Små alger i jordens hav och sjöar tar in solljus och koldioxid och förvandlar dem till sockerarter som upprätthåller resten av det akvatiska näringsnätet, slukar ungefär lika mycket kol som alla världens träd och växter tillsammans.

Ny forskning visar att en avgörande del saknats i den konventionella förklaringen till vad som händer mellan denna första "fixering" av CO ₂ till växtplankton och dess slutliga utsläpp till atmosfären eller nedstigning till djup där det inte längre bidrar till den globala uppvärmningen. Den saknade biten? Svamp.

"I grund och botten, kol rör sig uppåt i näringskedjan i vattenmiljöer på ett annat sätt än vi vanligtvis tror att det gör, "sa Anne Dekas, en biträdande professor i jordsystemvetenskap vid Stanford University. Dekas är seniorförfattare till en artikel som publicerades 1 juni i Proceedings of the National Academy of Sciences som kvantifierar hur mycket kol som går till parasitsvampar som angriper mikroalger.

Undervattens karusell

Forskare har hittills förutspått att det mesta kolet fixerats i kolonier av hårdskal, encelliga alger, kända som kiselalger, tränger sedan direkt in i bakterier – eller löser sig som te i det omgivande vattnet, där det till stor del tas upp av andra bakterier. Konventionellt tänkande förutsätter att kol läcker ut från denna mikrobiella slinga huvudsakligen genom större organismer som betar på bakterier eller kiselalger, eller genom CO ₂ som återvänder till atmosfären när mikroberna andas.

Denna resa är viktig i samband med klimatförändringarna. "För att kolbindning ska ske, kol från CO ₂ måste gå upp i näringskedjan till tillräckligt stora bitar av biomassa för att den kan sjunka ner i havets botten, " Sa Dekas. "Det är så det verkligen är borta från atmosfären. Om det bara cyklar under långa perioder i havets yta, det kan släppas tillbaka till luften som CO ₂ ."

Det visar sig att svampen skapar ett underskattat expressfält för kol, "shuntar" så mycket som 20 procent av kolet fixerat av kiselalger ut ur den mikrobiella slingan och in i svampparasiten. "Istället för att gå igenom denna mery-go-round, där kolet så småningom kan gå tillbaka till atmosfären, du har en mer direkt väg till de högre nivåerna i näringsväven, sa Dekas.

Fynden har också konsekvenser för industriella och rekreationsmiljöer som hanterar skadliga algblomningar. "Inom vattenbruket för att behålla den primära grödan, som fisk, friska, fungicider kan tillsättas till vattnet, "Sa Dekas. Det kommer att förhindra svampinfektion av fisken, men det kan också eliminera en naturlig kontroll av algblomning som kostar industrin cirka 8 miljarder dollar per år. "Tills vi förstår dynamiken mellan dessa organismer, vi måste vara ganska försiktiga med den hanteringspolicy vi använder. "

Mikrobiella interaktioner

Författarna baserade sina uppskattningar på experiment med populationer av chytridsvampar som kallas Rhizophydiales och deras värd, en typ av sötvattenalger eller kiselalger som heter Asterionella formosa . Medförfattare i Tyskland arbetade för att isolera dessa mikrober, såväl som bakterier som finns i och runt deras celler, från vatten som samlats upp från sjön Stechlin, cirka 60 mil norr om Berlin.

"Att isolera en mikroorganism från naturen och odla den i laboratoriet är svårt, men isolera och bibehålla två mikroorganismer som ett patosystem, där den ena dödar den andra, är en riktig utmaning, " sa huvudförfattaren Isabell Klawonn, som arbetade med forskningen som postdoktor i Dekas lab i Stanford. "Endast ett fåtal modellsystem är därför tillgängliga för att undersöka sådana parasitiska interaktioner."

Forskare anade redan på 1940-talet att parasiter spelade en viktig roll för att kontrollera överflöd av växtplankton, och de observerade epidemier av chytridsvamp som infekterade Asterionella blommar i sjövatten. Teknologiska framsteg har gjort det möjligt att plocka isär dessa osynliga världar i fina och mätbara detaljer – och börja se deras inflytande i en mycket större bild.

"Vi inser som ett samhälle att det inte bara är förmågan hos en enskild mikroorganism som är viktig för att förstå vad som händer i miljön. Det är hur dessa mikroorganismer interagerar, sa Dekas.

Författarna mätte och analyserade interaktioner inom Lake Stechlin patosystem med hjälp av genomisk sekvensering; en fluorescensmikroskopiteknik som involverar att fästa fluorescerande färgämne till RNA i mikrobiella celler; och ett högspecialiserat instrument i Stanford - ett av bara några dussin i världen - kallat NanoSIMS, som skapar nanoskala kartor över isotoper av grundämnen som finns i material i försvinnande små mängder. Dekas sa, "För att få dessa encelliga mätningar att visa hur fotosyntetiskt kol flyter mellan specifika celler, från kiselalgen till svampen till de associerade bakterierna, det är det enda sättet att göra det."

Den exakta mängden kol som avleds till svamp från den mikrobiella karaktären kan skilja sig åt i andra miljöer. Men upptäckten att den kan vara så hög som 20 procent i ens en miljö är betydande, Sa Dekas. "Om du ändrar det här systemet med mer än några få procent i någon riktning, det kan få dramatiska konsekvenser för biogeokemisk cykling. Det gör stor skillnad för vårt klimat."