Микробы Антарктики показывают влияние климата на морские экосистемы

Состав и обилие бактерий и других одноклеточных микроорганизмов в морях вокруг Антарктиды сильно зависят от температуры воды и количества морского льда. Это показали скоординированные измерения у побережья западной Антарктиды.

"Даже в двух точках на полуострове, удаленных всего на 400 км — очень короткое расстояние по океанографическим меркам — мы обнаружили поразительные различия в составе и относительном обилии микроорганизмов. Эти различия, по-видимому, связаны с различиями в местном климате", — говорит вычислительный микробиолог NIOZ доктор Юлия Энгельманн.

Результаты исследования международной группы ученых под руководством NIOZ опубликованы в журнале Environmental Microbiome.

Скоординированные измерения в течение года

Это исследование стало первым, объединившим данные о бактериях и микробных эукариотах (мелких организмах, включая фитопланктон). Пробы отбирались одновременно на двух антарктических станциях в течение всех сезонов.

Исследователи из NIOZ, сотрудничающих университетов США и Британской антарктической службы собирали пробы воды с июля 2013 по апрель 2014 года на долгосрочном экологическом мониторинговом участке британской станции Ротера, а также рядом со станцией Палмер, расположенной в 400 км к северу. Пробы отбирались не только одновременно, но и по одинаковым методам и протоколам для оптимальной сопоставимости.

С помощью анализа последовательностей ДНК исследователи определили, какие бактерии, протисты, фитопланктон и другие одноклеточные организмы присутствовали в морской воде. Также с помощью специальных статистических методов они предсказали микробные взаимодействия и структуру сообществ — кто кого ест?

Микроорганизмы доминируют в морской жизни

Западная Антарктика нагревается быстрее, чем в среднем по миру, и за последние десятилетия пережила беспрецедентные волны тепла и потери морского льда, с большой региональной изменчивостью. В водах вокруг Палмера количество морского льда сократилось более значительно, так как там температура росла быстрее, чем у побережья Ротера.

Эти различные условия влияют на состав микробных сообществ, говорит Энгельманн. "На более теплом участке Палмер бактерии влияли на структуру микробного сообщества, взаимодействуя с другими микроорганизмами, тогда как в Ротера всё было наоборот. Там микробные эукариоты были более сильными драйверами структуры и динамики сообщества".

Бактерии и микробные эукариоты играют разные роли в морской экосистеме, и потенциальный сдвиг в сторону доминирования бактерий в более теплых условиях может снизить биологическую продуктивность. При большем количестве бактерий и меньшем количестве фитопланктона питательные вещества с большей вероятностью остаются в микробной петле, становясь менее доступными для высших организмов, таких как криль, рыбы и, в конечном итоге, млекопитающие и птицы.

Энгельманн объясняет: "Эти выводы имеют важное значение для понимания и прогнозирования реакции микробных экосистем на изменение климата и поэтому актуальны для широкого круга исследователей и даже для человечества в целом.

"Если измерять общей массой, микроорганизмов в океанах примерно в три раза больше, чем всех морских животных вместе взятых. Вызванные изменением климата сдвиги в микробной пищевой сети Южного океана будут иметь далеко идущие последствия для глобальной пищевой сети, поскольку Южный океан играет решающую роль в производстве и переработке органического материала, который питает морскую жизнь по всему миру".

Включение микроорганизмов в климатические модели

В конечном итоге Энгельманн надеется, что данные о микробных сообществах найдут свой путь в климатические и океанические модели. "Микробная пищевая сеть сложна, у бактерий и микробных эукариот разные функции, и существует множество взаимодействий внутри и между этими группами, но также и с более крупными организмами, включая животных. На данном этапе трудно предсказать влияние изменения климата на продуктивность микробов.

"Наше исследование предоставляет важные базовые данные для понимания сложности микробных сообществ в прибрежных антарктических экосистемах, но нам нужно больше данных и лучшее понимание морских микробных сообществ, прежде чем мы сможем включить их в климатические и океанические модели. Но я убеждена, что это сделает наши модели гораздо более точными и также поможет в разработке стратегий сохранения".

Долгосрочные измерения

Измерения 2013–2014 годов — это первый тщательный анализ как бактерий, так и микробных эукариот во все сезоны в прибрежной Антарктике. Энгельманн надеется, что последуют многие другие измерения. "Сейчас мы сделали выводы на основе климатических различий в двух местах. У нас готовы пробы за 2018–2019 годы, а также за 2022 год. Чем больше таких измерений мы соберем со временем, тем больше мы узнаем об антарктических морских микробных сообществах, их взаимодействиях и восприимчивости к изменению климата.

"В то же время отбор проб в Антарктиде является сложной с логистической точки зрения, трудоемкой и дорогостоящей задачей. Поэтому международное сотрудничество, например, с Британской антарктической службой и коллегами из США, работавшими на станции Палмер и их родных университетах, имеет решающее значение".