Новые результаты экспедиции Tara Oceans, проведенной в сотрудничестве между Tara Ocean Foundation и группами из CNRS, EMBL, CEA, Université Sorbonne Université и Université Paris Science Lettres в период с 2009 по 2013 год - сегодня они объединены в CNRS Research Federation Tara Oceans в рамках проекта GO-SEE - показать, что разнообразие и функции планктонных видов в мировом океане резко меняются в зависимости от широты.
Первые результаты экспедиции Tara Oceans 2009-2013 гг. предоставили научному сообществу прочную основу, описывающую разнообразие и взаимодействие планктона в тропических и умеренных регионах океана. Теперь два исследования - одно под руководством Люси Зингер и Криса Боулера в ENS - PSL и CNRS в Париже; другой Шиничи Сунагава из ETH Zürich, Швейцария. Вместе с учеными консорциума Tara Oceans они делают еще один шаг вперед, используя новые данные кругосветного плавания вокруг Полярного круга, проведенного в Северном Ледовитом океане в 2013 году. Это наборы планетарного масштаба. данных секвенирования и визуализации, полученных в Genoscope (CEA) и на Морской биологической станции в Роскофе и Вильфранше/Мер (CNRS и Университет Сорбонны).
Эти результаты, опубликованные 14 ноября в журнале Cell, показывают, что планктонные виды распределяются неравномерно и могут по-разному приспосабливаться к условиям окружающей среды между экватором и полюсами. Ожидается, что эти результаты будут иметь серьезные экологические, экологические и экономические последствия в случае повышения температуры океана выше определенного порога.
Наряду с недавним Специальным отчетом МГЭИК «Океан и криосфера в условиях меняющегося климата» эти исследования дают дополнительные сведения о потенциальном воздействии изменения климата на морское биоразнообразие. Как показали Claudet et al. (см. перспективу «Единая Земля», также опубликованную 14 ноября), наука остро нуждается в разработке данных, которые могут лучше информировать политику для реализации жизнеспособных решений в области устойчивого развития, а также оперативных и преобразующих действий, которые могут лучше влиять на общество, начиная с от локального до глобального масштаба. Это важные шаги, поскольку мы приближаемся к COP25 в декабре и к предстоящему Десятилетию наук об океане в интересах устойчивого развития Организации Объединенных Наций.
Градиент разнообразия и активности планктонных видов от экватора к полюсам
Океан часто называют единственной непрерывной экосистемой на планете и основой здоровья Земли. Астрономическое количество вирусов, микробов и мелких животных, дрейфующих морскими течениями, - все вместе называемых «планктоном» - играют решающую роль: они составляют основу морской пищевой цепи, улавливают большую часть атмосферного углекислого газа и выделяют кислород посредством фотосинтеза..
Первая группа, возглавляемая Люси Зингер, доцентом ENS - PSL, и Крисом Боулером, директором по исследованиям CNRS в Париже (Франция), проанализировала данные, собранные со 189 станций отбора проб по всему миру во время экспедиции Tara Oceans. Их цель состояла в том, чтобы определить движущие силы разнообразия всех основных планктонных групп, чтобы составить карту их распределения в глобальном масштабе и получить представление о том, как они могут реагировать на изменение климата. Ученые объединили новые и уже опубликованные генетические данные для идентификации видов и современный анализ изображений для оценки количества каждого вида, присутствующего в образцах. «Наши результаты ясно показывают, что разнообразие планктона более важно вокруг экватора и уменьшается к полюсам», - объясняет Люси Зингер. «Существование таких широтных градиентов разнообразия хорошо известно для большинства наземных организмов и было описано Александром фон Гумбольдтом 200 лет назад. Интересное совпадение, что мы можем доказать его справедливость для большинства планктонных групп в глобальном океане, от гигантских вирусов до мелких многоклеточных животных, к 250-летию со дня его рождения."
Параллельно группа под руководством Шиничи Сунагавы, доцента кафедры исследований микробиома в ETH-Zürich (Швейцария), работала над массивными наборами данных секвенирования ДНК и РНК Tara Oceans, которые были созданы CEA-Genoscope, и опубликованы сегодня вместе с документами, чтобы создать новый глобальный каталог из 47 миллионов генов океанских микробов, который теперь распространяется на полюса.
Команда использовала эти данные для анализа активности микробных сообществ путем измерения продуктов транскрипции генов, называемых метатранскриптомом. Другими словами, они проанализировали, какие гены активно экспрессируются в микробных геномах, чтобы понять способность микробов адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. «Этот анализ позволил нам изучить не только то, на что способны океанские микробы, но и то, что они на самом деле делают в глобальном масштабе. Мы обнаружили механизмы, влияющие на транскриптомы сообществ бактерий и сообществ архей, а значит, и на их адаптацию к новым условиям среды., чтобы быть очень разными на экваторе и на полюсах», - говорит Шиничи Сунагава.
Температура - ключевой параметр микробного распространения и активности в океане
Градиент разнообразия и функции, наблюдаемые у видов бактерий, не изменяются регулярно с увеличением широты. Микробная активность и разнообразие остаются стабильными между экватором и 40° широты (север или юг), затем они меняются быстро, ступенчато, примерно до 60° широты (север или юг), где начинается новое стабильное состояние.
Эти две экологические границы (одна к северу от экватора, другая к югу) соответствуют физико-химическим изменениям в поверхностных водах, главным образом резкому падению температуры. Состав и количество микробных популяций по обе стороны этой границы сильно различаются. Новые карты разнообразия планктона, созданные командой под руководством Люси Зингер, показывают, что сходные границы существуют для всех планктонных видов, от бактерий, архей, протистов и зоопланктона до большинства вирусов. Здесь также температура является основным фактором, объясняющим эти закономерности, а доступность ресурсов стоит на втором месте.
К «тропизации» умеренных и полярных районов океана
Первостепенное влияние температуры на распространение планктонных видов вызывает очевидные вопросы в современном контексте изменения климата. Основываясь на самых последних и точных моделях IPCC, группа Люси Зингер в сотрудничестве с Лораном Боппом из ENS-PSL предсказала, как может развиваться биоразнообразие планктона. Хотя эти результаты нуждаются в уточнении и подтверждении, они ясно показывают, что более высокие температуры океана, вероятно, вызовут «тропизацию» умеренных и полярных океанических регионов с более высокими температурами воды и увеличением разнообразия планктонных видов.
Умеренные и полярные воды в настоящее время очень важны по нескольким экологическим и экономическим причинам: они играют решающую роль в улавливании атмосферного углерода и хранении его в океане; это очень активные районы рыболовства, и большие районы этих вод охраняются, чтобы обеспечить убежище для исчезающих видов. Однако ожидается, что самые важные изменения в разнообразии, предсказанные командой Люси Зингер, произойдут в этих областях, что, вероятно, изменит связанные экосистемы и будет иметь серьезные последствия во всем мире.
От теплых до полярных вод, какие механизмы реагирования задействованы?
Ни одна современная модель не может точно предсказать, как океанские экосистемы будут адаптироваться к изменению климата. Тем не менее, исследование, проведенное Шиничи Сунагавой и его командой, дает нам представление о задействованных механизмах, по крайней мере, в отношении планктонных бактерий и архей. Как правило, микробные сообщества могут адаптироваться к изменениям окружающей среды двумя различными способами: во-первых, адаптируя свой метаболизм и, следовательно, свои модели экспрессии генов, чтобы максимально использовать новые условия. Во-вторых, они могут заменить своих менее приспособленных видов-членов более приспособленными. Изучение транскриптомов позволило ученым разобраться, какой адаптивный механизм преобладает в той или иной среде.
Микробные популяции в более теплых водах - между 40° северной широты и 40° южной широты - более разнообразны и извлекают выгоду из большого пула генов, которые можно включать или выключать в случае, если для адаптации необходимы новые характеристики. В результате виды могут адаптировать свой метаболизм и продолжать процветать. Однако в полярных водах разнообразие микробных видов и генов гораздо меньше, и планктонные сообщества адаптируются за счет смены видов, а не дифференциальной экспрессии генов. Это говорит о том, что экологическая ниша этих видов более узкая, и некоторые из них могут адаптируют свой метаболизм в ответ на потепление океана. Впоследствии они потенциально могут исчезнуть и быть заменены новыми видами из более теплых вод.
Таким образом, более теплые и более холодные воды представляют собой две экосистемы с различными механизмами адаптации для их микробных популяций. Этот результат указывает на потенциально очень разные реакции на изменение климата в разных регионах наших океанов.
Ключевые моменты
- Разнообразие видов планктона варьируется в зависимости от широты
- Прогнозируемые будущие изменения разнообразия планктона могут иметь значительные биогеохимические и экономические последствия
- Адаптационные механизмы планктонных микробных сообществ в ответ на изменение климата различны в теплых и холодных водах
- Планктонные микробы в полярных водах более приспособлены к своей экологической нише, чем в теплых водах. В результате они могут быть менее способны адаптироваться к будущим изменениям климата.