Wallenberg Academy Fellows

Livsviktig symbios i världens hav

Kiselalger och kvävefixerande cyanobakterier som lever tillsammans i världshaven är betydelsefulla för kvävets och kolets kretslopp. Rachel Foster studerar hur denna symbios fungerar på molekylär nivå. Kunskapen kan öka förståelsen om både växternas evolution och vårt framtida klimat.

Ända sedan barndomens somrar på stranden har Rachel Foster varit passionerat intresserad av havet och dess organismer. Men det var en forskningskryssning från Florida till San Salvador som avgjorde yrkesvalet. Hon tog en mastersexamen i marin miljövetenskap vid Stony Brook University i New York och började sedan forska om hur havets organismer samspelar med varandra.

– Båtexpeditionen var en fantastisk upplevelse och jag har följt den känslan sedan dess. Jag älskar verkligen att vara ute på havet. Jag får alla forskningsidéer från mina observationer där ute.

Rachel Foster undersöker symbiosen och näringsutbytet mellan kvävefixerande cyanobakterier och kiselalger. Symbios är när två eller fler organismer lever tillsammans. Ofta är det ett beroendeförhållande. Dessa nära relationer finns överallt i naturen och har varit avgörande i biosfärens utveckling. Ett exempel är kloroplaster, de organeller i växter och alger där fotosyntesen sker. Organeller är cellens motsvarighet till kroppens organ. Kloroplaster är rester av en urtida sammansmältning av en encellig fotosyntetisk cyanobakterie som levde i samspel med en annan encellig värdorganism, förklarar hon.

– En liknande symbios ser vi idag mellan encelliga marina kiselalger och kvävefixerande cyanobakterier. Med tiden skulle den kunna leda till att en ny typ av organell utvecklas, i det här fallet en som fixerar kvävgas. Det är väldigt fascinerande och kan hjälpa oss att förstå mer om organellers evolution.

Svåra att upptäcka

Kväve behövs för att livet ska kunna existera, men i stora delar av våra hav är tillgången låg. Där är den främsta kvävekällan de organismer som kan binda atmosfärens kvävgas och göra om den till en biologiskt tillgänglig form av kväve.

Kiselalgerna kan själva inte omvandla kvävgas utan är helt beroende av cyanobakteriernas kvävefixerande förmåga. Tillsammans formerar de massiva blomningar i delar av världshaven. Men än så länge har intresset för att förstå hur dessa två mikroorganismer samverkar inte varit så stort.

– Kanske beror det på att du måste ha ett mikroskop för att se och identifiera dem. Man kan inte upptäcka dem från satelliter för de lever under den övre havsytan.

Den specifika typ av cyanobakterie som Rachel Foster studerar lever inte frivilligt i öppet hav utan finns oftast i bräckt vatten eller i kustområden.

– Det kan vara så att vi ser ett bevis på samevolution. De här organismerna har formerat ett partnerskap och flyttat ut till det öppna havet.

Utanför Rachel Fosters fönster syns Brunnsviken, men forskargruppen hon leder ska snart flytta till en ny byggnad på Stockholm universitets huvudcampus. Hon var tidigare forskare vid Max Planck Institute for Marine Microbiology i Tyskland.

– Men jag var här vid ett par tillfällen under min doktorandtid och lärde mig elektronmikroskopi för att kunna studera celler mer högupplöst.

Rachel Foster har sedan dess fortsatt att utveckla sina resultat genom att kombinera studier av organismerna i vanliga mikroskop till havs med de senaste molekylära teknikerna och så kallad masspektrometri.

”Det är en fantastisk möjlighet och en milstolpe i min karriär. Jag kan nu formulera och bedriva forskning om stora frågor som jag länge har funderat på men inte haft finansiella eller instrumentella resurser att utveckla.”

Kiselalgen styr metabolismen

Ett stenkast bort finns Naturhistoriska riksmuseet som i källaren härbärgerar Laboratoriet för isotopgeologi och en apparat för att studera laddade partiklar – en masspektrometer.

– Vi använder den för att analysera de grundläggande komponenterna i en enskild cell, och visualisera fixering och överföring av kväve och kol mellan organismerna. Resultaten tyder på att kiselalgen kan kontrollera cyanobakteriens näringsomsättning.

Instrumentet kan ge bilder av celler som är endast 25-50 tusendels millimeter stora, berättar Rachel Foster engagerat.

– Många frågar mig vad cyanobakterien får ut av relationen. Tack vare den här tekniken kan jag nu säga att de, utöver fri bostad, troligen får kol av kiselalgen. Energi för att kunna genomföra kvävefixeringen. Det påminner mycket om hur det ser ut i symbiotiska relationer på land.

Betydelse för klimatet

Ungefär 75 procent av jordklotet är täckt av hav. Ökad förståelse för hur kiselalgen och cyanobakterien interagerar bidrar till kunskapen om kvävets och kolets kretslopp, och om vårt klimat.

– När kiselalgerna dör faller de till botten och fungerar som en kolsänka. Vi hoppas kunna göra experiment om hur de här organismerna svarar på några av de förväntade tillstånden i framtidens hav.

Cellerna som Rachel Foster studerar hämtas från hav i varma tropiska klimat. Hon konstaterar att det är en utmaning att proverna finns så långt bort. Men stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och tillgången till en rad avancerade instrument i Stockholm och Uppsala gör Sverige till en perfekt plats för den här typen av havsforskning.

– De verktyg som jag kan använda idag som mikrobiell oceanograf är helt otroliga, och de blir bättre och mer spännande hela tiden. Det är verkligen en helt fantastisk tidsperiod att vara forskare. 

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström