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.
Jag vill att ni ska få lära känna en liten mikroorganism som ni nog aldrig har hört talas om. Den heter Prochlorococcus, och den är en fantastisk liten varelse.
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.
Till exempel förändrade dess förfäder jorden på sätt som gjorde vår egen evolution möjlig, och gömt i dess genetiska kod finns en ritning som kanske kan leda till nya sätt att minska vårt beroende av fossila bränslen. Men det mest anmärkningsvärda är att det finns tre miljarder miljarder miljarder av de här små cellerna på planeten, och att vi inte visste att de fanns förrän för 35 år sedan.
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?
För att berätta deras historia måste jag först ta med er tillbaka fyra miljarder år, till en tid då jorden kanske såg ut ungefär så här. Det fanns inget liv på planeten, det fanns inget syre i atmosfären. Så vad hände som gjorde att planeten förändrades och blev sådan den är idag, ett myller av liv, ett myller av växter och djur?
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.
Jo, med ett ord: fotosyntes. För ungefär två och en halv miljard år sedan utvecklade några av Prochlorococcus' urgamla förfäder förmågan att använda solenergi och absorbera den och dela upp vatten i sina beståndsdelar syre och väte. Och de använde den kemiska energi som producerades till att ta koldioxid från atmosfären och använda den för att bygga sockerarter och proteiner och aminosyror, allt det som livet är uppbyggt av. Och medan de evolverade och växte under många miljoner år blev atmosfären allt rikare på syre. Tills för ungefär 500 miljoner år sedan då atmosfären hade blivit så syrerik att större organismer kunde evolvera. Antalet livsformer exploderade och i slutändan dök vi själva upp. Medan allt det där hände dog en del av de urgamla fotosyntetiserande cellerna. De pressades samman och begravdes och blev till fossila bränslen, med solsken inbakat i kolbindningarna. De är i princip begravt solsken i form av kol och olja. Dagens fotosyntetiserande organismer har motorer som ärvts ned från de där urgamla mikroberna, och de förser i princip allt liv med näring. Ditt hjärta slår med hjälp av solenergi som någon växt har bearbetat åt dig, och materialet som din kropp består av är gjort av koldioxid som någon växt har bearbetat åt dig. Man kan säga att vi alla består av solljus och koldioxid. Vi är egentligen bara hetluft.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Eftersom vi är landlevande varelser känner vi till alla växter på land: skogarna, ängarna, åkrarna. Men i haven finns miljarder ton djur. Har du någon gång undrat vad de lever av? Jo, det finns en osynlig äng av mikroskopiska, fotosyntetiserande organismer som kallas växtplankton. De fyller upp de översta 200 metrarna i havet och blir mat till hela det öppna havets ekosystem. Några av djuren lever bland dem och äter dem, och andra simmar upp för att äta av dem på nätterna, medan åter andra håller till i djupen och väntar på att de ska dö och singla ned så att de kan tugga i sig dem.
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.
Dessa pyttesmå växtplankton väger sammanlagt mindre än en procent av alla växter på land men står för lika mycket fotosyntes per år som alla landlevande växter tillsammans, inklusive regnskogen i Amazonas som vi tänker på som planetens lungor. Varje år fixerar de 50 miljarder ton kol i form av koldioxid som blir en del av deras kroppar, vilka i sin tur ger näring till havets ekosystem. Hur kan denna lilla mängd biomassa producera lika mycket som växterna på land? Tja, de har inte stammar och stjälkar och blommor och frukter och annat de måste ta hand om. Allt de behöver göra är att växa och dela sig och växa och dela sig. De är riktigt effektiva små fotosyntesmaskiner. De jobbar stenhårt.
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.
Det finns tusentals olika arter av växtplankton i alla möjliga former och storlekar. Alla är de knappt så breda som ett mänskligt hårstrå. Här visar jag några av de vackrare arterna, dem man ser i böcker. Jag kallar dem karismatiska växtplankton.
And here is Prochlorococcus. I know, it just looks like a bunch of schmutz on a microscope slide.
Och här är Prochlorococcus. Jag vet, det ser mest ut som smuts på objektglaset.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Men de är där och jag ska visa dem om bara en minut. Men först vill jag berätta om hur de upptäcktes.
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.
För 38 år sedan provade vi i mitt labb en teknik som kallas flödescytometri. Den används i biomedicinsk forskning för att bland annat studera cancerceller, men det visade sig att vi kunde använda den för ett inofficiellt syfte, nämligen att studera växtplankton. Och den lämpade sig riktigt väl för det. Så här fungerar det: man injicerar ett prov i ett mycket litet kapillärrör så att cellerna, en i taget, passerar en laser. Medan de gör det sprider de ljuset i förhållande till sin storlek, och så avger de ljus beroende på vilka pigment de har, antingen naturliga eller några man färgat dem med. Växtplanktonens klorofyll, som är grönt, avger rött ljus när man lyser blått ljus på det. Vi använde det här instrumentet under flera år för att studera våra planktonodlingar. Vi undersökte sådana där karismatiska planktonarter som jag visade förut för att förstå deras grundläggande cellbiologi. Men hela tiden tänkte vi att det skulle vara verkligt intressant om vi kunde ta med ett sådant instrument på en båt och bara pumpa igenom havsvatten och titta på mångfalden av växtplankton. Så jag lyckades få tag på vad vi kallar en "big rig" inom flödescytometrin, en stor, kraftfull laser med en garanti från företaget att vi fick lämna tillbaka den om den inte fungerade på båten. En ung forskare som jag arbetade med då, Rob Olson, lyckades ta isär apparaten, ta med den ombord, sätta ihop den och resa ut med den på havet. Och den fungerade perfekt. Vi trodde inte att den skulle göra det, eftersom båtens vibrationer kanske skulle göra det svårt att fokusera lasern, men den fungerade verkligen perfekt. Så vi kartlade utbredningen av växtplankton i havet. För första gången kunde vi titta på dem en cell i taget i realtid och se hur allt såg ut – det var otroligt spännande. Men en dag lade Rob märke till några svaga signaler som kom från instrumentet och som vi avfärdade som elektriskt brus i ett år eller så innan vi insåg att de inte riktigt uppförde sig som brus. Det fanns några återkommande mönster. För att göra en lång historia kort hittade vi några otroligt små celler. De var mindre än en hundradel av bredden på ett mänskligt hårstrå och de innehöll klorofyll. De var 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."
Kommer ni ihåg bilden jag visade? Om man lyser med blått ljus på samma prov får man se det här: två pyttesmå celler som avger rött ljus. De är Prochlorococcus. De är de minsta och vanligaste fotosyntetiserande cellerna på jorden. Först visste vi inte vad de var för några så vi kallade dem de "små gröna". Det var ett smeknamn på dem. Till slut visste vi tillräckligt om dem för att kalla dem Prochlorococcus, som betyder "primitivt grönt bär".
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.
Och det var ungefär då som jag blev så betagen av de här små cellerna att jag lade om kursen för hela mitt labb så att vi studerade dem och inget annat, och min trofasthet har verkligen gett utdelning. De har gett mig otroligt mycket, bland annat tog de mig hit.
(Applause)
(Applåder)
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.
Under många år har vi och många andra studerat Prochlorococcus i de olika haven. Vi har funnit att de är mycket talrika i stora, stora områden i det öppna havets ekosystem. De är särskilt vanliga i de stora roterande havsströmmarna. Dessa sägs ibland vara havens öknar men de är inte alls några öknar. I deras mörkblå vatten kryllar det av hundra miljoner Prochlorococcus-celler per liter. Om man koncentrerar dem, som vi gör när vi odlar dem, kan man se deras vackra, gröna klorofyll. Ett av de här provrören innehåller en miljard Prochlorococcus och som jag sade tidigare finns tre miljarder miljarder miljarder av dem på vår planet. Det är tre kvadriljarder om någon vill ha det omräknat.
(Laughter)
(Skratt)
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.
Och tillsammans väger de mer än alla människor tillsammans, och de fotosyntetiserar lika mycket som alla odlade grödor på land. De är otroligt viktiga i världshaven. Under åren som vi studerade dem och kom fram till hur vanliga de var, så tyckte vi att det var konstigt. Hur kan en enda art vara så vanlig i så många olika livsmiljöer? Och när vi isolerade och odlade fler av dem insåg vi att det fanns olika ekotyper. Det finns några som är anpassade till ljusrika förhållanden i ytvattnet och några som är anpassade till ljusfattiga förhållanden i djuphavet. Faktiskt är cellerna som lever längst ner i zonen som nås av solljus de mest effektiva fotosyntetiserarna bland alla celler vi känner till. Och sedan upptäckte vi att det finns några stammar som växer bäst längs ekvatorn där temperaturen är högre och några som trivs bättre i lägre temperatur längre norrut och söderut.
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.
Så ju mer vi studerade dem, desto mer mångfald hittade vi. Vi tänkte, herregud, hur många sorter finns det egentligen? Och ungefär då blev det möjligt att sekvensera deras genom och lyfta på motorhuven för att se på deras genuppsättning. Och vi har sekvenserat genomen av flera kulturer vi har. Nyligen har vi också börjat använda flödescytometri för att isolera enskilda celler från naturen och sekvensera deras enskilda genom så att vi nu har sekvenserat hundratals Prochlorococcus. Och även om varje cell har ungefär 2000 gener, vilket motsvarar en tiondel av människans genom, så ser vi när vi sekvenserar allt fler att cellerna bara har tusen av generna gemensamt. För varje enskild stam har de andra tusen generna tagits från en enorm genpool som speglar den specifika miljö som cellen levde i, inte bara ljusmängden eller temperaturen utan om de begränsas av tillgången på särskilda näringsämnen, som kväve, fosfor eller järn. Det speglar miljön som de kommer från.
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.
Tänk på det så här. Varje cell är som en smart telefon och apparna är generna. När du får din telefon har den förinstallerade appar. Det är dem som du inte kan ta bort om du har en iPhone. Du trycker på dem men de skakar inte och de har inga kryss. Även om du inte vill ha dem kan du inte ta bort dem.
(Laughter)
(Skratt)
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.
De apparna är som nyckelgenerna hos Prochlorococcus. De är telefonens grundbultar. Men du har en uppsjö av appar att välja bland för att anpassa din telefon till din livsstil och livsmiljö. Om du reser mycket har du många reseappar. Om du gillar finansmarknaden har du kanske många finansappar. Och om du är som jag har du förmodligen många väderappar och hoppas att en av dem säger det du vill höra.
(Laughter)
(Skratt)
And I've learned the last couple days in Vancouver that you don't need a weather app -- you just need an umbrella. So --
De senaste dagarna har jag insett att i Vancouver behöver man inte någon väderapp – bara ett paraply. Så –
(Laughter)
(Skratt)
(Applause)
(Applåder)
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.
På samma sätt som telefonen kan berätta något om ditt liv och din livsstil så kan vi läsa genomet från en Prochlorococcus-cell för att få veta vilka hinder den stöter på i sin miljö. Det är som att läsa dess dagbok där det inte bara står vad cellen upplevde under en dag eller vecka utan hela dess evolutionshistoria. Vi har sekvenserat hundratals av de här cellerna och nu kan vi räkna ut den totala genetiska storleken – genpoolen – av vad vi kallar Prochlorococcus-"federationen". Den är som en superorganism. Och det uppskattas att det kollektivt finns 80 000 gener. Det är fyra gånger så många som i det mänskliga genomet. Och mångfalden av genpooler gör det möjligt för dem att vara så dominerande i stora delar av haven och att förbli stabila år ut och år in.
So when I daydream about Prochlorococcus, which I probably do more than is healthy --
När jag dagdrömmer om Prochlorococcus vilket jag nog gör oftare än vad som är sunt –
(Laughter)
(Skratt)
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.
så tänker jag att de flyter runt och gör sitt jobb, håller planeten igång och ger mat till djuren. Men oundvikligen börjar jag också tänka på vilka mästerverk de är och hur de har finjusterats under miljontals år av evolution. Med 2000 gener kan de göra det som människans samlade påhittighet inte har hittat en lösning på ännu. De kan ta solenergi och koldioxid och omvandla det till kemisk energi i form av organiskt kol, och sluta in solljuset i kolbindningarna.
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.
Om vi kunde ta reda på exakt hur de gör skulle det kunna inspirera lösningar som kunde minska vårt beroende av fossila bränslen och då är vi tillbaka där vi började.
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.
De fossila bränslena som vi tar upp ur jorden och förbränner uppstod under miljontals år, bland annat tack vare förfäderna till Prochlorococcus, och nu förbränner vi dem på vad som är ett ögonblick ur ett geologiskt perspektiv. Halten av koldioxid i atmosfären ökar. Det är en växthusgas. Haven börjar värmas upp. Så frågan är hur det kommer att påverka mina Prochlorococcus. Ni förväntar er säkert att jag ska säga att det är ute med mina älskade mikrober men det är det faktiskt inte. Prognoser visar att deras populationer ökar när haven blir varmare och att de år 2100 kommer att vara 30 procent större.
Does that make me happy? Well, it makes me happy for Prochlorococcus of course --
Gör det mig glad? Nja, jag blir så klart glad för Prochlorococcus skull –
(Laughter)
(Skratt)
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.
men inte för planetens. Det finns vinnare och förlorare i det globala experiment som vi är i färd med, och enligt prognoserna hittar vi bland förlorarna några av de större växtplanktonen, de där karismatiska arterna som väntas bli allt bli färre, och de äts av djurplankton som sedan äts av fiskar som vi själva gärna fångar.
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.
Prochlorococcus har varit min musa de senaste 35 åren, men det finns otaliga mikrober där ute som tar hand om planeten åt oss. De finns där ute och bara väntar på att bli upptäckta och få berätta sina historier.
Thank you.
Tack.
(Applause)
(Applåder)