Разгадан механизм разрушения пород цианобактериями

Геомикробиологи из Университета штата Аризона раскрыли давнюю загадку о том, как некоторые фотосинтезирующие микроорганизмы — эндолитические цианобактерии — проникают в известняк, песчинки, раковины моллюсков, коралловые скелеты и другие субстраты, состоящие из карбоната.

Согласно ведущему исследователю, профессору Феррану Гарсия-Пичелю, разгадка «эрозионной силы глобального масштаба» заключается в кальциевом насосе, аналогичном тому, что приводит в действие наши мышцы.

Результаты исследования «Микробное выветривание твердых карбонатов, обеспечиваемое P-тип АТФазой-опосредованным трансцеллюлярным транспортом Ca²⁺» были опубликованы 29 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Хотя растворение карбонатных коралловых рифов было отмечено более века назад Луи Агассисом, детали того, как происходит этот физиологический процесс, оставались загадкой. Этот процесс представлял геохимический парадокс, поскольку большинство цианобактерий способствуют осаждению новых карбонатов, а не их растворению.

Обычно фотосинтез цианобактерий повышает pH воды (снижая кислотность), что при достаточной величине изменения приводит к осаждению карбоната. Однако в случае сверлящих цианобактерий возникает парадокс: фотосинтез происходит одновременно с растворением карбонатных структур, что обычно требует снижения pH (повышения кислотности среды).

Гарсия-Пичель и его соавторы, докторант Эдгардо Рамирес-Рейнат и научный сотрудник Цюньцзе Гао, изучили в лабораторных условиях штамм цианобактерии Mastigocoleus testarum. С помощью микроскопии в реальном времени, анализа кальция и фотосинтеза, а также молекулярной генетики, они исследовали процесс вторжения цианобактерий в частицы кальцита.

Группа обнаружила перенасыщение кальцием у поверхности пробуренного отверстия, но недонасыщение на его растущем фронте. Это означало, что перенос массы кальция не мог происходить внеклеточно, путем диффузии в отверстии, так как это потребовало бы движения кальция против градиента концентрации.

Вместо этого они выяснили, что эндолитические цианобактерии поглощают кальций кончиками своих нитей непосредственно в клетки. Это действие способствует локальному растворению карбонатного субстрата. Затем кальций транспортируется от клетки к клетке прочь от зоны разрушения и в итоге выводится у входа в отверстие. Последствия такого транзиторного, но значительного повышения внутриклеточной концентрации кальция остаются вопросом для дальнейшего изучения.

Гарсия-Пичель надеется, что новые знания помогут объяснить различные геологические явления и укажут пути для борьбы с микробными вредителями моллюсков, например, в мидиевых хозяйствах.

«Мы определили соединения, которые подавляют сверлящую активность, ингибируя ферментативные кальциевые насосы, участвующие в процессе. В перспективе их можно будет применять для защиты целей, либо напрямую, либо с помощью генной инженерии самих мидий», — говорит Гарсия-Пичель.

Такие исследования также помогут понять влияние изменений в степени насыщения океанских вод кальцием, вызванных ростом содержания атмосферного CO₂. Ожидается, что это приведет к глобальному усилению биоэрозии, включая уже пострадавшие коралловые рифы.

Лабораторные исследования теперь будут перенесены в поле для количественной оценки влияния окисления океана на активность цианобактерий. Также планируется изучить другие эндолитические цианобактерии и минералы, такие как доломиты, калькофосфаты и магнезиты.