Морские бактерии, живущие в темных глубинах океана, играют недавно открытую и важную роль в глобальном углеродном цикле, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Science.
"Темный океан" - все, что лежит ниже 200 метров - составляет 90 процентов океана. Очень мало известно о микроскопической жизни в этой области и ее решающей роли в преобразовании углекислого газа в клеточный материал, белки, углеводы и липиды. Этот свежевыработанный органический материал затем может потребляться другими морскими организмами, повышая продуктивность океана.
Большая часть темного океанического углерода улавливается в мезопелагической зоне, которая находится на глубине от 200 до 1000 метров под поверхностью океана. Идентичность микроорганизмов, осуществляющих этот процесс, и источники энергии, задействованные в нем, остаются большой загадкой. Анализируя геномы, обнаруженные в образцах морской воды из этой зоны, ученые из Лаборатории наук об океане Бигелоу определили некоторых из наиболее важных участников - нитрит-окисляющие бактерии.
«Мы знали, что эти бактерии существуют и участвуют в глобальном углеродном цикле, но их роль намного больше, чем предполагали ученые», - сказала Мария Пачиадаки, научный сотрудник лаборатории Бигелоу.
Эти бактерии получают энергию от окисления соединений азота. На их долю приходится менее 5 процентов микробных клеток темного океана, из-за чего ранее ученые сильно недооценивали их вклад. Это исследование показывает, что, несмотря на их относительно низкую численность, нитрит-окисляющие бактерии улавливают более 1,1 гигатонн углекислого газа в мезопелагической зоне ежегодно. Это сопоставимо с предыдущими оценками общего количества углерода, захваченного во всем темном океане.
Команда проанализировала состав микробных мезопелагических сообществ на основе генетической информации в образцах морской воды из 40 мест по всему миру. Затем они использовали инструменты геномики отдельных клеток, чтобы полностью секвенировать отдельные клетки и изучить их биологию на основе их генетических чертежей.
"До методов геномики темный океан был черным ящиком, потому что микроорганизмы из этой среды отказываются расти в исследовательских лабораториях", - сказал Рамунас Степанаускас, старший научный сотрудник лаборатории Бигелоу и директор Центра геномики отдельных клеток.. «Теперь с помощью современных инструментов, разработанных нашей группой, мы можем открыть этот черный ящик и понять, кто там живет, что они делают и как они это делают."
Исследование, лежащее в основе этой научной статьи, началось с попытки идентифицировать новые группы микроскопических организмов в мезопелагической зоне. По словам Пачиадаки, ранее принятое объяснение захвата углерода темным океаном при ближайшем рассмотрении не кажется правильным. Археям, гораздо более многочисленной группе микроорганизмов в темном океане, приписывали большую часть работы, но математика просто не складывалась. Команда отправилась на поиски неопознанных организмов, которые были настоящими чемпионами по улавливанию углекислого газа в бескрайнем темном океане.
Команда проанализировала почти 3 500 геномов бактерий и архей. Когда они не обнаружили никаких других организмов, которые имели метаболические пути для захвата углерода и которые встречались в достаточно большом количестве, они начали более внимательно изучать бактерии, окисляющие нитрит..
Около 100 проанализированных геномов были идентифицированы как бактерии, окисляющие нитрит, и команда отобрала и полностью секвенировала генетическую информацию 30 репрезентативных организмов.
«Если бы у нас не было геномных данных, мы, вероятно, никогда бы не подумали изучить влияние этих бактерий на углеродный цикл», - сказал Пачиадаки.
В ходе проекта современные методы геномики продолжали быстро развиваться, и Центр геномики отдельных клеток лаборатории Бигелоу добавил передовые технологии, которые позволили исследователям оценить диаметр клеток. Внезапно ученые увидели, что бактерии, окисляющие нитрит, были намного крупнее, чем многочисленные археи, которые, как считалось ранее, ответственны за большую часть захвата углерода в темном океане..
«Они могут составлять всего 5 процентов населения, но клетки нитрит-окисляющих бактерий в 50 раз больше», - сказал Пачиадаки.
Чтобы проверить свою гипотезу, команда провела серию экспериментов с сотрудниками из Венского университета. Исследовательская группа профессора Герхарда Херндла взяла пробы морской воды из мезопелагической зоны в нескольких местах Северной Атлантики и добавила углекислый газ, помеченный радиоактивной меткой. Это позволило им определить количество, поглощенное каждой группой микроорганизмов, что подтвердило доминирующую роль нитрит-окисляющих бактерий в захвате углерода.
«Эти результаты проливают новый свет на связь между циклами азота и углерода в недрах океана», - сказал Херндл. «Мы экспериментально продемонстрировали основную роль окислителей нитритов в улавливании углекислого газа в темном океане и выявили группу микробов, которым еще не уделялось должного внимания из-за их влияния на круговорот углерода в океане».