Havet absorberar snabbt koldioxid som släpps ut i atmosfären genom förbränning av fossila bränslen och andra mänskliga aktiviteter, vilket resulterar i varmare och surare vatten. Enligt en ny studie, dessa förhållanden kan också förändra beteendet hos små marina organismer som är viktiga för havets hälsa.

Forskare vid Lamont-Doherty Earth Observatory och deras kollegor fann att stigande koldioxidnivåer påverkar aktiviteten hos två havslevande mikrober, Prochlorococcus och Alteromonas, bryta upp deras hjälpsamma partnerskap. Sådana förändringar i interaktioner mellan arter kan påverka den övergripande strukturen och funktionen hos ett ekosystem. Fyndet är avgörande för att göra mer exakta förutsägelser om hur klimatförändringarna kommer att förändra havet.

"Detta är ett genombrott som kommer att hjälpa forskare att göra ett bättre jobb med att modellera framtidens havsekosystem, "sa Gwenn Hennon, en postdoktoral Lamont-Doherty forskare och huvudförfattare till uppsatsen, som publicerades i tisdags i ISME Journal .

Studien bygger på 2015 års arbete av Dutkiewicz et al., som drog slutsatsen att stora delar av havet där Prochlorococcus nu dominerar kan förändras dramatiskt på grund av höga koldioxidnivåer och havsförsurning; Hennons upptäckt avslöjar en av de potentiella orsakerna till varför.

"Det som är slående med Gwenns studie är att det är första gången vi har kunnat visa mekanistiskt hur förhöjd koldioxid påverkar förhållandet mellan dessa mikrober, sa Sonya Dyhrman, en Lamont-Doherty mikrobiell oceanograf och en medförfattare till Hennons papper. "Vi vet att Prochlorococcus behöver hjälpbakterier eller så växer den inte bra, men nu kan vi se hur detta partnerskap går sönder i framtida havsförhållanden."

Prochlorococcus är den minsta och mest förekommande fotosyntetiska organismen på planeten:cirka en miljon celler får plats i en tesked havsvatten. Även om mikroberna är små, de har en stor roll i att upprätthålla hälsan och produktiviteten i det globala havet. Prochlorococcus utgör basen i det marina näringsnätet, fungerar som en viktig födokälla för lite större encelliga organismer, som konsumeras av arter i högre trofiska nivåer. Mikroben har också en avgörande roll i den globala kolcykeln, hjälpa till att reglera jordens klimat genom att fånga upp koldioxid, flytta den genom matbanan, och ner i det djupa havet.

Prochlorococcus kan frodas i de näringsfattiga förhållanden som finns i de stora områdena i det öppna havet på grund av mikrobiella hjälpare som Alteromonas, som tar hand om vissa aktiviteter som små Prochlorococcus inte kan utföra på egen hand.

För att bättre förstå partnerskapet mellan Prochlorococcus och Alteromonas, Hennon och hennes kollegor odlade mikroberna tillsammans i labbet under koncentrationen av koldioxid i atmosfären idag, 400 delar per miljon. De fann att mikroberna samexisterade på samma sätt som de gör i havets ytnivå. Alteromonas gjorde det möjligt för Prochlorococcus att blomstra genom att rensa upp överskott av väteperoxid, en "fri radikal, " eller instabil molekyl som orsakar cellskador. Prochlorococcus saknar genen katalas, ett enzym som förstör den giftiga uppbyggnaden av väteperoxid, så det är beroende av bakterier som Alteromonas för att utföra denna tjänst.

Forskarna använde sedan sitt blomstrande mikrobiella samhälle för att undersöka hur organismerna skulle interagera i en koldioxidrik värld med surare hav. När Prochlorococcus och Alteromonas odlades under 800 delar per miljon – mängden koldioxid som förväntades finnas i atmosfären år 2100 – hade Prochlorococcus en högre dödlighet och verkade ha fler fria radikaler. Men överraskningen var hur Alteromonas betedde sig mot Prochlorococcus.

"Under högre nivåer av koldioxid, Alteromonas tillhandahåller inte samma nivå av ekosystemtjänster. Det börjar ha ett mer antagonistiskt förhållande till Prochlorococcus, sa Hennon.

Hennon och hennes kollegor spårade genuttryck och andra aktiviteter för att undersöka vad som förändrades för mikroberna som odlades med 800 delar per miljon. De fann att Alteromonas tackar nej till sin katalas-"hjälpar"-gen och, på samma gång, visar en gen som ökar antalet fria radikaler som omger den. Prochlorococcus kan inte bli av med toxiner, vilket belastar cellerna. Hennon säger att Alteromonas också kan påskynda döden av Prochlorococcus genom att röra sig mot organismerna när de börjar dö och konsumerar deras sönderfallande delar.

Dyhrman sa att upptäckten att Alteromonas vänder ryggen åt Prochlorococcus är oroande.

"Om inga andra bakterier kliver upp och fyller det viktiga, Alteromonas hjälpsamma roll, denna förändring i interaktion kan ha en djupgående effekt på Prochlorococcus tillväxt, överflöd, och aktiviteter i framtidens hav, " sa hon. "När du pratar om en organism som dominerar det globala havet, det är en betydande förändring för ekosystemet."

Det finns en uppgång till glimten av framtiden som denna studie ger. När forskare förbättrar sina kunskaper om interspecies interaktioner i havet, de kommer att vara bättre rustade att förutsäga hur havet kommer att se ut i slutet av seklet.

"Den här studien är verkligen en väckarklocka, ", sa Hennon. "Vi måste göra ett bättre jobb med att inkludera information som denna i modeller för att förstå hur den globala kolcykeln, havets ekosystem, och fisket kan komma att förändras i framtiden. Om vi ​​inte gör det här jobbet nu, vi kommer att bli förblindade i framtiden av dessa ekologiska förändringar."

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