Как питательные вещества удаляются в бескислородных зонах океана
В условиях глобального изменения климата ученые наблюдают увеличение бедных кислородом областей в океане, называемых зонами кислородного минимума (OMZ). Крупные OMZ существуют, например, в Тихом океане у побережья Южной Америки или в Индийском океане. В этих регионах, где кислорода мало или нет вовсе, преимущество имеют организмы с метаболизмом, не зависящим от кислорода. К ним относятся некоторые представители фораминифер — одноклеточных, образующих раковину микроорганизмов, которые имеют ядро и относятся к эукариотам. Их метаболизм включает особый путь — анаэробное дыхание. В отсутствие кислорода они преобразуют нитрат, присутствующий в воде, в молекулярный азот.
Этот процесс называется денитрификацией и играет центральную роль в глобальном круговороте азота — важнейшего элемента для жизненных процессов всех организмов — в океане. В морских районах с особенно низким содержанием кислорода фораминиферы чрезвычайно многочисленны. Там они в больших масштабах метаболизируют нитрат и таким образом выводят его из глобального цикла питательных веществ. Исследовательской группе из Института общей микробиологии Кильского университета (CAU), Коллаборативного исследовательского центра 754 (SFB 754) «Климатически-биогеохимические взаимодействия в тропическом океане» в GEOMAR и Кильского центра эволюции (KEC) удалось описать ранее неизвестный процесс денитрификации у фораминифер.
Исследователи смогли продемонстрировать, что Globobulimina turgida и родственный вид Globobulimina auriculata обладают уникальным для эукариот метаболическим путем денитрификации. 2 августа 2018 года команда впервые опубликовала характеристику необходимых генетических признаков этих видов фораминифер в авторитетном научном журнале Current Biology.
Команда собрала образцы донных отложений в Гулльмар-фьорде на юге Швеции. Из-за особой формы и связанной с ней стратификации воды во фьорде наблюдается сезонное снижение содержания кислорода, аналогичное крупным океаническим OMZ. Фораминиферы живут в верхних нескольких сантиметрах морского дна. Исследователи смогли наблюдать микроорганизмы в лаборатории, используя специально разработанную инфраструктуру: «Чтобы детально изучить фораминифер, нам пришлось искусственно смоделировать естественные кислородные условия на глубине около 120 метров», — подчеркнула доктор Александра-Софи Руа. Вместе с коллегой доктором Кристианом Вёле она является ведущим автором исследования, проведенного в рамках SFB 754.
Ученые исследовали весь набор генетической информации фораминифер на предмет того, способны ли они к самостоятельной денитрификации или за это ответственны симбиотические бактерии. Известно, что бактерии и грибы могут осуществлять денитрификацию и имеют для этого подходящие генетические признаки. «Мы обнаружили три белок-кодирующих гена, которые определенно не происходят от симбиотических бактерий», — сказал Вёле. Хотя мы не нашли все гены, участвующие в преобразовании нитрата, вновь обнаруженная генетическая информация является частью собственного генома фораминифер. Их метаболизм определенно отличает этих морских микроорганизмов от всех других эукариотических организмов.
Этот результат подтверждается и экологическим успехом фораминифер в бедной кислородом морской среде. Исследования OMZ у побережья Перу, например, показали, что микроорганизмы там играют ключевую роль в цикле нитратов и встречаются в высокой численности — более 500 особей на кубический сантиметр осадка. Предполагается, что фораминиферы могли достичь такого доминирования, эволюционно приобретя способность к полной денитрификации. Участие симбиотических бактерий в восстановлении нитрата можно исключить для изученных здесь видов Globobulimina, поскольку их численность слишком мала, чтобы объяснить явление. Следовательно, эукариотические микроорганизмы должны быть способны к самостоятельной денитрификации. В дальнейших исследованиях ученые намерены идентифицировать недостающие гены денитрификации у Globobulimina. Они также хотят выяснить, применимы ли полученные данные для конкретных видов в определенном морском районе к другим фораминиферам из OMZ в целом.
«Лучшее понимание того, как генетическая основа денитрификации эволюционировала у разных организмов, дает нам важный элемент головоломки и приближает к общей картине биогеохимических циклов в океане», — сказал профессор Таль Даган, соавтор исследования. На основе эволюции задействованных генов мы могли бы лучше определить геологическое происхождение этого цикла питательных веществ и степень роли отдельных организмов.
«В контексте глобальных изменений окружающей среды все более важным становится более точное понимание преобразования и распределения элементарных веществ в океане. Новые результаты вносят вклад в лучшее понимание влияния изменения климата на зависящие от содержания кислорода циклы питательных веществ в океане», — добавил доктор Йоахим Шёнфельд из SFB 754. Так, в будущем исследователи смогут лучше оценивать, как измененные условия окружающей среды повлияют на снабжение питательными веществами и, следовательно, на пищевые взаимоотношения между разными организмами в океане.