Новое исследование: фитопланктон, захватывающий углерод, заселил океан, путешествуя на частицах хитина

В океане миллиарды растительных микробов образуют невидимый плавучий лес. Эти крошечные организмы используют солнечный свет для поглощения углекислого газа из атмосферы. В совокупности фитопланктон поглощает почти столько же CO₂, сколько наземные леса. Измеримая часть этой работы приходится на Prochlorococcus — самый многочисленный фитопланктон в океанах сегодня.

Но Prochlorococcus не всегда обитал в открытых водах. Его предки, вероятно, держались ближе к побережьям, где было много питательных веществ, и выживали в составе микробных сообществ на морском дне. Как же потомки этих прибрежных обитателей стали фотосинтезирующими "электростанциями" открытого океана?

Ученые MIT считают, что ключом было "плотоплавание". Они предполагают, что предки Prochlorococcus приобрели способность прикрепляться к хитину — частицам разлагающихся древних экзоскелетов. Микробы цеплялись за проплывающие хлопья, используя их как плоты для путешествия дальше в море. Эти хитиновые плоты также могли обеспечивать их необходимыми питательными веществами.

Таким образом, у поколений микробов появилась возможность эволюционировать и адаптироваться к открытому океану. В конце концов, они эволюционировали до состояния, когда смогли "покинуть плот" и выживать как свободноплавающие организмы.

"Если бы Prochlorococcus и другие фотосинтезирующие организмы не колонизировали океан, мы бы смотрели на совершенно другую планету", — говорит Рогир Бракман. — "Именно способность прикрепляться к этим хитиновым плотам позволила им закрепиться в новой и огромной части биосферы планеты, навсегда изменив Землю".

Свою новую "хитиновую гипотезу" команда представляет в исследовании, опубликованном на этой неделе в PNAS.

Странный ген

Prochlorococcus принадлежит к классу пикоцианобактерий — самых маленьких фотосинтезирующих организмов на планете. Оказалось, что некоторые штаммы Prochlorococcus могут вести альтернативный образ жизни в условиях низкой освещенности, будучи "миксотрофными".

Исследователи из лаборатории Салли (Пенни) Чисхолм наткнулись на общий ген в нескольких современных штаммах Prochlorococcus, который кодирует способность расщеплять хитин.

Джованна Каповилла провела эксперименты, чтобы проверить, может ли Prochlorococcus расщеплять хитин с пользой. Предыдущая работа показала, что ген, расщепляющий хитин, присутствует у штаммов Prochlorococcus, живущих в условиях низкой освещенности, и у Synechococcus, но отсутствует у обитателей более освещенных регионов.

В лаборатории Каповилла обнаружила, что микробы, содержащие этот ген, действительно могут расщеплять хитин, и только адаптированные к низкой освещенности штаммы Prochlorococcus от этого выигрывали, демонстрируя более быстрый рост. Микробы также могли прилипать к хлопьям хитина.

Вопрос времени

Чтобы проверить гипотезу, команда обратилась к Грегу Фурнье, который специализируется на отслеживании генов в истории видов микробов. Его команда установила, что микробы начинают использовать хитин только после того, как членистоногие становятся многочисленными в конкретной экосистеме.

Для состоятельности гипотезы ген должен был присутствовать у предков Prochlorococcus вскоре после того, как членистоногие начали колонизировать морскую среду.

Ископаемые данные показывают, что водные виды членистоногих стали многочисленными в раннем палеозое, около полумиллиарда лет назад. Согласно эволюционному древу Фурнье, примерно в это же время ген, расщепляющий хитин, появляется у общих предков Prochlorococcus и Synecococchus.

"Сроки вполне убедительны", — говорит Фурнье. — "Морские системы стали заполняться этим новым типом органического углерода в форме хитина как раз тогда, когда гены для его использования распространились среди всех типов микробов. Движение этих частиц хитина внезапно открыло микробам возможность выйти в открытый океан".

Появление хитина могло быть особенно полезным для микробов, живущих в условиях низкой освещенности, например, на прибрежном морском дне. Для них хитин стал бы столь необходимым источником энергии и способом покинуть свою прибрежную нишу.

"В конце концов, это вопрос совместной эволюции экосистем", — говорит Бракман. — "С этими хитиновыми плотами и членистоногие, и цианобактерии смогли расшириться в открытый океан. В конечном счете, это помогло заложить основу современных морских экосистем".