Maan happitasapaino ja suuri osa meren ravintoverkosta riippuvat mikroskooppisista fotosynteettisistä organismeista. Niiden joukossa Prochlorococcus — pieni meressä elävä syanobakteeri — on yksi planeetan runsaimmista fotosynteettisistä lajeista, ja sen arvioidaan tuottavan lähes kolmasosan maailman meristä peräisin olevasta hapesta sekä muodostavan perustavanlaatuisen ravinnonlähteen valoisiin pintavesiin.

Uusi monivuotinen merikartoitus viittaa siihen, että pinnan lämpötilan nousu voi heikentää Prochlorococcusin tuottavuutta enemmän kuin aikaisemmat laboratoriotutkimukset antoivat ymmärtää, mikä voi aiheuttaa ketjureaktioita meriekosysteemeissä ja globaaleissa biogeokemiallisissa kiertoissa.

Tieteellinen tausta ja kenttamenetelmät

Prochlorococcus elää yli 75 %:ssa maailman valoista pintamerta, erityisesti trooppisissa ja subtrooppisissa vesissä, jotka ovat sopeutuneet lämpimiin ja ravinteeltaan köyhiin oloihin. Koska nämä merialueet ovat lämpimiä, pystysuora ravinteiden sekoittuminen on rajoitettua; Prochlorococcus on kehittynyt yksinkertaistettuun, minimalistiseen genomiin ja äärimmäisen pieneen solukokoon selviytyäkseen näissä olosuhteissa. Genomin virtaviivaistuminen on kuitenkin saattanut poistaa joitakin muinaisia stressivastegeenien ryhmiä, mikä voi rajoittaa lajin lämpöresilienssiä.

Luonnonpopulaatioiden in situ -arvioimiseksi tutkijat analysoivat noin 800 miljardia Prochlorococcus-kokoista solua, jotka kerättiin 90 tutkimusmatkan aikana 13 vuoden ajalta. Tiimi käytti laivalla toimivaa virtaus-sytometriä, joka kehitettiin yhdessä pienten kasviplanktonin havaitsemista varten. Laserpohjainen mittausjärjestelmä laski ja luonnehti soluja minimoiden häiriöt; tutkijat sovelsivat tämän jälkeen vakiintuneisiin menetelmiin perustuvia tilastollisia kasvumalleja arvioidakseen solunjakautumisnopeuksia eri leveysasteilla ja lämpötilaolosuhteissa.

Keskeiset havainnot ja lämpöherkkyys

Kenttädata paljastaa, että Prochlorococcus suoriutuu parhaiten noin 19–28 °C:n (66–82 °F) välillä. Vastoin oletuksia, joiden mukaan lämpöön sopeutuneet mikrobit hyötyisivät lämpiämisestä, tutkimuksessa havaittiin, että solunjakautumisnopeudet laskevat jyrkästi tämän ikkunan yläpuolella. Lämpötiloissa yli noin 30 °C jakautuminen hidastui noin kolmannekseen nopeuksista, joita havattiin sietokyvyn alarajoilla. Washingtonin yliopiston pääkirjoittaja François Ribalet kuvaili tätä Prochlorococcusille odotettua alhaisempana "burnout temperature" -rajana.

Koska monien trooppisten ja subtrooppisten pintavesien ennustetaan ilmastonmuutosskenaarioissa ylittävän yläoptimin lähivuosikymmeninä, kirjoittajat arvioivat merkittäviä tuottavuustappioita: vuosisadan loppuun mennessä trooppisen Prochlorococcusin tuottavuus voisi laskea noin 17 % kohtuullisessa lämpiämisskenaariossa ja noin 51 % voimakkaassa lämpiämisskenaariossa. Globaalisti laskut ovat arviolta noin 10 % (kohtuullinen) – 37 % (voimakas).

Ekologiset seuraukset ja kilpailijat

Prochlorococcusin tuottavuuden väheneminen voisi tarkoittaa vähemmän tuottajaeläimyyttä ja vähemmän hiiltä ylemmille trofiatasoille trooppisissa merissä. Yksi mahdollinen ekologinen reaktio on ekolokeron valtaaminen Synechococcus-lajeilla, toisella syanobakteeriryhmällä, joka sietää korkeampia lämpötiloja mutta tarvitsee enemmän ravinteita. Jos Synechococcus leviää alueille, joilla Prochlorococcus vähenee, vaikutukset laiduntajiin, ravinnekiertoon ja ravintoverkon rakenteeseen ovat epävarmoja: miljoonien vuosien aikana Prochlorococcusin kanssa muotoutuneet laji-interaktiot eivät välttämättä siirry suoraan Synechococcusille.

Tutkimus ennustaa myös Prochlorococcusin levinneisyyden siirtyvän kohti napoja ennemmin kuin täydellistä häviämistä; trooppisten elinympäristöjen lämmetessä sopivat olosuhteet siirtyvät ennusteen mukaan kohti korkeampia leveysasteita.

Rajoitukset ja tuleva tutkimus

Kirjoittajat mainitsevat metodologiset rajoitukset: laivanäytteenotto ja tilastomallit voivat ohittaa harvinaiset lämmölle sietävät kantamuodot, ja joitakin trooppisia alueita näytteistettiin liian vähän. Jos aiemmin dokumentoimattomia termofiilisiä ekotyyppejä on olemassa, ne voisivat lieventää ennustettuja laskuja. Jatkuva kohdennettu näytteenotto, genomiikkatutkimukset ja pitkäaikainen seuranta ovat tarpeen ennusteiden täsmentämiseksi ja sopeutumisreaktioiden havaitsemiseksi.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Maya Ortega, merimikrobiekologi: 'Tämä tutkimus korostaa mikrobien mittaamisen arvoa niiden luonnollisessa ympäristössä. Laboratoriokannat antavat kontrolloitua tietoa, mutta meri yhdistää fysiikan, kemian ja biologian tavoilla, jotka paljastavat haavoittuvuuksia, joita viljelyissä ei aina näe. Jos Prochlorococcus vähenee ennustetusti, vaikutukset heijastuvat ravintoverkoissa ja vaikuttavat alueellisiin hiilenkiertoihin.'

Johtopäätös

Kenttähavainnot osoittavat, että Prochlorococcusilla on kapeampi lämpötila-alue kuin aiemmin oletettiin, ja tuottavuus laskee jyrkästi yli noin 30 °C:n. Ennustettu valtamerten lämpeneminen voi vähentää trooppista ja globaalia Prochlorococcusin tuottavuutta merkittävästi vuoteen 2100 mennessä korkeiden päästöjen skenaariossa, mikä voi aiheuttaa levinneisyysmuutoksia ja mahdollisen ekologisen uudelleenjärjestäytymisen muiden syanobakteerien, kuten Synechococcusin, kanssa. Vaikka lajit eivät todennäköisesti katoa kokonaan, niiden muuttuva runsaus ja jakautuminen herättävät tärkeitä kysymyksiä meriekosysteemeistä, hapentuotannosta ja hiilenkierrosta, jotka edellyttävät jatkoseurantaa ja tutkimusta.