Mikrober som ger naturligt gödningsmedel till haven genom att "fixera" kväve från atmosfären till en form som kan användas av andra organismer ansågs en gång vara begränsade till varma tropiska och subtropiska vatten. Nu, dock, forskare har dokumenterat kvävefixering av en ovanlig typ av cyanobakterier i det kalla vattnet i Bering- och Chukchihavet.

"Detta går emot alla lärobokens antaganden om var kvävefixering sker. Alla matematiska modeller för kvävetillförsel till haven är begränsade av temperatur på grund av detta underliggande antagande, sa Jonathan Zehr, professor i havsvetenskaper vid UC Santa Cruz och senior författare till en artikel om de nya rönen som publicerades i måndags, 10 december, i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Katie Harding, en doktorand i Zehrs labb och första författare till tidningen, förklarade att i många delar av haven, produktiviteten begränsas av tillgången på kväve. "Kvävefixering ger bränsle till näringskedjan i vissa områden, så det är viktigt att förstå vad alla källor är, " Hon sa.

Kvävefixeringen Harding som upptäcktes i Arktis utförs av en organism som kallas UCYN-A, som först upptäcktes av Zehrs grupp i det öppna havet nära Hawaii. Efter att ha hittat DNA-bevis för en tidigare okänd kvävefixerande mikrob, Zehrs labb identifierade det så småningom som en typ av cyanobakterier som konstigt nog saknade kapaciteten för fotosyntes. Till sist, under 2012, de upptäckte att den lever i en nära symbios med en typ av små, encelliga alger. I detta ömsesidigt fördelaktiga partnerskap, UCYN-A tillhandahåller fixerat kväve medan haptofyt-algen tillhandahåller fixerat kol genom fotosyntes.

Under tiden, Zehr och andra forskare hittade den nyupptäckta UCYN-A i allt mer utbredda områden i havet, först i kustvatten och sedan i vatten så långt norrut som till de danska sunden. UCYN-A kan inte odlas i laboratoriet, men det kan identifieras och isoleras från vattenprover med hjälp av sofistikerad cellsortering och gensekvenseringsteknik.

Den nya studien visar inte bara att den kan existera i Arktis, men att den är funktionell och fixerar kväve i arktiska vatten med temperaturer under 4 grader Celsius (40 grader Farhrenheit). "Det är inte bara celler som driver upp i Arktis på havsströmmar. Det är aktivt, och det är det enda riktiga cyanobakteriella kvävefixeringsmedlet i Arktis, "Sa Zehr.

Cyanobakterier (som en gång missvisande kallades blågröna alger) är bakterier som kan fotosyntetisera som växter, även om UCYN-A verkar ha tappat denna förmåga. Endast vissa cyanobakterier kan fixera kväve, inklusive Trichodesmium, som en gång ansågs vara den huvudsakliga källan till kvävefixering i det öppna havet. Trichodesmium, dock, växer inte i vatten kallare än 20 grader Celsius (68 grader Fahrenheit).

"Det är svårt att mäta kvävefixeringshastigheter i vattenprover och säga vilken organism som gör hur mycket, men jag misstänker att om du skulle addera global kvävefixering genom UCYN-A, det är en betydande och möjligen den största kvävekällan i havet, sa Zehr.

Även om den inte har hittats i södra oceanen runt Antarktis än, Zehr sa att det förmodligen är nästa ställe han letar efter. När hans medarbetare vid Virginia Institute of Marine Science först föreslog att titta i Arktis, han var tveksam. "Jag förväntade mig inte att hitta mycket kvävefixering alls, än mindre kvävefixerande cyanobakterier. Det visar sig bara, du vet inte förrän du tittar, " han sa.

"En av de intressanta frågorna ur biologisk synvinkel är hur UCYN-A kan tolerera ett så brett temperaturintervall, speciellt när temperaturintervallet för Trichodesmium är så snävt, sa Harding.

På en forskningskryssning från Nome, Alaska, i september 2016, Harding och andra medlemmar i teamet samlade in och bearbetade vattenprover för analys tillbaka i laboratoriet. Bearbetning ombord innefattade inkubering av prover med kväve-15 så att eventuellt nyfixerat kväve skulle märkas med den tunga isotopen. Detta gjorde det möjligt för forskarna att mäta kvävefixeringshastigheter och visa att UCYN-A aktivt fixerade kväve. Tillbaka i labbet, de använde fluorescerande märkning för att identifiera UCYN-A och en avancerad masspektrometriteknik för att detektera kväve-15 i cellerna i UCYN-A och dess algsymbiont.

Kvävefixeringshastigheterna de mätte i Chukchihavet var relativt låga, men priserna i Berings hav (vid 10 grader Celsius) liknade de som mättes i mycket varmare vatten. Kvävefixering av UCYN-A stod för all kvävefixering som uppmätts i Berings hav, men stod bara för en bråkdel av det totala i Chukchihavet.

"Satserna i Arktis är ganska låga, så UCYN-A kanske inte är särskilt viktig där nu. Men om den arktiska uppvärmningen fortsätter, det kommer att bli allt viktigare som kvävekälla i arktiska ekosystem, sa Zehr.