I'd like to introduce you to a tiny microorganism that you've probably never heard of: its name is Prochlorococcus, and it's really an amazing little being.
Vorrei presentarvi un piccolo microrganismo che probabilmente non conoscete: si chiama Prochlorococcus, ed è un essere affascinante.
For one thing, its ancestors changed the earth in ways that made it possible for us to evolve, and hidden in its genetic code is a blueprint that may inspire ways to reduce our dependency on fossil fuel. But the most amazing thing is that there are three billion billion billion of these tiny cells on the planet, and we didn't know they existed until 35 years ago.
Innanzitutto, i suoi antenati hanno cambiato la Terra a tal punto da rendere possibile la nostra evoluzione, e nascosto nel loro codice genetico c'è qualcosa che potrebbe aiutarci a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili. Ma la cosa più impressionante è che ci sono tre miliardi di miliardi di miliardi di queste cellule sul nostro pianeta, e non sapevamo che esistessero fino a 35 anni fa.
So to tell you their story, I need to first take you way back, four billion years ago, when the earth might have looked something like this. There was no life on the planet, there was no oxygen in the atmosphere. So what happened to change that planet into the one we enjoy today, teeming with life, teeming with plants and animals?
Per raccontarvi la loro storia, devo tornare molto indietro, a quattro miliardi di anni fa, quando la Terra poteva essere così. Non c'era vita sul pianeta, non c'era ossigeno nell'atmosfera. Cos'ha trasformato quel pianeta in quello che conosciamo oggi, rendendolo pieno di vita, di piante e animali?
Well, in a word, photosynthesis. About two and a half billion years ago, some of these ancient ancestors of Prochlorococcus evolved so that they could use solar energy and absorb it and split water into its component parts of oxygen and hydrogen. And they used the chemical energy produced to draw CO2, carbon dioxide, out of the atmosphere and use it to build sugars and proteins and amino acids, all the things that life is made of. And as they evolved and grew more and more over millions and millions of years, that oxygen accumulated in the atmosphere. Until about 500 million years ago, there was enough in the atmosphere that larger organisms could evolve. There was an explosion of life-forms, and, ultimately, we appeared on the scene. While that was going on, some of those ancient photosynthesizers died and were compressed and buried, and became fossil fuel with sunlight buried in their carbon bonds. They're basically buried sunlight in the form of coal and oil. Today's photosynthesizers, their engines are descended from those ancient microbes, and they feed basically all of life on earth. Your heart is beating using the solar energy that some plant processed for you, and the stuff your body is made out of is made out of CO2 that some plant processed for you. Basically, we're all made out of sunlight and carbon dioxide. Fundamentally, we're just hot air.
In una parola, la fotosintesi. Circa due miliardi e mezzo di anni fa, si sono evoluti alcuni degli antenati del Prochlorococcus affinché potessero usare l'energia solare e assorbirla e separare l'acqua in ossigeno e idrogeno. E usavano l'energia chimica prodotta per estrarre dall'atmosfera CO2, anidride carbonica, e usarla per costruire zuccheri, proteine e aminoacidi, tutto ciò di cui è fatta la vita. E mentre si evolvevano e aumentavano per migliaia e migliaia di anni, l'ossigeno si accumulava nell'atmosfera. Fino a 500 milioni di anni fa, ce n'era abbastanza da consentire a organismi più grandi di evolversi. Ci fu un'esplosione delle forme di vita e, alla fine, siamo apparsi noi. Mentre ciò accadeva, alcuni di quegli antichi fotosintetizzatori sono morti, sono stati compressi e sepolti, e sono diventati carburante fossile con la luce solare sepolta nei loro legami di carbonio. Hanno sepolto la luce solare sotto forma di carbone e petrolio. I fotosintetizzatori di oggi, hanno loro motori discendono da quegli antichi microbi, e nutrono tutta la vita sulla Terra. Il nostro cuore batte usando la luce solare che alcune piante elaborano per noi, e alcune parti del nostro corpo sono fatte di CO2, che alcune piante elaborano per noi. In pratica, siamo fatti di luce solare e anidride carbonica. In pratica, siamo aria fritta.
(Laughter)
(Risate)
So as terrestrial beings, we're very familiar with the plants on land: the trees, the grasses, the pastures, the crops. But the oceans are filled with billions of tons of animals. Do you ever wonder what's feeding them? Well there's an invisible pasture of microscopic photosynthesizers called phytoplankton that fill the upper 200 meters of the ocean, and they feed the entire open ocean ecosystem. Some of the animals live among them and eat them, and others swim up to feed on them at night, while others sit in the deep and wait for them to die and settle down and then they chow down on them.
Quindi noi, creature terrestri, abbiamo familiarità con le piante sulla Terra: gli alberi, l'erba, i campi, le colture. Ma gli oceani sono pieni di miliardi di animali. Vi domandate mai cosa li nutra? Si tratta di un pascolo invisibile di microscopici fotosintetizzatori chiamati fitoplancton che riempiono i primi 200 metri di profondità oceanica e nutrono l'intero ecosistema oceanico. Alcuni animali vivono tra loro e si nutrono di loro, altri risalgono per nutrirsi di notte, mentre altri rimangono sul fondo e aspettano la loro morte per nutrirsi e poi li divorano.
So these tiny phytoplankton, collectively, weigh less than one percent of all the plants on land, but annually they photosynthesize as much as all of the plants on land, including the Amazon rainforest that we consider the lungs of the planet. Every year, they fix 50 billion tons of carbon in the form of carbon dioxide into their bodies that feeds the ocean ecosystem. How does this tiny amount of biomass produce as much as all the plants on land? Well, they don't have trunks and stems and flowers and fruits and all that to maintain. All they have to do is grow and divide and grow and divide. They're really lean little photosynthesis machines. They really crank.
Questi piccoli fitoplancton, nell'insieme, pesano meno dell'1% di tutte le piante sulla terra ma annualmente fotosintetizzano quanto le piante sulla terra, inclusa la foresta Amazzonica che consideriamo il polmone del pianeta. Ogni anno, assorbono 50 milioni di tonnellate di carbone sotto forma di anidride carbonica nei loro corpi e alimentano l'ecosistema dell'oceano. Come possono queste piccole biomasse produrre quanto le piante sulla terra? Loro non hanno tronchi o steli e fiori e frutti e tutto questo da mantenere. Quello che devono fare è crescere e dividersi. Sono delle piccole macchine da fotosintesi. Sono davvero eccentrici.
So there are thousands of different species of phytoplankton, come in all different shapes and sizes, all roughly less than the width of a human hair. Here, I'm showing you some of the more beautiful ones, the textbook versions. I call them the charismatic species of phytoplankton.
Ci sono migliaia di specie diverse di fitoplancton, con forme e dimensioni diverse, tutte spesse meno di un capello umano. Eccone alcuni dei più belli, quelli dei libri di scuola. Li chiamo la specie carismatica del fitoplancton.
And here is Prochlorococcus. I know, it just looks like a bunch of schmutz on a microscope slide.
Ed ecco il Prochlorococcus. Lo so, sembra dello sporcizia al microscopio.
(Laughter)
(Risate)
But they're in there, and I'm going to reveal them to you in a minute. But first I want to tell you how they were discovered.
Ma sono lì, e ve li mostrerò tra poco. Ma prima voglio dirvi come sono stati scoperti.
About 38 years ago, we were playing around with a technology in my lab called flow cytometry that was developed for biomedical research for studying cells like cancer cells, but it turns out we were using it for this off-label purpose which was to study phytoplankton, and it was beautifully suited to do that. And here's how it works: so you inject a sample in this tiny little capillary tube, and the cells go single file by a laser, and as they do, they scatter light according to their size and they emit light according to whatever pigments they might have, whether they're natural or whether you stain them. And the chlorophyl of phytoplankton, which is green, emits red light when you shine blue light on it. And so we used this instrument for several years to study our phytoplankton cultures, species like those charismatic ones that I showed you, just studying their basic cell biology. But all that time, we thought, well wouldn't it be really cool if we could take an instrument like this out on a ship and just squirt seawater through it and see what all those diversity of phytoplankton would look like. So I managed to get my hands on what we call a big rig in flow cytometry, a large, powerful laser with a money-back guarantee from the company that if it didn't work on a ship, they would take it back. And so a young scientist that I was working with at the time, Rob Olson, was able to take this thing apart, put it on a ship, put it back together and take it off to sea. And it worked like a charm. We didn't think it would, because we thought the ship's vibrations would get in the way of the focusing of the laser, but it really worked like a charm. And so we mapped the phytoplankton distributions across the ocean. For the first time, you could look at them one cell at a time in real time and see what was going on -- that was very exciting. But one day, Rob noticed some faint signals coming out of the instrument that we dismissed as electronic noise for probably a year before we realized that it wasn't really behaving like noise. It had some regular patterns to it. To make a long story short, it was tiny, tiny little cells, less than one-one hundredth the width of a human hair that contain chlorophyl. That was Prochlorococcus.
Circa 38 anni fa, giocavamo con una tecnologia chiamata citometria a flusso nel mio laboratorio, sviluppata per la ricerca biomedica per studiare le cellule cancerose, ma noi la stavamo usando per un altro proposito, ovvero studiare il fitoplancton, ed è stata davvero utile. Ecco come funziona: si inietta un campione in questo tubicino capillare, le cellule passano in fila davanti a un laser e, quando colpite, emettono una luce in base alla loro dimensione e in base al loro pigmento, che siano naturali o macchiati. E la clorofilla del fitoplancton, che è verde, emette una luce rossa quando è colpita da una luce blu. Abbiamo usato questo strumento per molti anni per studiare le nostre colture di fitoplancton, in particolare quelle specie carismatiche che vi ho mostrato, per studiarne la biologia cellulare di base. Ma abbiamo sempre pensato che sarebbe stato bello avere uno strumento come questo su una nave e analizzare l'acqua del mare e vedere com'è tutta quella diversità di fitoplancton. Sono riuscita ad ottenere quello che chiamiamo il grande camion della citometria a flusso, un laser grosso e potente, con un rimborso garantito dalla compagnia cioè, se non avesse funzionato sulla nave, lo avrebbero ripreso. E così un giovane scienziato con cui lavoravo, Rob Olson, è stato in grado di smontarlo, metterlo su una nave, rimontarlo e iniziare il viaggio. Ha funzionato benissimo. Non pensavamo avrebbe funzionato, perché pensavamo che i movimenti della nave avrebbero interferito sul laser, ma ha davvero funzionato bene. E così abbiamo mappato la distribuzione del fitoplancton nell'oceano. Per la prima volta, li abbiamo analizzati in tempo reale e capito cosa accadeva, è stato emozionante. Ma un giorno, Rob ha notato un segnale provenire dalla strumentazione che abbiamo scambiato per rumore elettrico forse per un anno prima di capire che non si comportava come un rumore. Aveva un andamento regolare. Per farla breve, erano piccole, piccolissime cellule, più piccole di un centesimo dello spessore di un capello che contengono la clorofilla. Era il Prochlorococcus.
So remember this slide that I showed you? If you shine blue light on that same sample, this is what you see: two tiny little red light-emitting cells. Those are Prochlorococcus. They are the smallest and most abundant photosynthetic cell on the planet. At first, we didn't know what they were, so we called the "little greens." It was a very affectionate name for them. Ultimately, we knew enough about them to give them the name Prochlorococcus, which means "primitive green berry."
Vi ricordate questa slide? Se fate riflettere della luce blu su quel campione, questo è ciò che vedrete: due piccole cellule che emettono luce rossa. Quelle sono Prochlorococcus. Sono le cellule fotosintetiche più piccole e abbondanti sul nostro pianeta. All'inizio, non sapevamo cosa fossero e li abbiamo chiamati "piccoli verdi". Era un nome affettuoso. Poi, abbiamo scoperto abbastanza da chiamarlo Prochlorococcus che significa "bacca verde primitiva".
And it was about that time that I became so smitten by these little cells that I redirected my entire lab to study them and nothing else, and my loyalty to them has really paid off. They've given me a tremendous amount, including bringing me here.
E da allora mi sono innamorata così tanto di queste piccole cellule che ho reindirizzato il mio laboratorio esclusivamente sul loro studio, e la mia fedeltà verso di loro mi ha ripagata. Mi hanno dato grandi quantità di dati, e mi hanno portata fin qui.
(Applause)
(Applausi)
So over the years, we and others, many others, have studied Prochlorococcus across the oceans and found that they're very abundant over wide, wide ranges in the open ocean ecosystem. They're particularly abundant in what are called the open ocean gyres. These are sometimes referred to as the deserts of the oceans, but they're not deserts at all. Their deep blue water is teeming with a hundred million Prochlorococcus cells per liter. If you crowd them together like we do in our cultures, you can see their beautiful green chlorophyl. One of those test tubes has a billion Prochlorococcus in it, and as I told you earlier, there are three billion billion billion of them on the planet. That's three octillion, if you care to convert.
Quindi negli anni, noi e molti altri abbiamo studiato i Prochlorococcus negli oceani e abbiamo scoperto che sono abbondanti in una vasta area dell'ecosistema oceanico. In particolare abbondano in quelli che sono chiamati giri oceanici. Questi sono a volte chiamati i deserti degli oceani, ma non sono affatto deserti. Le loro acque blu pullulano di centinaia di milioni di Prochlorococcus per ogni litro. Metendoli insieme come facciamo nelle colture, si può vedere la loro bellissima clorofilla verde. Una di quelle provette contiene milioni di Prochlorococcus e, come vi ho detto prima, ci ne sono tre miliardi di miliardi di miliardi sul pianeta. Sono tre ottilioni, se volete convertire.
(Laughter)
(Risate)
And collectively, they weigh more than the human population and they photosynthesize as much as all of the crops on land. They're incredibly important in the global ocean. So over the years, as we were studying them and found how abundant they were, we thought, hmm, this is really strange. How can a single species be so abundant across so many different habitats? And as we isolated more into culture, we learned that they are different ecotypes. There are some that are adapted to the high-light intensities in the surface water, and there are some that are adapted to the low light in the deep ocean. In fact, those cells that live in the bottom of the sunlit zone are the most efficient photosynthesizers of any known cell. And then we learned that there are some strains that grow optimally along the equator, where there are higher temperatures, and some that do better at the cooler temperatures as you go north and south.
E insieme, pesano più di tutti gli esseri umani e fotosintetizzano quanto tutte le colture sulla terra. Sono importantissimi negli oceani del pianeta. Nel corso degli anni, mentre li studiavamo e abbiamo scoperto la loro abbondanza, abbiamo pensato che fosse strano. Come può una sola specie essere così abbondante nei diversi habitat? E quando abbiamo isolato più colture abbiamo scoperto che ci sono diversi ecotipi. Alcuni tipi sono adatti alla luce intensa delle acque superficiali, e altri sono adatti alla poca luce degli oceani profondi. Infatti, queste cellule che vivono dove c'è poca luce sono i più efficienti fotosintetizzatori conosciuti. E poi abbiamo imparato che ce ne sono alcuni che crescono nei pressi dell'equatore, dove ci sono temperature più alte, e alcuni lavorano meglio a basse temperature mentre si va a nord e sud.
So as we studied these more and more and kept finding more and more diversity, we thought, oh my God, how diverse are these things? And about that time, it became possible to sequence their genomes and really look under the hood and look at their genetic makeup. And we've been able to sequence the genomes of cultures that we have, but also recently, using flow cytometry, we can isolate individual cells from the wild and sequence their individual genomes, and now we've sequenced hundreds of Prochlorococcus. And although each cell has roughly 2,000 genes -- that's one tenth the size of the human genome -- as you sequence more and more, you find that they only have a thousand of those in common and the other thousand for each individual strain is drawn from an enormous gene pool, and it reflects the particular environment that the cell might have thrived in, not just high or low light or high or low temperature, but whether there are nutrients that limit them like nitrogen, phosphorus or iron. It reflects the habitat that they come from.
Li abbiamo studiati sempre di più per continuare a scoprire la loro diversità, e abbiamo pensato: "Cavolo, quanto sono diversi!" Poi, è stato possibile mappare il loro genoma e osservare sotto il cappuccio e vedere il loro corredo genetico. E abbiamo ottenuto la sequenza dei genomi delle colture che avevamo, e recentemente, usando la citometria a flusso, abbiamo potuto isolare singole cellule presenti in natura e la sequenza dei loro genomi, e ora abbiamo le sequenze di centinaia di Prochlorococcus. E anche se ogni cellula ha circa 2000 geni -- un decimo della dimensione del genoma umano -- con sempre più sequenze abbiamo scoperto che avevano solo un migliaio di genomi in comune e che le altre migliaia per ogni specie sono prese da un'enorme piscina di geni, e riflettono il particolare ambiente in cui la cellula si è sviluppata, non solo la luce o la temperatura più o meno basse, ma anche se ci sono nutrienti che li limitano come azoto, fosforo o ferro. Riflettono l'habitat da cui provengono.
Think of it this way. If each cell is a smartphone and the apps are the genes, when you get your smartphone, it comes with these built-in apps. Those are the ones that you can't delete if you're an iPhone person. You press on them and they don't jiggle and they don't have x's. Even if you don't want them, you can't get rid of them.
Pensatela in questo modo. Se ogni cellula è un cellulare e le applicazioni sono i geni, quando si compra un cellulare ci sono delle app preinstallate. Quelle sono quelle che non si possono cancellare se avete un iPhone. Le cliccate, ma non tremano e non hanno la x. Anche se non si vogliono, non riuscite a liberarvene.
(Laughter)
(Risate)
Those are like the core genes of Prochlorococcus. They're the essence of the phone. But you have a huge pool of apps to draw upon to make your phone custom-designed for your particular lifestyle and habitat. If you travel a lot, you'll have a lot of travel apps, if you're into financial things, you might have a lot of financial apps, or if you're like me, you probably have a lot of weather apps, hoping one of them will tell you what you want to hear.
Quelle sono come i geni principali del Prochlorococcus. Sono l'essenza del telefono. Ma c'è una grande piscina di app da cui poter pescare per personalizzare il telefono per uno stile di vita o un habitat. Se viaggiate molto, ci saranno un sacco di app per i viaggi, se siete esperti di finanza, ci saranno app sulla finanza, o, se siete come me, avrete un sacco di app per il meteo, sperando che vi dicano quello che volete sentire.
(Laughter)
(Risate)
And I've learned the last couple days in Vancouver that you don't need a weather app -- you just need an umbrella. So --
E ho imparato negli ultimi giorni a Vancouver che non c'è bisogno di una app per il meteo, ma di un ombrello. Quindi...
(Laughter)
(Risate)
(Applause)
(Applausi)
So just as your smartphone tells us something about how you live your life, your lifestyle, reading the genome of a Prochlorococcus cell tells us what the pressures are in its environment. It's like reading its diary, not only telling us how it got through its day or its week, but even its evolutionary history. As we studied -- I said we've sequenced hundreds of these cells, and we can now project what is the total genetic size -- gene pool -- of the Prochlorococcus federation, as we call it. It's like a superorganism. And it turns out that projections are that the collective has 80,000 genes. That's four times the size of the human genome. And it's that diversity of gene pools that makes it possible for them to dominate these large regions of the oceans and maintain their stability year in and year out.
Quindi come il cellulare vi dice qualcosa su come vivete la vostra vita, il vostro stile di vita, leggere il genoma di una cellula di Prochlorococcus ci parla delle pressioni nel suo ambiente. È come leggere il suo diario, che non dice come ha passato i gironi o gli anni, ma ci racconta la sua storia evolutiva. Mentre studiavamo, ho detto che abbiamo sequenziato centinaia di cellule, e ora possiamo proiettare le misura genetica totale, la piscina genetica, della federazione del Prochlorococcus, come la chiamiamo. È come un superoganismo. Secondo le nostre proiezioni insieme hanno 80.000 geni. Si tratta di quattro volte la dimensione del genoma umano. E questa grande varietà di geni rende loro possibile dominare vaste zone degli oceani e mantenere la loro stabilità anno dopo anno.
So when I daydream about Prochlorococcus, which I probably do more than is healthy --
Quando sogno ad occhi aperti i Prochlorococcus, cosa che faccio più del necessario,
(Laughter)
(Risate)
I imagine them floating out there, doing their job, maintaining the planet, feeding the animals. But also I inevitably end up thinking about what a masterpiece they are, finely tuned by millions of years of evolution. With 2,000 genes, they can do what all of our human ingenuity has not figured out how to do yet. They can take solar energy, CO2 and turn it into chemical energy in the form of organic carbon, locking that sunlight in those carbon bonds.
li immagino sguazzare in giro, fare il loro lavoro, mantenere il pianeta, nutrire gli animali. Ma finisco sempre a pensare a che capolavoro siano, forgiati in migliaia di anni di evoluzione. Con 2000 geni possono fare quello che l'ingenuità umana non sa ancora come fare. Prendere energia solare, CO2 e trasformarle in energia chimica sotto forma di carbonio organico, catturare quella luce in quei legami di carbonio.
If we could figure out exactly how they do this, it could inspire designs that could reduce our dependency on fossil fuels, which brings my story full circle.
Se potessimo scoprire come ci riescono, potremmo ispirare design che potrebbero ridurre la nostra dipendenza dai carburanti fossili, e con ciò concludo il cerchio della mia storia.
The fossil fuels that are buried that we're burning took millions of years for the earth to bury those, including those ancestors of Prochlorococcus, and we're burning that now in the blink of an eye on geological timescales. Carbon dioxide is increasing in the atmosphere. It's a greenhouse gas. The oceans are starting to warm. So the question is, what is that going to do for my Prochlorococcus? And I'm sure you're expecting me to say that my beloved microbes are doomed, but in fact they're not. Projections are that their populations will expand as the ocean warms to 30 percent larger by the year 2100.
I carburanti fossili che bruciamo sono sepolti e la Terra impiega milioni di anni per produrli, inclusi gli antenati del Prochlorococcus, e li consumiamo troppo velocemente su scala geologica. L'anidride carbonica nell'atmosfera sta aumentando. È il gas serra. Gli oceani si stanno riscaldando. Quindi la domanda è: quale sarà la conseguenza per il mio Prochlorococcus? E sono certa che immaginiate che dica che i miei adorati microbi siano condannati, ma non lo sono. Secondo le previsioni, la loro popolazione crescerà con il riscaldamento degli oceani aumentando del 30% entro il 2100.
Does that make me happy? Well, it makes me happy for Prochlorococcus of course --
Questo mi rende felice? Sono certamente felice per il Prochlorococcus,
(Laughter)
(Risate)
but not for the planet. There are winners and losers in this global experiment that we've undertaken, and it's projected that among the losers will be some of those larger phytoplankton, those charismatic ones which are expected to be reduced in numbers, and they're the ones that feed the zooplankton that feed the fish that we like to harvest.
ma non per il pianeta. Ci sono vincitori e vinti in questo esperimento globale che stiamo facendo e si pensa che tra i perdenti ci saranno alcuni dei fitoplancton, quelli carismatici il cui numero potrebbe ridursi, e che sono quelli che alimentano lo zooplancton che alimenta i pesci che ci piace pescare.
So Prochlorococcus has been my muse for the past 35 years, but there are legions of other microbes out there maintaining our planet for us. They're out there ready and waiting for us to find them so they can tell their stories, too.
Il Prochlorococcus è stato la mia musa negli ultimi 35 anni, ma ci sono altre legioni di microbi che mantengono il pianeta per noi. Sono là fuori e aspettano che noi li troviamo per raccontare anche le loro storie.
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)