Global översikt över kvävefixering i havet

Sammanfogade konfokala kanalbilder av de många formerna av cyanobakteriella diazotrofer (me-durs uppifrån till vänster): Hemiaulus (Diatom)-Richelia-symbios, fritt filament av Trichodesmium, Chaetoceros (Diatom)-Calothrix-symbios, fritt filament av Richelia- eller Calothrix-symbiont, Rhi-zosolenia (Diatom)-Richelia symbios, koloni av encelliga cyanobakterier.
Illustration: Rachel Foster, med tillstånd av Ecotaxa (https://ecotaxa.obs-vlfr.fr/part/).

På grund av koldioxidens roll i den globala uppvärmningen fokuserar många i dag på grundämnet kol. Men det är viktigt att inte glömma bort kväve. Precis som kol är kväve en av de viktigaste beståndsdelarna i livets byggstenar, framför allt DNA och proteiner. I många miljöer, såväl på land som i vatten, är det tillgången till kväve som begränsar tillväxten av växter och fytoplankton, de encelliga alger som står för bortåt hälften av fotosyntesen på jorden. Detta kan verka konstigt eftersom nästan 80 procent av luften består av kväve. Men kvävgasen i luften är inte tillgänglig direkt för levande organismer eftersom den är kemiskt stabil. För att organismer ska kunna leva måste kvävet göras tillgängligt, och det är det endast några få grupper av bakterier och arkebakterier som kan göra. Dessa kvävefixerare fungerar alltså som naturliga gödslare i sina ekosystem. På land utförs kvävefixeringen till mer än 90 procent av bakterier som lever i symbios med ärtväxter och andra växtgrupper.

Kvävefixering på land är väl undersökt tack vare dess betydelse för jordbruket. Mängden kväve som fixeras av mikrober i haven är dock minst lika stor som det som sker på land, men de mikroorganismer som sköter detta är inte alls lika välstuderade. Havslevande kvävefixerare är sinsemellan mycket olika. De skiljer sig i storlek från mikrometer till millimeter, och i hur de lever: enstaka celler, grupper av celler eller kolonier, frilevande eller i symbios med andra organismer. Detta gör dem svåra att studera eftersom de kan vara svåra att separera från andra mikroorganismer som finns i samma miljöer, ofta i större antal. Dessutom är världshaven förstås ett mycket stort område att studera.

Prover från stora delar av världshaven

– Det är här 'Tara oceans'-projektet kommer in i bilden. Projektet bygger på provtagning av marina planktonsamhällen i mycket stor skala över stora delar av världshaven, berättar Chris Bowler, forskare vid Institut de Biologie de l'École Normale Supérieur, i Paris och medförfattare till artikel i Nature Communications.

Under mer än fyra år (september 2009 till december 2013) seglade skonaren Tara 140 000 kilometer genom de viktigaste regionerna i världshaven och tog prover vid mer än 200 platser. På varje plats, togs DNA-prover från ytan och ner till djuphavet och vid vissa stationer kombinerades DNA-prover med mikroskopbilder. Genom att använda datoralgoritmer kunde forskare från Frankrike, Tyskland, Spanien och Sverige studera mer än två miljoner bilder och stora mängder DNA-sekvenser för att skapa sig en bild av var kvävefixerare kan påträffas i världshaven, hur vanliga de är och hur de är besläktade genetiskt.

– Det är en av de första studierna i stor skala där DNA-sekvenser kombinerats med mikroskopbilder av mikrober som inte odlas i laboratorier, säger Eric Pelletier, medförfattare och verksam vid CEA/Genoscope i Frankrike. 

– Jag blev först förvånad över hur väl mikroskopbilderna stämmer överens med DNA-sekvenserna. Plankton är utspridda och att ta prover som fångar dem är svårt. Bilderna, tagna med teknik med hög kapacitet, var grundläggande för vårt arbete. Vi fick en djup förståelse för ekologin för populationer med stor betydelse för hur näringsämnen omsätts i haven. Vårt tillvägagångssätt kan användas för många andra organismgrupper, berättar Rachel Foster, Institutionen för ekologi, miljö och botanik, Stockholms universitet, och medförfattare till studien.

Upptäckte ultrasmå kvävefixerare

Bland de viktigaste resultaten i studien är upptäckten av platser i haven som tidigare inte studerats väl, där kvävefixerare av olika slag finns i stort antal. Det mest överraskande resultatet var upptäckten av ultrasmå kvävefixerare (mindre än 0,2 mikrometer).

– Resultaten flyttar fram kunskapsläget i fältet genom att sätta fokus på områdena med stora populationer av kvävefixerare samt de nyupptäckta typerna av kvävefixerare, säger försteförfattaren Juan Pierella Lalusich, också han vid Institut de Biologie de l'École Normale Supérieur.

– Studien visar att vi kan beskriva mikroorganismer i havet på ett mer korrekt sätt genom att kombinera molekylära data med mikroskopbilder. Eftersom kväve är centralt för dynamiken i plankton och genom det också för omsättningen av näringsämnen i haven och klimatet, utgör vår studie viktig information för att förbättra förståelsen för hur planeten jorden påverkas av människan.

Mer information

Artikeln ”Global distribution patterns of marine nitrogen-fixers by imaging and molecular methods” publicerades i Nature Communication 6 juli 2021.
Rachel Foster