Drift på en båt mitt i norra Stilla havet, den mest häpnadsväckande synen är den totala frånvaron av något att se. Det glasartade lugna vattnet är ostört och mjukt böljande i mil åt alla håll. Även om du kikar över kanten av däcket i det kristallina blå vattnet, solens ljus tränger ner till ett djup av cirka 600 fot utan att något blockerar dess väg. Det verkar inte finnas annat att se än vatten här, men utseendet kan lura. Det är de omöjligt små organismerna och deras oproportionerligt stora inverkan på ekosystemet som lockade mig och ett team av forskare att trotsa det öppna havet, en nyfiken haj, och en förestående orkan. Vi kom till mitten av havet för att utnyttja de hemliga livet för mikroberna som kallar det öppna havet hem. Vi publicerade nyligen våra resultat i The ISME Journal .

Sommaren 2015 ett team från Columbias Lamont-Doherty Earth Observatory–Sonya Dyhrman, Sheean Haley, och jag - packade ihop innehållet i vårt laboratorium och skickade det till andra sidan planeten. Vi följde tätt bakom, tack och lov med mindre bagage, och gick med cirka 60 biologiska oceanografer från hela världen i Honolulu, Hawaii. Därifrån, vi var avsedda för North Pacific Subtropical Gyre ombord på en flotta av två forskningsfartyg.

Vår expedition finansierades av Simons Foundation och kallades Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, eller OMFATTNING. SCOPEs uppdrag är att mäta och modellera hur marina mikrober interagerar med och påverkar varandra och miljön i stort. Dessa processer äger rum hundratals mil bort från torrt land, men de har avgörande betydelse för allt liv på jorden. Trots allt, mikroskopiska marina växter, eller växtplankton, står för ungefär hälften av planetens primära produktivitet. Det betyder att för vartannat andetag du tar, du kan tacka ett växtplankton.

Min egen forskning fokuserar på en växtplankton som heter Trichodesmium. Det är en slutstensart ute i det subtropiska öppna havet. I lågt näringsämne, nästan ökenliknande förhållanden, Trichodesmium är en oas. Det är en fotosyntetisk bakterie, så den kan använda lite mer än solljus och koldioxid för att göra sitt eget socker till mat. Det är också en kväve fixer. Precis som bakterierna som lever i baljväxternas rötter som ärtor, Trichodesmium kan ta inert N2-gas från atmosfären och förvandla den till en form som stöder liv. I en hård miljö där andra organismer knappt kan försörja sig på den låga tillgången på biotillgängligt kväve, Trichodesmium är en flytande konstgödselfabrik. Av denna anledning, det bildar hotspots av biologisk aktivitet – konstellationer av flytande mikrobiella städer som gör det möjligt för globala biogeokemiska cykler att fortsätta att cirkulera.

Att jämföra Trichodesmium med en stad är inte särskilt svårt. Cellerna är stora — för en bakterie alltså. De är cirka 20 mikrometer breda, nästan 8 gånger längden på en typisk bakterie. Dessa celler bildar långa kedjor, och de kedjorna klumpar ihop sig för att bilda puffball-liknande kolonier som ser ut som ärtgröna höbalar storleken på ett knappnålshuvud. Om du skulle zooma in på en av dessa puffballs, du skulle upptäcka att Trichodesmium inte är ensam. Andra mikrober utnyttjar sockret från fotosyntes och biotillgängligt kväve som läcker ut ur Trichodesmium, och göra sina permanenta hem på dessa kolonier. I mikroorganismernas värld, Trichodesmiumkolonier är som Manhattan under restaurangveckan. I själva verket, Trichodesmium är en mikrob med sin egen mikrobiom.

Trichodesmium beskrevs först av utforskaren Captain Cook under en expedition till Röda havet i slutet av 1700 -talet. Det var inte förrän på 1980-talet, dock, att forskare stack Trichodesmium-puffar under ett kraftfullt mikroskop och upptäckte att kolonierna vimlade av andra bakterier. Att utforska denna fascinerande insikt hamnade i skuggan av en annan viktig upptäckt:att uppskattningar av Trichodesmiums N2-fixeringsförmåga låg i en storleksordning. Nya uppskattningar antydde att även om denna organism inte är numerärt riklig i havet, den bidrar fortfarande med nästan hälften av det totala biotillgängliga marina kvävet.

I dag, "mikrobiom" är ett modeord i både vetenskaplig forskning och utanför bänkarna i mikrobiologiska laboratorier. Upptäckten att mikroorganismerna som lever i och på oss är avgörande för att kontrollera hur vi smälter vår mat, avvärja skadliga patogener, och till och med vad vi tänker på har i grunden förändrat hur människor ser på sin relation med dessa små djur. Bakterier är inte bara bakterier längre.

Om en hälsosam sammansättning av tarmbakterier hos en människa kan vara nyckeln till en hälsosam livsstil, kan då mikrobiomet som lever på Trichodesmium spela en tidigare förbisedd roll i dess ekologi? Bakterierna i Trichodesmium-mikrobiomet kanske bara tar sig en tur genom vågorna som passiva fripassagerare, eller de kan interagera med sin värd på något viktigt sätt. Kan de på något sätt möjliggöra Trichodesmiums framgång och dess förmåga att fotosyntetisera och fixera kväve? SCOPE-expeditionen var vår chans att ta reda på det. Alla 60 forskare arbetade tillsammans över två fartyg för att ta prover för en rad biologiska och kemiska mätningar var fjärde timme under två på varandra följande fyradagarsperioder.

När solen började kika upp över horisonten den första morgonen i provtagningen, Sheean och jag stod i slutet av skeppet, väntar på "allt klart" från kaptenen för att kasta vår Trichodesmium provtagningsutrustning. Denna utrustning var som ett vattenlevande fjärilsnät som vi släpade genom vattnet, dess finmaskiga koncentrerar Trichodesmium-kolonierna från tusentals liter vatten. Vattnet såg lugnt ut, men det var ett mäktigt bicepspass för att hålla fast i repet och motstå att bli ryckt överbord. Bragden gjordes ännu mer dödsföraktande när en nyfiken haj började undersöka vårt nät.

Tillbaka på däck, vi skyndade med provet till labbet och plockade ut varje Trichodesmium-koloni vi kunde hitta med droppar. (Inget testar ens havsben precis som att fiska efter bakterier på ett fartyg i rörelse.) Att röra sig snabbt var nyckeln till att bevara provernas integritet:för att ta reda på vad Trichodesmium och deras mikrobiom gjorde i vattnet, vi sekvenserade och analyserade alla gener som de satte på och av under våra veckor till sjöss.

En organisms genom är som en kokbok – den innehåller alla instruktioner som en organism behöver för att fungera. Generna är som de individuella receptkorten som dras ut för att passa ett givet tillstånd. Precis som vintern signalerar recept på stekt kalkon och pumpapaj, den uppgående solen sätter igång Trichodesmiums gener för fotosyntes och kvävefixering. Om vi ​​kunde spåra uttrycket av dessa gener under hela dagen, och hitta gener med liknande dag-natt-mönster i mikrobiomet-organismer som inte bör reagera på solljus-då skulle vi ha genetiska bevis på potentiella interaktioner mellan värd och mikrobiom.

Efter en lång dag med provtagning, Sheean, Sonya och jag hade tagit steget. Men när solen gick ner stod vi inför en ny utmaning:att isolera kolonierna i nästan mörker. För att bevara gensignaturerna som orsakas av den uppgående och nedgående solen, på natten bytte vi ut alla glödlampor i vårt fartygs labb mot röda lampor. Det kändes som om vi var i en ubåt. Efter 96 timmar, vi hade loggat många prover, men lite sömn. Havet hade börjat rasa när en storm stormade mot vårt skepp. I mitt vagt sjösjuka delirium, det verkade galet att jag kunde förvandla små bakteriekolonier som plockats ur mitten av havet till biologiskt insiktsfulla data.

Månader senare, tillbaka på torra land vid Lamont-Doherty Earth Observatory, mina Trichodesmium-genexpressionsdata sekvenserades och redo att analyseras. Signalerna från Trichodesmium dök upp först:vackra sinusformade vågor som visar gener för fotosyntes och kvävefixering som dansar över min datorskärm i samverkan med solens upp- och nedgång. Sedan vände jag min uppmärksamhet mot mikrobiomets gener. Det fanns ingen anledning att tro att dessa bakterier skulle koreografera sin fysiologi med Trichodesmium. Trots allt, de kan bara vara passiva fripassagerare. Jag höll andan när jag klickade igenom analyserna och ritade upp resultaten.

När generna för Trichodesmium-kvävefixering slogs på och av, gener för kväveanvändning i mikrobiomet följde i lås. Samma mönster dök upp i Trichodesmium kolfixeringsgener och mikrobiom kolförbrukningsgener. Å andra sidan, vi hittade också bevis på att mikrobiomet förtjänar sitt förråd på kolonier genom att använda upp syret som produceras av fotosyntes, och bryta ner sockerarterna tillbaka till koldioxid - huvudsakligen andas, äter, och andas ut precis som djur gör. Genom att ta bort syre, som hämmar kvävefixering, och återförsörjning av koldioxid, mikrobiomet säkerställer en gynnsam miljö för Trichodesmium att fortsätta fixera kväve och fotosyntetisera. Till oss, dessa länkar antydde ett tätt symbiotiskt förhållande som kan ha en djupgående geokemisk inverkan.

Inte långt efter att vi skålade för att fira den publicerade tidningen, vårt samtal återvände till havet, till de kristallina blå havsgyren och alla experiment vi vill göra härnäst. Dessa biologiska interaktioner äger rum i mikroskopisk skala - de ger inte upp sina hemligheter lätt, men vi är villiga att riskera stormarna, sjösjuka, och en och annan haj för att undersöka de minsta organismerna och deras stora inverkan på jorden.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.