ETH-forskare har analyserat enskilda marina bakterieceller för att visa att metaboliska processer inuti dem bestämmer mängden gas de släpper ut, som är involverad i molnbildning.

Meteorologer har vetat i nästan 50 år att det ordspråkliga flaxandet av en fjärils vingar kan utlösa en orkan på en helt annan plats. Kaosteoretikern Edward Norton Lorenz myntade termen "fjärilseffekt" 1972 för att beskriva förståelsen att minimala förändringar i initiala förhållanden kan ha stor effekt på den senare utvecklingen av dynamiska system.

Hav är jordens lungor

Men nu tyder resultat från forskargruppen under ledning av Roman Stocker från Institute of Environmental Engineering vid ETH Zürich att i framtiden, meteorologer måste vara uppmärksamma inte bara på fjärilar utan också, och över allt, bakterier som lever i haven. "Vi har visat under vilka omständigheter dessa bakterier frigör en gas som spelar en central roll i bildandet av moln, säger Stocker.

I sitt arbete, som just har publicerats i tidningen Naturkommunikation , forskarna tittade på mikroorganismerna som livnär sig på metaboliska produkter från marint växtplankton. Denna term omfattar en mängd olika mikroskopiska alger som tillsammans utför mer fotosyntes än alla växter. Det betyder att jordens sanna lungor inte är skogarna, men haven:ungefär hälften av syret i jordens atmosfär produceras där. Varje år producerar växtplanktonet också över en miljard ton av ett ämne som kallas dimetylsulfoniopropionat, eller DMSP för kort.

Lukten av havet

"DMSP tillfredsställer 95 procent av marina bakteriers svavelbehov och 15 procent av bakteriers kolbehov, " säger Cherry Gao, huvudförfattare till studien och en doktorand i Stockers grupp. För att konvertera DMSP till biomassa, bakterierna har två olika metabola vägar:om de demetylerar det, de använder både svavlet och kolet; om, dock, de klyver det i flera små molekyler, de använder bara kolet – medan svavlet flyr ut i atmosfären i form av dimetylsulfid (DMS). "DMS är det som är ansvarigt för den typiska lukten av havet, " säger Stocker. Dessutom, DMS spelar en central roll vid molnbildning som en källa till molnkondensationskärnor runt vilka vattenånga kan kondensera.

Tills nu, forskarna förstod inte vad som fick bakterierna att välja den ena eller den andra metaboliska vägen. Stockers forskargrupp genetiskt modifierade en marin bakterie av arten Ruegeria pomeroyi så att den fluorescerade i olika färger beroende på den biokemiska processen den använde för att transformera DMSP. Detta gjorde det möjligt för forskarna att visa att vid låga koncentrationer av DMSP, bakterierna är främst beroende av demetylering – medan de vid höga koncentrationer på några mikromol per liter, klyvningsprocessen dominerar.

Ta en närmare titt

Den genomsnittliga koncentrationen av DMSP i havsvatten är bara några nanomol per liter. Under dessa omständigheter, den metaboliska vägen för klyvning är av försumbar betydelse; bakterierna använder svavlet för sin tillväxt och molnbildning sker inte. "Men genomsnittet - det vill säga koncentrationen av DMSP som hittas i en stor hink som helt enkelt döks ner i havet med den konventionella mätmetoden - berättar bara halva historien, Stocker säger:"Den andra halvan avslöjar sig först vid närmare granskning."

För överallt där växtplankton blommar, DMSP -koncentrationer kan vara tusentals gånger högre. Det verkar som om marina bakterier har anpassat sig till denna ojämna fördelning av DMSP i havsvatten. Om de växer i direkt närhet av de mikroskopiska algerna, de börjar klyva DMSP. "Så omfattningen av molnbildning kan i slutändan också bero på detaljerna i samspelet mellan alger och bakterier i havet, säger Stocker.