Новаторское исследование в журнале Science показало, как глобальные течения играют ключевую роль в формировании разнообразия и функций микробной жизни в южной части Тихого океана.
Исследование, проведённое учёными из Института Крейга Вентера (JCVI), Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего и Калифорнийском университете в Беркли, предложило наиболее подробную генетическую карту, показывающую, как физические движения океанской воды структурируют микробные сообщества.
Ведущий автор исследования Бетани Колоди, выпускница Института океанографии Скриппса, а ныне научный сотрудник Калифорнийского университета, отмечает, что ветры и штормы достигают лишь примерно 500 метров (1640 футов), что составляет около одной восьмой от общей глубины океана в 4000 метров (13 125 футов). Ниже 500 метров под поверхностью течения движутся за счёт различий в температуре и солёности воды, что влияет на её плотность, формируя глобальную циркуляцию. Эта циркуляция действует как конвейерная лента, перенося воду — и микробы в ней — на огромные расстояния и глубины.
«До сих пор было неясно, служат ли эти водные массы также отдельными микробными экосистемами», — сказала Колоди. «Теперь мы можем ответить на этот вопрос утвердительно».
Исследовательская группа собрала более 300 проб воды вдоль трансекта от острова Пасхи в южной части Тихого океана до Антарктиды, охватывая всю глубину океана. Используя передовые метагеномные и метабаркодинговые методы, они реконструировали геномы более чем 300 микробов и идентифицировали десятки тысяч дополнительных видов микробов с помощью метода молекулярного фингерпринтинга, который рассматривает высококонсервативные гены — ген 16S рРНК для прокариот (к которым относятся бактерии и археи) и ген 18S рРНК для эукариот.
Их результаты выявили поразительную закономерность: микробное разнообразие резко возрастает примерно на 300 метров (1000 футов) ниже поверхности океана в зоне, которую они называют «прокариотической филоклиной». Этот слой, сродни пикноклину (зоне быстрого изменения плотности), знаменует переход от поверхностных вод с низким разнообразием к богатым микробным сообществам глубокого океана.
Исследование, опубликованное 10 июля, выявило шесть отдельных микробных «когорт», три из которых соответствуют глубинам, а три другие — основным водным массам: антарктическим придонным водам, верхним циркумполярным глубинным водам и древним тихоокеанским глубинным водам. Каждая когорта содержит уникальные микробные виды и функциональные гены, сформированные под воздействием температуры, давления, уровня питательных веществ и возраста воды.
Например, когорта антарктических придонных вод включает микробы, адаптированные к холодным средам с высоким давлением, с генами, которые помогают поддерживать текучесть мембран и противостоять окислительному стрессу. В отличие от этого, древняя водная когорта — в медленно циркулирующей воде, которая не достигала поверхности в течение 1000 и более лет — содержит микробы с генами, обеспечивающими жизнь в условиях низкого содержания кислорода и расщепления сложных низкоэнергетических углеродных соединений.
Помимо таксономии, исследователи также нанесли на карту функциональный потенциал микробных сообществ. Они выделили десять «функциональных зон» на основе наличия ключевых метаболических генов. Эти зоны соответствуют океанографическим особенностям, таким как районы апвеллинга, градиенты питательных веществ и зоны с минимальным содержанием кислорода.
Поверхностные зоны были богаты генами для сбора света, поглощения железа и фотозащиты — чертами, необходимыми для жизни в солнечном верхнем океане. Более глубокие зоны содержали гены для расщепления сложных органических молекул, выживания в условиях низкого содержания кислорода и противостояния стрессу окружающей среды.
Микробы являются движущей силой углеродного цикла океана. Они преобразуют углекислый газ в органические соединения (фиксация углерода), перерабатывают питательные вещества и помогают улавливать углерод в глубоком море (улавливание углерода). Понимание того, как структурированы их сообщества под воздействием океанских течений, имеет решающее значение для прогнозирования того, как изменение климата может изменить эти процессы.
«Исследование предоставляет основу для понимания того, как микробные экосистемы организованы в текущих условиях океана», — сказал Эндрю Аллен, старший автор исследования и специалист по микробной океанографии в JCVI и Институте океанографии Скриппса. «Поскольку изменение климата влияет на глобальную циркуляцию, распределение и функции этих микробных сообществ могут измениться, что приведёт к неизвестным последствиям для глобального углеродного цикла».
Объединяя геномные данные с физическими и химическими измерениями, учёные могут создать глобальный атлас океанской жизни с разрешением по видам, что необходимо для понимания и защиты крупнейшей экосистемы планеты.
«Это исследование является напоминанием о том, что жизнь в океанских экосистемах частично регулируется фундаментальными закономерностями и процессами, которые нам неизвестны», — сказал Аллен. «Чтобы увидеть и понять их, мы должны исследовать их более чутко, внимательно и тщательно».
Авторы выступают за включение молекулярного отбора проб в глобальные программы мониторинга океана, такие как GO-SHIP.
Предоставлено:
Университет Калифорнии — Сан-Диего