Annons

Marianne Rasmuson:En upptäckt som sätter havets hälsa i fokus

För bara några decennier sedan var jordens vanligaste fotosyntetiserande organism, med en biomassa dubbelt så stor som hela mänsklighetens totalvikt, fullständigt okänd. Bakom upptäckten av cyanobakterien Prochlorococcus och dess roll i havens ekosystem står årets Crafoordpristagare Sallie Chisholm. 

Under strecket
Publicerad

Sallie Chisholm har tilldelats 2019 års Crafoordpris i biovetenskaper. Till vänster plankton innehållande Prochlorococcus.

Foto: Claire Ting/Chisholm Lab, Richard Howard/MIT Bild 1 av 1

Sallie Chisholm har tilldelats 2019 års Crafoordpris i biovetenskaper. Till vänster plankton innehållande Prochlorococcus.

Foto: Claire Ting/Chisholm Lab, Richard Howard/MIT Bild 1 av 1
Sallie Chisholm har tilldelats 2019 års Crafoordpris  i biovetenskaper. Till vänster plankton innehållande Prochlorococcus.
Sallie Chisholm har tilldelats 2019 års Crafoordpris i biovetenskaper. Till vänster plankton innehållande Prochlorococcus. Foto: Claire Ting/Chisholm Lab, Richard Howard/MIT

Ännu är inte möjligheterna att göra nya fundamentala upptäckter inom biologin uttömda. Så sent som på 1970-talet introducerade Carl Woese en ny domän bland mikroberna – arkéerna – som skiljer sig markant från bakterierna och förefaller att vara lika uråldriga. 

Nu har det skett igen. Vår jord, närmare bestämt dess hav, har berikats med en ny ingrediens, cyanobakterien Prochlorococcus. Denna art har tidigare legat under gränsen till det i mikroskop synliga, men har nu befunnits svara för en stor andel av den marina biosfären.

Det är fråga om små runda syreproducerande bakterier som förekommer allmänt i de varmare haven. Deras litenhet gjorde att de länge undgick upptäckt. Det krävdes en speciell teknik, flödescytometri, för att spåra dem. Metoden används inom medicinsk forskning för att iaktta enstaka celler. I laserljus granskas cellerna en efter en och kan sorteras med avseende på registrerade olikheter i fråga om storlek och färg. Genom att analysera havsvatten med denna metodik och fluorescensmikroskopi upptäckte en grupp amerikanska forskare år 1985 att det som tidigare hade tagits för rester av upplösta organismer i själva verket var mycket små celler som innehöll klorofyll. 

Annons
Annons

Bland upptäckarna fanns Sallie W Chisholm. Hon startade sin marina forskarbana på den amerikanska ostkusten, men en tid arbetade hon i Kalifornien på Scripps oceanologiska forskningsstation där den nyligen bortgångne svenske oceanografen Gustaf Arrhenius verkade. Större delen av sin forskning har hon bedrivit vid Massachusetts Institute of Technology (MIT), där hon studerat genetik, fysiologi, ekologi och evolution hos denna för haven och hela vår jord så viktiga organism. 

Nu har hon tilldelats 2019 års Crafoordpris, vilket hon idag får ta emot under en ceremoni i Lund. Det är andra gången i rad som priset i biologi går till en kvinnlig forskare. Förra året fick kemisten Susan Solomon dela priset med klimatforskaren Syukuro Manabe, och år 2015 fick Tomoko Ohta dela det med Richard Levontin för studier av genetisk polymorfism. Även årets pristagare har mycket att säga om organismvärldens mångformighet.

Antalet uppskattas till enorma 3 x 10^27 och deras totala biomassa har beräknats vara dubbelt så stor som hela mänsklighetens totalvikt.

Den röda färg som Prochlorococcus-cellerna uppvisar i laserljuset är klorofyll b, en komponent som inte brukar finnas hos cyanobakterier, men väl hos grönalger och högre växter. När de nu kunde identifieras genom sin färg visade sig dessa extremt små encelliga organismer förekomma i stora mängder i många hav. Antalet uppskattas till enorma 3 x 10 ^27 och deras totala biomassa har beräknats vara dubbelt så stor som hela mänsklighetens totalvikt. Som viktiga primärproducenter skapar de genom sin fotosyntes organisk substans från sol, koldioxid och ett fåtal oorganiska molekyler. Genom att tjäna som föda tillgodoser de behovet av organisk näring för havens andra bakterier och för alla organismer högre upp i näringskedjan.

Annons
Annons

Och detta sker med en absolut minimal molekylär utrustning. Dna-analys av enskilda celler har uppdagat en avsevärd variation av genomet, både vad gäller storlek och innehåll. De minsta genomen, med 1 800 gener, ligger nära minimum för en fungerande organism, andra har betydligt fler. Det finns hos alla en stomme av konserverade gener för basala funktioner, men i övrigt är variationen stor. Den mest stabila genen, 16S rRNA, som brukar användas för artbestämning, har dock så liten variation att alla Prochlorococcus räknas till samma art. 

Artens utbredning, individantal och variation är häpnadsväckande. Den finns i haven mellan 40 grader nordlig och 40 grader sydlig bredd och från havsytan ner till 150–200 meters djup. Där genomlever den sin korta livscykel svävande i vattnet på behörigt avstånd från sina gelikar och andra marina organismer. Den tillväxer och delar sig, dottercellerna separerar från varandra och startar en ny cykel – eller dör. Risken att bli offer för rovdjur, invaderas av virus eller tvingas till självdestruktion är stor, men eftersom förlusten hela tiden balanseras av förökning förblir cellmängden tämligen konstant.

Fritt svävande i havet sammanlever och konkurrerar den med diverse marina bakteriearter, men måste själv fånga in oorganiska näringsämnen för sina behov. Anpassning till livsmiljön ligger bakom en stor del av den genetiska variation som karaktäriserar lokala populationer. Förhållandena vid havsytan skiljer sig avsevärt från dem som råder långt ner dit solljuset knappast når, men där i stället koncentrationen av kväve, fosfor och järn är högre. Dessutom kräver även vattnets temperatur sina åtgärder. När olika kloner efter sitt dna-innehåll ordnas i ett evolutionärt stamträd visar det sig att de som hör hemma i det rörliga ytvattnet med hög ljusintensitet (HL-linjer) är av evolutionärt yngre datum än de som förekommer i låg ljusintensitet längre ner i haven (LL-linjer). Förmodligen krävs en mer avancerad nischanpassning för att leva i denna kärvare miljö. De största genomen påträffas också hos LL-linjerna.

Annons
Annons

Den genetiska variationen tycks nästan outsinlig. Varje gång en ny dna-sekvensering utförs upptäcks ett hundratal helt nya gener. Hur kan Prochlorococcus generera så mycket genetisk variation? Mutationer inom det egna genomet är förmodligen otillräckliga, men det finns andra vägar att komplettera det. Under sin levnad hotas de svävande individerna av rovgiriga planktonätare men också av virus som strävar att invadera dem. Prochlorococcus har speciella skyddande ämnen på cellytan som förhindrar virusinfektioner. Motståndskraften uppnås genom att en mångfald specialiserade gener förhindrar olika virus att angripa cellen. Den genetiska mångfalden förhindrar större katastrofer. 

Om cellen överlever sådana sammanträffanden kan virusgener ibland inkluderas i dess dna genom så kallad horisontell genöverföring. Sådan kan även ske från i havsvattnet fritt svävande bubblor som innehåller olika makromolekyler, bland andra dna, utsöndrade från mikrober av olika slag. Från dessa källor har Prochlorococcus tillgång till den stora reservoar av dna som den totala marina mikrobvärlden tillhandahåller och har kunnat modifiera sin funktion efter olika krav. Horisontell genöverföring är ingen snabbt verkande process, eftersom upptag av dna utifrån är en osannolik händelse. Men evolutionen har obegränsad tid och otaliga tillfällen till sitt förfogande.

Trots att de frilevande marina organismerna i havet ingår i ett glest och utspritt ekosystem har en funktionell arbetsfördelning upprättats mellan olika arter. Exempelvis bidrar Prochlorococcus till vissa bakteriers behov av aminosyror men får i gengäld tillgång till enzymet katalas som utsöndras från andra bakteriearter och ger skydd mot UV-ljus och aggressiva syremolekyler. Inom ett ekosystem är sådan kemisk reduktionism rationell och energi­effektiv. Ett oss mer närliggande exempel är att vi under evolutionen har givit upp vår förmågan att själva producera c-vitamin och i stället förlitar oss på tillskott från frukter och bär.

Annons
Annons

Prochlorococcus viktiga funktion i havsmiljön är numera väl utredd och har även intresserat klimatforskarna.

Men ett evolutionärt framsteg hos en av arterna i ett ekosystem är ofta skadligt för de andra. De måste snabbt förändras för att motstå nya hot. Detta tillstånd av konstant eskalering av försvar och kontroll har kallats ”Röda drottningens strategi” efter en episod i Levis Carrolls ”Alice i Spegellandet” där drottningen talar om för Alice att hon måste springa hela tiden för att bli kvar på samma plats.

Sallie Chisholms forskning berör många aspekter inom biovetenskaperna. Med utgångspunkt från sina resultat analyserar hon hur samverkan i livsmiljön kan leda till allt större komplexitet. Hon hävdar att det glesa ekosystem där Prochlorococcus ingår tillämpar en annorlunda strategi, ”Svarta drottningens princip”. Den innebär att omställningar i stället för att vara kostsamma kan medföra ett effektivare utnyttjande av gemensamma resurser så att ekosystemets totala biomassa ökar. 

Hon drar ut konsekvenserna av detta resonemang i till synes långsökta exempel, som hur effektiviteten av växternas fotosyntes ökas, och hur växternas erövring av den fasta jordytan underlättats. Hon spekulerar även om hur det kan tillämpas på det moderna mänskliga samhället. Det klimathot som hänger över oss är en följd av att befolkningen ökat och tagit ut allt mer energi från fossila bränslen, vilket fått den globala koldioxidhalten att öka samtidigt som naturresurser börjat sina. Men under denna process har vi även blivit alltmer socialt, teknologiskt och ekonomiskt beroende av andra, i analogi med vad som sker i det marina mikrob-ekosystemet. Samtidigt har vi ökat vår förmåga att tillvarata de mer svåråtkomliga resurserna. Detta inger hopp, men situationen ställer stora krav på att vi kan bemästra de störningar som omställningen ger upphov till.

Annons
Annons

Prochlorococcus viktiga funktion i havsmiljön är numera väl utredd och har även intresserat klimatforskarna. Då växthuseffekten väntas öka yttemperaturen i haven kommer arten förmodligen att öka i antal och utbredning. Eftersom den är så dominerande i det marina ekosystemet kan konsekvenserna bli stora, men vilka de blir är inte klarlagt. Farhågor finns för att våra ingrepp i havsmiljön, till exempel gödsling, kan göra mer skada än nytta. Vi kan förvänta oss många oförutsedda följder.

Årets Crafoordpristagare har gjort en stor insats genom att utforska och lyfta fram tidigare okända aspekter på livet och energiomsättningen i våra hav. Hon har dessutom velat sprida kunskapen genom att fånga de yngstas uppmärksamhet. I flera vackert illustrerade barnböcker berättar hon om hur växterna gett jorden liv, om samspelet mellan liv i hav och på land, om hur solen ger jorden energi och hur vår rovdrift på fossila bränslen skapar problem för oss. Det är en kunskap väl värd att förmedla till morgondagens beslutsfattare.

Annons
Annons
Annons
Annons
Annons