Verdens største artsmangfold: Nå avsløres hemmelighetene under bakken

Én neve jord representerer trolig hele livets historie.» 

                                                               Kamran Shalchian-Tabrizi

Verdens største mangfold

Ingen steder på kloden er mangfoldet av arter større. En teskje jord kan inneholde flere mikroorganismer enn det er mennesker i verden – fordelt på tusenvis av ulike arter.

Mikroorganismer, eller mikrober, består av én eneste celle. Dermed er de så små at vi bare kan få øye på dem i mikroskop: bakterier, protister – som er encellete parasitter, og sopp.

– Mikrobene har mange og helt essensielle oppgaver i jorda, som å bryte ned dødt organisk materiale og sørge for at næringsstoffene blir resirkulert og klargjort for nye planter. Plantene kan nemlig ikke ta opp alle næringsstoffene direkte, men er avhengige av hjelp fra sine små venner, påpeker professor Kamran Shalchian-Tabrizi på Senter for økologisk og evolusjonær syntese på Universitetet i Oslo.

Fant et urdyr

Selv har han vært interessert i klodens minste krabater lenge – både i vann og på land. Gjennom forskningen håper han og forskergruppen hans å finne svar på grunnleggende biologiske og evolusjonære spørsmål.

I 2012 skrev Apollon om den sensasjonelle oppdagelsen han og kollegene gjorde da de fant mikroorganismen Collodictyon i Årungen, en innsjø ved Ås utenfor Oslo, som viste seg å være et ‘urdyr’ – en ukjent gren av livets tre.

– Ikke sjans

Å utforske verdens største og mest artsrike gruppe er ikke bare lett. Det krever at forskerne tar i bruk avansert teknologi.

– Mikroorganismene er bittesmå, og mange ser dessuten påfallende like ut i mikroskopet. Å identifisere dem ut fra ytre kjennetegn er vanskelig. Nei, vi har rett og slett ikke sjans til å kartlegge artsmangfold bare ved å bruke mikroskop, slår han fast.

Men å ta i bruk arvematerialet til mikrobene for å identifisere dem, stiller på den annen side voldsomme krav til forskerne.

– Kollegene mine og jeg har drevet med avansert metodeutvikling i mange år for å få det til, og vi har strukket metodene til det ytterste. Mikrobene utgjør et svært lite materiale å jobbe med, og det krever enormt stor innsats å få det til, erkjenner biologen.

Greide det umulige

Utfordringene står i kø: Mellom 90 og 95 prosent av mikrobene som finnes i naturen, er nærmest umulig å holde i live i laboratoriet. Da blir det vanskelig å studere dem.

Forskergruppa til Shalchian-Tabrizi har vært pionerer i å studere nettopp slike ikke-dyrkbare mikrober. De har spesialisert seg på å utvikle metoder for å studere enkeltceller og kartlegge aktive gener (mRNA) i levende celler plukket direkte fra naturen. DNA- sekvenseringen har avslørt en ny verden.

– Nå forstår vi langt mer av det genetiske grunnlaget for mikrobenes egenskaper enn vi gjorde før.

Han og kollegene har kartlagt gener fra enkeltceller som påvirker dannelsen av ytre form og evolusjonen av nye livsformer, som planter og dyr. 

– Poenget er å knytte gener og geners egenskaper til den ytre formen. Som i embryo-dannelsen: gener gir opphav til egenskaper, og noen av disse egenskapene handler om form – det vi kaller morfologi. Vi har kartlagt hvordan slike formgivende gener har oppstått og endret seg over tid. Det gjør at vi kan knytte genetiske innovasjoner til cellenes ytre form – og dermed til prosesser som har bidratt til å skape det artsmangfoldet vi har i dag.

Fra lab til landbruk

Biologen forteller hvordan oppmerksomheten hans kom til å ta en ny vending:

– For noen år siden ble jeg kontaktet av kolleger i avfallsbransjen. De komposterer deler av avfallet, og nå trengte de hjelp. Komposten viste seg nemlig å fungere på en annen måte enn det næringsinnholdet skulle tilsi. Kunne det ha noe med mikroorganismer å gjøre?

– Fra å drive grunnleggende, teoretisk forskning ble jeg nå engasjert i å ta kunnskapen fra grunnforskningen i bruk – DNA-teknologiene og metodene våre – for å se hva slags liv som faktisk finnes i jord, og dermed bidra til å løse konkrete problemer. Det var tydelig at næringsliv og landbruk var interessert i innsiktene og metodene våre, forteller han.

Biologen søkte om opptak i SPARK Norway, som er universitetets innovasjonsprogram for helserelatert livsvitenskap.

– Jord er nemlig i høyeste grad også knyttet til helse – helsen både til planter, dyr og mennesker. Alt henger sammen med alt. Én helse-perspektivet (One Health) – er å se at samspillet mellom mennesker, dyr og miljø er viktig for å oppnå god helse for alle.

Gjennom SPARK fikk forskeren gode mentorer. Han forteller at Svein Guldal i Bondelaget har vært viktig for å utvikle løsninger for landbruket. Shalchian-Tabrizi har etablert et firma ut fra denne tankegangen. Mer om det litt seinere.

Globale problemer

Biologen viser til det mange nå peker på, nemlig at landbruksjord, både i Norge og internasjonalt, står overfor store utfordringer. Langt fra alt er som det burde, og de fleste problemene er knyttet til jordas egen helse. Måten landbruk drives på, gjør at enorme mengder jord og næringsstoffer forsvinner, særlig gjennom erosjon. Av jorda som er igjen, mener EU at mellom seksti og sytti prosent har dårlig helse.

– Det går ut over plantene som vokser i jorda, de får også dårlig helse. Mye av avlingene går tapt på grunn av sykdom på planter. Landbruksjorda er dessuten lite robust mot klimaendringer. Den fungerer heller ikke som det store lageret av karbon den kunne ha vært.

Spørsmålet mange nå stiller, er: Hvordan skal vi greie å møte disse utfordringene – helst samtidig?

– Da er mitt svar: mikrober, sier han.

– Ta dette med erosjon. Mikrobene som lever i jorda, gjør noe viktig: de skiller ut karbohydrater, fett og proteiner. Denne blandingen fungerer som et lim som binder jorda i små aggregater. Det hindrer at jorda vaskes vekk i regnværsperioder. Da blir det mindre erosjon og mindre tap av matjord.

Forskeren ber oss gjøre et eksperiment: Gå ut på et jorde der det har vært drevet ensidig med korn og kunstgjødsel i femti år, hent en neve jord, form den til en ball. Gå ut i skogen ved siden av og gjør det samme. Legg så ballene i hver sin skål med vann.

Da vil du se: Ballen fra jordet løser seg opp med én gang, ballen fra skogen forblir intakt som en ball. Den inneholder mer jordliv – og dermed jordlim.

Lagrer karbon

Mikroorganismer må til for at plantene skal få tak i næringsstoffene de trenger. Plantene fôrer dem med sukker fra fotosyntesen. Plantene investerer voldsomt i dette samarbeidet. Sukkermolekylene er organiske, karbonholdige molekyler, som mikrobene tar til seg og omdanner til sine proteiner og karbohydrater.

Døde mikrober og molekylene de skiller ut i omgivelsene, pakkes i små jordaggregater. Det gjør at de karbonholdige organiske molekylene blir utilgjengelige for nedbryting. Da lagres karbonet i jorda.

– Slik bidrar mikrobene til produksjon av organisk materiale i jorda. Og det er bra på flere måter. Det organiske materialet bilder mer vann og bidrar til at jorda får større evne til å holde på vann i tørkeperioder.

Når vi får mange forskjellige mikrober i jorda, passer de på plantene og det blir mindre sykdommer.

– Velfungerende mikrobesamfunn med stort artsmangfold hindrer at skadelige organismer får etablert seg. Det reduserer avlingstapet, påpeker biologen.

Verktøykassa

I grunnforskningen på universitetet er oppmerksomheten stor om mikroorganismene i jorda, og i internasjonal jordbruksforskning vokser interessen. Shalchian-Tabrizi forteller at selv om noe er i ferd med å skje i norsk landbruk, er interessen for de levende organismene i jorda begrenset.

– Verktøykassa til bøndene har til nå bestått av jordbearbeiding, vanning, gjødsling og sprøyting. Vi ønsker å tilføre et nytt, viktig verktøy i kassa: Det virkelig å forstå jordlivet og spille på lag med de livsviktige mikrobene, understreker Shalchian-Tabrizi. 

Livet i jorda – og i tarmen

Biologen driver som nevnt innovasjon med utgangspunkt i egen grunnleggende forskning.

– For å ha god helse vet vi nå hvor viktig det er med stor variasjon av gode mikroorganismer i tarmen og fordøyelsessystemet vårt. Det samme gjelder for jorda og planterøttene. Mikrolivet i jord og tarm henger sammen.

«Mikrober i jorda kan endre sammensetningen av mikrober i tarmen vår.»

– Mikrober i jorda kan endre sammensetningen av mikrober i tarmen vår. Røttene er plantenes ‘tarmer’ – det er gjennom dem de tar opp næringen. Plantenes røtter og våre tarmer er på mange måter det samme. Burde vi ikke da bruke innsiktene fra medisinen til å forstå og behandle ‘tarmene’ i jorda?

Det er nettopp dét Shalchian-Tabrizi gjør. Gjennom firmaet sitt, Smartsoil Biotech. behandler han og kollegene utarmet og skadet jord: Ved hjelp av DNA-teknologi, bioinformatikk og kunstig intelligens kartlegger de mikroliv i jord og planterøtter – og gir en diagnose av helsetilstanden til jorda på et gitt sted.

Firmaet produserer jordforbedringsprodukter som de kaller Symbiotika.

– Produktene blir satt sammen av gjenvunnet avfall. Sammensetningen er ikke tilfeldig, men basert på eksperimenter vi har gjort både ute i landbruket og inne på laboratoriet – best mulig tilpasset ulike planter, produksjonsmetoder og klimasoner. Kunstig intelligens hjelper oss med å integrere data fra andre deler av jordbruket med data fra mikrobielle samfunn. Dermed får bønder og rådgivere i landbruket bedre grunnlag for å ta beslutninger i en tid med store klimaendringer, påpeker han.

"Vi har mye til felles, mikrobene og vi mennekser. Selv om mikrobene er små, er de likevel svært avanserte."

Vekker trøtt jord

Det har lenge vært et stort mysterium: Jordtrøtthet, internasjonalt kjent som Sick Soil Syndrome. Planter vokser ikke, uansett hvor mye stell og kjærlighet de får. Ingen vet helt hvorfor. Eplebønder i Norge er blant dem som sliter. Hvert år går deler av den norske epleavlingen tapt. Nå er Shalchian-Tabrizi, forskerkolleger og epleprodusenter i gang med å finne årsaken.

Han forteller om en opplevelse hos en bonde i Vestfold for noen år siden.

– Jeg gikk langs en rekke med frukttrær, først var trærne flotte, før de plutselig ble mye lavere og tynnere. Jorda lider av jordtrøtthet, fortalte bonden, og la til at han hadde prøvd alt, fulgt alle faglige råd. Han hadde til og med revet opp hele frukthagen. Problemet hadde vedvart i flere generasjoner. Når jeg foreslår å legge kompost rundt tre av trærne, gir han meg tvilende lov til det. Da jeg kom tilbake et år seinere, så jeg virkningen.

– Selv om forsøket ikke kan sies å være vitenskapelig, var det uansett tydelig at noe hadde skjedd: Jorda så ut til å være vekket til live, trærne hadde vokst markant. Bonden var overbevist, og nå hadde han skaffet seg kompostutlegger.

Shalchian-Tabrizi viser til et annet og større prosjekt der målet er å forstå forskjellene i det mikrobielle livet i jordtrøtte og friske områder på gårdene som dyrker epler, moreller og plommer. – At det er forskjell, er blitt tydelig gjennom prosjektarbeidet vårt.  

Kjemien forklarer ikke

I nok et forskningsprosjekt hentet biologene jord fra gårder i tre fruktregioner i Norge: Hardanger, Telemark og ved Oslofjorden – jord fra både friske og syke områder på hver gård. Forskerne målte høyden på epletrærne og omkretsen på stammen. Resultatene viser at størrelsen på trærne varierer med region, og med om de står i trøtt eller frisk jord.

– Vi sendte jordprøvene til kjemisk analyse for å fastslå innholdet av nitrogen, fosfor og kalium i jorda. Resultatene sammenholdt vi ved data om hvordan trærne så ut, hvilken vekst de hadde. Da kan vi tydelig se: De kjemiske dataene samsvarer ikke med veksten. Kjemien kan altså ikke forklare jordtrøtthet. Det er jo nærliggende å tenke at det bare må mer næring til, så løser vi problemet. Men så enkelt er det altså ikke.

I områder med frisk jord ser forskerne at veksten er bedre.

– Vi sammenlikner trærnes vekst med mengden mikrober og sammensetningen av ulike arter. Det var størst vekst i det friske jorda, lavest i den syke. Det er regionale forskjeller mellom Telemark, Hardanger og Oslofjorden, i hvert fall på den friske jorda. Vi kunne også registrere en tydelig positiv sammenheng mellom et rikt mangfold av mikrober og vekst på trærne.

Balansen er viktig

– Hvordan tolker du det?

– At jordtrøtthet skyldes sammensetningen av mikrober. Når vi tilfører mikrober i frisk jord, i et friskt jordsamfunn, er de ekstra mikrobene med på å gjøre jorda bedre. Men tilfører vi feil mikrober til et samfunn, blir det ikke bedre. Nå utvider vi prosjektet med langt flere prøver av jord. Vi inkluderer også dyrking av moreller og plommer. Vi skal se på det organiske materialet i jorda og mikrobene, hvordan det jobber sammen, om det kan være svaret på den syke jorda.

Karbonlagring i Buskerud

Shalchian-Tabrizi forteller om et stort prosjekt hvor målet er å få til bedre jordhelse med mer mikrober og bedre karbonlagring i jord – blant 19 bønder i Buskerud.

– De forsøker å utnytte jorda på en måte som bygger opp økosystemene. Bøndene vil ha svar på hva de faktisk har oppnådd. Skjer det noe, hvorfor skjer endringene?

Metoden går ut på å avdekke muligheten for å lagre karbon i ulike typer jord og hvor jorda drives med ulike metoder.

– Ulike tiltak prøves ut for å se hva som fungerer best. Dette fører til ny kunnskap og bedre grunnlag for å ta avgjørelser. Er det biologiske problemer, kan en vurdere ulike tiltak for å løse problemene – for eksempel kompostbaserte løsninger for å forbedre jordkvaliteten. Det er viktig å forstå hva som gjør jorda særegen på akkurat det jordet, og være villig til å endre den.

Stor respekt

Den anerkjente biologen legger ikke skjul på at jord er en kompleks materie.

– Det å forstå jorda, hva den eventuelt mangler og hvordan den endrer seg, er ikke enkelt. Det er heller ikke enkelt å forstå sammenhengene mellom jordtype, klima og næringsinnhold.

Han understreker at han har stor respekt for dem som jobber med dette i landbruket.

"Vi trenger virkelig å forstå jordlivet og spille på lag med de livsviktige mikrobene".

– Samtidig ser jeg at det er viktig å ha en grunnleggende forståelse av jordbiologien. Universitetet i Oslo har en sterk forskningstradisjon og har mye å bidra med. Denne kunnskapen hjelper til med å endre praksis og tilnærming på en fornuftig måte, mener han, og viser til at det blant annet blir stadig strammere restriksjoner på bruken av sprøytemidler i EU, og rådgiverne i landbruket spør forskerne hva de skal gjøre.

– Mikrobene kan være viktige partnere i å drive bærekraftig landbruk, sier Kamran Shalchian-Tabrizi. – Målet mitt er å bidra med så mye som mulig av denne kunnskapen inn i det grønne skiftet.

Livets historie i én neve jord 

– Ta en neve jord – og vit at du står med et sammendrag av livets historie mellom hendene.

– Mange av livsformene som oppstod tidlig i jordklodens historie, har overlevd og tilpasset seg forholdene i jordsmonnet, forteller Kamran Shalchian-Tabrizi.

Han viser til at det finnes mikroøkologiske forhold i jorda som likner på det som var på planeten vår i den aller fjerneste fortid.

– Det finnes livsformer som har tilpasset seg klodens mange faser – og som vi kan finne igjen i jorda i dag. Dermed kan vi få et sammenhengende historisk bilde av livet gjennom mange milliarder år. Det er fascinerende å tenke på at en neve jord trolig representerer hele livets historie.

Vi er likere enn vi tror

Evolusjonsbiologen viser til de store overgangene i livets historie – hvordan liv oppstod og utviklet seg fra enkeltceller til komplekse organismer som oss selv. DNA har endret seg underveis, og nye gener har oppstått.

– Vi har mye til felles, mikrobene og vi mennesker. Selv om mikrobene er små, er de likevel svært avanserte. De har mange av de samme grunnleggende egenskapene og genetiske programmene som vi har. De bruker dem bare på andre måter.

Mye av det vi trodde var enestående for oss, har vist seg å være eldgamle egenskaper.

– Ta en nervecelle i hjernen vår og en amøbe – som kun består av én celle. Selv om de er forskjellige på flere måter, er de fleste egenskapene likevel forbløffende like, påpeker Shalchian-Tabrizi.

De milliarder av nerveceller i hjernen vår utgjør et komplekst og avansert system. Det gjelder også de ørsmå mikrobene, de er organisert i komplekse systemer, i hele samfunn.

– Faktisk er det slik at mange gener som er viktige oss, for eksempel i utviklingen av kroppen vår med alle organer og vev, oppstod blant de encellete mikrobene. Svært mange av egenskapene deres likner på våre.

Jo, det kan se ut som et stort paradoks; at tilsynelatende enkle mikrober og avanserte organismer som oss selv har så mange grunnleggende likheter.

Shalchian-Tabrizi går lenger:

– Hva om vi stiller oss selv et enda mer fundamentalt spørsmål: Hva er forskjellen på liv og jord?

Liv og jord

Vi vet nå at det finnes et mylder av små, levende organismer i jord. Men tar vi bort alle disse, er det da noe liv igjen?

– Ja. En lang rekke prosesser som foregår i jorda, likner faktisk på prosessene som foregår inni oss. Jordas egenskaper gjør at liv kan ha oppstått i nettopp et slikt miljø. Mange av molekylene og systemene som vi forbinder med kroppen vår, finner vi også i jorda. Vi vet at jern er viktig for oksygenopptak og oksygenomsetning i kroppen vår. Det interessante er at jern også kan sees på som ‘hemoglobinet’ i jord, sier han.

Biologen minner om at molekyler, som er helt nødvendige for fotosyntesen i kloroplaster og respirasjon i mitokondriene, også finnes som varianter i jord.

– Disse molekylene fungerer i liknende prosesser – selv om de ikke befinner seg inne i en organisme eller en celle, forteller Kamran Shalchian-Tabrizi.

– Det er fascinerende at så mange av prosessene i liv og jord likner hverandre.