Syre är själva sinnebilden för liv. I våra celler används det för att utvinna energi ur maten vi äter. Men stora delar av jorden fungerar på ett annat sätt. I djupa hav, sjösediment och även i djurs tarmar finns miljöer där syret är mycket lågt eller helt borta, men där livet ändå frodas.

I sådana miljöer lever bakterier och arkéer, men också eukaryota mikrober, alltså encelliga organismer med mer komplexa celler än hos bakterier. Till eukaryoterna hör också djur, växter och svampar, men den största delen av denna mångfald är mikroskopisk och fortfarande nästan okänd.

Det är just dessa förbisedda organismer som Courtney Stairs vill förstå bättre. Hon beskriver deras värld som mikrobiologins mörka materia.

– Det är en väldigt omfattande värld, och hittills är det bara en liten del som är kartlagd.

För Stairs väcktes intresset när hon som student upptäckte att vissa organismer kan leva utan syre.

– Det kändes som om det stred mot allt man hade lärt sig i läroböckerna.

Från början hade hon tänkt bli läkare, men fascinationen inför mikrobernas märkliga ämnesomsättning och de större evolutionära frågorna tog över.

Döda zoner sjuder av liv

Under de senaste decennierna har syrefattiga miljöer blivit vanligare i hav, kustzoner och vissa sötvattenssystem. En viktig orsak är övergödning.

De syrefria miljöer som bildas kallas ofta döda zoner. Men benämningen är missvisande. För djur och många andra organismer kan förändringen vara katastrofal, men för mikrober som kan leva utan syre, så kallade anaerober, uppstår i stället nya möjligheter, påpekar Courtney Stairs.

– En död zon är en ny nisch för anaerober som kan kolonisera den.

Syrebrist innebär alltså inte att livet upphör, utan att det byter skepnad, och den biologiska aktivitet som sätts igång kan få verkningar långt utanför mikrobernas egen värld.

I de syrefattiga miljöerna produceras gaser som metan och kväveoxid. Metan är en kraftig växthusgas och när mikroorganismer bildar metan kan en del så småningom nå atmosfären. Samma processer påverkar också hur näringsämnen omsätts i havet. Det betyder att mycket små organismer kan spela en viktig roll i mycket stora system.

– Det är mikroberna som gör jobbet, konstaterar Stairs.

Ett flexibelt samarbete

Forskare vet redan en hel del om bakterier och arkéer i syrefattiga miljöer, men de mer komplexa eukaryota mikroberna är fortfarande betydligt mer okända. 

En kärnfråga är hur de överhuvudtaget kan leva utan syre. När celler utvinner energi bildas ämnen som måste föras bort för att processen ska kunna fortsätta. Hos människor sker det med hjälp av syre. I syrefria miljöer krävs andra lösningar.

Ytterst handlar det om att förstå hur livet fungerar när syret tar slut, och vad det betyder för vår egen värld när sådana miljöer blir vanligare.

En sådan lösning är samarbete. En mikroorganism bryter ned näring och gör sig av med ämnen som en annan mikroorganism kan använda. Det kan till exempel handla om vätgas. Där den ena bara ser avfall, ser den andra en energikälla.

– Den enes sopor, i form av vätgas, blir den andres bränsle, säger Stairs.

Denna typ av samarbete kallas syntrofi, men relationen mellan mikroberna är inte alltid så enkel eller fast som man först skulle tro. De eukaryota mikroberna kan spela flera roller samtidigt. De kan samarbeta med bakterier, men också livnära sig på dem. Därför kan de påverka hela det mikrobiella samhället omkring sig och i förlängningen också kemin i den omgivande miljön.

Samtidigt tyder mycket på att relationerna är lösare än forskarna tidigare har föreställt sig. En ledtråd kom genom ett oväntat fynd i laboratoriet.

– Vi såg hur odlingskulturerna började mörkna. Det tydde på att andra mikrobiella processer än vad vi hade väntat oss, hade tagit över.

Det fick Stairs och hennes kollegor att börja tänka i en ny riktning. Kanske är den studerade mikroorganismen inte knuten till en viss bakterieart, utan till en viss funktion.

– Organismen bryr sig inte om vilken bakterie det är, utan om vad bakterien kan göra för den.

Från laboratoriet till havet

Det öppnar för ett vidare evolutionärt perspektiv. Kanske befinner sig dessa mikrober i ett slags mellanläge där samarbetet är flexibelt och inte låst till en enda partner. Genom att studera sådana relationer går det att få en bättre bild av hur lösa samarbeten mellan organismer med tiden kan utvecklas till tätare och mer ömsesidigt beroende symbioser.

För att förstå detta arbetar Courtney Stairs både med försök i laboratoriet och studier i naturliga miljöer. 

I laboratoriet bygger forskarna upp system där syrehalt, temperatur, salthalt och pH kan styras noggrant. På så sätt går det att följa vilka ämnen mikroberna bildar och hur samspelet förändras när villkoren skiftar. I fält kan samma frågor studeras i verkliga havsmiljöer.

Förhoppningen är att forskningen ska ge en djupare förståelse av hur syrefattiga miljöer fungerar och varför de breder ut sig. På sikt kan resultaten bidra till bättre bedömningar av hur haven och klimatet kommer att påverkas i framtiden.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström