Азотный цикл в океане: невидимая основа морской жизни

Хотя жизнь на Земле углеродная, ключевую роль играет и другой элемент — азот. Его цикл, менее известный, чем углеродный, критически важен для баланса природы.

Азот составляет около 78% атмосферы в виде стабильного газа N₂. Большинство растений и животных не могут его усваивать. Сначала он должен быть "зафиксирован" — превращён в реактивную форму, например, в аммиак. Это делают особые микроорганизмы — диазотрофы, многие из которых живут в океане. С помощью специализированного фермента они расщепляют связь в молекуле N₂ и создают соединения, доступные для других организмов.

"Океаны становятся всё более важным источником пищи для человечества, а фиксация азота критически важна для поддержания многих морских пищевых сетей", — говорит Дуг Капон, профессор биологических наук в USC Dornsife College.

Его исследования посвящены тому, как морские микробы влияют на перемещение ключевых элементов, включая углерод и азот.

Изучение глобальной фиксации азота

Понимание факторов, влияющих на фиксацию азота в океане, может помочь будущим поколениям безопасно и устойчиво "возделывать" океаны.

Капон в соавторстве с Джонатаном Зером из UC Santa Cruz недавно опубликовал книгу Marine Nitrogen Fixation (Springer, 2021), обобщающую современные знания в этой области. Оба учёных — признанные авторитеты в исследовании морской фиксации азота.

Капон изучает этот процесс с 1970-х годов, начиная с фиксации азота в зарослях тропической морской травы Thalassia (черепашьей травы). Диазотрофы, живущие на её листьях и корнях, являются ключевым источником азота в бедных питательными веществами тропических водах.

Симбиоз экспертиз

Зер работал постдоком в лаборатории Капона в 1980 году. Он создал одну из лучших модельных систем для изучения функциональных генов в окружающей среде, используя гены, непосредственно связанные с фиксацией азота, для поиска и характеристики ранее неизвестных микробов.

Зер открыл важный симбиоз двух микроорганизмов в верхних слоях океана:

1. Хозяин-водоросль (эукариот, автотроф) — фиксирует углерод.
2. Маленькая цианобактерия — фиксирует N₂.

Они обмениваются метаболитами, и эта цианобактерия играет важнейшую роль в фиксации азота в океане.

Капон отмечает, что их с Зером сотрудничество — тоже своего рода симбиоз: "Во многом мы дополняем друг друга — Джон в молекулярной биологии, физиологии и биогеографии фиксации азота, я — в экологии и биогеохимии".

В своей книге, предназначенной для учёных и студентов, они подробно описывают текущее понимание глобальной морской фиксации азота: какие микроорганизмы её осуществляют, где обитают и как на них влияют факторы среды, включая вызванные человеком изменения (потепление и закисление океана). При этом многое в физиологии и регуляции фиксации N₂ ещё предстоит изучить.