Удивительное разнообразие скрывается под поверхностью океана, где усердно трудятся крошечные микробы; преобразование углекислого газа из атмосферы в кислород, преобразование солнечного света в энергию и расщепление газообразного азота, чтобы он служил пищей. Исследователь Центра наук об окружающей среде Мэрилендского университета Виктория Коулз и ее команда разработали новый инструмент, который расширяет наше понимание того, как эти микробы поддерживают этот сложный химический состав океана.
Новая модель, опубликованная в журнале Science, моделирует влияние деятельности микробов на химический состав Северной Атлантики и предполагает, что океан, каким мы его знаем, формируется скорее метаболической функцией, чем эволюцией отдельных видов.. Это первая модель, которая фактически предсказывает гены и транскрипцию по всему океану.
«Модель предполагает, что не эволюция видов, а скорее эволюция микробного метаболизма определяет нашу современную химию океана», - сказала Виктория Коулз, доцент Центра наук об окружающей среде Университета Мэриленда в Хорн-Пойнт. Лаборатория.
Микробы подобны невидимым машинам, которые вместе выполняют биохимические преобразования, поддерживающие баланс и функции океана. В океане может обитать до 170 000 различных видов микробов, но мы почти ничего не знаем о функциях большинства из них. Тем не менее, все они работают вместе, чтобы заставить океан работать так, как мы его знаем.
«Большинство микробов мы не можем принести в лабораторию и изучить, потому что мы не знаем, как их выращивать», - сказал Коулз. «Как модель захватывает виды, которых мы еще не знаем и не можем выращивать? Мы решили начать с меньшего числа различных метаболических процессов, которые могут выполнять микробы. Мы создаем синтетические модельные организмы с различными функциями и бросаем их все в модель океана. Затем мы наблюдаем, как они разбираются в этом, и сравниваем предсказанные гены сообщества и транскрипты с прямыми наблюдениями».
Это что-то вроде SIM City, который строит-свой-собственный-мир, но для микробов. Добавьте в пул самых разнообразных персонажей и атрибуты, которые вы хотите, чтобы они имели, и посмотрите, что произойдет.
"Они либо выигрывают, либо проигрывают. Некоторые не работают. Если один отмирает, мы добавляем другой", - сказала она. «Это дает нам возможность в нашей модели адаптироваться к условиям окружающей среды, таким как загрязнение питательными веществами или изменение климата».
Коулз сказал, что исследователи много раз запускали эту новую модель с разными микробами, и каждый раз они устанавливали одни и те же основные закономерности биохимии в океане. Они обнаружили, что функция генов, на которую влияют местные условия окружающей среды, а не вид микроба, управляет биохимическими реакциями и процессами в модели. Другими словами, на биогеохимию океана влияет библиотека функций генов, доступных сообществу, а не распределение функций среди конкретных организмов.
«Все модели океанов, которые мы делаем, дают нам что-то похожее на сегодняшний океан», - сказала она. «Каждое сообщество действительно отличается в конце модели, но они делают одно и то же. Дело не столько в конкретных видах, сколько в процессе. Все микробы действуют вместе, чтобы попасть в среду, которую мы наблюдаем».
Например, процесс фиксации азота, когда газообразный азот, растворенный в океане, превращается в удобрение, может осуществляться такими растениями, как диатомовые водоросли, работающими вместе с цианобактериями, или только цианобактериями, но также и бактерии, которые не являются растениями и получают энергию из органических соединений. Каждый из них представляет собой совершенно разные организмы с разными линиями, которые выполняют одну и ту же метаболическую функцию.
«Модели, которые мы используем сегодня для понимания изменения климата, в основном основаны на распространенных микробах в современном океане. Они не включают редкие микробы, которые могут стать обычными в будущем», - сказала она. «Если среда океана изменится, эта модель может измениться и адаптироваться, чтобы мы могли получить более точные прогнозы о том, как может измениться биогеохимия океана».