I ett försök att vända nedgången i hälsan i världshaven, Förenta Nationerna (FN) har förklarat att 2021 till 2030 är havsvetenskapens årtionde för hållbar utveckling. Ett nyckelkrav för det vetenskapliga initiativet är data om befintliga globala havsförhållanden. En viktig mängd data är redan tillgänglig tack vare Tara Oceans expedition, en internationell, tvärvetenskapligt företag som samlade in 35, 000 prover från alla världens hav mellan 2009 och 2013. Proverna samlades in av forskare ombord på en skonare, Tara, på djup från ytan till 1, 000 meter djup.

Två artiklar publiceras den 14 november i tidskriften Cell är de senaste som använder prover och data som samlats in under Tara Oceans expedition för att analysera mångfald över hela planktonplaneten, mikroskopiska organismer som driver på havsströmmar som är nyckeln till välbefinnandet i våra hav. En studie fokuserade på mångfalden av plankton över jordens hav, Den andra studien bedömde genuttryck bland mikrobiella samhällen som ett sätt att förutsäga hur dessa samhällen kan anpassa sig till förändrade miljöförhållanden.

Planktonmångfald över olika breddgrader

"Allt i havet hänger ihop, vilket betyder att den har potential att flytta runt, " säger Chris Bowler, en forskare vid National Centre for Scientific Research (CNRS) vid Institut de Biologie de l'Ecole Normale Superieure (IBENS) i Paris och en medförfattare till planktonstudien. "Detta gör det viktigt att samla allt på en global skala. Genom att göra djupanalyser kan vi också fånga de sällsynta organismerna i biosfären utöver de som är mer förekommande."

"Vår studie fokuserade på plankton eftersom det är en stor bidragsgivare till marina ekosystem när det gäller biomassa, överflöd, och mångfald, " säger co-senior författare Lucie Zinger av IBENS. "Alla typer av liv har representanter i plankton-bakterier, archaea, protister, djur och växter, såväl som virus. Men den stora majoriteten av denna mångfald är osynlig för blotta ögat."

Tidningen rapporterar att den stora majoriteten av planktongrupper, från jättevirus till små djur, följ en gradient av mångfald längs breddgrader, med den lägsta mångfaldsnivån närmast polerna. "Havstemperaturen är främst ansvarig för detta mönster, "Zinger noterar. "Havens uppvärmning på grund av klimatförändringar kommer sannolikt att leda till en "tropicalisering, ' eller öka, av planktonmångfald i tempererade och polära vatten. Konsekvenserna av detta är fortfarande oklara, men vi vet att dessa geografiska områden för närvarande är mycket viktiga för olika ekosystemtjänster, inklusive fiske och kolbindning."

En innovativ aspekt av denna studie var att den kombinerade både bildbehandling och DNA-baserade tekniker för att bedöma mångfalden av plankton. "Vi vet mycket om hur man bearbetar information från DNA-sekvenser, Bowler säger. "Men bilder är mycket mer komplicerade. Vi observerade många olika morfologier och olika beteenden hos dessa organismer. Det finns många nya organismer och nya typer av interaktioner mellan dem som fortfarande måste upptäckas."

Förstå aktiviteten av mikrobiellt liv på olika havsdjup och geografier

Transkriptomstudien kombinerade metagenomiska och metatranskriptomiska data, tillåta teamet att analysera analysera vilka gener som var närvarande, samt vilka gener som var påslagna, i mikrobiella samhällen i havet över gradienter av både djup och latitud. Tidigare studier om mångfalden av marint mikrobiellt liv har främst fokuserat på genom. Detta var den första som tittade på transkriptom i global skala.

"Att titta på transkriptom är viktigt för att inte bara bestämma vilka mikrober som finns, men vad dessa mikrober faktiskt gör med avseende på aktiviteter som fotosyntes och näringsupptag, " säger seniorförfattaren Shinichi Sunagawa från Institutet för mikrobiologi och det schweiziska institutet för bioinformatik vid ETH Zürich. "Ett av våra mål var att lära sig om mikrobiella samhällen anpassar sig till miljö- och temperaturvariationer med förändringar i deras sammansättning i förhållande till varandra eller med förändringar i genuttrycksmönstren inom dessa samhällen."

Utredarna fann att när det gäller taxonomisk, genomisk, och transkriptomisk sammansättning, det finns distinkta ekologiska gränser som skiljer både ytvatten från djupt vatten och polära områden från opolära områden. De förväntade sig att se några av dessa förändringar - som skillnader i nivåerna av fotosyntetiska organismer i förhållande till vattendjupet. Men några andra observationer var ganska oväntade.

"Vi förväntade oss inte att hitta biogeografiska mönster för de underliggande mekanismerna för metatranskriptomisk sammansättning. Specifikt, vi fann att skillnader i polära samhällen dominerades av förändringar i organismsammansättning, i opolära vatten, skillnaderna dominerades av förändringar i uttrycket av gener, " säger Sunagawa. Han tillägger att hans team också blev förvånade över att hitta genomiska och transkriptomiska bevis för en kvävefixerande bakterie i djupa arktiska vatten.

"Varje droppe marint vatten är full av mikrober, som spelar en central roll i många processer som är relevanta för livet på jorden, ", konstaterar han. "Förstå de ekologiska faktorerna som bestämmer mångfalden, sammansättning, och aktiviteten hos dessa organismer är avgörande för att bättre modellera och förutsäga framtida avvikelser, särskilt i ljuset av klimatförändringarna."

En begränsning av data som kommer från Tara Oceans expeditionen är att proverna samlades in under en relativt kort tidsperiod, mindre än fyra år. Detta gör det svårt att observera några mätbara trender i dagens hav relaterade till klimatförändringar. Forskarna säger att långsiktiga studier behövs för att ta hänsyn till förändringar i faktorer som försurning, deoxygenering, och föroreningar.

En uppmaning till havsvetenskap inför klimatförändringarna

Forskare undersöker de barriärer som har förhindrat förändringar i politiken för hållbarhet i havet hittills och föreslår strategier för att övervinna dessa utmaningar i en Perspective-publicering 14 november i den nya Cell Pressjournal En jord .

"Som avslöjats av utgivningarna av Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services global assessment and of the Special Report on the Ocean and Cryosphere of IPCC, båda 2019, det är nu brådskande att engagera sig i hållbara vägar, " säger motsvarande författare Joachim Claudet från CNRS. Han tillägger att de främsta hoten mot havets hållbarhet är överexploatering av fisk, skaldjur, och andra organismer; land- och havsbaserade föroreningar; och förändringar av mark-/havanvändning, inklusive kustutveckling för infrastruktur och vattenbruk; och klimatförändringar.

"Vi behöver vetenskap för att utveckla bevis som bättre kan informera policyer för att implementera hållbara lösningar, såväl som operativa och transformativa åtgärder som bättre kan påverka samhällen, från lokal till global skala, " säger han. "Tara-expeditionerna har flera värden. De tillåter oss att samla lokalt naturligt, kemisk, och fysisk in situ-data på havsskala. Dessa data kan matas in i både grundforskning och tillämpad forskning. Taras uppsökande program kan också vara en drivkraft för den mest nödvändiga förändringen i uppfattningen att havet är både mycket värdefullt och sårbart."