Det vakte oppsikt verden over da forskere i 2010 fant bakterier på Aarhus Havn som kunne lede strøm. Siden den gang har vi fått mer kunnskap om bakteriene – og det gjør på ingen måte oppdagelsen mindre fascinerende.(Foto: Lars Kruse / AU)
Oppdagelsen av kabelbakterier i Danmark blir mer og mer utrolig
Ny dansk forskning bringer oss nærmere forståelsen av levende elektriske kabler.
LiseBrixJOURNALIST, VIDENSKAB.DK
Publisert
For vel et tiår siden ble en banebrytende oppdagelse gjort i Aarhus Havn i Danmark: Den mudrete havbunnen gjemte på bitte små, levende elektriske kabler.
Historien gikk verden rundt, og de små elektriske vesnene ble døpt kabelbakterier.
Nå bringer en ny studie oss nærmere en forståelse av kabelbakterienes unike levemåte.
Studien, som er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Science Advances, beskriver hvordan kabelbakteriene puster nede i mudderet.
– Studien vår viser at de har et enestående effektivt forbruk av oksygen. De forbruker oksygenet med en intensitet som vi stort sett ikke kjenner innen noe annet felt i biologien, sier Lars Peter Nielsen, som er professor ved Aarhus Universitet.
Kabelbakterier
Kabelbakterier består av en tynn tråd av celler som står loddrett på bunnen av innsjøer og i havet.
Cellene er forbundet med «ledninger» som kan lede strøm.
Den lengste kabelbakterien Aarhus-forskerne har sett, var fem centimeter og kunne ses med det blotte øye – selv om den var mye tynnere enn et hårstrå.
Forskere har hittil identifisert to slekter av kabelbakterier, Electrothrix og Electronema. I slektenefinnes det henholdsvis fire salt- og brakkvannsarter og to ferskvannsarter. Alle kabelbakterier er i familien Desulfobulbaceae.
Kilde: CEM.au.dk
Strøm i havbunnen
Opprinnelig ble kabelbakteriene oppdaget fordi forskerne kunne måle noen uforklarlige elektriske strømmer på havbunnen i Aarhus Havn.
I første omgang ante de ikke hva som skapte de elektriske strømmene, men i 2010 ble det klart for forskerne at det var hittil ukjente bakterier.
– Kabelbakterier er helt spesielle fordi de kan lede strøm over relativt store avstander, akkurat som elektriske ledninger. Samtidig er bakteriene nokså store i seg selv; en enkelt bakterie kan være flere centimeter lang, sier Lars Peter Nielsen.
– Man kan forestille seg en kabelbakterie som en lang tråd som består av tusenvis av celler. Langs cellene går det en bunt av ledninger som gir bakterien en enestående fordel i kampen om oksygen på havbunnen.
Ledningene gjør det mulig for kabelbakteriene å spise ett sted og puste et annet sted.
Bildet viser et utsnitt av en kabelbakterie sett med elektronmikroskop. Utsnittet viser fire celler, og man ser tydelig de langsgående ribbene der kabelbakterienes «ledninger» ligger.(Foto: Yuri Gorby / Anne Hynes / Rensselaer Polytechnic Institute)
Finnes overalt
Etter at forskerne hadde funnet de første kabelbakteriene i Aarhus Havn, så man også etter dem andre steder. Og det viste seg faktisk at de er nokså vanlige over det meste av kloden:
– De har blitt funnet i ferskvann – både i sjøer og elver. I havet er de funnet fra Arktis til tropene, og på dypt og grunt hav. Man har også funnet dem i bakken i tilknytning til forurenset grunnvann, forteller Nielsen, som sto i spissen for forskergruppen som fant de første kabelbakteriene.
– Det store spørsmålet er egentlig hvorfor de ble oppdaget så sent? Hvordan kunne man overse dem når vi nå vet hvor utbredt de er? Det handler nok om at man ikke kan få øye på noe som man ikke forestiller seg finnes.
Samme melding kommer fra førsteamanuensis Niels-Ulrik Frigaard, som påpeker at kabelbakteriene er en «helt utrolig fascinerende oppdagelse.»
– Det er ganske utrolig å tenke på at de har eksistert i millioner av år og er veldig utbredt, men først nylig har blitt oppdaget, sier Frigaard, som forsker på bakterier ved marinbiologisk seksjon ved Københavns Universitet.
Forskning på levende kabler
Annonse
Siden oppdagelsen har forskerne imidlertid hatt det travelt med å studere de nyoppdagede vesenene.
Forskergrupper i Belgia, USA, Kina og Tyskland har ifølge Lars Peter Nielsen kastet seg over kabelbakteriene.
I Danmark har et helt grunnforskningssenter – Center for Elektromikrobiologi ved Aarhus Universitet – dedikert til feltet.
Stefano Scilipoti er doktorgradsstudent ved senteret, og han har undersøkt bakteriene i laboratoriet.
Dette gjorde forskerne
En eller flere kabelbakterier?
Normalt sier man at en bakterie består av en enkelt celle.
Kabelbakterier består derimot av tusenvis av celler som sitter sammen i en tynn tråd.
Spørsmålet er om man skal betrakte tråden av celler som tusenvis av selvstendige bakterier som bare sitter sammen? Eller er det i stedet snakk om en enkelt organisme som består av tusenvis av celler – akkurat som for eksempel kroppen din består av milliarder av celler?
Spørsmålet blir besvart litt forskjellig i forskningen på kabelbakterier.
Professor Lars Peter Nielsen mener at de enkelte cellene i tråden ikke er selvstendige bakterier. Derimot betrakter han det som ett individ – en enkelt kabelbakterie.
Kilde: Lars Peter Nielsen
Under forsøket plasserte Stefano Scilipoti noen kabelbakterier i et lite, flatt, gjennomsiktig kammer.
Bakteriene hadde adgang til oksygenfritt mudder med mat i midten av kammeret, mens det strømmet oksygen inn fra kantene.
Når Scilipoti og kollegene hans så i mikroskopet, kunne de se hvordan kabelbakterien flyttet grenselaget mellom oksygenet og det oksygenfrie miljøet.
Nettopp denne observasjonen gjorde forskerne i stand til å beregne hvor mye oksygen hver bakterie tok opp.
– Metoden er egentlig ganske banal, men jeg har ikke sett andre studier av oksygenopptaket til en enkelt bakterie, forteller Lars Peter Nielsen, som er leder av Center for Elektromikrobiologi.
Førsteamanuensis Niels-Ulrik Frigaard mener også at Aarhus-forskernes eksperimenter er interessante.
Ph.d.-student Stefano Scilipoti har stått bak laboratorieforsøkene i den nye studien. Her er han i ferd med å klargjøre sedimentprøver som inneholder levende bakterier.(Foto: Maria Blach Nielsen / AU)
Noen celler puster for resten
Annonse
Studien viser også at noen få celler i en kabelbakterie – omkring 10 prosent – stikker «snuten» opp til havbunnen og sørger for å skaffe oksygen.
Dermed gjør noen enkelte celler en jobb for de andre, som befinner seg dypere nede i den oksygenfrie havbunnen.
– Det er nokså unikt med den formen for arbeidsdeling mellom celler i bakterier, sier Frigaard.
Mens cellene i toppen av kabelbakterien står for å forbruke oksygen, gjør resten av cellene nede i det oksygenfrie sølen tilsynelatende en annen innsats: De skaffer mat.
– De cellene som tar opp oksygen, kan konsentrere seg om det, fordi resten av cellene i kabelbakterien sørger for å ta opp og omsette maten og produsere nye celler.
– Det er en helt spesiell livsstil og arbeidsdeling. Det er bare mulig fordi elektrisk strøm passerer mellom cellene, forklarer Lars Peter Nielsen, som understreker at den nye studien bygger på innsats fra flere forskere ved Aarhus Universitet.
En verdensrekord?
De få cellene i en kabelbakterie som tar opp oksygen, er ifølge den nye studien veldig effektive.
Ut fra sin beskjedne størrelse tar de opp «ekstremt mye oksygen», forteller Nielsen. Faktisk vet han ikke om noe annet levende vesen som bruker oksygen like effektivt som kabelbakteriene.
Likevel er han forsiktig med å utnevne dem til verdensmestre, for det er flere usikkerheter når man sammenligner oksygenforbruket på tvers av organismer.
– Jeg tror kabelbakteriene har en verdensrekord. Men det er flere usikkerheter i sammenligningen, sier Lars Peter Nielsen.
Er det ike flott? Det er et mikroskopibilde av et sediment med aktive kabelbakterier. En del av sedimentet er skiftet ut med litt myk næringsgele, slik at det er mulig å se gjennom prøven og se «trådene» fra kabelbakterier.(Foto: Steffen Larsen / Lars Riis Damgaard)
En kamp om oksygen
Annonse
Arbeidsdeling
Den nye studien indikerer at omkring 10 prosent av en kabelbakteries celler står for å forbruke oksygen. Det skjer i det øverste laget av sedimentet (havbunnen/sjøbunnen), der det finnes en tynn film med oksygen
Resten av kabelbakteriens celler lever dypere nede i det oksygenfrie sedimentet, der de sørger for å ta opp og omsette maten og produsere nye celler.
Når cellene nede i bunnen omsetter mat, danner de elektroner (partikler med elektrisk ladning).
Disse elektronene blir sendt gjennom kabelbakteriens ledninger opp til de øverste cellene, som forbruker oksygen.
Elektronene blir til slutt deponert på oksygen og restproduktet blir til vann. (Når oksygen tar opp et elektron, følger et proton med og gjør om oksygen til vann.)
Kilde: Lars Peter Nielsen/AU
Et effektivt forbruk av oksygen er veldig nyttig på bunnen av sjøer, elver og havet.
Her er det nemlig kamp om oksygenet, som er en knapp ressurs. Den forsvinner helt så snart man beveger seg litt ned i sedimentene.
– De organismene som lever der nede, har et spesielt dilemma. På den ene siden er det massevis av mat rundt dem nede i havbunnen, men på den andre siden er det ikke noe oksygen. Det har mange organismer utviklet ulike løsninger på, men kabelbakterienes løsning er likevel nokså enestående, utdyper Nielsen.
Han legger til at kabelbakteriene antagelig har utviklet seg fra opprinnelig å ha levd i områder helt uten oksygen. Bakterier som lever helt uten oksygen, kalles man anaerobe. For dem er oksygen faktisk giftig.
– Men med tiden har kabelbakteriene fått utviklet sine elektriske ledninger, noe som gir dem en enorm fordel. I stedet for at alle celler skal utsettes for det giftige oksygenet, kan de nøye seg med å sende noen celler opp i oksygenlaget og forbinde dem med resten av cellene via de elektriske ledningene.
– Da de utnytter fordelene ved å kunne puste med oksygen, uten at det går ut over særlig mange celler, sier ph.d.-student Stefano Scilipoti.
Niels-Ulrik Frigaard mener noen celler «ofrer seg» ved å håndtere det giftige oksygenet.»
Hvorfor studere kabelbakterier?
Kabelbakterienes transport av strøm i havbunnen har ifølge Lars Peter Nielsen også betydning for andre bakterier og dyr som lever i området.
– Når de transporterer strøm, endrer de den kjemiske sammensetningen i havbunnen. Det påvirker også livsbetingelsene for alle de andre organismene som lever der nede, forklarer Nielsen.
Inntil videre er det ingen som har klart å utnytte kabelbakterienes unike evner til nye oppfinnelser, men flere forskere ser potensial i de strømførende bakteriene.
– Forskningen kan hjelpe oss med å forstå hvordan stoffer omsettes i naturen. Men kanskje kan vi også en dag utnytte kabelbakterienes evner til noe nyttig? Det krever at vi har nysgjerrigheten i behold og fortsetter å undersøke dem, mener Niels-Ulrik Frigaard.
