William Blake kan ha sett en värld i ett sandkorn, men för forskare vid MIT har den minsta av alla fotosyntetiska bakterier ledtrådar till utvecklingen av hela ekosystem, och kanske till och med hela biosfären.

Nyckeln är en liten bakterie som heter Prochlorococcus, som är den mest förekommande fotosyntetiska livsformen i haven. Ny forskning visar att denna diminutiva varels metabolism har utvecklats på ett sätt som kan ha bidragit till att utlösa andra organismer, att bilda ett mer komplext marint ekosystem. Dess utveckling kan till och med ha bidragit till att driva globala förändringar som möjliggjorde utvecklingen av jordens mer komplexa organismer.

Forskningen tyder också på att samutvecklingen av Prochlorococcus och dess beroende beroende samorganismer kan ses som ett mikrokosmos av de metaboliska processer som äger rum inuti cellerna i mycket mer komplexa organismer.

Den nya analysen publiceras i veckan i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences , i ett papper av postdoc Rogier Braakman, Professor Michael Follows, och institutprofessor Sallie (Penny) Chisholm, som var en del av teamet som upptäckte denna lilla organism och dess överdimensionerade inflytande.

"Vi har alla dessa olika stammar som har isolerats från hela världens hav, som har olika genomer och olika genetisk kapacitet, men de är alla en art genom traditionella åtgärder, "Chisholm förklarar." Så det finns denna extraordinära genetiska mångfald inom denna enda art som gör att den kan dominera så stora delar av jordens hav. "

Eftersom Prochlorococcus är både så rikligt och så välstuderat, Braakman säger att det var ett idealiskt ämne för att försöka räkna ut "inom all denna mångfald, hur förändras metaboliska nätverk? Vad driver det, och vad är konsekvenserna av det? "

De fann en stor variation i bakteriens "metaboliska nätverk, "som hänvisar till hur material och energi passerar in och ut ur organismen, längs dess fylogeni. Det faktum att sådana betydande förändringar har skett under utvecklingen av Prochlorococcus "berättar något ganska dramatiskt, " han säger, eftersom dessa metaboliska processer är så grundläggande för organismens överlevnad att "det är som systemets motor. Så tänk dig att försöka byta motor i din bil medan du kör. Det är inte lätt att göra, så om något förändras, det säger något viktigt. "

Variationerna bildar ett slags skiktad struktur, med fler förfädersvarianter som bor djupare i vattenpelaren och nyare varianter som bor nära ytan. Teamet fann att när Prochlorococcus började leva i de översta lagren av havet, där ljus är rikligt men maten är relativt knapp, det utvecklade en högre och högre ämnesomsättning. Det tog in mer solenergi och använde det för att driva ett starkare upptag av knappa näringsämnen från vattnet - i själva verket skapa en mer kraftfull dammsugare men i processen också generera mer avfall, Säger Braakman.

När nyare varianter dammsugade upp näringsämnen i ytskikten, fler förfäderstyper fick flytta ner till större djup där näringsnivåerna förblev högre, resulterar slutligen i den skiktade strukturen som ses idag.

Kolföreningarna som utgör Prochlorococcus avfall gav i sin tur näringsämnen som drev utvecklingen av en annan typ av bakterier, känd som SAR11, vars egna avfallsprodukter var användbara för Prochlorococcus, därmed bildas ett kooperativt system som gynnade båda organismerna. Den ömsesidiga återvinningen av avfall förstärker den kollektiva maximeringen av ämnesomsättningen. "Det ser ut som att systemet faktiskt utvecklas för att maximera den totala genomströmningen" av energi, inte bara den för enskilda organismer, Säger Braakman.

"När de optimerar sin förmåga att förvärva näringsämnen, celler producerar mer organiskt kol och slutar främja högre nivåer av ömsesidighet, "Följer till.

Det där beroende, kooperativ relation är mycket lik förhållandet mellan mitokondrier och kloroplaster, de två typerna av subenheter som ger energi inuti cellerna i alla former av växtliv, Säger Braakman. Kloroplaster samlar energi från solljus och använder den för att bilda kemiska föreningar som överför energi till mitokondrier, som i sin tur kan frigöra och överföra kol och energi tillbaka till kloroplaster och resten av cellen - genom vägar som liknar dem som används av Prochlorococcus och SAR11.

Andra funktioner i de två systemen är också mycket lika, inklusive deras fotosyntetiska pigment och hur de hanterar avgiftning av väteperoxid. Detta tyder på att parallella evolutionära processer gav samma resultat i mycket olika miljöer. "Växtceller ser verkligen ut som mikroskopiska havsmikrobiella ekosystem, " han förklarar.

Dels på grund av dessa paralleller, Braakman säger att denna dynamik potentiellt skulle kunna beskriva utvecklingen av biosfären mer allmänt. Han föreslår att de matematiska beskrivningarna av Prochlorococcus evolution, som han och Follows utvecklade tillsammans, härstammar från grundläggande principer för kinetik och termodynamik och kan därför ge en del insikter om andra system också. "Det kan vara en universell typ av dynamik, " han säger.

"Denna ram kan också hjälpa oss att modellera livets interaktioner, solljus, och havskemi i havsskalan, "Följer säger.

Den metaboliska utvecklingen av Prochlorococcus kan ha haft en annan viktig effekt:Genom en komplex geokemisk cykel som involverar de kolföreningar som mikroben producerade och deras interaktioner med järn, bakterierna kan ha bidragit till en betydande ökning av syre i jordens atmosfär för ungefär en halv miljard år sedan, från mycket låga nivåer till nästan moderna nivåer. Denna stora ökning av syre tros ha utlöst en snabb explosion av nya arter, även känd som den kambriumska explosionen, som såg till att de flesta stora djurfilerna föddes.

Vad denna analys tyder på, han säger, "är vad som ser ut som en riktad evolutionär process, som stadigt marscherar mot en riktning där det ökar energiflödet genom systemet. En av konsekvenserna av det är att då hamnade syre i atmosfären, och ekosystemets komplexitet ökade. "

Mycket evolutionsteori betonar konkurrens, Braakman säger, där "det finns begränsade resurser och vi alla kämpar för dem. Men vad denna evolutionära dynamik säger är att det är ett sätt att öka resurserna för hela systemet, så alla mår bättre. Det ökar de totala systemresurserna. "

Detta jobb, Chisholm säger, visar att "du måste verkligen tänka på evolution i alla dessa skalor, att förstå det. Det handlar inte bara om att ett gäng egoistiska gener hoppar runt. Om du vill förstå livet i alla dess dimensioner, du måste titta på generna, men också ända upp till ekosystemen. Inget av det kommer att vara meningsfullt om du inte tittar på det i alla dessa skalor. "

Detta teams "innovativa integration av fylogeni, fysiologi, och genomik öppnar nya vägar för forskning om växtplanktonutveckling, samtidigt som man stimulerar nytt tänkande om den långsiktiga coevolutionen av jorden och livet, säger Andrew Knoll, professor i naturhistoria vid Harvard University, som inte var kopplad till denna forskning.