«Вкус» и «запах» коралловых рифов раскрывают динамику экосистемы

Коралловые рифы — это очаги биоразнообразия, где одновременно взаимодействует огромное количество организмов. Команда учёных недавно обнаружила сотни молекул, производимых важными членами сообщества рифа. Эти соединения — модифицированные аминокислоты, витамины и стероиды — составляют «запах» или «вкус» кораллов и водорослей в тропическом рифе и помогут понять динамику пищевой сети и химическую экологию этих экосистем.

Исследование под руководством Океанографического института Скриппса (Калифорнийский университет в Сан-Диего), Гавайского университета в Маноа и Королевского Нидерландского института морских исследований (NIOZ) опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Хотя кораллы и морские водоросли (лиму) прикреплены ко дну, они взаимодействуют через химические вещества, растворённые в воде. Несмотря на понимание важности этих молекул, создаваемых в процессе фотосинтеза и выделяемых в среду, биологи никогда не раскрывали загадку их количества, энергетической ценности и структурного разнообразия.

Тысячи молекул

Команда применила передовой аналитический метод — нетаргетную тандемную масс-спектрометрию — для характеристики тысяч малых молекул, которые организмы используют для роста, коммуникации и защиты.

«Мы годами знали, что органические молекулы играют большую роль в судьбе систем коралловых рифов, но до сих пор у нас не было аналитических возможностей, чтобы изучить динамику тысяч различных молекул, составляющих "экзометаболом" кораллового рифа», — сказал старший автор работы Андреас Хаас.

На рифах вокруг Муреа (острова Общества, Французская Полинезия) команда собрала образцы двух рифообразующих кораллов (массивный коралл и коралл-капуста), одной обызвествлённой красной водоросли, одной бурой водоросли и одного водорослевого газона (смеси микроскопических нитчатых водорослей). Затем они выделили и проанализировали молекулы, которые каждый организм выделяет в морскую воду в течение дня при фотосинтезе и отдельно ночью, когда фотосинтез прекращается.

Они обнаружили, что эти организмы выделяют большое количество сотен различных соединений, которые в конечном итоге влияют на химический состав морской воды. Эти соединения определяют концентрацию питательных веществ, рост редуцентов и доступность витаминов и минералов, необходимых растениям и животным рифа.

Снимок разнообразия

Это исследование даёт первый снимок разнообразия растворённых химических веществ в коралловых рифах и окно во взаимодействия между организмами, которые учёные только начинают понимать.

«Наши выводы содержали несколько неожиданностей, — сказала соавтор Линда Вегли Келли. — Во-первых, очень немногие молекулы были универсальны для всех пяти изученных организмов. Даже два вида кораллов производили мало одинаковых молекул — более 85% измеренных молекул были уникальны для одного конкретного организма».

Исследование продемонстрировало выделение более 1000 различных молекул со сложной структурой, указывая путь для новых исследований морских природных соединений.

Другой ключевой вывод показал, что молекулы, выделяемые кораллами, содержали гораздо больше питательных веществ, чем молекулы водорослей, что может сильно влиять на доступность азота, фосфора и серы в этих рифовых экосистемах. Возможно, что ещё важнее для пищевых сетей рифа, работа показала, что комбинация молекул, выделяемых водорослями в воду, была более химически восстановленной.

Хаас пояснил: «Водоросли потенциально обеспечивают бактерий рифа большей энергией, чем кораллы, что имеет последствия для того, как увеличение биомассы водорослей на рифах изменяет поток энергии через микробы к более крупным организмам в экосистеме рифа».

Рифы во всём мире меняются и деградируют под местным давлением от неправильного использования человеком, а также под глобальными угрозами потепления и закисления океана.

«Одно из общих глобальных изменений — это смена доминирования кораллов на увеличение биомассы лиму, связанная со сдвигом в структуре и функции экосистемы, а также в количестве и типах рыб и беспозвоночных, которые там процветают, — сказал соавтор Крейг Нельсон. — Понимание того, что означают такие сдвиги для химии экосистемы, критически важно для управляющих, и эта работа демонстрирует различия в химических экссудатах кораллов и водорослей, которые могут помочь нам понять, что означают изменения в соотношении кораллов и водорослей для экосистемы».

В будущей работе команда будет наблюдать, как разнообразный набор соединений ведёт себя на рифе, включая то, какие молекулы быстро исчезают, какие накапливаются и поглощаются ли какие-либо молекулы непосредственно другими растениями и животными сообщества рифа.