Миль под поверхностью океана, в темной бездне, обширные сообщества подводных микробов в глубоководных горячих источниках преобразуют химические вещества в энергию, которая позволяет глубоководным обитателям выживать и даже процветать в мире без солнечного света. Однако до сих пор измерить продуктивность микробных сообществ подводного дна - или скорость их окисления химических веществ и количество производимого ими углерода - было почти невозможно..
Новое исследование, проведенное учеными Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI), показало, что эти основанные на микробах экосистемы удивительно продуктивны и играют важную роль в поддержании жизни на более высоких ступенях пищевой цепи в голодающих глубинах океана. По их оценкам, во всем мире микробные сообщества глубоководных гидротермальных жерл могут ежедневно производить более 4000 тонн органического углерода, который является строительным материалом жизни. Это примерно такое же количество углерода в 200 синих китах, что делает эти экосистемы одними из самых продуктивных в океане в пересчете на объем. Исследование опубликовано в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 11 июня 2018 г..
"Мы обнаружили, что микробные сообщества, живущие под морским дном в жерлах, могут генерировать такое же количество углерода, как и хорошо известные сообщества животных над морским дном, такие как трубчатые черви, которые, как известно, столь же продуктивны, как и экосистемы тропических лесов", - сказал Стефан Зиверт, микробиолог WHOI и старший автор исследования. «Значительное количество углерода, которое эти организмы производят ежедневно, является важным источником пищи и энергии для других организмов в глубоком море, где углерода, как правило, намного меньше». По мере того как углерод от разлагающихся морских организмов опускается из поверхностных вод в глубокие, бактерии и другие микроорганизмы пережевывают его, пока он не превратится в морские хрящи.«То, что спускается с поверхности на эти глубины, не так уж много и не очень подходит для глубоководной жизни», - сказал Джесси МакНикол, проводивший эту работу в качестве доктора философии. студент WHOI и первый автор исследования.
Микробы в жерлах получают энергию для жизни и роста посредством хемосинтеза, питаясь химическим коктейлем из горячих гидротермальных флюидов, исходящих из океанской коры. А они, в свою очередь, составляют основу пищевой сети, обеспечивая пищей другие организмы, которым требуется предварительно сформированное органическое вещество, как и людям.
«Таким образом, микробы играют важную роль, создавая новые источники углерода, которые могут потреблять другие организмы», - сказал МакНикол. «Исходя из относительно небольшой площади, которую жерла занимают на морском дне, общая производительность там внизу невелика по сравнению с тем, что мы видим на поверхности, но немного может иметь большое значение в глубоком море, и это также создает горячие точки активности. возле вентиляционных отверстий."
Измерение продуктивности микробных сообществ морского дна оказалось непростой задачей. Для этого исследователи собрали образцы микробов из хорошо изученного жерла на Восточно-Тихоокеанском возвышении, известного как Crab Spa. Вентиляционные жидкости собирались в контейнеры для отбора проб воды, известные как изобарические газонепроницаемые пробоотборники (IGT), которые предназначены для поддержания экстремальных давлений естественной глубоководной среды, где живут микробы. «Если вы поднимете пробоотборники на поверхность, не поддерживая давление, существующее на морском дне, - объяснил Джефф Сивальд, геохимик из WHOI, разработавший эти пробоотборники и являющийся соавтором исследования, - газы, растворенные в жидкости, будут газы, как если бы вы открыли бутылку газированной воды. Это может изменить химический состав жидкости и активность микробов."
В лаборатории поддерживалось глубоководное давление и температура, в то время как исследователи добавляли в образцы химические вещества, такие как нитраты, газообразный водород и газообразный кислород. С помощью этого процесса ученые смогли измерить скорость, с которой микробы потребляли определенные химические вещества, и то, насколько эффективно они превращали их в биомассу, что является критическим параметром для определения продуктивности микробной экосистемы.
Для этого ученые WHOI объединились с исследователями в Лейпциге, Германия, чтобы использовать новый аналитический метод, известный как NanoSIMS, позволяющий им сопоставлять идентичность микробов с их скоростью производства углерода в различных условиях инкубации в уровень отдельных микробных клеток, показывая, что микробы, известные как Campylobacteria (ранее известные как Epsilonproteobacteria), были доминирующими производителями углерода.
«Некоторые из микробов в инкубации удвоили свою популяцию всего за несколько часов», - сказал Зиверт. «Это указывает на очень активную биосферу морского дна в глубоководных жерлах».
Учитывая критическую роль, которую эти микробные сообщества играют в глубоком океане, ученые ищут новые и более рутинные способы измерения продуктивности в милях под поверхностью моря. Недавно Зиверт вместе с микробиологом WHOI Крейгом Тейлором, микробным биогеохимиком Джереми Ричем из Университета штата Мэн и инженерами WHOI получили финансирование от Национального научного фонда для разработки нового типа инструмента для отбора проб, известного как Vent-Submersible Incubation Device («Вент-погружное инкубационное устройство»). Vent-SID ), который дополняет подход на основе IGT.
«Он предназначен для инкубации микробов и измерения их активности прямо на морском дне», - объяснил Зиверт, сводя к минимуму время до начала инкубации после взятия образца. Двигаясь вперед, ученые также планируют измерить микробную продуктивность в других жерлах по всему мировому океану, чтобы уточнить оценки, полученные в настоящем исследовании..
Мы изучали один тип вентиляционной системы, который довольно распространен, но мы хотели бы посмотреть на другие вентиляционные отверстия, где есть много других химических веществ, таких как водород, например, и посмотреть, будет ли производительность ценности значительно меняются», - сказал МакНикол.