ordne alt, " sa Jansson. "Det er her den metagenomiske tilnærmingen har virkelig vært en fordel."

Nesten alt om Janssons nåværende omgivelser er stort og dristig: de 600 hektar med sycamore-studded PNNL-campus som ruller over østlige Washington, den endeløse blå himmelen hun kan se gjennom bildevinduet, kjøleskala-gensekvenseringsmaskinen hvor hennes team legger jordprøver . Men som alltid, det som kjører Jansson er lokket til det mikroskopiske og det usynlige - utfordringen med å kartlegge innholdet i jordmikrobiomet, et spennende globalt fellesskap, hvis funksjoner aldri har blitt fullstendig forstått. "Jord, " sa Jansson, blinker et grin, "er det ultimate komplekse systemet."

Janet Jansson på en ekspedisjon til Grønland. Hilsen av Janet Jansson

Den underjordiske prairie
Når metagenomics begynte å åpne opp en helt ny undergrunnsverden til jordforskere, fant Jansson seg et nytt sett med utfordringer. Omfanget av dette fremvoksende feltet hun hadde bidratt til å skape var enormt - en teskje jord kan inneholde titusenvis av arter, og det er kanskje millioner av arter verden over som ennå ikke er oppdaget. For å takle den svimlende oppgaven med å forstå sin funksjon, dannet hun et samarbeidsprosjekt i 2010, kalt Earth Microbiome Project, sammen med Rob Knight fra University of California, San Diego og Jack Gilbert fra Argonne National Laboratory i Argonne, Ill. Prosjektet Målet er å katalogisere 200 000 mikroberike prøver fra steder rundt om i verden. (Siden i fjor hadde det analysert mer enn 30.000 prøver.) Men Jansson visste også at han virkelig burde grave seg dypt, og hun måtte begrense den svimlende mengden forskningsmuligheter før henne til en håndfull som hun kunne takle i løpet av livet.

For å begynne, satte hun og hennes team ut for å studere prærijordene som dominerer mye av det amerikanske hjertelandet. Tusenvis av jordmikrober rundt røttene av gress hjelper Midwestern Great Prairie til å lagre mer karbon enn noen annen region i det kontinentale USA. Ved å produsere proteiner som skar og rekombinerer karbondioksidmolekyler, arbeider disse mikroberene sammen med gressene for å fange atmosfærisk karbondioksid og forvandle den til solid, karbonrik biologisk materiale som blir lagret under jorden. Det er en stor velsignelse for menneskeheten, fordi jo mer karbondioksid et landskap kan lagre, desto mindre blir det igjen som en drivhusgass som driver planetarisk oppvarming.

Men siden over 90 prosent av alle jordbakterier ikke kan dyrkes i laboratoriet, har forskere lenge vært usikker på hvordan de bidrar til karbon sykling. En metagenomisk analyse av disse præriemikrober, Jansson trodde, vil bidra til å avsløre omfanget av deres engasjement i karbonlagring og belyser om nedbør og menneskelig jordbruk forandrer den rollen.

Janssons lag sprang ut over den sentrale tredjedel av landet for å se hvilke mikrobielle nyheter de kunne finne. På feltsteder i Iowa, Kansas og Wisconsin tok de jordprøver ved hjelp av verktøy som kalles corers-foot-lange hule rør designet for å skille gjennom jorda. Når corer dukker opp, trekker den opp en log-formet prøve med alle sine lag - og ideelt sett er dets mikroorganismer intakte. Klumpen av smuss blir deretter bevart på tøris og sendt tilbake til laboratoriet. Der sekvenserer teknikere prøvenes DNA og RNA.

Når denne prosessen er fullført, har prosjektforskere en ide om hvilke mikrobielle gener som finnes i hver prøve og hvilke biologiske jobber mikroberene utfører. Hvis en jordprøve inneholder bakteriegener som produserer enzymer som brukes til å omdanne karbondioksid fra atmosfæren til fast karbon, og disse genene er aktive, kan forskere konkludere med at mikrober i prøven aktivt lagrer karbon.
På hvert sted samplet forskerholdet innfødt, uforstyrret prærjord, samt jord som hadde vært oppdrettet i mange år. De sekventerte prøvene viste at det innfødte prairie-smuss inneholdt en annen blanding av mikrober fra oppdrettsjorden, noe som til dels skyldes gjødsel som brukes under oppdrett. "Da vi så på disse sammenligningene, var det sterke mikrobielle signaturer, nesten som en biomarker av dyrking, " sa Jansson. Hun mistenker at det er forskjeller i hvordan mikrober lagrer karbon i innfødt og dyrket jord, et tema hun planlegger å utforske videre i fremtidig forskning.

Den frosne tundraen
I mellomtiden har Jansson og hennes team også undersøkt jordene i Arktis, et av verdens raskest forandrede klima. Jansson hadde lenge vært nysgjerrig på hvordan disse hurtige temperaturendringene påvirket det underjordiske mikrobielle samfunnet, og om disse forandringene hadde noen overraskende bivirkninger. "Det er så mye organisk karbon fanget i permafrost, " sa hun, "og vi vet egentlig ikke hva som skal skje når klimaet varmer." I begynnelsen av arbeidet mistenkte Jansson at oppvarmingstrendene kunne aktivere bakterieprosesser som bryter ned lagret karbon, slippe det inn i atmosfæren og brenne klimaendringer. Men siden hun ikke visste det, bestemte hun seg for å studere hvordan mikrobiell samfunnsmix varierte i tre forskjellige typer Alaskan terreng: Frosset permafrost, overflatejord som fryse og tine som årstidene forandrer seg, og forholdsvis varm, vannkledd mosejord.

Som hun mistenkte, fant Jansson betydelige forskjeller mellom de mikrobielle samfunnene på disse stedene. Totalt var det få gener og proteiner i permafrostprøver. Men i det fryse og tining jordlaget viste sekvensering at bakterier i jordprøver produserte noen spennende proteiner, inkludert enzymer som kutter lange kjeder av karbonmolekyler, som cellulose fra planter, til kortere, enklere sukkerforbindelser som bakteriene kan bruke som brensel. Når dette skjer, blir tidligere "låst" karbon frigitt tilbake i atmosfæren. "Når jordene tiner, " sier Jansson, "begynner det å overgå mer til nedbrytning." I varmere jordarter, med andre ord, begynner bakterielle karbon nedbrytningsprosesser å vises tydelig i sekvenseringsdata. Så som noen observatører har fryktet, kan varmetemperaturen frigjøre tidligere inert karbon fra jorda. Dette gir det urovekkende prospektet for bortfall av karbonutslipp, da temperaturen fortsetter å stige.

Mest oppsiktsvekkende viste den varmeste jordprøven i Jansson-studien - den svampete mosken - en rekke mikrobielle gener og proteiner involvert i produksjon av metan, en drivhusgass som var mer enn 20 ganger så sterk som karbondioksid. Et slikt protein var metyl-coenzym M reduktase, som er involvert i omdannelse av karbondioksid til metan. Dette funnet kan innebære at oppvarmingstrendene vil drive lokale mikrober for å produsere større mengder metan. Deretter planlegger Jansson å undersøke om rask tinning påvirker jordmikrobefolkningen forskjellig fra mer gradvis tining, siden begge vil sannsynligvis bli vanlig som planeten varmer.

Bakteriell terroir
Jordmikrober er ikke bare karbonprosessorer, som Janssons kolleger avslører. Ikke bare påvirker de store mikrobielle samfunnene underfoot luftkvaliteten og globale temperaturer, de kan også påvirke smaken og kvaliteten på maten vi vokser. Thomas Mitchell-Olds of Duke University ønsket å se om de mikrobielle befolkningene i og rundt planters røtter kunne påvirke måten plantene modnet på. Han og hans student Maggie Wagner tok jordprøver fra fire forskjellige samlingssteder i landlige Idaho og isolerte mikrober fra hver prøve. De podet deretter jordfylte potter med disse fire mikrobielle prøvene og plantet en vanlig sennepsplantasje, Boechera stricta, i dem. Visse typer mikrober i jorda syntes å øke hastigheten på planteblomstringstid, fant teamet, mens andre, som medlemmer av Proteobacteria phylum, reduserte det.

Studien understreket hvor viktig mikrobiel aktivitet er å plante helse og produktivitet. "Jordmikrober hadde allerede vært knyttet til tørke toleranse, vekstraten og andre aspekter av anleggets ytelse. Vårt eksperiment lagde blomstringstid til denne listen, sa Mitchell-Olds. "Potensialet for jordmikrober til å justere blomstringstid - om å forbedre utbyttet, bufferen mot klimaendringer, eller begge - er spennende." Et slikt utsiktspunkt kan interessere ikke bare bønder som ønsker å øke sin bounty, men også si vinavlere i California Napa Valley, som vet hvor dramatisk blomstrer tiden kan påvirke utviklingen av druer og smaken av den resulterende vintage. Den berømte terroiren av steder som Napa , kan faktisk oppstå fra tusenvis av mikrober som sverger sammen i usynlig harmoni.

Andre sekvenseringsstudier har illustrert den kritiske rollen som jordmikrober spiller når man bryter ned forurensende stoffer. Da forskere ved Delhi-universitetet i India tok jordprøver fra et plantevernmiddeldump og sammenlignet dem med prøver fra et renere kontrollsted, rapporterte de at jorda fra avfallssiden inneholdt en høyere konsentrasjon av gensekvenser fra visse bakteriegrupper, som for eksempel Pseudomonas, Novosphingobium og Sphingomonas, som er kjent for å nedbryte vanlige pesticider som heksaklorcykloheksan. Mikrober, synes det, kan tilpasse seg å hjelpe til med å ødelegge landskapet gjenopprette, noe som gir den spennende muligheten for å utplassere bugsene i bioremedieringsarbeid. "Jordene er en buffer mot alle slags fornærmelser mot vårt økosystem, " sa Vanessa Bailey, en mikrobiolog som jobber tett med Jansson på PNNL.

Forskerne som jobber med Great Prairie-prosjektet har klart å samle om 1, 8 bilioner baser av DNA-data, men Jansson mener at disse dataene bare beskriver en brøkdel av de mikrobielle samfunnene i prærjord, da jorda inneholder mellom 1 milliard og 10 milliarder individuelle celler per gram. "Vi er fortsatt i funnfasen, " sa hun. "Vi har mye å gjøre bare for å samle et jordemetagent." Hun og andre forskere prøver ulike teknikker for å strømlinjeforme genanalyseprosessen, for eksempel å kaste bort mindre vanlige gensekvenser i en bestemt prøve for å fokusere på mer utbredte.

Jo mer Jansson og hennes kolleger er i stand til å lære om tidligere ukjente mikrobesamfunn, desto bedre kan de forutsi hvordan disse samfunnene vil reagere på forskjellige forhold - tørke, varmere vær eller flom, bare for å slå av listen. De håper å bygge disse prognosene i datamodeller som vil illustrere hvilken mikrobiel aktivitet en gitt miljøforandring kan skape, samt de forventede resultatene av den aktiviteten. Slike modeller kan hjelpe miljøplanleggere dyrke mikrobielle blandinger som oppnår en ønsket ende, noe som kan være jord som slår opp gigatoner av atmosfærisk karbon, eller som slipper av forurensning med letthet, eller som gir druene vintners drømmer om. "Ved å ha kjennskap til mikroberene som er tilstede i beste tilfelle, " sa Jansson, "du kan justere systemet for å optimalisere den kombinasjonen av mikrober."

Jordkjerner transporteres tilbake til laboratoriet, hvor forskere kan analysere de tette mikrobielle populasjonene. Hilsen Vanessa Bailey

Men å oppnå den rette mikrobielle balansen er ikke alltid så enkel som å inokulere jord med visse bakteriestammer. "Hvis betingelsene er gunstige for mikroberene du vil blomstre, vil de blomstre, " sa Jansson. "Hvis du er frø og forholdene ikke er gunstige, vil de bare dø." Den ideelle tilnærmingen vil da ofte være å konstruere den typen landskap som gunstige mikrober naturligvis flocker til. I oppvarmingsområder som vokser hvert år, kan dette bety at det er nok oksygenrikt flytende vann, noe som vil gjøre området mindre gjestfritt til anaerobe mikrober som belch store mengder metan. I kultiverte områder av Great Prairie, kan bønder velge gjødsel som opprettholder naturlig mikrobiell mangfold, gir rikelig matavlinger og maksimerer karbonfangst fra atmosfæren.

Likevel er innsikt som disse gradvis og vant, og Jansson vet at fremtidige forskere må ta opp årsaken til å oppdage alle måter jordmikrober påvirker resten av planeten. For nå gleder Jansson til å spille rollen som jordmåler, kartlegge mengden og bredden til mikrobielle samfunn, slik at andre en dag kan dra nytte av kunnskapen. "Vi vet mer om bevegelsen av himmellegemer, " Leonardo da Vinci en gang musket, "enn om jorden underfoot." Mer enn 500 år senere, ønsker Jansson å være forskeren som til slutt viser ham feil.

Reprinted med tillatelse fra Quanta Magazine, en redaksjonelt uavhengig deling av SimonsFoundation.org, som har til formål å styrke den offentlige forståelsen av vitenskapen ved å dekke forskningsprosesser og trender innen matematikk og fysikk og biovitenskap.