Un'incredibile diversità si nasconde sotto la superficie dell'oceano dove piccoli microbi lavorano alacremente; trasformare l'anidride carbonica dall'atmosfera in ossigeno, convertire la luce solare in energia, e abbattere il gas azoto per servire da cibo. Victoria Coles, ricercatrice del Center for Environmental Science dell'Università del Maryland, e il suo team hanno sviluppato un nuovo strumento che fa progredire la nostra comprensione di come questi microbi mantengono questa complessa chimica oceanica.

Il nuovo modello, pubblicato oggi in Scienza , simula l'impatto delle attività microbiche sulla chimica nel Nord Atlantico e suggerisce che l'evoluzione di una funzione metabolica piuttosto che l'evoluzione di una singola specie modella l'oceano come lo conosciamo. È il primo modello che prevede effettivamente i geni e la trascrizione in tutto l'oceano.

"Il modello suggerisce che non è l'evoluzione delle specie, ma piuttosto l'evoluzione del metabolismo microbico che determina la nostra attuale chimica oceanica, "ha detto Victoria Coles, professore associato presso l'Horn Point Laboratory dell'Università del Maryland Center for Environmental Science.

I microbi sono come macchine invisibili che insieme eseguono le trasformazioni biochimiche che mantengono l'equilibrio e la funzione dell'oceano. L'oceano può essere abitato da ben 170, 000 diverse specie microbiche, ma non sappiamo quasi nulla delle funzioni della maggior parte. Eppure lavorano tutti insieme per far funzionare l'oceano nel modo in cui lo conosciamo.

"La maggior parte dei microbi non possiamo portare in laboratorio e conoscere perché non sappiamo come coltivarli, " ha detto Coles. "Come fa un modello a catturare specie che non conosciamo ancora e che non possiamo coltivare? Abbiamo deciso di iniziare con il minor numero di diversi processi metabolici che i microbi possono eseguire. Realizziamo organismi modello sintetici con funzioni diverse e li gettiamo tutti nell'oceano modello. Quindi osserviamo come risolvono la situazione e confrontiamo i geni e le trascrizioni previste dalla comunità con le osservazioni dirette".

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"O vincono o perdono. Alcuni non funzionano. Se uno muore ne aggiungiamo un altro, " ha detto. "Questo ci dà la capacità nel nostro modello di adattarci a condizioni ambientali come l'inquinamento dei nutrienti o il cambiamento climatico".

Coles ha affermato che i ricercatori hanno eseguito questo nuovo modello molte volte con diversi microbi, e ogni volta stabilivano gli stessi schemi di base della biochimica nell'oceano. Hanno scoperto che la funzione del gene, influenzato dalle condizioni ambientali locali piuttosto che dalle specie di microbi, guida le reazioni e i processi biochimici nel modello. In altre parole, la libreria delle funzioni geniche a disposizione della comunità, piuttosto che la distribuzione delle funzioni tra organismi specifici, influenza la biogeochimica degli oceani.

"Tutti gli oceani modello che realizziamo ci danno qualcosa che assomiglia all'oceano di oggi, " ha detto. "Ogni comunità è davvero diversa alla fine del modello, ma stanno facendo la stessa cosa. Non si tratta della specie specifica quanto del processo. Tutti i microbi operano insieme per raggiungere l'ambiente che osserviamo".

Ad esempio, il processo di fissazione dell'azoto, prendendo azoto gassoso che è stato disciolto nell'oceano e trasformandolo in fertilizzante, può essere fatto da piante come le diatomee che lavorano insieme ai cianobatteri o dai soli cianobatteri, ma anche da batteri che non sono piante e traggono energia da composti organici. Ciascuno di questi sono organismi totalmente diversi con diversi lignaggi che svolgono la stessa funzione metabolica.

"I modelli che usiamo oggi per comprendere il cambiamento climatico sono tutti fondamentalmente basati su microbi comuni nell'oceano attuale. Non includono microbi rari che potrebbero diventare comuni in futuro, " ha detto. "Se l'ambiente oceanico cambia, questo modello ha la capacità di cambiare e adattarsi in modo da poter ottenere previsioni migliori su come potrebbe cambiare la biogeochimica degli oceani".

Lo studio "Biogeochimica oceanica modellata con genomica basata sui tratti emergenti, " è stato pubblicato nel numero del 1 dicembre di Science.