Микробы океана демонстрируют синхронное поведение в разных бассейнах
Исследователи из Гавайского университета в Маноа и их коллеги обнаружили, что микробные сообщества в разных регионах Тихого океана демонстрируют поразительно схожие суточные ритмы метаболизма, несмотря на обитание в крайне разных условиях — богатых питательными веществами водах у побережья Калифорнии и бедных питательными веществами водах к северу от Гавайев. Более того, в каждом месте доминирующие фотоавтотрофы — светолюбивые бактерии, которым нужна солнечная энергия для фотосинтеза пищи из неорганических веществ — запускают каскадный эффект, в результате которого другие основные группы микробов выполняют свои метаболические действия согласованно и предсказуемо.
Как и ожидалось, в прибрежных водах и в открытом океане доминировали разные фотоавтотрофы. В отличие от них, многие другие гетеротрофные бактериальные группы были общими для обеих сред обитания. В исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые отслеживали, в какое время суток эти микробы включают и выключают гены, регулирующие ключевые метаболические процессы (так называемые «транскрипционные паттерны»). Бактериальные группы, общие для обеих экосистем, демонстрировали одинаковые транскрипционные паттерны и суточные ритмы — как если бы каждая группа выполняла предписанную ей роль в строго определенное время каждый день, даже несмотря на то, что эти сообщества разделены тысячами километров.
«Наша работа предполагает, что эти микробные сообщества в целом ведут себя сходным образом во всем океаническом бассейне и что специфические биологические взаимодействия между этими группами широко распространены в природе», — сказал Фрэнк Эйлуорд, ведущий автор исследования.
В исследовании использовался роботизированный пробоотборник Environmental Sample Processor (ESP), недавно разработанный соавтором Крисом Шолином и его коллегами из Института исследований аквариума Монтерей-Бей. ESP, движущийся в тех же океанских течениях, что и микробы, за которыми он следит, уникальным образом оборудован для сбора этих микробов каждые несколько часов, что позволяет исследователям точно измерять, когда включаются или выключаются различные гены у многих видов одновременно. Используя современные технологии «следующего поколения» для геномного анализа, Эйлуорд и коллеги смогли оценить суточные циклы экспрессии генов в природных микробных сообществах.
Обычно микробы из прибрежных (побережье Калифорнии) и открытых (Северный Тихоокеанский субтропический круговорот) вод рассматривались как совершенно разные сообщества, сформированные очень разными условиями окружающей среды. Например, воды вблизи Гавайев круглый год испытывают высокий уровень солнечного света и теплые температуры, в то время как прибрежные воды Калифорнии холоднее и подвержены выраженным сезонным изменениям.
«Однако, что удивительно, наша работа показывает, что эти чрезвычайно разные экосистемы демонстрируют очень схожие суточные циклы, обусловленные в основном солнечным светом и межвидовыми микробными взаимодействиями», — сказал Эйлуорд. «Это предполагает, что разные микробные сообщества по всему Тихому океану, и, вероятно, по всем водам планеты, ведут себя гораздо более упорядоченно, чем предполагалось ранее».
«В океане существует гораздо больше порядка, чем мы думали ранее, и в огромных пространственных масштабах», — отметил Эдвард ДеЛонг, старший автор статьи. «Каждый день, когда солнечный свет попадает на воду, происходит очень хорошо организованный каскад видовоспецифичных активностей, причем каждый микроб включается в очень точное время, каждый день. Такой предсказуемый паттерн может позволить нам лучше предсказывать конкретное время преобразования вещества и энергии, катализируемого микробами ежедневно».
Из-за больших объемов углекислого газа, связываемого микробами в океанах, эта работа важна для понимания факторов, формирующих глобальный углеродный цикл в биосфере. Поскольку взаимодействия между микробными группами, по-видимому, сохраняются в разных средах, эта работа также важна для понимания фундаментальных закономерностей того, как деятельность микроскопической жизни порождает экосистемные явления в гораздо больших масштабах.
Вместе с коллабораторами в новой инициативе на базе UH под названием Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE) команда надеется достичь более высокого разрешения по пространству и времени с помощью усовершенствованных роботизированных пробоотборников, разрабатываемых в MBARI. Это поможет точнее определить, как микробы взаимодействуют друг с другом в морской воде и как они реагируют на стимулы окружающей среды.