À deriva em um barco no meio do Oceano Pacífico Norte, a visão mais surpreendente é a total ausência de qualquer coisa para ver. A água cristalina e calma não é perturbada e ondula suavemente por quilômetros em todas as direções. Mesmo se você olhar pela borda do convés para a água azul cristalina, a luz do sol penetra a uma profundidade de cerca de 600 pés sem nada para bloquear seu caminho. Parece não haver nada para ver além de água aqui, Mas as aparências podem enganar. Foram os organismos impossivelmente pequenos e seu impacto desproporcionalmente grande no ecossistema que atraiu a mim e a uma equipe de cientistas para enfrentar o alto mar, um tubarão curioso, e um furacão iminente. Viemos para o meio do oceano para explorar as vidas secretas dos micróbios que chamam o oceano aberto de lar. Recentemente publicamos nossos resultados no The ISME Journal .

No verão de 2015, uma equipe do Observatório Terrestre Lamont-Doherty de Columbia - Sonya Dyhrman, Sheean Haley, e eu - empacotei o conteúdo de nosso laboratório e o enviei para o outro lado do planeta. Seguimos de perto, felizmente com menos bagagem, e juntou-se a aproximadamente 60 oceanógrafos biológicos de todo o mundo em Honolulu, Havaí. De lá, Estávamos com destino ao Giro Subtropical do Pacífico Norte, a bordo de uma frota de dois navios de pesquisa.

Nossa expedição foi financiada pela Simons Foundation e chamada de Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology, ou ESCOPO. A missão do SCOPE é medir e modelar como os micróbios marinhos interagem e influenciam uns aos outros e ao meio ambiente em geral. Esses processos ocorrem a centenas de quilômetros de terra firme, mas eles têm uma importância crítica para toda a vida na Terra. Afinal, plantas marinhas microscópicas, ou fitoplâncton, são responsáveis ​​por cerca de metade da produtividade primária do planeta. Isso significa que para cada outra respiração que você der, você pode agradecer a um fitoplâncton.

Minha própria pesquisa se concentra em um fitoplâncton chamado Trichodesmium. É uma espécie-chave no oceano aberto subtropical. Com baixo teor de nutrientes, condições quase desérticas, Trichodesmium é um oásis. É uma bactéria fotossintética, portanto, pode usar pouco mais do que luz solar e dióxido de carbono para fazer seu próprio açúcar para alimentos. Também é um fixador de nitrogênio. Assim como as bactérias que vivem nas raízes das leguminosas, como as ervilhas, O tricodesmio pode pegar o gás N2 inerte da atmosfera e transformá-lo em uma forma que sustenta a vida. Em um ambiente hostil, onde outros organismos mal conseguem sobreviver com o baixo suprimento de nitrogênio biodisponível, Trichodesmium é uma fábrica flutuante de fertilizantes. Por esta razão, forma pontos críticos de atividade biológica - constelações de cidades microbianas flutuantes que permitem que os ciclos biogeoquímicos globais continuem se agitando.

Comparar Trichodesmium a uma cidade não é muito forçado. As células são grandes - para uma bactéria. Eles têm cerca de 20 micrômetros de largura, quase 8 vezes o comprimento de uma bactéria típica. Essas células formam longas cadeias, e essas correntes se agrupam para formar colônias semelhantes a bolas de papel que parecem fardos de feno verde ervilha do tamanho de uma cabeça de alfinete. Se você fosse dar zoom em uma daquelas bolas de puffball, você descobriria que Trichodesmium não está sozinho. Outros micróbios capitalizam o açúcar da fotossíntese e o nitrogênio biodisponível que vaza do Trichodesmium, e fazer suas casas permanentes nessas colônias. No mundo dos microrganismos, As colônias de Trichodesmium são como Manhattan durante a semana do restaurante. Com efeito, Trichodesmium é um micróbio com seu próprio microbioma.

Trichodesmium foi descrito pela primeira vez pelo explorador Capitão Cook durante uma expedição ao Mar Vermelho no final do século XVIII. Não foi até a década de 1980, Contudo, que os cientistas colocaram puffs de Trichodesmium sob um microscópio de alta potência e descobriram que as colônias estavam cheias de outras bactérias. Explorar essa visão fascinante caiu na sombra de outra descoberta importante:que as estimativas das capacidades de fixação de N2 do Trichodesmium foram reduzidas em uma ordem de magnitude. Novas estimativas sugeriram que, embora este organismo não seja numericamente abundante no oceano, ainda contribui com quase metade do nitrogênio marinho biodisponível total.

Hoje, "microbioma" é uma palavra da moda tanto na pesquisa científica quanto além das bancadas de laboratórios microbiológicos. A descoberta de que os microrganismos que vivem dentro e fora de nós são extremamente importantes para controlar a forma como digerimos nossos alimentos, afastar patógenos prejudiciais, e até mesmo o que pensamos alterou fundamentalmente a forma como os humanos vêem seu relacionamento com essas criaturas minúsculas. As bactérias não são mais apenas germes.

Se uma composição saudável de bactérias intestinais em um ser humano pode ser a chave para um estilo de vida saudável, então, o microbioma que vive em Trichodesmium poderia desempenhar um papel antes esquecido em sua ecologia? As bactérias do microbioma Trichodesmium podem simplesmente pegar uma carona pelas ondas como passageiros clandestinos passivos, ou eles podem interagir com seu anfitrião de alguma maneira importante. Eles poderiam de alguma forma possibilitar o sucesso do Trichodesmium e sua capacidade de fotossintetizar e fixar nitrogênio? A expedição SCOPE foi nossa chance de descobrir. Todos os 60 cientistas trabalharam em conjunto em dois navios para coletar amostras para um conjunto de medições biológicas e químicas a cada quatro horas por dois períodos consecutivos de quatro dias.

Quando o sol começou a aparecer no horizonte na primeira manhã de amostragem, Sheean e eu estávamos bem no final do navio, aguardando o "tudo limpo" do capitão para descartar nosso equipamento de amostragem Trichodesmium. Este equipamento era como uma rede de borboletas aquáticas que arrastamos pela água, sua malha fina concentra as colônias de Trichodesmium de milhares de litros de água. A água parecia calma, mas foi um excelente treino de bíceps segurar a corda e resistir a ser puxado para fora do barco. A façanha tornou-se ainda mais desafiadora quando um tubarão curioso começou a investigar nossa rede.

De volta ao convés, corremos com a amostra para o laboratório e retiramos todas as colônias de Trichodesmium que pudemos encontrar com conta-gotas. (Nada testa as pernas do mar mais do que pescar bactérias em um navio em movimento.) Mover-se rapidamente era a chave para preservar a integridade das amostras:para descobrir o que o Trichodesmium e seu microbioma estavam fazendo na água, sequenciamos e analisamos todos os genes que eles ativaram e desativaram durante nossas semanas no mar.

O genoma de um organismo é como um livro de receitas - contém todas as instruções de que um organismo precisa para funcionar. Os genes são como cartões de receitas individuais que são puxados para se adequar a uma determinada condição. Assim como o inverno sinaliza receitas de peru assado e torta de abóbora, o sol nascente ativa os genes do Trichodesmium para a fotossíntese e a fixação de nitrogênio. Se pudéssemos rastrear a expressão desses genes ao longo do dia, e encontrar genes com padrões diurnos / noturnos semelhantes no microbioma - organismos que não deveriam responder à luz do sol - então teríamos evidências genéticas de potenciais interações entre o hospedeiro e o microbioma.

Depois de um longo dia colhendo amostras, Sheean, Sonya e eu tínhamos acertado nosso passo. Mas quando o sol se pôs, enfrentamos um novo desafio:isolar as colônias quase na escuridão. Para preservar as assinaturas gênicas causadas pelo nascer e pôr do sol, à noite, trocamos todas as lâmpadas do laboratório de nosso navio por luzes vermelhas. Parecia que estávamos em um submarino. Após 96 horas, registramos muitas amostras, mas pouco sono. O mar começou a agitar quando uma tempestade se abateu sobre nosso navio. No meu delírio vagamente enjoado, parecia loucura que eu pudesse transformar minúsculas colônias de bactérias retiradas do meio do oceano em dados biologicamente perspicazes.

Meses depois, de volta à terra firme no Observatório da Terra Lamont-Doherty, meus dados de expressão do gene Trichodesmium foram sequenciados e prontos para serem analisados. Os sinais do Trichodesmium surgiram primeiro:lindas ondas sinusoidais mostrando genes para fotossíntese e fixação de nitrogênio dançando na tela do meu computador em sintonia com o nascer e o pôr do sol. Então, voltei minha atenção para os genes do microbioma. Não havia razão para acreditar que essas bactérias deveriam coreografar sua fisiologia com Trichodesmium. Afinal, eles poderiam ser apenas clandestinos passivos. Prendi a respiração enquanto clicava nas análises e traçava os resultados.

Como os genes de fixação de nitrogênio Trichodesmium ligados e desligados, genes para uso de nitrogênio no microbioma seguidos em sincronia. Os mesmos padrões apareceram nos genes de fixação de carbono do Trichodesmium e nos genes de consumo de carbono do microbioma. Por outro lado, também encontramos evidências de que o microbioma ganha sua manutenção nas colônias usando o oxigênio produzido pela fotossíntese, e quebrar os açúcares de volta em dióxido de carbono - essencialmente respirando, comendo, e exalando exatamente como os animais fazem. Ao remover o oxigênio, que inibe a fixação de nitrogênio, e o reabastecimento de dióxido de carbono, o microbioma garante um ambiente favorável para o Trichodesmium continuar a fixar o nitrogênio e a fotossintetizar. Para nós, essas ligações sugeriam uma relação simbiótica estreita que poderia ter um impacto geoquímico profundo.

Pouco depois de termos feito um brinde para comemorar o artigo publicado, nossa conversa voltou ao mar, para os giros do oceano azul cristalino e todos os experimentos que queremos fazer a seguir. Essas interações biológicas ocorrem em uma escala microscópica - eles não revelam seus segredos facilmente, mas estamos dispostos a arriscar as tempestades, enjôo, e o ocasional tubarão para investigar os menores organismos e seu grande impacto na Terra.

Esta história é republicada por cortesia do Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.