Морские пауки выращивают метанпотребляющие микробы в культивируемом биоплёнке

Исследовательская группа под руководством Occidental College обнаружила ранее неизвестный симбиоз: глубоководные морские пауки, которые культивируют и питаются бактериями, окисляющими метан.

У трёх неописанных видов морских пауков рода Sericosura были обнаружены плотные слои микробов, потребляющих метан и метанол, на их экзоскелетах. Эти микробы не только процветают там, но и служат основным источником питания для пауков.

Метановые сипы — это участки морского дна, где газ метан выходит из земной коры, образуя процветающие микробные экосистемы в отсутствие солнечного света.

Предыдущие исследования показали, что мидии, черви и губки на этих участках полагаются на хемосинтезирующие бактерии для питания. Морские пауки наблюдались в этих хемосинтетических оазисах в загадочно большом количестве. Обычные способы питания, такие как хищничество или фильтрация, не могли объяснить их численность. Исследования содержимого желудков не выявили добычи, что породило предположение о существовании альтернативной стратегии.

В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные провели серию экспериментов, чтобы проверить, зависит ли питание морских пауков Sericosura от углерода, полученного из метана.

Образцы были собраны во время экспедиций к метановым сипам вдоль тихоокеанского побережья Северной Америки, от сипов Дель Мар и Палос-Вердес в Калифорнии до сипа Санак на Аляске. Всего было собрано 36 особей, представляющих три новых вида.

Метагеномное секвенирование, профилирование 16S рРНК и флуоресцентная гибридизация in situ картировали экзоскелетный микробиом, а наноразмерная масс-спектрометрия вторичных ионов отслеживала включение ¹³C с разрешением на уровне одной клетки.

Живых морских пауков инкубировали на борту исследовательских судов в морской воде, обогащённой ¹³C-меченым метаном и метанолом.

В ходе эксперимента исследователи добавляли метан (и, в другом тесте, метанол), атомы углерода в которых были стабильным изотопом ¹³C вместо обычного ¹²C. Поскольку эта тяжёлая форма редко встречается в природе, любой ¹³C, обнаруженный позже внутри животных или бактерий, мог поступить только из искусственной дозы, что делало его легко отслеживаемой «меткой» для определения пути углерода, полученного из метана.

Доминирующие микробные таксоны, покрывающие пауков, принадлежали к трём бактериальным семействам: метанотрофным Methylomonadaceae, а также метилотрофным Methylophagaceae и Methylophilaceae. Эти микробы образовывали структурированные колонии на экзоскелете и были также обнаружены на яйцевых мешках, которые несут самцы, что предполагает возможный путь вертикальной передачи.

Через пять дней ткани пауков показали значительное обогащение ¹³C — до 1,4 раза от естественного содержания, что демонстрирует активное усвоение углерода из этих соединений.

Электронная и наноразмерная микроскопия показала вулканообразные скопления метанпотребляющих бактерий, встроенных в липкое внеклеточное полимерное вещество (EPS) по всей кутикуле паука.

После того как исследователи добавили в морскую воду метан с тяжёлым изотопом (¹³C), слой EPS и его резидентные микробы «засветились» ¹³C, и та же метка вскоре появилась в эпителии кишечника, тогда как хитиновая оболочка под ним оставалась на фоновом уровне. Эта картина подтверждает, что EPS закрепляет и поддерживает бактериальный «урожай», который паук затем соскабливает и поедает, а не поглощает углерод метана через внешнюю оболочку.

Вулканообразные микробные агрегаты часто показывали признаки нарушения, что согласуется с поведением выпаса. Исследователи пришли к выводу, что морские пауки Sericosura выращивают этих бактерий на своих телах и пасутся на них с помощью специализированных ротовых частей. Подобно глубоководным крабам-йети, которые питаются серными бактериями, культивируемыми на их клешнях, эти морские пауки, по-видимому, непосредственно собирают свой эпибиотический микробиом.

Морские пауки теперь пополнили растущий список мелких беспозвоночных, которые используют микробный метаболизм в бедных энергией экосистемах. «Фермерство» в этой сфере означает культивирование преобразователей метана на хитиновых пластинах и их сбор в симбиотической хореографии выпаса и роста, привязанной к молекулам, невидимым глазу, но необходимым для жизни там, куда никогда не достигает солнечный свет.