Новое исследование показывает, что «горячие точки» питательных веществ, окружающие фитопланктон - крошечные морские водоросли, производящие примерно половину кислорода, которым мы дышим каждый день, - играют огромную роль в выделении газа, участвующего в формировании облаков и климата. регулирование.
Новое исследование дает количественную оценку того, как конкретные морские бактерии перерабатывают ключевое химическое вещество под названием диметилсульфониопропионат (DMSP), которое в огромных количествах производится фитопланктоном. Это химическое вещество играет ключевую роль в том, как сера и углерод потребляются микроорганизмами в океане и выбрасываются в атмосферу.
Сообщение об этой работе опубликовано в журнале Nature Communications в статье аспиранта Массачусетского технологического института Черри Гао, бывшего профессора гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Романа Стокера (сейчас профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха) в сотрудничестве с Жан-Батист Райна и профессор Джастин Сеймур из Технологического университета Сиднея в Австралии и еще четверо.
Более миллиарда тонн DMSP ежегодно производится микроорганизмами в океанах, что составляет 10 процентов углерода, который поглощается фитопланктоном - основным «поглотителем» углекислого газа, без которого парниковый газ накапливаться в атмосфере еще быстрее. Но то, как именно это соединение обрабатывается и как его различные химические пути влияют на глобальные циклы углерода и серы, до сих пор не было хорошо изучено, говорит Гао.
«DMSP является основным источником питательных веществ для бактерий», - говорит она. «Он удовлетворяет до 95 процентов бактериальной потребности в сере и до 15 процентов бактериальной потребности в углероде в океане. Таким образом, учитывая повсеместное распространение и изобилие DMSP, мы ожидаем, что эти микробные процессы будут играть важную роль в глобальном цикле серы.."
Гао и ее коллеги генетически модифицировали морскую бактерию под названием Ruegeria pomeroyi, заставив ее флуоресцировать при активации одного из двух различных путей процессинга DMSP, что позволило проанализировать относительную экспрессию процессов при различных условиях. условия.
Один из двух путей, называемый деметилированием, производит питательные вещества на основе углерода и серы, которые микробы могут использовать для поддержания своего роста. Другой путь, называемый расщеплением, производит газ, называемый диметилсульфидом (ДМС), который, как объясняет Гао, «является соединением, ответственным за запах моря. Я действительно много чувствовал запах океана в лаборатории, когда экспериментировал."
ДМС - это газ, ответственный за большую часть серы, полученной биологическим путем, которая попадает в атмосферу из океанов. Попадая в атмосферу, соединения серы становятся ключевым источником конденсации молекул воды, поэтому их концентрация в воздухе влияет как на режим выпадения осадков, так и на общую отражательную способность атмосферы за счет образования облаков. Понимание процесса, ответственного за большую часть этого производства, может быть важно во многих отношениях для уточнения климатических моделей.
Эти последствия для климата объясняются тем, «почему нам интересно знать, когда бактерии решают использовать путь расщепления, а не путь деметилирования», чтобы лучше понять, сколько важного ДМС вырабатывается при каких условиях, говорит Гао.. «Этот вопрос оставался открытым в течение как минимум двух десятилетий».
Новое исследование показало, что концентрация DMSP в непосредственной близости регулирует путь, который используют бактерии. Ниже определенной концентрации преобладало деметилирование, но выше уровня около 10 микромолей доминировал процесс расщепления.
Что нас действительно удивило, так это то, что в ходе экспериментов с искусственными бактериями мы обнаружили, что концентрации ДМСП, в которых преобладает путь расщепления, выше, чем ожидалось, - на порядки выше, чем средняя концентрация в океане., - говорит она.
Это говорит о том, что этот процесс вряд ли происходит в типичных условиях океана, заключили исследователи. Скорее, микромасштабные «горячие точки» с повышенной концентрацией ДМСП, вероятно, ответственны за очень непропорциональное количество глобального производства ДМС. Эти микромасштабные «горячие точки» представляют собой области, окружающие определенные клетки фитопланктона, где присутствуют чрезвычайно высокие количества DMSP, примерно в тысячу раз превышающие среднюю концентрацию в океане..
«На самом деле мы провели эксперимент по совместной инкубации между сконструированными бактериями и фитопланктоном, производящим ДМСП», - говорит Гао. Эксперимент показал, что, «действительно, бактерии увеличили экспрессию пути производства ДМС, ближе к фитопланктону».
Новый анализ должен помочь исследователям понять ключевые детали того, как эти микроскопические морские организмы своим коллективным поведением влияют на глобальные биогеохимические и климатические процессы, говорят исследователи.
В исследовательскую группу входили постдоки Массачусетского технологического института и ETH Zurich Висенте Фернандес и Канг Су Ли, аспирант Симона Фениция и профессор Георг Понерт из Университета Фридриха Шиллера в Германии. Работа была поддержана Фондом Гордона и Бетти Мур, Фондом Саймонса, Национальным научным фондом и Австралийским исследовательским советом.