Nu de klimaatverandering de hitte in de diepere lagen van het oceaanwater duwt, maakt de wetenschappelijke gemeenschap zich zorgen over het verstoren van het delicate evenwicht van het leven in de oceaan. Maar een nieuwe studie suggereert dat een belangrijke diepzeemicrobe – de mariene nitrificerende bacterie Nitrosopumilus maritimus – zich misschien stilletjes heeft aangepast aan deze warmere, voedselarme omgeving.
Door de gecombineerde effecten van de opwarming van de aarde en de frequente hittegolven op zee blijft de opwarming niet langer beperkt tot het oppervlak van de oceaan. Zeewater tot wel duizend meter diep warmt ook op, wat aanleiding geeft tot bezorgdheid over verstoringen van het chemische milieu en de ecosystemen van de oceaan. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en andere instellingen wees er echter op dat archaea zoals Nitrosopumilus maritimus, die afhankelijk is van ijzer en leeft door ammoniak te oxideren, hun fysiologische strategieën lijken aan te passen om zich aan te passen aan de dubbele druk van hogere temperaturen en lagere metaalvoorraden. Onderzoekers zijn van mening dat ze in een oceaan die blijft opwarmen waarschijnlijk een steeds belangrijkere rol gaan spelen bij het hervormen van de distributiepatronen van voedingsstoffen in de oceaan.
Relevante resultaten zijn onlangs gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Nitrosopumilus maritimus en de verwante micro-organismen zijn goed voor ongeveer 30% van het totale mariene microbiële plankton en worden algemeen beschouwd als sleutelspelers bij het handhaven van de chemische balans van de oceaan. Door ammoniak in zeewater te oxideren, zijn deze archaea betrokken bij het omzetten van stikstof in verschillende chemische vormen, waardoor de groei van hele microbiële planktongemeenschappen wordt beïnvloed, die de basis vormen van mariene voedselwebben en van cruciaal belang zijn voor de mariene biodiversiteit.
Wei Qin, corresponderend auteur van de studie en hoogleraar microbiologie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, zei dat in het verleden algemeen werd aangenomen dat zeewater onder de 1000 meter grotendeels ‘geïsoleerd’ was van de effecten van de opwarming van het oppervlak, maar het wordt nu steeds duidelijker dat de opwarming van de diepzee de manier verandert waarop deze overvloedige archaea ijzer gebruiken. IJzer is een metaalelement waarvan ze sterk afhankelijk zijn voor hun metabolische processen, en deze verandering kan de beschikbaarheid van sporenmetalen in de diepzee verder beïnvloeden, met gevolgen voor bredere mariene biogeochemische processen.
Om zo dicht mogelijk bij het echte mariene milieu te komen, voerde het onderzoeksteam een reeks temperatuur- en ijzerconcentratiegradiëntexperimenten uit op een zuivere cultuur van Nitrosopumilus maritimus onder strikt gecontroleerde experimentele omstandigheden voor metaalverontreiniging. De resultaten toonden aan dat wanneer de ijzertoevoer beperkt was, stijgende temperaturen niet alleen het overlevingsvermogen van dit soort micro-organismen niet verzwakten, maar hen er in plaats daarvan toe aanzetten hun vraag naar ijzer te verminderen en hun ijzergebruiksefficiëntie te verbeteren. Dit toont aan dat naarmate het zeewater warmer wordt en het beschikbare ijzer afneemt, Nitrosopumilus maritimus een zeker vermogen heeft om "zelfregulerend" te zijn en metabolische activiteiten kan handhaven of zelfs optimaliseren in een diepzeeomgeving met meer beperkte hulpbronnen.
Op basis van experimenten werkte het team samen met Alessandro Tagliabue, een expert in mariene biogeochemische modellering aan de Universiteit van Liverpool, om deze fysiologische gegevens op te nemen in het mondiale oceaanbiogeochemische model voor simulaties. Simulatieresultaten laten zien dat in uitgestrekte zeegebieden met een beperkt ijzergehalte diepzee-archaea-gemeenschappen zich niet alleen niet zullen "terugtrekken" onder toekomstige opwarmingsscenario's, maar ook het vermogen zullen hebben om hun rol in de stikstofcyclus in de oceaan en de ondersteuning van de primaire productie te behouden of zelfs te versterken. Met andere woorden: in veel diepzeegebieden die oorspronkelijk als kwetsbaar werden beschouwd, kunnen deze kleine wezens een ‘adaptieve kracht’ worden die de oceaanfuncties in stand houdt.
Om te testen of de laboratoriumbevindingen ook van toepassing zijn op echte oceaansystemen, zullen Qin Wei en David Hutchins, hoogleraar biologie van mondiale veranderingen aan de Universiteit van Zuid-Californië, deze zomer samen een offshore wetenschappelijke expeditie leiden. Ze gaan aan boord van het onderzoeksschip Sikuliaq, dat vertrekt vanuit Seattle, door de Golf van Alaska vaart en vervolgens naar het subtropische gyre-gebied vaart, met een stop in Honolulu, Hawaii. Twintig wetenschappers van meerdere instellingen zullen ter plaatse observaties en bemonsteringen uitvoeren aan boord van het schip, waarbij de nadruk zal liggen op het beoordelen van hoe archaea-gemeenschappen in de natuurlijke omgeving reageren en zich aanpassen onder verschillende combinaties van temperatuur- en metaalbeperkingen.
Het onderzoeksteam benadrukte dat dit werk niet alleen een onderzoek is naar het aanpassingsvermogen van een enkele soort, maar ook verband houdt met de gehele stikstofcyclus in de oceaan, de cyclus van sporenmetalen en de ‘veerkracht’ van diepzee-ecosystemen in de context van klimaatverandering. Als belangrijke micro-organismen zoals Nitrosopumilus maritimus inderdaad in staat zijn de efficiëntie van het ijzergebruik te verhogen en actief te blijven in warmere diepzeeomgevingen, dan kunnen ze tot op zekere hoogte een deel van de chemische onevenwichtigheden als gevolg van de opwarming bufferen, waardoor kostbare tijd wordt gewonnen voor mariene ecosystemen om zich aan te passen. Maar wetenschappers herinneren er ook aan dat dit niet betekent dat de risico’s van de klimaatverandering genegeerd kunnen worden. Menselijke controle over de uitstoot van broeikasgassen is nog steeds het fundamentele middel om de gezondheid van de oceanen en mondiale ecosystemen te beschermen.
Volgens rapporten werd het onderzoek gezamenlijk gefinancierd door de National Science Foundation, de Simons Foundation, de National Natural Science Foundation of China, de University of Illinois in Urbana-Champaign en de University of Oklahoma. Een van de onderzoeksleiders, Qin Wei, is ook verbonden aan het Carl Wuth Institute for Genomic Biology. Het relevante team verklaarde dat het van plan is om in de toekomst langetermijnobservaties uit te voeren in meer zeegebieden en in verschillende seizoenen om het evolutiepad van de rol van diepzee-archaea in de opwarmende oceaan verder te verduidelijken.