Взаимодействие с хищником, а не температура, определяет ареал микробов Prochlorococcus
Prochlorococcus — самые маленькие и многочисленные фотосинтезирующие организмы на планете. Хотя отдельная клетка Prochlorococcus меньше человеческого эритроцита, их глобальная численность достигает октиллионов, и они производят значительную долю мирового кислорода, преобразуя солнечный свет в энергию.
Эти микробы обитают в тёплых поверхностных водах океана, а их популяция резко сокращается в регионах ближе к полюсам. Учёные предполагали, что, как и у многих морских видов, ареал Prochlorococcus определяется температурой: чем холоднее вода, тем меньше вероятность их существования.
Однако исследователи из MIT обнаружили, что основным фактором, определяющим распространение микроба, является не температура, а взаимодействие с общим хищником. Хотя популяции Prochlorococcus действительно сокращаются в холодных водах, именно эта связь, а не температура, устанавливает границы их ареала. Эти выводы, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, помогут точнее прогнозировать, как популяции микробов изменятся с изменением климата.
"Температура — это своего рода отвлекающий фактор", — отмечает соавтор исследования Стефани Дуткевич.
Несоответствие данных
Анализ данных исследовательских экспедиций в северо-восточной части Тихого океана (2003, 2016 и 2017 гг.) показал, что резкое сокращение численности Prochlorococcus происходило в регионах с широким диапазоном температур — от 13 до 18 °C. При этом лабораторные эксперименты подтверждают, что верхняя граница этого диапазона благоприятна для роста Prochlorococcus.
"Сама по себе температура не могла объяснить, где мы наблюдали это сокращение", — говорит ведущий автор Кристофер Фоллетт.
Ключевой механизм: общий хищник
Исследователи разработали альтернативную гипотезу, основанную на трофических взаимодействиях:
- В процессе фотосинтеза Prochlorococcus производит углеводы — важный питательный ресурс для гетеротрофных бактерий.
- Prochlorococcus и эти бактерии имеют общего хищника (граузера), который питается организмами схожего размера.
- В богатых питательными веществами водах (например, в полярных регионах, где происходит апвеллинг) процветает множество других видов фитопланктона.
- Это увеличивает пищевую базу для бактерий, что, в свою очередь, ведёт к росту популяции их общего хищника.
- Prochlorococcus, не выдерживая возросшего давления хищничества, быстро уничтожается.
"Как только вы попадаете в среду, где другие виды добавляют углеводы в общий пул, бактерии и хищники размножаются и уничтожают Prochlorococcus", — объясняет Дуткевич.
Подтверждение моделью
Учёные проверили эту идею с помощью комплексного моделирования (MITgcm), которое включало:
- Симуляцию океанических течений и апвеллинга.
- Модель биогеохимии для перераспределения питательных веществ.
- Сложную экосистемную модель, описывающую взаимодействия множества видов бактерий и фитопланктона.
Результаты показали:
- Без учёта взаимодействия с бактериями и общим хищником модель предсказывала распространение Prochlorococcus вплоть до полюсов, что противоречит наблюдениям.
- При включении уравнений, описывающих эту трофическую связь, смоделированный ареал Prochlorococcus сместился от полюсов, точно соответствуя данным экспедиций.
Значение для прогнозов
Исследование демонстрирует, что для точного прогнозирования изменений ареала Prochlorococcus (и, возможно, других морских видов) в условиях изменения климата критически важно учитывать механизмы взаимодействия с хищниками, а не полагаться только на температурные показатели.
"Prochlorococcus — важный индикатор изменений в глобальном океане. Если его ареал расширится, это будет сигналом о серьёзных переменах", — говорит Дуткевич.
"Есть основания полагать, что его ареал расширится в более тёплом мире, — добавляет Фоллетт. — Но мы должны понимать физические механизмы, которые устанавливают эти границы. Прогнозы, основанные исключительно на температуре, будут неверными".