Исследовательская группа под руководством USC обнаружила, что морские микробы с особым метаболизмом распространены повсеместно и могут играть важную роль в том, как Земля регулирует климат.
Исследование показало, что бактерий, содержащих родопсины, пигмент, поглощающий солнечный свет, больше, чем считалось ранее. В отличие от водорослей, они не вытягивают углекислый газ (CO2) из воздуха. И их, вероятно, станет больше в потеплении океанов, сигнализируя о перетасовке микробных сообществ в основании пищевой цепи, где происходит кропотливая работа по преобразованию энергии..
«Океаны важны для изменения климата, потому что они играют ключевую роль в углеродном цикле. Понимание того, как это работает, и вовлеченных морских организмов, помогает нам совершенствовать наши климатические модели для прогнозирования климата в будущем», - сказала Лаура. Гомес-Консарнау, доцент (исследование) биологии в Колледже литературы, искусств и наук USC Dornsife.
Исследование опубликовано сегодня в журнале Science Advances. Гомес-Консарнау - ведущий автор международной группы ученых из Калифорнии, Китая, Великобритании и Испании.
Выводы расходятся с традиционной интерпретацией морской экологии, которую можно найти в учебниках, согласно которой почти весь солнечный свет в океане захватывается хлорофиллом водорослей. Вместо этого бактерии, оснащенные родопсином, функционируют как гибридные автомобили, приводимые в движение органическими веществами, когда они доступны, как и большинство бактерий, и солнечным светом, когда питательных веществ не хватает.
Родопсины были обнаружены 20 лет назад, и с тех пор ученые из Университета Южной Калифорнии и других стран изучают их распространенность и метаболизм. Эти микробы имеют светочувствительные белковые системы в своих клеточных мембранах, которые улавливают солнечный свет, адаптация аналогична тому, как палочки и колбочки в человеческом глазу собирают свет.
В этом исследовании в 2014 году исследователи проследили полосу длиной 3000 миль в восточной части Атлантического океана и Средиземного моря. и в каких условиях им отдается предпочтение.
Они обнаружили, что фотосистемы родопсина были гораздо более распространены, чем считалось ранее, и сконцентрированы в бедных питательными веществами водах. В таких олиготрофных зонах они превосходят водоросли в улавливании света. В то время как водоросли используют солнечный свет и CO2 для производства органического материала и кислорода, пигменты родопсина используют свет для производства аденозинтрифосфата, основного источника энергии, который управляет многими клеточными процессами.
«Родопсины, по-видимому, более распространены в бедном питательными веществами океане, и в будущем океан будет более бедным питательными веществами по мере изменения температуры», - объяснил Гомес-Консарнау. «Таким образом, с меньшим количеством питательных веществ у поверхности водоросли будут иметь ограниченный фотосинтез, а процесс родопсина будет более обильным. В будущем у нас может произойти сдвиг, а это означает, что океан не сможет поглощать столько углерода, сколько поглощает. Таким образом, в атмосфере может оставаться больше газа CO2, и планета может нагреваться быстрее.
Пока компьютерное моделирование того, каким может быть глобальное потепление в будущем, еще не объясняет этот микробный сдвиг.
Предыдущие исследования показали, что родопсины составляют около 80% морских бактерий, основываясь на генетическом анализе. Но это первое исследование, которое фактически измеряет их концентрацию в океане и места, где они любят собираться.
Исследование подчеркивает, как ученые изучают новые пути, с помощью которых организмы получают энергию для жизни. Например, им давно известно, что растения и водоросли используют хлорофилл для преобразования солнечного света и питательных веществ в сахара; действительно, около половины всего фотосинтеза на Земле осуществляется водорослями на поверхности океана. И они обнаружили жизнь на дне, поддерживаемую химической энергией минералов и химических соединений, выделяемых из глубоководных вулканических жерл. В ходе этого исследования они узнали, что бактерии, которые долгое время считались в экосистеме главными разлагателями, на самом деле могут функционировать в качестве основного производителя энергии на поверхности океана.
«По нашим оценкам, учитывая концентрацию, обнаруженную в морской воде, родопсины могут захватывать больше световой энергии, чем хлорофилл в океане», - сказал Гомес-Консарнау.
"Эти результаты изменяют фундаментальное предположение о том, что морская биосфера питается только солнечным светом, захваченным хлорофиллом во время фотосинтеза водорослей."
Это также означает, что через несколько лет микробные сообщества, вероятно, изменятся, что приведет к уменьшению фиксации углерода в океане. Гомес-Консарнау сказал, что для полной оценки того, как полученные данные влияют на способность океана поглощать парниковые газы, необходимо переоценить потоки CO2 в морских системах, а будущие климатические модели должны будут включать эту бактерию. метаболизм.
Исследование финансировалось организацией Marie Curie Actions-International Outgoing Fellowships (253970); грант Национального научного фонда США (OCE1335269); Фонд Саймонса (№ 50972); Инициатива по морской микробиологии Фонда Гордона и Бетти Мур (№ 3779); Проект MAR в Испании (CTM2011-30010-C02-MAR); и Университет Данди как зарегистрированная шотландская благотворительная организация (SC015096).