Сюрпризы из океана: Морской планктон и pH океана

Мировые океаны поддерживают огромные популяции одноклеточных организмов (фитопланктона), которые в процессе фотосинтеза удаляют около половины углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива — столько же, сколько тропические леса и все наземные экосистемы вместе взятые.

Одна из групп фитопланктона, кокколитофориды, известна своей уникальной способностью формировать внутри клеток известковые (карбонат кальция) чешуйки, которые выделяются для создания защитного панциря на поверхности клетки. В глобальном масштабе этот процесс кальцификации отвечает за значительный поток углерода из поверхностных вод океана. Кокколитофориды являются важным компонентом глобального углеродного цикла, так как после гибели клеток карбонат кальция опускается на дно, формируя океанические осадки.

В статье, опубликованной в PLoS Biology 21 июня, международная команда учёных сообщает о неожиданном открытии: кокколитофориды используют для облегчения кальцификации механизм, аналогичный ранее охарактеризованному в клетках позвоночных. Этот процесс может напрямую зависеть от текущего роста уровня растворённого CO₂ в океанах.

Чешуйки панциря кокколитофоридов образуются путём транспорта кальция и бикарбоната в клетку, где они соединяются с образованием карбоната кальция (CaCO₃). Кальцификация — сильно pH-зависимый процесс, на который, вероятно, влияет повышение уровня CO₂, ведущее к закислению океана.

Исследователи использовали комбинацию физиологии одиночных клеток и молекулярной биологии, чтобы идентифицировать молекулярный механизм, лежащий в основе кальцификации. Побочным продуктом реакции кальцификации является образование протонов (H+) внутри клетки. Эти ионы H+ могут накапливаться, вызывая закисление клетки — процесс, известный как метаболический ацидоз.

Команда показала, что кокколитофориды избавляются от избыточных H+, позволяя им выходить из клеток через специализированные белковые поры, или ионные каналы, избирательно проницаемые для H+. Этот процесс поддерживает внутриклеточный pH на приемлемом уровне и позволяет организмам производить карбонатные чешуйки.

Учёные идентифицировали ген, кодирующий белок H+-канала. Эти каналы принадлежат к уникальной группе транспортных белков, недавно обнаруженных в некоторых типах животных клеток, испытывающих метаболический ацидоз. Оказалось, что гены H+-каналов присутствуют и в других группах фитопланктона, не близкородственных ни растениям, ни животным. Это открытие показывает, что H+-каналы более широко распространены, чем считалось ранее, и выполняют критическую функцию в регуляции клеточного pH у эволюционно далёких организмов.

Ключевой вывод работы заключается в том, что активность H+-каналов у кокколитофоридов зависит от внешнего pH. Эти результаты в конечном итоге позволят лучше понять, как фитопланктон реагирует на изменения химии океана, вызванные увеличением растворения атмосферного CO₂ в поверхностных водах.