Микробы, погребённые на дне моря, начинают процветать спустя 80 000 лет
Исследователи обнаружили на дне моря, в энергетических пустынях, оазисы, где микробы могут добывать энергию. Примечательно, что сначала микробам необходимо пробыть погребёнными в условиях голода в течение 80 000 лет. Международная группа учёных, включая Хосе Могольона из Института наук об окружающей среде (CML) Лейденского университета, опубликовала это открытие в PNAS.
Учёные изучали микробов рода Scalindua в Гренландско-Норвежском море. Представители этого вида смогли реактивироваться и увеличить численность популяции более чем на 4 порядка величины спустя долгое время после погребения.
Метаболическая активность на абсолютном минимуме
Миллионы микробных клеток населяют каждый дюйм более 360 000 000 км2 дна Мирового океана. Со временем они погребаются глубоко в осадках из-за непрерывного "дождя" частиц сверху, становясь частью так называемой глубокой осадочной биосферы. Когда поставка пищи с поверхности прекращается, энергия становится всё более ограниченной с глубиной, и в результате популяция медленно поддаётся неблагоприятным условиям и постепенно сокращается. Здесь метаболическая активность замедляется до абсолютного минимума, обеспечивая едва достаточную энергию для базового поддержания клеток. Выживание становится вопросом стойкости и упорства, а не роста. Однако в новом исследовании, опубликованном в PNAS, команда описывает, как небольшая группа организмов, получающих энергию путём окисления аммония в анаэробных условиях (процесс, известный как анаммокс), является исключением из этого общего правила и умудряется размножаться после длительного пребывания в неблагоприятных условиях.
80 000 лет через ад
"Действительно поразительно, что способны вынести эти клетки", — говорит старший автор Стеффен Л. Йоргенсен из Центра глубоководных исследований Университета Бергена (Норвегия). Он поясняет: "С момента осаждения клеток Scalindua на дно океана они оказываются во враждебной среде, где условия далеки от оптимальных. Наличие кислорода у поверхности может быть для них смертельно опасным, так как их метаболизм ингибируется свободным кислородом, и, как будто этого мало, их источник пищи (аммоний и нитрит) очень скуден. После осаждения они должны пережить 80 000-летнее путешествие, обеспечиваемое медленным погребением через место, которое токсично и практически лишено каких-либо пригодных источников энергии. Только достигнув достаточной глубины в осадках, они попадают в богатую энергией зону, где встречаются потоки аммония и нитрата — зону перехода аммоний-нитрат (ammonium-nitrate transition zone, NATZ). Здесь немногие клетки, достигшие этой глубины, начинают расти, и численность популяции увеличивается. Однако время их пребывания в NATZ ограничено, так как сама зона остаётся на фиксированной глубине относительно поверхности, в то время как микробы будут погребены ещё глубже из-за неумолимого процесса осаждения. По сути, эти клетки провели 80 000 лет в аду, чтобы наконец добраться до места, где им могут подать приличную еду, только чтобы обнаружить, что их выгоняют обратно после закуски".
Результат-выброс
Открытие исследователей — пример того, как результаты, которые легко можно было бы отклонить как выбросы, могут привести к новым открытиям при должном изучении. Ведущий автор Жуй Чжао описывает, как он наблюдал увеличение численности клеток на глубинах, которое нельзя было объяснить учебными знаниями. "Мы собирали и анализировали множество кернов осадков за эти годы, и я часто видел неожиданный рост числа клеток прямо ниже оксической зоны, что озадачивало меня", — говорит Жуй. После анализа геохимических данных в сотрудничестве с соавтором Хосе Могольоном из Лейденского университета команда обнаружила, что повышенная численность Scalindua совпадает с увеличением доступности энергии на глубине, где встречаются восстановленные и окисленные формы азота. "Эти геохимические переходные зоны — подходящие места, где междисциплинарные научные подходы, объединяющие лабораторные и вычислительные методы, могут углубить наше понимание динамики микробной жизни", — говорит Могольон. Жуй Чжао: "Это именно то место, где можно ожидать процветания микробов, способных использовать аммоний и нитрит, и было здорово видеть, что наши геохимические и микробные данные подтверждают друг друга".
Генетическое объяснение
Один из очевидных вопросов, который остался у исследователей, — какие черты позволяют этим микробам выживать так долго в крайне неблагоприятных условиях. Чтобы изучить это дальше, они секвенировали весь геном этих организмов и сравнили его с геномом их родственников из поверхностного мира. Они обнаружили, что организмы обладают специфическими генами, которые позволяют им использовать различные источники азотсодержащих соединений для получения необходимого им аммония, говорит Софи Эбби, исследовательница из Венского университета (Австрия), которая помогала изучать содержание генома вместе с профессором Кристой Шлепер. "Кроме того, вполне вероятно, что они могут использовать другие реакции, помимо анаммокса, для получения энергии, и что эта метаболическая универсальность может помогать им выживать, пока они не достигнут NATZ", — говорит Эбби. "Однако, судя по малому количеству микробов, которые на самом деле выживают так долго, это происходит буквально на волоске".
Динамика популяций не так проста
На вопрос о последствиях их открытия Жуй Чжао отмечает: "Это имеет важное значение для нашего восприятия динамики популяций в глубокой биосфере, которая в значительной степени рассматривалась как функция способности различных микробных групп оставаться в живых в течение различных промежутков времени. Хотя это всё ещё может быть так, исследование показывает, что эта точка зрения может быть не такой уж простой. Кроме того, и это очень важно, эти микробы играют важную роль в регулировании потоков через морское дно как критически важных питательных веществ в форме соединений азота, так и мощного парникового газа CO2". Он добавляет, что высокоэнергетическая зона NATZ не уникальна для конкретного места исследования, а, по-видимому, широко распространена в недрах, и поэтому её экологическая значимость актуальна в глобальном масштабе.
То, насколько важны эти микробы для окружающей среды в глобальном масштабе, — это то, о чём Йоргенсен стремится узнать больше, и он считает текущее исследование первым шагом на пути к получению такой информации. "Есть ещё много вопросов, которые необходимо решить", — говорит он. "Например, как другие микробы получают выгоду от этого увеличения энергии и биомассы? Или как быстро микробы реагируют на изменения в энергетическом ландшафте и каковы их темпы роста? Кроме того, мы хотели бы исследовать другие высокоэнергетические зоны глубже в осадках, где энергия также доступна, если у вас есть подходящий метаболический механизм для её получения, и это тоже может влиять на потоки между поверхностным и подповерхностным мирами. Все эти аспекты мы и пытаемся исследовать".