Микробы, которые обеспечивают естественное удобрение для океанов, «фиксируя» азот из атмосферы в форму, пригодную для использования другими организмами, когда-то считалось, что обитают только в теплых тропических и субтропических водах. Однако теперь исследователи зафиксировали фиксацию азота необычным типом цианобактерий в холодных водах Берингова и Чукотского морей.
«Это противоречит всем предположениям учебников о том, где происходит фиксация азота. Все математические модели поступления азота в океаны ограничены температурой из-за этого основного предположения», - сказал Джонатан Зер, профессор океанологии Калифорнийского университета. Санта-Крус и старший автор статьи о новых открытиях, опубликованной в понедельник, 10 декабря, в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Кэти Хардинг, аспирант лаборатории Зера и первый автор статьи, объяснила, что во многих частях океанов продуктивность ограничена наличием азота. «Фиксация азота питает пищевую цепочку в некоторых областях, поэтому важно понимать, каковы все источники», - сказала она.
Азотфиксация, обнаруженная Хардингом в Арктике, осуществляется организмом под названием UCYN-A, впервые обнаруженным группой Зера в открытом океане недалеко от Гавайев. Обнаружив ДНК, свидетельствующую о существовании ранее неизвестного азотфиксирующего микроба, лаборатория Зера в конце концов идентифицировала его как тип цианобактерий, странным образом лишенных способности к фотосинтезу. Наконец, в 2012 году они обнаружили, что он живет в тесном симбиозе с разновидностью мелких одноклеточных водорослей. В этом взаимовыгодном партнерстве UCYN-A обеспечивает фиксированный азот, а гаптофитная водоросль обеспечивает фиксированный углерод посредством фотосинтеза.
Тем временем Зер и другие исследователи обнаруживали недавно открытый UCYN-A во все более обширных районах океана, сначала в прибрежных водах, а затем в водах далеко на севере, вплоть до Датского пролива. UCYN-A нельзя вырастить в лаборатории, но его можно идентифицировать и выделить из проб воды с помощью сложных методов сортировки клеток и секвенирования генов.
Новое исследование показывает не только то, что он может существовать в Арктике, но и то, что он функционирует и фиксирует азот в арктических водах при температуре ниже 4 градусов по Цельсию (40 градусов по Фаренгейту). «Это не просто клетки, дрейфующие в Арктику океанскими течениями. Они активны и являются единственными настоящими цианобактериями, фиксирующими азот в Арктике», - сказал Зер.
Цианобактерии (когда-то ошибочно называемые сине-зелеными водорослями) - это бактерии, способные к фотосинтезу, подобно растениям, хотя UCYN-A, похоже, утратил эту способность. Только некоторые цианобактерии способны фиксировать азот, в том числе Trichodesmium, который когда-то считался основным источником фиксации азота в открытом океане. Однако триходезмий не растет в воде с температурой ниже 20 градусов по Цельсию (68 градусов по Фаренгейту).
Трудно измерить скорость фиксации азота в образцах воды и сказать, какой организм сколько делает, но я подозреваю, что если вы суммируете глобальную фиксацию азота с помощью UCYN-A, это будет существенная и, возможно, самая большая источник азота в океане», - сказал Зер.
Хотя его еще не нашли в Южном океане вокруг Антарктиды, Зер сказал, что это, вероятно, следующее место, где он будет его искать. Когда его сотрудники из Института морских наук Вирджинии впервые предложили исследовать Арктику, он колебался. «Я вообще не ожидал найти много азотфиксаторов, не говоря уже о азотфиксирующих цианобактериях. Это просто говорит о том, что вы не узнаете, пока не посмотрите», - сказал он..
«Один из интересных вопросов с биологической точки зрения заключается в том, как UCYN-A может выдерживать такой широкий диапазон температур, особенно когда температурный диапазон для Trichodesmium такой узкий», - сказал Хардинг.
Во время исследовательского круиза из Нома, Аляска, в сентябре 2016 года Хардинг и другие члены команды собрали и обработали образцы воды для анализа в лаборатории. Обработка на корабле включала инкубацию образцов с азотом-15, чтобы любой вновь фиксированный азот был помечен тяжелым изотопом. Это позволило исследователям измерить скорость фиксации азота и показать, что UCYN-A активно фиксировал азот. Вернувшись в лабораторию, они использовали флуоресцентную маркировку для идентификации UCYN-A и усовершенствованный метод масс-спектрометрии для обнаружения азота-15 в клетках UCYN-A и его водорослевого симбионта.
Скорость фиксации азота, измеренная ими в Чукотском море, была относительно низкой, но скорость фиксации в Беринговом море (при 10 градусах Цельсия) была аналогична той, которая была измерена в гораздо более теплых водах. На фиксацию азота с помощью UCYN-A приходится вся фиксация азота, измеренная в Беринговом море, но на ее долю приходится лишь часть общего количества азота в Чукотском море.
"Коэффициенты в Арктике довольно низкие, поэтому UCYN-A может быть там сейчас не очень важен. Но если потепление в Арктике продолжится, он будет становиться все более и более важным источником азота в арктических экосистемах", Зер сказал.
В дополнение к Хардингу и Зеру соавторами статьи являются исследователь Кендра Турк-Кубо из Калифорнийского университета в Санта-Круз, Рэйчел Сиплер и Дебора Бронк из Института морских наук Вирджинии и Мэтью Миллс из Стэнфордского университета. Эта работа финансировалась Национальным научным фондом и Фондом Саймонса.