Новое многолетнее исследование ученых из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI) впервые показало, как изменения температуры океана влияют на ключевые виды фитопланктона. В исследовании, опубликованном в выпуске журнала Science от 21 октября, отслеживались уровни Synechococcus - крошечной бактерии, распространенной в морских экосистемах - у побережья Массачусетса в течение 13 лет. Исследование показало, что по мере повышения температуры океана в это время ежегодное цветение Synechococcus происходило на четыре недели раньше, чем обычно, потому что клетки делились быстрее в более теплых условиях.
Подобные сдвиги могут оказать серьезное влияние на морские экосистемы во всем мире, говорит биолог WHOI Хайди Сосик, которая инициировала исследование. «Синехококк и другой фитопланктон - это часовые. Они могут рассказать нам, как экосистема реагирует на изменения климата», - говорит она. «Если температура океана продолжит повышаться в течение следующего столетия, в некоторых экосистемах все больше и больше будет доминировать мелкий фитопланктон, что в конечном итоге приведет к сдвигам, которые могут повлиять на средства к существованию более крупных видов, таких как рыбы, киты и птицы».
Этот переход к более мелкому фитопланктону, однако, не является верным. Хотя Сосик и ее коллеги заметили, что клетки Synechococcus размножаются быстрее, чем обычно, по мере потепления условий, общий размер цветения фитопланктона не сильно увеличился в ходе исследования. Команда обнаружила, что по мере того, как бактерии росли быстрее, они также быстрее поглощались крошечными простейшими, вирусами и другими одноклеточными организмами, которые охотятся на Synechococcus. В результате общий уровень бактерий оставался примерно одинаковым из года в год, хотя время цветения смещалось раньше или позже в зависимости от температуры воды..
"Это было для нас неожиданностью", - говорит Сосик. «Мы не ожидали такой тесной связи между Synechococcus и потребителями, поскольку весеннее цветение изменилось. Это показывает, что потребители могут не отставать». В результате, по ее словам, этот баланс приводит к одинаковому циклу цветения из года в год, только со сдвигом во времени.
«Вопрос в том, насколько стабилен этот баланс?», - добавляет Кристен Хантер-Севера, ведущий автор статьи и выпускница совместной программы MIT-WHOI по океанографии. «Смогут ли потребители в будущем не отставать? Несоответствие вызывает огромную озабоченность. Если цветение расширяется или перемещается в начале года, организмы более высокого уровня, которые рассчитывают питаться этими потребителями в определенное время года, могут полностью скучаю по ним."
Команда WHOI смогла определить скорость деления Synechococcus с помощью математической модели и данных автоматизированного датчика, разработанного Сосик и ее коллегой из WHOI Робом Олсоном под названием «FlowCytobot», который непрерывно брал пробы морской воды в течение 13 лет. Устройство специально ищет физические характеристики клеток Synechococcus, которые имеют диаметр примерно один микрометр и содержат соединения, которые светятся оранжевым и красным цветом в лазерном свете. Подсчет клеток с помощью этого метода позволил исследователям обнаружить только один вид фитопланктона из тысяч в морской воде - впервые такой долгосрочный эксперимент смог сделать это..
«Рассмотрение физиологии на уровне видов - это своего рода святой Грааль в морской экологии», - говорит Сосик. «Каждый вид взаимодействует с окружающей средой по-своему, поэтому, чтобы понять влияние чего-то вроде температуры, очень важно иметь возможность наблюдать за одним из них. Делая это каждый час, каждый день, каждый год, мы получили очень высокую оценку. разрешение изображения. Там нет ничего подобного."
Предыдущие эксперименты наблюдали за фитопланктоном в течение длительного периода времени с использованием спутниковых изображений, отмечает Сосик, но такого рода дистанционное зондирование может дать исследователям только общую картину всех видов фитопланктона и не может показать, что происходит с отдельными видами фитопланктона. определенного вида организма. Даже существующий «золотой стандарт» анализа одного вида фитопланктона - его идентификация вручную в пробах морской воды - имеет свои ограничения.
Хотя метод предлагает очень точное представление о конкретном виде, говорит Сосик, опираясь на полевые образцы, можно получить только «моментальный снимок» одного конкретного момента в океане.
Цитобот Flow, однако, предлагает лучшее из обоих миров: он достаточно чувствителен, чтобы измерять изменения у одного вида, и может делать это круглосуточно, позволяя исследователям видеть мельчайшие изменения в популяции фитопланктона в течение длительных периодов времени.. «Теперь, когда у нас есть подходящая технология для изучения популяций фитопланктона во временных масштабах от часов до недель, мы получаем гораздо лучшее понимание того, что контролирует продуктивность прибрежных океанических экосистем», - говорит Дэвид Гаррисон, директор отдела биологической океанографии Национального научного фонда. программа, которая предоставила финансирование для исследования.
Тот факт, что Flow Cytobot мог измерять Synechococcus так долго и с такими регулярными интервалами, стал возможен благодаря его установке в прибрежной обсерватории Мартас-Винъярд (MVCO), платформе инструментов, размещенной недалеко от побережья острова Массачусетс.. Кабели, передающие как питание, так и данные, проходят между MVCO и небольшой лабораторией на берегу, что позволяет датчикам на платформе круглосуточно находиться под водой и отправлять обновления в реальном времени при выполнении любых измерений.
Хотя MVCO является небольшой обсерваторией, отмечает Сосик, в настоящее время строятся гораздо более крупные океанские обсерватории у тихоокеанского и атлантического побережья США и в других местах по всему миру. Эти новые сети могут позволить проводить аналогичные исследования в будущем, предлагая детальное изучение океанических экосистем по всему миру. «Наблюдение за такой шкалой времени и с таким разрешением было бы невозможно без океанских обсерваторий», - говорит Сосик. «Я надеюсь, что мы сможем инвестировать в технологию пробоотборника и обнаружения, которая также сможет в полной мере использовать преимущества этих новых платформ. Это действительно гораздо более сложный способ измерения экосистем, чем наши существующие методы».