Глубоководные течения формируют микробные сообщества в Южном Тихом океане

Новаторское исследование в журнале Science показало, как глубоководные течения — известные как глобальная опрокидывающая циркуляция — играют ключевую роль в формировании разнообразия и функций микробной жизни в Южном Тихом океане.

Это исследование, проведенное учеными из Института Крейга Вентера (JCVI), Океанографического института Скриппса (Калифорнийский университет в Сан-Диего) и Калифорнийского университета в Беркли, предлагает самую детальную на сегодня генетическую карту того, как физическое движение океанской воды структурирует микробные сообщества.

Ветра и штормы достигают лишь глубины около 500 метров (1640 футов), что составляет примерно одну восьмую от общей глубины океана в 4000 метров (13125 футов). Ниже 500 метров течения определяются различиями в температуре и солености воды, что влияет на ее плотность и формирует глобальную опрокидывающую циркуляцию. Эта циркуляция действует как конвейер, транспортируя воду — и содержащиеся в ней микробы — на огромные расстояния и глубины.

"До сих пор было неясно, являются ли эти водные массы также отдельными микробными экосистемами. Теперь мы можем ответить на этот вопрос решительным 'да'", — сказала ведущий автор исследования Бетани Колоди.

Исследовательская группа собрала более 300 проб воды вдоль трансекты от острова Пасхи в Южном Тихом океане до Антарктиды, охватывая всю глубину океана. Используя передовые метагеномные методы и метабаркодирование, они реконструировали геномы более чем 300 микробов и идентифицировали десятки тысяч дополнительных видов с помощью метода молекулярного фингерпринтинга, анализирующего высококонсервативные гены — ген 16S рРНК для прокариот (к которым относятся бактерии и археи) и ген 18S рРНК для эукариот.

Их результаты выявили поразительную закономерность: микробное разнообразие резко возрастает примерно на 300 метрах (1000 футов) ниже поверхности океана в зоне, которую они назвали "прокариотический филоклин". Этот слой, аналогичный пикноклину (зоне быстрого изменения плотности), отмечает переход от поверхностных вод с низким разнообразием к богатым микробным сообществам глубокого океана.

Исследование, опубликованное 10 июля, идентифицировало шесть различных микробных "когорт", три из которых соответствуют глубинам, а три других — основным водным массам: Антарктической придонной воде, Верхней циркумполярной глубинной воде и древней тихоокеанской глубинной воде. Каждая когорта содержит уникальные виды микробов и функциональные гены, сформированные температурой, давлением, уровнем питательных веществ и возрастом воды.

Например, когорта Антарктической придонной воды включает микробов, адаптированных к холодным условиям высокого давления, с генами, которые помогают поддерживать текучесть мембран и сопротивляться окислительному стрессу. В отличие от этого, когорта древней воды — обнаруженная в медленно циркулирующей воде, которая не поднималась к поверхности 1000 и более лет — содержит микробов с генами, позволяющими жить в условиях низкого содержания кислорода и расщеплять сложные, низкоэнергетические углеродные соединения.

Помимо таксономии, исследователи также картировали функциональный потенциал микробных сообществ. Они идентифицировали десять "функциональных зон" на основе наличия ключевых метаболических генов. Эти зоны соответствуют океанографическим особенностям, таким как районы апвеллинга, градиенты питательных веществ и зоны минимума кислорода.

Поверхностные зоны были богаты генами для улавливания света, усвоения железа и фотозащиты — чертами, необходимыми для жизни в освещенной солнцем верхней части океана. Более глубокие зоны характеризовались генами для расщепления сложных органических молекул, выживания при низком содержании кислорода и устойчивости к экологическому стрессу.

Микробы — это двигатели углеродного цикла океана. Они превращают углекислый газ в органические соединения (фиксация углерода), перерабатывают питательные вещества и помогают улавливать углерод в глубинах моря (секвестрация углерода). Понимание того, как их сообщества структурированы океанической циркуляцией, имеет решающее значение для прогнозирования того, как изменение климата может изменить эти процессы.

"Исследование дает базовый уровень того, как организованы микробные экосистемы в современных океанических условиях", — сказал Эндрю Аллен, старший автор исследования. — "Поскольку изменение климата влияет на глобальную опрокидывающую циркуляцию, распределение и функции этих микробных сообществ могут измениться с неизвестными последствиями для глобального цикла углерода".

Сопоставляя геномные данные с физическими и химическими измерениями, ученые могут создать глобальный, разрешенный по видам атлас океанической жизни, необходимый для понимания и защиты крупнейшей экосистемы планеты.

"Это исследование напоминает, что жизнь в океанических экосистемах частично управляется фундаментальными закономерностями и процессами, неизвестными нам", — сказал Аллен. — "Чтобы увидеть и понять их, мы должны исследовать их более чутко, тщательно и всесторонне. Прорывы, о которых сообщается в этом исследовании, являются результатом по-настоящему междисциплинарных усилий, в которых участвуют физические океанографы, биологические океанографы и геномные биологи, работающие в тесном сотрудничестве".

Авторы выступают за включение молекулярного отбора проб в глобальные программы мониторинга океана, такие как GO-SHIP.