Under havets yta gömmer sig en otrolig mångfald där små mikrober arbetar hårt; omvandla koldioxid från atmosfären till syre, omvandlar solljus till energi, och bryta ner kvävgas för att tjäna som mat. University of Maryland Center for Environmental Science-forskaren Victoria Coles och hennes team har utvecklat ett nytt verktyg som främjar vår förståelse av hur dessa mikrober upprätthåller denna komplexa kemi i havet.

Den nya modellen, publiceras idag i Vetenskap , simulerar effekten av mikrobiella aktiviteter på kemin i Nordatlanten och antyder att utvecklingen av en metabolisk funktion snarare än utvecklingen av en enskild art formar havet som vi känner det. Det är den första modellen som faktiskt förutsäger gener och transkription i hela havet.

"Modellen tyder på att det inte är utvecklingen av arter utan snarare utvecklingen av mikrobiella metabolismer som styr vår nuvarande kemi i havet, sa Victoria Coles, docent vid University of Maryland Center for Environmental Sciences Horn Point Laboratory.

Mikrober är som osynliga maskiner som tillsammans utför de biokemiska omvandlingar som upprätthåller havets balans och funktion. Havet kan vara bebott av så många som 170, 000 olika mikrobiella arter, men vi vet nästan ingenting om de flestas funktioner. Ändå arbetar de alla tillsammans för att få havet att fungera som vi känner det.

"De flesta mikrober kan vi inte ta in i labbet och lära oss om eftersom vi inte vet hur man odlar dem, " sa Coles. "Hur fångar en modell arter som vi ännu inte känner och inte kan växa? Vi bestämde oss för att börja med det mindre antalet olika metaboliska processer som mikrober kan utföra. Vi tillverkar syntetiska modellorganismer med olika funktioner och slänger dem alla i modellhavet. Sedan tittar vi för att se hur de reder ut det och jämför de förutspådda generna och transkripten från samhället med direkta observationer."

Det är ungefär som en SIM City-bygg-din-egen-värld, men för mikrober. Kasta en bred mångfald av karaktärer i en pool tillsammans och de attribut du vill att de ska ha, och se vad som händer.

"De vinner eller förlorar. Vissa fungerar inte. Om en dör av lägger vi till en annan, ", sa hon. "Detta ger oss förmågan i vår modell att anpassa oss till miljöförhållanden som näringsföroreningar eller förändrat klimat."

Coles sa att forskarna körde den här nya modellen många gånger med olika mikrober, och varje gång etablerade de samma grundläggande mönster av biokemi i havet. De upptäckte att genens funktion, påverkas av lokala miljöförhållanden snarare än arten av mikrober, driver de biokemiska reaktionerna och processerna i modellen. Med andra ord, biblioteket av genfunktioner som är tillgängliga för samhället, snarare än fördelningen av funktioner mellan specifika organismer, påverkar havets biogeokemi.

"Alla modellhav som vi gör ger oss något som ser ut som dagens hav, " sa hon. "Varje gemenskap är verkligen olika i slutet av modellen, men de gör samma sak. Det handlar inte lika mycket om den specifika arten som processen. Alla mikrober arbetar tillsammans för att komma till miljön vi observerar."

Till exempel, processen för kvävefixering, ta kvävgas som har lösts upp i havet och förvandlar den till gödningsmedel, kan göras genom att växter som kiselalger arbetar tillsammans med cyanobakterier eller av enbart cyanobakterier, men också av bakterier som inte är växter och får energi från organiska föreningar. Var och en av dessa är helt olika organismer med olika linjer som utför samma metaboliska funktion.

"De modeller vi använder idag för att förstå klimatförändringarna är alla i grunden baserade på vanliga mikrober i dagens hav. De inkluderar inte sällsynta mikrober som kan bli vanliga i framtiden, " sa hon. "Om havets miljöer förändras, den här modellen har förmågan att skifta och anpassa sig så att vi kan få bättre förutsägelser om hur havets biogeokemi kan förändras."

Studien "Ocean biogeokemi modellerad med emergent egenskapsbaserad genomik, " publicerades i numret av Science den 1 december.