Глубоководный сенсор показал, что кораллы производят активные формы кислорода
Как и люди, кораллы вдыхают кислород и потребляют органический углерод. И, как побочный продукт преобразования энергии и кислорода в организме, они производят активные формы кислорода (АФК) — семейство химических соединений, естественным образом образующихся в клетках при делении, борьбе с патогенами и выполнении других физиологических функций.
Однако до сих пор было неизвестно, производят ли здоровые глубоководные кораллы особый тип АФК — супероксид (O2•-). Супероксид — высокореактивное соединение, влияющее на экологию океана, физиологию организмов и управляющее химическими процессами, включая разложение углерода и биодоступность металлов и питательных веществ.
Исследование, опубликованное в PNAS Nexus, впервые показало, что глубоководные кораллы и губки действительно производят супероксид. Это означает, что эти химические вещества оказывают ряд ранее неизвестных эффектов на жизнь и химию в глубоком море. Авторы доказали, что АФК производятся не только как реакция на стресс, но и как фундаментальная часть функционирования организма.
В ходе исследования авторы провели прямые измерения супероксида в воде, непосредственно окружающей кораллы. Для этого они использовали уникальный глубоководный хемилюминесцентный сенсор SOLARIS, погруженный на глубину более 2000 метров на борту батискафа Alvin.
«Это первые в истории измерения данного химического вещества в глубоком море», — заявила Коллин Хансель, старший научный сотрудник отдела морской химии и геохимии Института океанографии Вудс-Хоул (WHOI) и старший автор исследования.
Обнаружение супероксида в океане — уникально сложная задача, потребовавшая совместных знаний в области химии, физики и инженерии. Будучи высокореактивным соединением, супероксид существует в воде всего несколько секунд. Инженеры WHOI Джейсон Капит (соавтор статьи) и Уильям Пардис вместе с Хансель и адъюнкт-учёным Скоттом Ванкелем разработали систему SOLARIS. Это роботизированный прибор, способный забирать воду непосредственно у поверхности коралла.
Вода поступает в измерительный зонд и смешивается в камере, где химическая реакция с супероксидом производит свет, измеряемый в реальном времени. Во время экспедиции движения зонда контролировались механическими манипуляторами Alvin, а Капит и Хансель входили в трёхместную команду внутри аппарата.
«Фантастический аспект этого проекта в том, что он уникальным для WHOI образом сочетает науку и инженерию», — отметил Капит.
Первые погружения с SOLARIS состоялись в октябре 2019 года в Национальном морском заповеднике залива Монтерей у побережья Калифорнии. Там были обнаружены крупные здоровые кораллы, живущие в защищённой океанской среде. Это помогло исключить возможность того, что супероксид производится исключительно как реакция на стресс.
По словам Хансель, кораллы производили супероксид с помощью фермента NOX, который преобразует кислород в супероксид вне клеток. Это указывает на то, что процесс, вероятно, является фундаментальной частью их обычных жизненных функций — будь то рост или, возможно, оглушение добычи. Изученные глубоководные кораллы не имеют симбиотических водорослей (зооксантелл), в отличие от мелководных. Ранее считалось, что именно эти водоросли, уже известные как продуценты внеклеточных АФК, являются источником супероксида.
Данное открытие исключает водоросли как источник супероксида и указывает, что его производят сами коралловые полипы или их бактериальные симбионты. Без дальнейших исследований авторы не могут полностью исключить роль бактерий в производстве АФК, но считают это маловероятным из-за наличия фермента NOX в самих кораллах.
«Осpecially за последнее десятилетие многочисленные исследования начали выявлять, как производство внеклеточных АФК, таких как супероксид, может быть полезным для организма», — сказала Лина Тенцер, аспирант Совместной программы по морской химии и геохимии и ведущий автор исследования.
«Увлекательно то, что кораллы могут регулировать АФК, чтобы сигнализировать другим клеткам и изменять их функционирование и реакцию на окружающую среду, — отметила Тенцер. — Это также интересно с точки зрения клеточного защитного механизма». Например, при вторжении патогена организм может произвести мощный окислительный взрыв, действующий как химическая война для самозащиты. С другой стороны, перепроизводство супероксида может иметь пагубные последствия, разрушая жизненно важные белки и ДНК.
Важным был и видовой аспект. Во время погружения на Alvin Тенцер случайно измерила супероксид у различных видов, включая губки и морские звёзды.
«Был аспект исследования, и тот факт, что мы использовали новый, никогда ранее не применявшийся прибор, делал это действительно захватывающим и приносящим удовлетворение», — сказала Тенцер.
Хотя о функционировании глубоководных кораллов и их реакции на окружающую среду ещё многое неизвестно, это исследование помогает пролить свет на фундаментальные механизмы, определяющие здоровье и активность кораллов. Чем больше учёные понимают и делятся знаниями, тем точнее они могут прогнозировать, как коралловые экосистемы отреагируют на потепление морей и изменение климата.
«Сложно смоделировать реакцию кораллов на изменение условий океана, если мы не понимаем, как они функционируют в текущих базовых условиях, — пояснила Хансель. — Нам нужно понять, как выглядит здоровый коралл, как выглядит больной коралл и какие факторы контролируют здоровье и физиологию этих организмов».
Долгосрочная цель — использовать SOLARIS для измерения кораллов, глубоководных губок и других продуцентов АФК в разных регионах мира, чтобы получить более полную картину влияния морской жизни на химию океана.
«Обнаружение этих высокореактивных соединений в глубоком океане также может повлиять на циклы углерода и металлов, микробную экологию и многое другое. На данный момент это совершенно неизвестная область, но о масштабах её воздействия думать очень увлекательно», — заключила Хансель.