Влияние мимолётных взаимодействий мельчайшего фитопланктона и бактерий на продуктивность океана

Микроорганизмы — это «двигатели», управляющие крупномасштабными экологическими и биогеохимическими процессами в океане. Они представляют собой основу морской пищевой сети. Всё больше данных свидетельствует, что сложное мелкомасштабное движение отдельных клеток играет важную роль в формировании продуктивности океана.

Бактерии находят даже мельчайший фитопланктон

В океане доминируют два типа микробов: фитопланктон и бактерии. Фитопланктон создаёт пищу и кислород, а обмен питательными веществами между ним и бактериями регулирует продуктивность океана.

Крупные клетки фитопланктона (например, диатомовые водоросли размером ~0.5–1 мм) создают вокруг себя богатые питательными веществами зоны — фикосферы. Бактерии (размером ~1 мкм) находят их с помощью хемотаксиса (движения к химическим сигналам).

Однако самые многочисленные представители фитопланктона — пикофитопланктон (например, цианобактерия Synechococcus) — в сотни раз мельче диатомей (несколько микрометров). Считалось, что из-за крошечных размеров прямое клеточно-клеточное взаимодействие и обмен питательными веществами между ними и бактериями практически невозможны.

Эксперимент: обмен питательными веществами существует

В серии экспериментов, описанных в Nature Microbiology, учёные выращивали бактерии и пикофитопланктон отдельно с разными стабильными изотопами азота и углерода, а затем вместе в течение трёх часов.

Анализ состава отдельных клеток показал, что передача этих питательных веществ между организмами действительно произошла.

Роль движения бактерий решающая

Чтобы проверить важность движения, эксперименты повторили с разными типами бактерий:

• Способные к хемотаксису (плавание с навигацией к пище).
• Способные плавать, но без навигации.
• Неспособные плавать.

Обмен питательными веществами с пикофитопланктоном был значительно ниже в двух последних случаях. Это доказало, что плавательное поведение и хемотаксис имеют ключевое значение для обмена.

Математическая модель объясняет механизм

Упрощённая математическая модель, симулирующая движение тысяч бактерий в капле морской воды, подтвердила экспериментальные данные и дала новые insights.

Модель показала, что бактерии, способные к хемотаксису, действительно находят «горячие точки» пикофитопланктона, но часто «теряют» их и уплывают. Их цель настолько мала, а химический сигнал так слаб, что оставаться рядом постоянно невозможно.

Новая форма симбиоза

Несмотря на кажущуюся неэффективность такого процесса, хемотаксические клетки получают до 160% больше питательных веществ, чем неспособные к навигации. Причина в том, что они проводят немного больше времени в очень узкой, богатой питательными веществами среде вокруг каждой клетки пикофитопланктона.

Частые и чуть более длительные «визиты» к таким источникам в итоге значительно повышают скорость роста бактерий.

Это открытие представляет новую форму симбиоза: значительный двусторонний обмен происходит между организмами, но в течение мимолётных промежутков времени (секунды), в отличие от классического симбиоза, предполагающего постоянное близкое соседство.

Вывод: микромасштабное движение имеет огромное значение

Основной вывод работы: поведение клеток играет огромную роль в формировании метаболического партнёрства между микроорганизмами. Даже для крайне малых клеток мелкомасштабное движение отдельных особей даёт очевидные преимущества, которые в итоге масштабируются до повышенных темпов роста и помогают формировать общую продуктивность океана.

Эта работа также показывает, что хемотаксис может играть неожиданную роль в метаболическом обмене между отдельными клетками в самых разных средах за пределами океана.