Alla deriva su una barca nel mezzo dell'Oceano Pacifico settentrionale, lo spettacolo più sorprendente è l'assoluta assenza di qualsiasi cosa da vedere. L'acqua calma e vetrosa è indisturbata e ondeggia dolcemente per chilometri in ogni direzione. Anche se scruti oltre il bordo del ponte nell'acqua cristallina, la luce del sole penetra fino a una profondità di circa 600 piedi senza che nulla ne blocchi il percorso. Sembra che non ci sia niente da vedere tranne l'acqua qui, ma l'apparenza inganna. Sono gli organismi incredibilmente piccoli e il loro impatto sproporzionatamente grande sull'ecosistema che hanno attirato me e un team di scienziati a sfidare l'alto mare, uno squalo curioso, e un uragano imminente. Siamo venuti in mezzo all'oceano per attingere alle vite segrete dei microbi che chiamano casa l'oceano aperto. Abbiamo recentemente pubblicato i nostri risultati su The ISME Journal .

Nell'estate del 2015, una squadra dell'Osservatorio terrestre Lamont-Doherty della Columbia-Sonya Dyhrman, Sheean Haley, e ho impacchettato il contenuto del nostro laboratorio e l'ho spedito dall'altra parte del pianeta. Abbiamo seguito da vicino, per fortuna con meno bagaglio, e si è unito a circa 60 oceanografi biologici di tutto il mondo a Honolulu, Hawaii. Da li, eravamo destinati al giro subtropicale del Pacifico settentrionale a bordo di una flotta di due navi da ricerca.

La nostra spedizione è stata finanziata dalla Simons Foundation e denominata Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, o AMBITO. La missione di SCOPE è misurare e modellare il modo in cui i microbi marini interagiscono e si influenzano a vicenda e sull'ambiente in generale. Questi processi avvengono a centinaia di miglia di distanza dalla terraferma, ma hanno un'importanza fondamentale per tutta la vita sulla terra. Dopotutto, piante marine microscopiche, o fitoplancton, sono responsabili di circa la metà della produttività primaria del pianeta. Questo significa che per ogni altro respiro che fai, puoi ringraziare un fitoplancton.

La mia ricerca si concentra su un fitoplancton chiamato Trichodesmium. È una specie chiave di volta nell'oceano aperto subtropicale. A basso contenuto di nutrienti, condizioni quasi desertiche, Trichodesmium è un'oasi. È un batterio fotosintetico, quindi può usare poco più della luce solare e dell'anidride carbonica per produrre il proprio zucchero per il cibo. È anche un fissatore di azoto. Proprio come i batteri che vivono nelle radici delle leguminose come i piselli, Il tricodesmio può prendere il gas inerte N2 dall'atmosfera e trasformarlo in una forma che sostiene la vita. In un ambiente ostile in cui altri organismi si guadagnano da vivere a malapena con la scarsa disponibilità di azoto biodisponibile, Trichodesmium è una fabbrica di fertilizzanti galleggiante. Per questa ragione, forma hotspot di attività biologica, costellazioni di città microbiche galleggianti che consentono ai cicli biogeochimici globali di continuare a vorticare.

Confrontare Trichodesmium con una città non è un granché. Le cellule sono grandi, per un batterio che è. Sono larghe circa 20 micrometri, quasi 8 volte la lunghezza di un tipico batterio. Queste cellule formano lunghe catene, e quelle catene si raggruppano insieme per formare colonie simili a sbuffi che sembrano balle di fieno verde pisello delle dimensioni di una capocchia di spillo. Se dovessi ingrandire uno di quei palloncini, scopriresti che Trichodesmium non è solo. Altri microbi sfruttano lo zucchero della fotosintesi e l'azoto biodisponibile che fuoriesce dal Trichodesmium, e stabiliscono le loro case permanenti su queste colonie. Nel mondo dei microrganismi, Le colonie di tricodesmio sono come Manhattan durante la settimana del ristorante. In effetti, Il tricodesmio è un microbo con un proprio microbioma.

Il tricodesmio fu descritto per la prima volta dall'esploratore Capitan Cook durante una spedizione nel Mar Rosso alla fine del 1700. Non è stato fino agli anni '80, però, che gli scienziati hanno messo i soffi di Trichodesmium sotto un microscopio ad alta potenza e hanno scoperto che le colonie pullulavano di altri batteri. L'esplorazione di questa affascinante intuizione è caduta nell'ombra di un'altra importante scoperta:le stime delle capacità di fissaggio dell'N2 del Trichodesmium erano ridotte di un ordine di grandezza. Nuove stime hanno suggerito che anche se questo organismo non è numericamente abbondante nell'oceano, contribuisce ancora per quasi la metà del totale dell'azoto marino biodisponibile.

Oggi, "microbioma" è una parola d'ordine sia nella ricerca scientifica che oltre i banchi dei laboratori microbiologici. La scoperta che i microrganismi che vivono dentro e sopra di noi sono di fondamentale importanza per controllare come digeriamo il nostro cibo, allontanare gli agenti patogeni nocivi, e anche ciò a cui pensiamo ha fondamentalmente alterato il modo in cui gli umani vedono la loro relazione con queste minuscole creature. I batteri non sono più solo germi.

Se una composizione sana di batteri intestinali in un essere umano può essere la chiave per uno stile di vita sano, allora il microbioma che vive su Trichodesmium potrebbe svolgere un ruolo precedentemente trascurato nella sua ecologia? I batteri nel microbioma del Trichodesmium potrebbero semplicemente fare un giro tra le onde come clandestini passivi, oppure potrebbero interagire con il loro ospite in qualche modo importante. Potrebbero in qualche modo consentire il successo del Trichodesmium e la sua capacità di fotosintetizzare e fissare l'azoto? La spedizione SCOPE è stata la nostra occasione per scoprirlo. Tutti i 60 scienziati hanno lavorato di concerto su due navi per prelevare campioni per una serie di misurazioni biologiche e chimiche ogni quattro ore per due periodi consecutivi di quattro giorni.

Quando il sole ha iniziato a fare capolino all'orizzonte la prima mattina del campionamento, Sheean e io eravamo in fondo alla nave, in attesa del "via libera" dal capitano per gettare a mare la nostra attrezzatura per il campionamento del Trichodesmium. Questa attrezzatura era come un retino per farfalle acquatiche che abbiamo trascinato nell'acqua, la sua maglia fine concentra le colonie di Trichodesmium da migliaia di litri d'acqua. L'acqua sembrava calma, ma è stato un potente allenamento per i bicipiti per mantenere la corda e resistere allo strattone in mare. L'impresa è stata resa ancora più pericolosa dalla morte quando uno squalo curioso ha iniziato a indagare sulla nostra rete.

Torna sul ponte, abbiamo portato di corsa il campione in laboratorio e abbiamo estirpato ogni colonia di Trichodesmium che abbiamo trovato con i contagocce. (Niente mette alla prova le proprie gambe del mare come la pesca di batteri su una nave in movimento.) Muoversi rapidamente era la chiave per preservare l'integrità dei campioni:per capire cosa stavano facendo il Trichodesmium e il loro microbioma nell'acqua, abbiamo sequenziato e analizzato tutti i geni che stavano accendendo e spegnendo durante le nostre settimane in mare.

Il genoma di un organismo è come un libro di cucina:contiene tutte le istruzioni di cui un organismo ha bisogno per funzionare. I geni sono come le singole schede delle ricette che vengono estratte per adattarsi a una data condizione. Proprio come l'inverno segnala ricette per tacchino arrosto e torta di zucca, il sole nascente attiva i geni del Trichodesmium per la fotosintesi e la fissazione dell'azoto. Se potessimo monitorare l'espressione di quei geni durante il giorno, e trovare geni con schemi giorno-notte simili nel microbioma - organismi che non dovrebbero rispondere alla luce solare - quindi avremmo prove genetiche di potenziali interazioni tra ospite e microbioma.

Dopo una lunga giornata trascorsa a prelevare campioni, Sheean, Sonya e io avevamo raggiunto il nostro passo. Ma quando il sole è tramontato abbiamo affrontato una nuova sfida:isolare le colonie quasi al buio. Per preservare le firme genetiche causate dal sorgere e dal tramonto del sole, di notte abbiamo scambiato tutte le lampadine nel laboratorio della nostra nave con luci rosse. Sembrava di essere in un sottomarino. Dopo 96 ore, avevamo registrato molti campioni, ma poco sonno. I mari avevano iniziato a agitarsi mentre una tempesta si abbatteva sulla nostra nave. Nel mio delirio vagamente mal di mare, sembrava folle che potessi trasformare minuscole colonie batteriche estratte dal mezzo dell'oceano in dati biologicamente perspicaci.

Mesi dopo, di nuovo sulla terraferma all'Osservatorio della Terra di Lamont-Doherty, i miei dati di espressione del gene Trichodesmium sono stati sequenziati e pronti per essere analizzati. I segnali di Trichodesmium sono usciti per primi:bellissime onde sinusoidali che mostrano i geni per la fotosintesi e la fissazione dell'azoto che danzano sullo schermo del mio computer in concerto con il sorgere e il calare del sole. Poi ho rivolto la mia attenzione ai geni del microbioma. Non c'era motivo di credere che questi batteri dovessero coreografare la loro fisiologia con Trichodesmium. Dopotutto, potrebbero essere solo clandestini passivi. Ho trattenuto il respiro mentre scorrevo le analisi e tracciavo i risultati.

Quando i geni di fissazione dell'azoto del Trichodesmium si accendevano e si spegnevano, i geni per l'uso dell'azoto nel microbioma sono stati seguiti di pari passo. Gli stessi schemi sono apparsi nei geni di fissazione del carbonio del Trichodesmium e nei geni di consumo del carbonio del microbioma. D'altra parte, abbiamo anche trovato prove che il microbioma si guadagna il mantenimento delle colonie utilizzando l'ossigeno prodotto dalla fotosintesi, e abbattere gli zuccheri in anidride carbonica, essenzialmente respirando, mangiare, ed espirando proprio come fanno gli animali. Rimuovendo l'ossigeno, che inibisce la fissazione dell'azoto, e rifornire di anidride carbonica, il microbioma garantisce un ambiente favorevole per il Trichodesmium per continuare a fissare l'azoto e la fotosintesi. A noi, questi collegamenti suggerivano una stretta relazione simbiotica che poteva avere un profondo impatto geochimico.

Non molto tempo dopo che abbiamo fatto un brindisi celebrando il giornale pubblicato, la nostra conversazione tornò al mare, ai vortici oceanici blu cristallini e tutti gli esperimenti che vogliamo fare dopo. Queste interazioni biologiche avvengono su scala microscopica:non svelano facilmente i loro segreti, ma siamo disposti a rischiare le tempeste, mal di mare, e lo squalo occasionale per indagare sugli organismi più piccoli e sul loro grande impatto sulla Terra.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.