Runt världen, breda stränder av öppet hav är nästan utarmade på syre. Inte riktigt döda zoner, de är "syreminimumszoner, " där ett sammanflöde av naturliga processer har lett till extremt låga koncentrationer av syre.

Endast de härdigaste organismerna kan överleva under sådana svåra förhållanden, och nu har MIT oceanografer funnit att dessa tuffa små livsformer - mestadels bakterier - har en förvånansvärt låg gräns för mängden syre de behöver för att andas.

I en tidning publicerad av tidskriften Limnologi och oceanografi , teamet rapporterar att havets bakterier kan överleva på syrekoncentrationer så låga som cirka 1 nanomolar per liter. För att sätta detta i perspektiv, det är ungefär 10, 000 gånger lägre än vad de flesta småfiskar tål och ungefär 1, 000 gånger lägre än vad forskare tidigare misstänkt för marina bakterier.

Forskarna har funnit att under denna kritiska gräns, mikrober antingen dör av eller byter till mindre vanliga, anaeroba former av andning, tar upp kväve istället för syre för att andas.

Med klimatförändringarna, haven förväntas genomgå en omfattande förlust av syre, potentiellt öka spridningen av syreminimumszoner runt om i världen. MIT-teamet säger att kunskap om minimikraven för syre för havsbakterier kan hjälpa forskare att bättre förutsäga hur framtida deoxygenering kommer att förändra havets balans av näringsämnen och de marina ekosystemen som är beroende av dem.

"Det finns en fråga, som cirkulation och syreförändringar i havet:Kommer dessa syreminimumszoner att stiga och bli grundare, och minska livsmiljön för de fiskarna nära ytan?" säger Emily Zakem, tidningens huvudförfattare och en doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap (EAPS). "Att känna till denna biologiska kontroll av processen är verkligen nödvändigt för att göra den sortens förutsägelser."

Zakems medförfattare är EAPS docent Mick Follows.

Hur lågt blir syre?

Minsta syrezoner, kallas ibland för "skuggzoner, " finns vanligtvis på djup av 200 till 1, 000 meter. Intressant, dessa syrefattiga regioner är ofta belägna strax under ett lager av höga syreflöden och primär produktivitet, där fiskar som simmar nära ytan är i kontakt med den syrerika atmosfären. Sådana områden genererar en enorm mängd organiskt material som sjunker till djupare lager av havet, där bakterier använder syre - mycket mindre rikligt än på ytan - för att konsumera detritus. Utan en källa för att fylla på syretillförseln på sådana djup, dessa zoner blir snabbt utarmade.

Andra grupper har nyligen mätt syrekoncentrationer i utarmade zoner med hjälp av ett mycket känsligt instrument och observerat, till deras förvåning, nivåer så låga som några nanomolar per liter – cirka 1, 000 gånger lägre än vad många andra tidigare hade uppmätt — över hundratals meter djupt hav.

Zakem och Follows försökte hitta en förklaring till så låga syrekoncentrationer, och letade efter svaret på bakterier.

"Vi försöker förstå vad som styr stora flöden i jordsystemet, som koncentrationer av koldioxid och syre, som sätter livets parametrar, ", säger Zakem. "Bakterier är bland organismerna på jorden som är en del av att fastställa storskaliga näringsfördelningar. Så vi kom in i det här och ville utveckla hur vi tänker på bakterier i klimatskala."

Att sätta en gräns

Forskarna utvecklade en enkel modell för att simulera hur en bakteriecell växer. De fokuserade på särskilt resursstarka stammar som kan växla mellan aerob, syreandad andning, och anaerob, icke syrebaserad andning. Zakem and Follows antog att när syre är närvarande, sådana mikrober bör använda syre för att andas, eftersom de skulle lägga mindre energi på att göra det. När syrekoncentrationen sjunker under en viss nivå, bakterier bör gå över till andra former av andning, som att använda kväve istället för syre för att driva sina metaboliska processer.

Teamet använde modellen för att identifiera den kritiska gränsen vid vilken denna omställning inträffar. Om den kritiska syrekoncentrationen är densamma som de lägsta koncentrationer som nyligen observerats i havet, det skulle tyda på att bakterier reglerar havets lägsta syrezoner.

För att identifiera bakteriers kritiska syregräns, teamet inkluderade i sin modell flera nyckelparametrar som reglerar en bakteriepopulation:storleken på en enskild bakteriecell; temperaturen i den omgivande miljön; och befolkningens omsättningshastighet, eller den hastighet med vilken celler växer och dör. De modellerade en enda bakteriecells syreintag med ändrade parametervärden och fann att oavsett de varierande förhållandena, bakteriers kritiska gräns för syreintag centrerades kring försvinnande små värden.

"Det som är intressant är att vi fann att över hela detta parameterutrymme, den kritiska gränsen var alltid centrerad till cirka 1 till 10 nanomolar per liter, " säger Zakem. "Detta är den lägsta koncentrationen för det mesta av det realistiska utrymmet du skulle se i havet. Detta är användbart eftersom vi nu tror att vi har bra koll på hur lågt syre som finns i havet, och [vi föreslår] att bakterier kontrollerar den processen."

Havets fertilitet

Ser fram emot, Zakem säger att lagets enkla bakteriemodell kan vikas till globala modeller av atmosfärisk och havscirkulation. Denna extra nyans, hon säger, kan hjälpa forskare att bättre förutse hur förändringar i världens klimat, såsom utbredd uppvärmning och syrebrist i havet, kan påverka bakterier.

Även om de är de minsta organismerna, bakterier kan potentiellt ha globala effekter, säger Zakem. Till exempel, när fler bakterier går över till anaeroba former av andning i syrefria zoner, de kan förbruka mer kväve och avge som en biprodukt kvävedioxid, som kan släppas tillbaka till atmosfären som en potent växthusgas.

"Vi kan tänka på den här förändringen i bakterier som sätter havets fertilitet, " säger Zakem. "När kväve försvinner från havet, du förlorar tillgängliga näringsämnen tillbaka till atmosfären. För att veta hur mycket denitrifikation och kvävedioxidflöde kommer att förändras i framtiden, vi behöver absolut veta vad som styr som växlar från att använda syre till att använda kväve. I det avseendet, detta arbete är mycket grundläggande."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.