En USC-ledd forskargrupp har funnit att marina mikrober med en speciell metabolism är allestädes närvarande och kan spela en viktig roll i hur jorden reglerar klimatet.

Studien finner bakterier som innehåller rhodopsiner, ett solskensfångande pigment, är rikligare än en gång trodde. Till skillnad från alger, de drar inte ut koldioxid (CO2) ur luften. Och de kommer sannolikt att bli rikligare i värmande hav, signalerar en blandning av mikrobiella samhällen vid basen av näringskedjan där energiomvandlingen sker.

"Haven är viktiga för klimatförändringarna eftersom de spelar en nyckelroll i kolkretsloppet. Att förstå hur det fungerar, och de inblandade marina organismerna, hjälper oss att förfina våra klimatmodeller för att förutsäga klimatet i framtiden, sa Laura Gómez-Consarnau, biträdande professor (forskning) i biologi vid USC Dornsife College of Letters, Konst och vetenskap.

Studien visas idag i Vetenskapens framsteg . Gómez-Consarnau är huvudförfattare bland ett internationellt team av forskare från Kalifornien, Kina, Storbritannien och Spanien.

Fynden bryter från den traditionella tolkningen av marin ekologi som finns i läroböcker, som säger att nästan allt solljus i havet fångas upp av klorofyll i alger. Istället, rhodopsin-utrustade bakterier fungerar som hybridbilar, drivs av organiskt material när det är tillgängligt – som de flesta bakterier är – och av solljus när näringsämnen är knappa.

Rhodopsiner upptäcktes för 20 år sedan, och forskare vid USC och på andra håll har studerat deras prevalens och metabolism sedan dess. Dessa mikrober har ljuskänsliga proteinsystem i sina cellmembran som fångar solljus, en anpassning analog med hur stavar och kottar i det mänskliga ögat samlar ljus.

I den här studien, forskare trollade en 3, 000 mil lång sträcka av östra Atlanten och Medelhavet 2014. De tog prover på mikroorganismer i vattenpelaren ner till 200 meter i ett försök att hitta hur utbredda rhodopsiner är och under vilka förhållanden de gynnas.

De fann att rhodopsin fotosystem var mycket rikligare än tidigare insett och koncentrerade i näringsfattiga vatten. I sådana oligotrofa zoner, de överträffar alger när det gäller att fånga ljus. Medan alger använder solljus och CO2 för att producera organiskt material och syre, rodopsinpigment använder ljus för att göra adenosintrifosfat, den grundläggande energivalutan som driver många cellulära processer.

"Rhodopsiner verkar vara rikligare i ett näringsfattigt hav, och i framtiden, havet kommer att bli mer näringsfattigt när temperaturen förändras, " förklarade Gómez-Consarnau. "Så, med färre näringsämnen nära ytan, alger kommer att ha begränsad fotosyntes, och rhodopsinprocessen kommer att vara rikligare. Vi kan ha en förändring i framtiden, vilket innebär att havet inte kommer att kunna absorbera så mycket kol som det gör idag. Så mer CO2-gas kan finnas kvar i atmosfären, och planeten kan värmas snabbare."

Än så länge, datorsimuleringar av hur den globala uppvärmningen kan se ut i framtiden står ännu inte för denna mikrobiella förändring.

Tidigare studier har visat att rhodopsiner utgör cirka 80 % av de marina bakterierna, baserat på genetiska analyser. Men detta är den första studien som faktiskt mäter deras koncentration i havet och var de gillar att samlas.

Studien understryker hur forskare lär sig nya vägar genom vilka organismer får energi att leva. Till exempel, de har länge vetat att växter och alger använder klorofyll för att omvandla solsken och näringsämnen till sockerarter; verkligen, ungefär hälften av all fotosyntes på jorden utförs av alger vid havsytan. Och de har upptäckt bottenlevande liv som stöds av kemisk energi från mineraler och kemiska föreningar som frigörs från djuphavsvulkaniska öppningar. I denna forskning, de har lärt sig att bakterier, länge ansett som huvudsakligen nedbrytare i ett ekosystem, kan faktiskt fungera som en huvudproducent av energi vid havsytan.

"Vi uppskattar att med tanke på de koncentrationer som finns i havsvatten, rhodopsiner kunde fånga mer ljusenergi än klorofyll i havet, " sa Gómez-Consarnau.

"Dessa fynd förändrar det grundläggande antagandet att den marina biosfären endast drivs av solljus som fångas av klorofyll under algfotosyntes."

Det betyder också att år i framtiden, mikrobiella samhällen kommer sannolikt att förändras, vilket resulterar i mindre kolfixering i havet. För att fullständigt utvärdera hur fynden påverkar havets förmåga att absorbera växthusgaser, Gómez-Consarnau sa att CO2-flöden i marina system kommer att behöva omvärderas och framtida klimatmodeller måste inkludera denna bakteriella metabolism.