Мікроорганізми і течії: вчені створили детальну карту життя в глибинах океану

У журналі Science опубліковано проривне дослідження, що розкриває: глобальна циркуляція глибинних океанських вод — так звана система світового термохалінного переносу — відіграє ключову роль у формуванні різноманіття та функціонування мікроорганізмів у Південному Тихому океані.

Джерело: phys.org

Дослідження провели науковці з Інституту Дж. Крейга Вентера (JCVI), Інституту океанографії Скриппса Каліфорнійського університету в Сан-Дієго та Університету Каліфорнії в Берклі. Вони створили найдетальнішу на сьогодні генетичну карту, що показує, як циркуляція води впливає на структуру мікробних спільнот.

Лідерка дослідження Бетані Колоді, випускниця Scripps Oceanography, пояснила: вітри та шторми впливають лише на верхні 500 метрів океану, тоді як на глибших рівнях воду рухають відмінності у температурі та солоності. Ці глибинні потоки формують своєрідний конвеєр, який переносить воду — разом із мікробами — на величезні відстані.

«Досі ми не знали, чи можна вважати ці маси води окремими мікробними екосистемами. Тепер ми можемо з упевненістю сказати: так, це так», — зазначила Колоді.

Науковці зібрали понад 300 зразків води вздовж маршруту від острова Пасхи до Антарктики, охопивши повну глибину океану. За допомогою метагеноміки та метабаркодингу вони відновили геноми понад 300 мікроорганізмів і виявили десятки тисяч додаткових видів, використовуючи метод «молекулярного відбитку» за 16S рРНК (для прокаріотів) і 18S рРНК (для еукаріотів).

Результати виявили чіткий структурний перехід: на глибині близько 300 метрів виникає шар, названий «прокаріотною філоклиною», де різноманіття мікробів стрімко зростає. Це схоже на пікноклін — зону різкої зміни густини води — але у світі мікробів.

У дослідженні, опублікованому 10 липня, виділено шість окремих «когорт» мікроорганізмів: три пов’язані з глибиною, ще три — з типами водних мас: антарктичні придонні води, верхні циркумполярні глибокі води й стародавні тихоокеанські води. Кожна когорта має унікальний набір видів і функціональних генів, сформованих температурою, тиском, вмістом поживних речовин і віком води.

Наприклад, у когорті антарктичних придонних вод переважають мікроби, пристосовані до холоду та високого тиску — з генами, що забезпечують гнучкість мембран і стійкість до окисного стресу. А в «стародавній» воді — тій, що не піднімалась до поверхні понад 1000 років — живуть мікроби, здатні виживати в умовах низького вмісту кисню й розщеплювати складні малокалорійні сполуки вуглецю.

Крім таксономії, дослідники створили функціональну карту мікробного потенціалу океану. Вони виокремили 10 «функціональних зон» за ключовими метаболічними генами — ці зони відповідають певним фізико-хімічним особливостям океану: апвелінгам, градієнтам поживних речовин, зонам мінімального вмісту кисню.

Верхні зони були багаті на гени, пов’язані з фотосинтезом, захопленням заліза та захистом від ультрафіолету. Глибинні зони характеризувалися генами, що дозволяють розкладати складні органічні речовини, виживати при нестачі кисню та витримувати стрес.

Мікроорганізми — рушії вуглецевого циклу океану: вони фіксують вуглекислий газ, перетворюючи його на органічні сполуки, переробляють поживні речовини та сприяють збереженню вуглецю в глибоких шарах. Розуміння того, як океанська циркуляція структурує ці спільноти, критично важливе для прогнозування змін унаслідок кліматичної кризи.

«Це дослідження — відправна точка для розуміння організації мікробних екосистем в умовах сучасного океану», — пояснює старший автор Ендрю Аллен, мікробіолог-океанограф з JCVI та Scripps. — «Коли глобальна циркуляція зміниться під дією клімату, функції та розподіл мікробів також можуть змінитися — з непередбачуваними наслідками для глобального вуглецевого балансу».

Зіставляючи генетичні дані з фізичними й хімічними показниками, науковці можуть створити глобальний атлас життя в океані на рівні видів — необхідний для розуміння й захисту найбільшої екосистеми планети.

«Це нагадування про те, що життя в океані керується фундаментальними, але ще не повністю зрозумілими процесами», — додає Аллен. — «Щоб побачити їх, треба досліджувати глибше, ретельніше, міждисциплінарно».

Автори закликають додати молекулярне моніторингування до міжнародних програм спостереження за океаном, таких як GO-SHIP.