Vi snakker alle om vejret, og når vi beundrer vejrsystemernes gøren og laden på TV-vejrudsigten, tænker vi næppe på, at mikroorganismer kan spille en vigtig rolle i dannelsen af så forskellige fænomener som regndråber, snefnug, hagl og skyer som sådan. Ja – de færreste er formentlig klar over, at der i det hele taget findes store mængder levedygtige bakterieceller i luften, og at de indgår i atmosfærens kemiske og fysiske processer.

Mikroorganismernes tilstedeværelse i atmosfæren blev første gang påvist i midten af det 19. århundrede bl.a. af den franske mikrobiologi Louis Pasteur, men er først blevet mere systematisk undersøgt siden 1920’erne, og det er i de seneste 20 år, at man er begyndt at studere bakterier i atmosfæren med henblik på at undersøge deres rolle i atmosfærens dynamiske processer.

Bakterier i luften - hvor kommer de fra?

Bakterier i luften kan komme fra flere kilder, fx fra os selv. Vi udskiller en masse små vandråber, når vi hoster eller nyser – vanddråber, som indeholder både bakterier og virus. Langt størsteparten af bakterier i luften kommer dog fra andre kilder såsom blade og jord. Ifølge et groft skøn frigives der globalt mindst 10¹⁶ bakterieceller per sekund til atmosfæren.

Men hvad betyder bakteriernes tilstedeværelse så for dannelse af skyer og nedbør?

Hovedparten af den globale nedbør er knyttet til dannelsen af iskrystaller, som udgør den matrix, hvorpå regndråber kan kondensere. Hvis man tager meget rent vand og køler det langsomt ned, vil det først fryse, når temperaturen nærmer sig -40° C. Når man ser på den del af atmosfæren, hvor vandet kondenserer og skyerne dannes, er temperaturen ofte ikke lav nok til, at rent vand kan fryse. Men hvis der tilføres forureninger i form af små partikler (aerosoler) eller kemiske forbindelser, øges frysetemperaturen. På den måde har disse forureninger en fremmende effekt på dråbe- og skydannelse.

Studier af bakterier indsamlet fra atmosfæren har vist, at nogle bakterier har den samme effekt på vandets frysetemperatur som støv og kemiske forbindelser og nogle bakteriestammer er endda mere effektive til at øge vandets frysetemperatur end støv og kemikalier. Vores egne studier har vist, at bakterier, som vi har isoleret fra regnvand, kan udløse frysning ved kun 4-5 minusgrader. Især har én bakterietype med det poetiske navn Pseudomonas syringae, vakt særlig opmærksomhed.

De seneste års forskning har vist, at en lang række bakterier som bl.a. P. syringae råder over gener, som koder for fryse-fremmede proteiner, og at disse proteiner også er til stede på overfladen af bakterierne, når de bliver indsamlet fra atmosfæren. Derfor er flere forskergrupper – inklusive vores – nu gået i gang med at studere, hvilken effekt disse celler kan have på skydannelse og dermed på nedbør.

Figuren her viser de dele af atmosfæren, som har størst betydning for bakteriernes indflydelse på atmosfæreprocesser og cellernes udbredelse, nemlig grænselaget og troposfæren. Grænselaget er den del af atmosfæren, som bakterierne skal overvinde for at komme ind i troposfæren. Troposfæren er det lag af atmosfæren, hvor vejret udspiller sig. Her findes langt størsteparten af atmosfærens vand enten som vanddamp eller kondenseret som skyer eller tåge. Over Danmark ender den i ca. 12 km’s højde. Her kommer biologiske og ikke biologiske aerosoler på banen, som øger den temperatur hvorved vandet fryser og iskrystaller og dermed nedbør dannes. (ill: Aktuel Naturvidenskab)

Studier i laboratoriet

Bakterier opholder sig kun i atmosfæren i en begrænset tid og flyttes hurtig rundt af vind og nedbør. Når man tager denne dynamik i betragtning, kan det være svært at forestille sig, hvordan man kan undersøge atmosfærefænomener under mere kontrollerede og reproducerbare forhold. Det kræver både instrumenter, der tillader forstøvningen af bakterier til atmosfæren som veldefinerede aerosoler, og derudover et kammer, hvor de ønskede atmosfæreforhold kan reproduceres.

For at kunne opnå det, har vi indgået et samarbejde med Lunds Universitet i Sverige og Leibniz-instituttet for troposfæreforskning i Leipzig i Tyskland. Undersøgelserne vil både bidrage til en bedre forståelse af bakteriernes rolle i atmosfæreprocesser, og kunne føre til udvikling af produkter, som kan bruges til at manipulere atmosfæren.

I dag anvender man celler af P. syringae kommercielt ved produktion af kunstsne, hvor man tilsætter tørrede, døde celler til vand i snekanonerne. På denne måde kan man producere kunstsne ved højere temperaturer end ellers og derved spare energi. Udover på skipisterne forsøger man også at anvende P. syringae til at danne kunstige skyer og dermed regn. Det kan være ønskeligt, når atmosfæren indeholder mange forurenende stoffer, og den kunstige regn kan bruges til at rense luften. I dag bruger man mest sølviodid til dette formål, men bakterievesikler kunne være et alternativ, da disse modsat sølviodid er biologisk nedbrydelige.

Ud i rummet

Udover de mulige jordnære anvendelser af bakterier i atmosfæren, kan vores viden om bakterierne og de processer, de er involveret i, hjælpe i jagten på mulige spor af liv på andre planeter i Universet. Vi er således involveret i grundforskningscenteret Stellar Astrophysics Centre ved Institut for Fysik og Astronomi, Aarhus Universitet, hvor vi netop undersøger muligheden for at kunne påvise tilstedeværelsen af liv på planeter udenfor vores solsystem ved først at identificere og senere kvantificere biologiske spor i planeternes atmosfæres. Her skal vi undersøge de effekter, bakterier har på atmosfæreprocesser.

Vi vil sammenholde effekter, som skyldes biologisk materiale med effekter, der stammer fra ikke-biologisk materiale. Hvis vi kan identificere signifikante forskelle mellem disse to kilder til dannelsen af is og skyer, vil vi kunne anvende vores forståelse af processer i Jordens atmosfære til at fortolke data, som stammer fra observationer af exoplaneternes atmosfære. I den bedste af alle verdener vil bakterierne åbne os et vindue, hvorigennem vi vil kunne se det ekstraterrestriske liv i kortene.

Dette er et uddrag af en artikel, der er bragt i Aktuel Naturvidenskab nr. 3 2013.

Originalartiklen er skrevet af lektor Kai Finster, postdoc Sântl Temkiv og seniorforsker Ulrich Gosewinkel Karlson, alle fra Aarhus Universitet.

Læs hele artiklen ved at klikke her (åbner som .pdf)

Besøg Aktuel Naturvidenskabs hjemmeside ved at klikke her.