Mikrober, der lever af luften: Skjulte metanædere fra huler til landskaber er med til at forme Jordens atmosfære

Metanædende mikrober fjerner betydelige mængder af en af atmosfærens mest potente drivhusgasser. Et nyt studie af huler viser, at nogle af disse mikrober kan overleve ved at ernære sig direkte af sporgasser i luften – og parallel forskning fra Danmark peger på, at lignende skjulte økosystemer måske i det stille filtrerer metan på tværs af hele landskaber.

Dybt inde i huler, hvor sollys aldrig når frem, har mikrobielt liv fundet en uventet strategi: at leve af selve luften. I stedet for primært at være afhængige af organisk materiale, der transporteres ind udefra, ser det ud til, at nogle mikrober kan hente energi direkte fra de sporgasser, der cirkulerer i hulens atmosfære.

Ved første øjekast kan idéen virke eksotisk. Men den peger på en større historie: De samme metanædende mikrober, der holder mørke huleøkosystemer i gang, kan også være med til at fjerne metan på tværs af hele landskaber – fra jord og vådområder til sedimenter – herunder tusindvis af kortlagte lokaliteter i Danmark.

"Det overraskende er ikke, at der findes mikrober i huler – men at så mange af dem ser ud til at kunne leve af sporgasser i atmosfæren," siger Sean K. Bay, mikrobiel økolog ved La Trobe University i Australien.

Først i de senere år er det blevet overbevisende dokumenteret, at mikrober kan hente energi fra atmosfæriske sporstoffer.

"Tanken om, at mikrober kan leve direkte af sporstoffer i atmosfæren, er ikke ny," siger Kalinka Sand Knudsen, mikrobiolog ved Aalborg Universitet med speciale i metanoxiderende mikrober.

I det nye hule­studie, publiceret i Nature Communications, kombinerede forskerne DNA-analyser med direkte målinger af gasser inde i flere australske huler. Resultaterne tyder på, at mikrober, som kan forbruge metan, brint og kulilte, ikke blot er til stede – de er aktive.

"Når metankoncentrationerne falder, jo dybere man bevæger sig ind i hulen, tyder det stærkt på, at mikroberne aktivt forbruger det," siger Caitlin Margaret Singleton, mikrobiel økolog ved Aalborg Universitet.

Resultaterne peger på, at sporstoffer i atmosfæren kan understøtte kontinuerlig mikrobiel aktivitet – selv i miljøer, hvor fotosyntese er umulig. Mere forsigtigt antyder de også en bredere planetarisk proces, hvor mikrobielle samfund, der lever af metan, kan være med til at forme kemien i Jordens atmosfære – fra hulernes indre til åbne landskaber.

Gåden om livet i mørket

Huler er både isolerede og forbundne. De er mørke og ofte næringsfattige, men samtidig strømmer luft gennem dem og holder dem i udveksling med atmosfæren. Traditionelt har man forklaret mikrobielt liv i huler med tilførsel udefra – blade, rødder, overfladevand eller flagermusgødning. En anden forklaring har været, at mikrober henter energi fra kemiske reaktioner med mineraler som ammonium, svovl eller jern.

Men begge forklaringer har deres begrænsninger: Mange huler indeholder meget lidt organisk materiale, og uorganiske energikilder findes ofte kun i spormængder – alligevel kan mikrobielle samfund være overraskende rige.

”I årtier har vi vidst, at huler rummer et rigt liv, men energibalancen har været uklar,” siger Sean K. Bay. ”Hvis der hverken er lys eller en stabil tilførsel af organisk kulstof, må der være en anden, mere kontinuerlig energikilde.”

I løbet af det seneste årti har studier af jord og polare ørkener peget på en anden mulighed: mikrober, der høster energi direkte fra atmosfærens sporgasser. Selv ved ekstremt lave koncentrationer – dele pr. million eller endda pr. milliard – kan gasser som brint og kulilte levere en stabil, vedvarende energistrøm.

"Det, der ændrede feltet, var erkendelsen af, at atmosfæren selv kan fungere som energikilde," forklarer Bay. "Når man først accepterer, at mikrober kan leve af sporgasser i luften, bliver huler et oplagt system til at teste den idé."

Hvis mikrober i huler faktisk kan overleve på denne måde, rækker perspektivet langt ud over underjordiske økosystemer. Lignende stofskifter kan være med til at opretholde mikrobielle samfund i energifattige miljøer som højlandsjord – herunder skove, græsarealer og heder – hvor atmosfæriske sporgasser kan fungere som en vigtig energikilde, og hvor mikrobiel aktivitet påvirker metanniveauet i atmosfæren.

Økosystemer drevet af luft

Metanoxidation i huler er tidligere blevet beskrevet, og nogle hulesystemer ser ud til at fungere som dræn for atmosfærisk metan. Men det har været uklart, om det blot gør det muligt for mikrober at overleve – eller om det faktisk kan opretholde voksende økosystemer.

"Det centrale spørgsmål var, om det her kun er nok til at holde sig i live – eller om det også er nok til at vokse," siger Bay. "Hvis mikrober både kan hente energi og binde CO₂ fra luften, så står vi over for et fundamentalt anderledes økologisk grundlag."

Et sådant system udfordrer en grundlæggende antagelse i økologien: at nyt levende stof primært dannes ved hjælp af sollys.

I stedet ser huleøkosystemer ud til at fungere efter et andet princip. Når luft cirkulerer gennem hulernes gange, leverer sporgasser som metan, brint og kulilte en lille, men konstant energitilførsel. Mikrobielle samfund kan udnytte denne strøm og opbygge økosystemer, der ikke drives af lys, men af atmosfærisk kemi.

Samlet peger observationerne på en tydelig økologisk overgang fra huleindgangen og ind i dybet – fra lysprægede mikrobielle samfund nær overfladen til kemisk drevne økosystemer længere inde.

»Det er ikke tilfældige pletter,« siger Bay. »Det er et struktureret energilandskab.«

For at afgøre, om mikroberne faktisk udnytter atmosfæriske gasser på denne måde, måtte forskerne kombinere flere typer beviser – fra genetiske analyser til direkte målinger af, hvordan gasser bevæger sig og ændrer sig inde i hulerne.

Lever mikrober virkelig af luften?

For at afgøre, om hulemikrober faktisk lever af luften, kombinerede forskerne flere typer beviser: DNA-analyser, direkte målinger af gasser og laboratorieforsøg, der kunne teste, om mikroberne reelt forbrugte disse gasser.

De indsamlede prøver fra fire ventilerede huler i det sydøstlige Australien – to kalkstenshuler og to lavatunneler – og tog sedimenter og mikrobielle biofilm langs transekter fra indgangen og ind i det mørke indre.

"Vi ønskede ikke at nøjes med DNA," siger Sean K. Bay. "Vi havde brug for at vide, hvad mikroberne er i stand til – og hvad de faktisk gør."

Ved at samle og analysere DNA fra prøverne rekonstruerede forskerne mere end 1.400 mikrobielle genomer. Disse afslørede enzymer, der kan omsætte metan, brint og kulilte – de centrale reaktioner, som gør det muligt for mikrober at udvinde energi fra luftens sporgasser.

Forskerne sammenlignede derefter generne med kendte referencegener for at sikre, at de faktisk tilhørte mikrober, der kan udnytte metan, og ikke blot lignede gener for metanoxidation.

"Man skal være meget forsigtig, når man analyserer sådanne genomer," siger Kalinka Sand Knudsen. "Generne skal sættes ind i deres evolutionære sammenhæng for at vurdere, om de virkelig kan udføre funktionen."

På sporet af det forsvindende metan

Men genetisk potentiale er ikke det samme som aktivitet.

Derfor målte forskerne, hvordan koncentrationerne af metan, brint og kulilte ændrede sig langs hulernes gange.

”Det, at de direkte målte ændringer i metanniveauer gennem hulesystemet, er meget overbevisende,” siger Caitlin Margaret Singleton. ”Når metankoncentrationen falder, jo dybere man kommer ind, tyder det stærkt på aktivt forbrug fra mikroberne.”

Sedimentprøver blev også undersøgt i laboratoriet for at teste, om mikroberne faktisk omsatte metan.

"Genomdata viser, hvad mikroberne kan," siger Bay. "Men når man ser metan forsvinde i realtid i prøverne, ved man, at processen faktisk foregår."

Ved at kombinere DNA-analyser, feltmålinger og laboratorieforsøg kunne forskerne dermed koble mikrobernes potentiale til deres faktiske aktivitet – frem for kun at basere sig på genetiske indikationer.

Et skjult energisystem i huler

Resultaterne viste en tydelig ændring i den mikrobielle aktivitet med dybden i hulerne.

Nær indgangen, hvor der stadig er lidt lys og tilførsel af organisk materiale, fandt forskerne genetiske spor af fotosyntese. Men længere inde forsvandt disse næsten helt. I stedet blev gener for oxidation af metan, brint og kulilte stadig mere udbredte.

Mere end halvdelen af de rekonstruerede genomer indeholdt enzymer, der kan udnytte en eller flere atmosfæriske sporgasser. To grupper var særligt fremtrædende: metanotrofer, der lever af metan, og bakterier specialiseret i at udnytte brint – begge godt tilpasset miljøer med ekstremt begrænset energi.

Direkte målinger i hulerne understøttede dette billede: metankoncentrationerne var konsekvent lavere i de indre dele end ved indgangen, hvilket peger på aktivt mikrobielt forbrug.

Laboratorieforsøg viste det samme mønster. Når sedimentprøver blev placeret i lukkede beholdere, faldt metankoncentrationen i luften over dem gradvist – et tydeligt tegn på, at mikroberne ikke bare kan leve af luften, men faktisk gør det.

Et økosystem drevet af sporgasser

Samlet peger observationerne på, at huleøkosystemer er organiseret efter forudsigelige energigradienter. Tæt på overfladen er mikrobielle samfund delvist afhængige af sollys og organisk materiale. Dybere under jorden ser den dominerende energikilde derimod ud til at være den langsomme, men vedvarende tilførsel af sporgasser, der cirkulerer i huleluften – selv om denne tolkning fortsat bygger på en kombination af både indirekte og direkte beviser.

Mange af de mikrober, der driver disse processer, tilhører desuden hidtil ukendte eller kun sparsomt beskrevne slægter.

"Vi fandt organismer med det genetiske maskineri til at oxidere metan, som ikke rigtig passer ind i tidligere beskrevne grupper," siger Sean K. Bay.

Deres udbredelse overraskede også forskerne.

"De forekom i relativt store mængder," siger Bay. "Det tyder på, at de ikke blot overlever i disse miljøer, men faktisk udgør en central del af økosystemet."

Samlet peger resultaterne på, at atmosfæriske sporgasser kan opretholde mikrobielt stofskifte i huler – selv uden sollys eller større tilførsel af organisk materiale. En strategi, der muligvis også er udbredt langt ud over de underjordiske miljøer.

Fra huleluft til den globale metancyklus

Hvis huleøkosystemer kan drives af sporgasser i luften, rækker konsekvenserne langt ud over den underjordiske mikrobiologi.

Metan er en af de mest potente drivhusgasser i Jordens atmosfære, og metanforbrugende mikrober udgør den eneste biologiske mekanisme, der kan fjerne det direkte fra luften.

"Mikroorganismer er det eneste biologiske dræn for metan i atmosfæren," siger Caitlin Margaret Singleton. "De er de eneste organismer, der kan optage det direkte fra atmosfæren."

Det meste metan nedbrydes til sidst ved kemiske reaktioner højt oppe i atmosfæren. Men mikrober i jord, vådområder og sedimenter fjerner også betydelige mængder hvert år og fungerer som et af planetens vigtigste naturlige metanfiltre.

»Disse mikrobielle systemer fjerner årligt omkring 30 til 40 teragram metan fra atmosfæren,« siger Singleton. »Det svarer omtrent til massen af omkring 250.000 velernærede hunblåhvaler.«

Fra huler til landskaber

Hulerne repræsenterer et ekstremt eksempel på denne metabolisme, men den samme strategi – hvor mikrober udvinder energi fra metan og andre sporgasser – findes i mange naturlige miljøer.

Processerne, der er observeret i mørke hulesystemer, kan derfor afspejle et langt bredere planetarisk fænomen, hvor mikrobielle samfund er med til at regulere metan i atmosfæren.

At forstå, hvor disse mikrober lever – og hvordan økosystemer understøtter dem – har derfor implikationer, der rækker langt ud over huler og ind i den globale metancyklus.

For at undersøge dette vendte forskerne blikket fra undergrunden til landskabsniveau og analyserede miljø-DNA fra tusindvis af lokaliteter i Danmark for at kortlægge, hvor metanforbrugende mikrober findes, og hvordan de bidrager til planetens naturlige metanfilter.

På jagt efter metanædere i landskabet

Selv om huleundersøgelsen viser, hvordan mikrober kan overleve på sporgasser i ekstreme miljøer, foregår lignende stofskifter også i almindelige jordøkosystemer – såsom skove, græsarealer og heder – hvor atmosfæren er den primære kilde til sporgasser som metan, brint og kulilte.

Metanforbrugende mikrober er udbredt i jord, vådområder og sedimenter, hvor de udgør en central del af Jordens naturlige metanfilter. Disse organismer, kaldet metanotrofer, bruger metan både som energikilde og som byggesten til vækst.

Metan er en særligt kraftig drivhusgas. Molekyle for molekyle holder det på langt mere varme i atmosfæren end CO₂, og stigende koncentrationer bidrager væsentligt til den globale opvarmning.

"Næsten en tredjedel af den globale opvarmning, vi oplever, hænger sammen med stigende metankoncentrationer i atmosfæren," siger Kalinka Sand Knudsen.

Hvorfor metanædende mikrober stadig er svære at finde

På trods af deres betydning ved forskerne stadig overraskende lidt om, hvilke metanforbrugende mikrober der dominerer i naturlige økosystemer.

De fleste metanotrofer, der er blevet undersøgt i detaljer, er dyrket i laboratorier – men de er ikke nødvendigvis dem, der dominerer i naturen.

”De organismer, vi kan dyrke i laboratoriet, er ofte ikke dem, der dominerer i naturlige miljøer,” siger Knudsen. ”Hvis vi vil forstå metanomsætningen i naturen, har vi brug for bedre metoder til at identificere de mikrober, der faktisk lever der.”

For at udfylde dette hul tog forskerne fat i et stort datasæt med miljø-DNA fra hele Danmark med det formål at kortlægge mangfoldigheden og fordelingen af metanforbrugende mikrober på tværs af landskabet.

Kortet over Danmarks skjulte metanædere

For at kortlægge metanforbrugende mikrober i hele Danmark analyserede forskerne miljø-DNA fra mere end 10.000 lokaliteter indsamlet som led i Microflora Danica-projektet.

”Vi havde samarbejdspartnere over hele Danmark, som indsamlede prøver,” siger Caitlin Margaret Singleton. ”I alt endte vi med mere end 10.000 miljøprøver.”

Datasættet omfatter jord, sedimenter og vådområder fra en bred vifte af både naturlige og menneskeskabte levesteder.

I stedet for at isolere mikrober én ad gangen i laboratoriet analyserede forskerne alt DNA i hver prøve, hvilket gjorde det muligt at undersøge hele mikrobielle samfund direkte i deres naturlige miljø.

”Det stærke ved metagenomik er, at det indfanger DNA fra alt i det pågældende miljø,” siger Singleton. ”Når man først har det datasæt, kan man gå tilbage og lede efter næsten enhver organisme eller metabolisk proces, man er interesseret i.”

Ved at screene dette nationale datasæt for gener involveret i metanmetabolisme kunne forskerne begynde at kortlægge, hvor metanforbrugende mikrober findes i det danske landskab.

Sådan fandt forskerne mikroberne, der spiser metan

For at identificere metanforbrugende mikrober i datasættet søgte forskerne efter genetiske markører forbundet med metanmetabolisme.

Den vigtigste markør er et gen, der koder for enzymet metanmonooxygenase – det enzym, der sætter gang i metanoxidation.

”Først leder vi efter genet, der koder for metanmonooxygenase,” siger Kalinka Sand Knudsen. ”Det er en stærk indikator for, at der kan være metanoxiderende mikrober til stede.”

Da miljøsekventering ofte kun giver korte fragmenter af mikrobielle genomer, rekonstruerede forskerne derefter længere genomsekvenser fra de mest lovende prøver.

”Man starter med korte fragmenter, der peger på mulig metanoxidation,” forklarer Knudsen. ”Derefter går man et skridt videre og rekonstruerer hele genomet.”

Denne tilgang gjorde det muligt ikke kun at identificere selve metanoxidationsgenerne, men også det øvrige metaboliske maskineri, der er nødvendigt for at omsætte kulstof fra metan og udvinde energi.

”Hvis en mikrobe oxiderer metan, har den brug for hele det efterfølgende stofskifte til at bearbejde kulstoffet og udvinde energi,” siger Knudsen. ”Derfor undersøger vi også, om genomet indeholder de nedstrøms gener.”

Ved at kombinere gensøgning, genomrekonstruktion og evolutionær analyse kunne forskerne identificere metanforbrugende mikrober i en lang række danske levesteder.

Et skjult metanfilter i landskabet

Den landsdækkende analyse viste, at metanforbrugende mikrober både er udbredte og langt mere mangfoldige end tidligere antaget.

Blandt de tusindvis af miljø-DNA-prøver identificerede forskerne mere end 100 hidtil ubeskrevne metanotrofe arter. Mange af disse ser ud til at spille en væsentlig rolle i metanomsætningen i naturlige økosystemer.

Samtidig bekræftede resultaterne et vigtigt mønster: De metanotrofer, der oftest studeres i laboratorier, er ikke nødvendigvis dem, der dominerer i naturen.

”De organismer, vi kan dyrke i laboratoriet, er ofte ikke dem, der dominerer i naturlige miljøer,” siger Kalinka Sand Knudsen. ”Det var en af de vigtigste drivkræfter bag arbejdet – at finde ud af, hvilke mikrober der faktisk lever og trives i naturen.”

Analysen afslørede også markante forskelle mellem forskellige typer levesteder.

Hvor metanæderne trives

Vådområder, tørvemoser og ferskvandssedimenter husede rige mikrobielle samfund tilpasset miljøer, hvor metan dannes naturligt i iltfattig jord og mudder. I disse økosystemer fungerer metanforbrugende mikrober som et biologisk filter, der nedbryder en del af metanen, før den når atmosfæren.

”I vådområder og sedimenter fungerer de som et filter,” siger Knudsen. ”De forbruger metan, der produceres dybere nede, før det slipper ud i atmosfæren.”

I modsætning hertil var jorde i højere beliggende områder – som skove og græsarealer – domineret af mikrober, der kan oxidere metan ved ekstremt lave koncentrationer i luften.

Disse organismer ser ud til at udgøre en vigtig del af planetens naturlige metanomsætning.

Mikrober, der stille former atmosfæren

Selv om hver enkelt mikrobe kun forbruger meget små mængder metan, har den samlede aktivitet på tværs af landskaber en målbar effekt på atmosfærens kemi.

"Mikroorganismer er det eneste biologiske dræn for metan i atmosfæren," siger Caitlin Margaret Singleton. "De er de eneste organismer, der kan optage metan direkte fra atmosfæren."

Det meste metan nedbrydes til sidst ved kemiske reaktioner højt i atmosfæren, men mikrober i jord og sedimenter fjerner også 30 til 40 teragram metan om året.

Det er et tal, der er svært at forestille sig, men som spiller en væsentlig rolle i reguleringen af metanniveauet i atmosfæren.

Samlet peger både huleundersøgelsen og den landsdækkende danske analyse på, at mikrobielle processer – fra underjordiske huler til jord og vådområder – er med til at forme kemien i Jordens atmosfære.

Når landskaber styrker – eller svækker – metanfilteret

Kortlægningen af metanforbrugende mikrober i hele Danmark er mere end en opgørelse af biodiversitet. Den udgør et første skridt mod at forstå, hvordan økosystemer påvirker metan i atmosfæren – og hvordan menneskelig aktivitet kan styrke eller svække dette naturlige filter.

Metankoncentrationerne i atmosfæren er steget markant i de seneste årtier og bidrager væsentligt til den globale opvarmning.

”Næsten en tredjedel af den globale opvarmning, vi oplever, hænger sammen med øgede metankoncentrationer i atmosfæren,” siger Kalinka Sand Knudsen. ”Derfor er det afgørende at forstå de mikrober, der forbruger metan.”

Det genomiske kort tyder også på, at metanforbrugende mikrober er følsomme over for, hvordan landskabet forvaltes.

Især kan forstyrrelser af jordstrukturen påvirke de mikrobielle samfund, der står for metanoxidation.

”Når man pløjer jorden, er det næsten som et jordskælv for det mikrobielle samfund,” siger Caitlin Margaret Singleton. ”Man bryder de biofilm og strukturer op, som mikroberne er afhængige af, og deres aktivitet kan falde drastisk.”

Jordens usynlige metanfilter

Det nye genomkort gør det også muligt at identificere landskaber, hvor metanforbrugende mikrober allerede er aktive – og hvor naturgenopretning kan styrke disse naturlige metanfiltre.

"Det, vi viser i denne undersøgelse, er, at vi kan identificere, hvilke arter der lever i hvilke levesteder," siger Knudsen. "Det giver os mulighed for at lave langt mere præcise skøn over, hvordan et naturligt metanforbrugende økosystem bør se ud."

Den viden kan bruges til at målrette genopretning af økosystemer i områder, hvor metanforbrugende mikrober allerede findes og kan sprede sig naturligt.

"Hvis man genopretter land i nærheden af et økosystem, der allerede fungerer som et metandræn, kan disse mikrober lettere sprede sig," siger Singleton.

Det forskerne endnu ikke ved

Forskerne understreger dog, at arbejdet indtil videre primært udgør en baseline – et detaljeret øjebliksbillede af de mikrobielle samfund, der påvirker metankredsløbet.

Næste skridt er at undersøge, hvordan tilsvarende mikrobielle systemer fungerer i andre dele af verden.

”Det ville være fascinerende at sammenligne det, vi ser i Danmark, med andre lande,” siger Knudsen. ”Er det de samme arter, der dominerer i Sverige eller Tyskland – eller endda i så fjerne områder som Australien?”

Hvis lignende mikrobielle samfund findes på tværs af mange miljøer, tyder det på, at de samme atmosfæriske sporgasser, der driver huleøkosystemer, også kan være med til at opretholde mikrobielle metanfiltre globalt.