Mil under havets yta i den mörka avgrunden, stora samhällen av mikrober under havet vid varma källor i djuphavet omvandlar kemikalier till energi som gör att djuphavslivet kan överleva – och till och med frodas – i en värld utan solljus. Tills nu, dock, att mäta produktiviteten hos mikrobsamhällen under havet – eller hur snabbt de oxiderar kemikalier och mängden kol de producerar – har varit nästan omöjligt.

En ny studie av forskare från Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) har avslöjat att dessa mikrobbaserade ekosystem är förvånansvärt produktiva och spelar en viktig roll för att stödja liv högre upp i näringskedjan i det mathungrade djuphavet. De uppskattar att världen över, djuphavshydrotermiska ventiler mikrobiella samhällen kan producera mer än 4, 000 ton organiskt kol varje dag, livets byggsten. Det är ungefär samma mängd kol i 200 blåvalar – vilket gör dessa ekosystem till havets mest produktiva per volym. Studien visas den 11 juni, 2018, frågan om Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Vi fann att mikrobiella samhällen som bor under havsbotten vid ventiler kan generera liknande mängder kol som de välkända djursamhällena ovanför havsbotten, som rörmaskarna, som är kända för att vara lika produktiva som regnskogens ekosystem, sa Stefan Sievert, en mikrobiolog vid WHOI och senior författare till studien. "De betydande mängder kol som dessa organismer producerar dagligen ger en viktig källa till mat och energi för andra organismer i djuphavet, där det i allmänhet finns mycket mindre kol tillgängligt." När kol från sönderfallande marint liv sjunker från ytvatten till djupet, bakterier och andra mikroorganismer hackar bort på det tills det vissnar bort till marint gristle. "Det som kommer ner från ytan till dessa djup är inte så mycket, och inte särskilt lättsmält för djuphavslivet, sa Jesse McNichol, som utförde detta arbete som doktorand. student vid WHOI och är den första författaren till studien.

Mikroberna vid ventilerna får sin energi att leva och växa genom kemosyntes, matar av en kemisk cocktail av heta hydrotermiska vätskor som kommer från havsskorpan. Och de, i tur och ordning, representerar basen av näringsväven, tillhandahålla mat åt andra organismer som kräver förformat organiskt material, precis som människor gör.

"Så mikroberna spelar en viktig roll genom att generera nya kolkällor som andra organismer kan konsumera, ", sa McNichol. "Baserat på det relativt lilla området som ventilerna upptar av havsbotten, den totala produktiviteten där nere är liten jämfört med vad vi ser på ytan, men lite kan räcka långt i djuphavet och det skapar också heta platser av aktivitet nära ventiler."

Att mäta produktiviteten hos mikrobsamhällen under havet har varit en svår uppgift. För att åstadkomma det, forskarna samlade in mikrobprover från en väl studerad ventilplats på East Pacific Rise, känd som Crab Spa. Ventilationsvätskorna samlades upp i vattenprovtagningsbehållare som kallas Isobaric Gas-Tight samplers (IGT), som är utformade för att upprätthålla det extrema trycket i den naturliga djuphavsmiljön där mikroberna lever. "Om du tar upp provtagarna till ytan utan att upprätthålla trycket som finns på havsbotten, " förklarade Jeff Seewald, en geokemist vid WHOI som utvecklade dessa provtagare och är medförfattare till studien, "gaser lösta i vätskan kommer att avgasas, liknande när du öppnar en flaska kolsyrat vatten. Detta kan förändra vätskans kemi och mikrobernas aktivitet."

I labbet, djuphavstryck och temperaturer upprätthölls medan forskarna tillsatte kemikalier som nitrat, vätgas, och syrgas till proverna. Genom denna process, forskarna kunde mäta hastigheten med vilken mikroberna konsumerade specifika kemikalier och hur effektivt de omvandlade dem till biomassa, en kritisk parameter för att bestämma produktiviteten hos det mikrobiella ekosystemet.

Att göra så, WHOI -forskarna samarbetade med forskare i Leipzig, Tyskland, att använda en ny analysmetod känd som NanoSIMS, tillåta dem att matcha mikrobernas identiteter med deras kolproduktionshastigheter under olika inkubationsförhållanden på nivån för individuella mikrobiella celler, som visar att mikrober kända som Campylobacteria (tidigare kända som Epsilonproteobacteria) var de dominerande kolproducenterna.

"Några av mikroberna i inkubationerna fördubblade sin population på bara några timmar", sa Sievert. "Detta pekar på en mycket aktiv biosfär under havsbotten vid djuphavsventiler."

Med tanke på den avgörande roll dessa mikrobiella samhällen spelar i djuphavet, forskarna letar efter nya och mer rutinmässiga sätt att mäta produktiviteten mil under havsytan. Nyligen, Sievert tillsammans med WHOI -mikrobiologen Craig Taylor, mikrobiell biogeokemist Jeremy Rich vid University of Maine, och ingenjörer vid WHOI har fått finansiering från National Science Foundation för att utveckla en ny typ av provtagningsinstrument som kallas Vent-Submersible Incubation Device ("Vent-SID") som kompletterar det IGT-baserade tillvägagångssättet.

"Den är designad för att inkubera mikrober och mäta deras aktiviteter precis vid havsbotten, "förklarade Sievert, minimera tiden innan inkubationer kan börja efter att ha tagit ett prov. Går vidare, forskarna planerar också att mäta mikrobiell produktivitet vid andra ventiler över hela det globala havet för att förfina uppskattningarna som erhållits i denna studie.

"Vi har studerat en typ av ventilationssystem som är ganska vanligt, men vi skulle vilja titta på andra ventilationsplatser där det finns ett överflöd av andra kemikalier som väte, till exempel, och se om produktivitetsvärdena förändras avsevärt, sa McNichol.