Фитопланктон, улавливающий углерод, колонизировал океан, сплавляясь по частицам хитина

Новости сегодня - Фитопланктон, улавливающий углерод, колонизировал океан, сплавляясь по частицам хитина

Новое исследование показывает, что фитопланктон, улавливающий углерод, колонизировал океан, сплавляясь по частицам хитина.

По всему океану миллиарды и миллиарды растительноподобных микробов образуют невидимый плавучий лес. Дрейфуя, крошечные организмы используют солнечный свет, чтобы поглощать углекислый газ из атмосферы. В совокупности этот фотосинтезирующий планктон, или фитопланктон, поглощает почти столько же CO ₂ , сколько наземные леса мира. Измеримая часть их мышц, улавливающих углерод, поступает от Prochlorococcus — свободно плавающего изумрудного оттенка, который сегодня является самым распространенным фитопланктоном в океанах.

Но прохлорококки не всегда обитали в открытых водах. Предки микроба, вероятно, держались ближе к побережью, где питательные вещества были в изобилии, а организмы выживали в общих микробных матах на морском дне. Как же тогда потомки этих обитателей побережья оказались сегодня фотосинтезирующими электростанциями открытого океана?

Ученые Массачусетского технологического института считают, что рафтинг был ключом. В новом исследовании они предполагают, что предки Prochlorococcus приобрели способность цепляться за хитин — деградировавшие частицы древних экзоскелетов. Микробы путешествовали по проплывающим мимо хлопьям, используя частицы как плоты, чтобы отправиться дальше в море. Эти хитиновые плоты, возможно, также обеспечивали необходимые питательные вещества, подпитывая и поддерживая микробы во время их путешествия.

Укрепленные таким образом поколения микробов, возможно, получили возможность развить новые способности, чтобы приспособиться к открытому океану. В конце концов, они развились бы до такой степени, что могли бы прыгнуть с корабля и выжить как свободно плавающие обитатели океана, которые живут сегодня.

«Если бы прохлорококки и другие фотосинтезирующие организмы не колонизировали океан, мы бы смотрели на совсем другую планету», — говорит Роджер Браакман, научный сотрудник Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS). «Именно тот факт, что они смогли прикрепиться к этим хитиновым плотам, позволил им закрепиться в совершенно новой и огромной части биосферы планеты, что навсегда изменило Землю».

Браакман и его сотрудники представляют свою новую гипотезу «хитинового плота», а также эксперименты и генетические анализы, подтверждающие эту идею, в исследовании, опубликованном на этой неделе в PNAS .

Соавторами из Массачусетского технологического института являются Джованна Каповилья, Грег Фурнье, Джулия Шварцман, Синда Лу, Алексис Йелтон, Элейн Томас, Джек Пайетт, Курт Кастро, Отто Кордеро и профессор Института Массачусетского технологического института Салли (Пенни) Чисхолм, а также коллеги из различных учреждений, включая Океанографический институт Вудс-Хоул.

Странный ген

Prochlorococcus — одна из двух основных групп, принадлежащих к классу, известному как пикоцианобактерии, которые являются самыми маленькими фотосинтезирующими организмами на планете. Другая группа — это Synechococcus, близкородственный микроб, который в изобилии встречается в океане и пресноводных системах. Оба организма живут за счет фотосинтеза.

Но оказывается, что некоторые штаммы Prochlorococcus могут вести альтернативный образ жизни, особенно в слабоосвещенных регионах, где трудно поддерживать фотосинтез. Эти микробы «миксотрофны», они используют для роста сочетание других стратегий захвата углерода.

Исследователи в лаборатории Чизхолма искали признаки миксотрофии, когда наткнулись на общий ген у нескольких современных штаммов Prochlorococcus. Этот ген кодирует способность расщеплять хитин, богатый углеродом материал, получаемый из отслоившихся панцирей членистоногих, таких как насекомые и ракообразные.

«Это было очень странно», — говорит Каповилья, которая решила углубиться в находку, когда присоединилась к лаборатории в качестве постдока.

Для нового исследования Каповилла провела эксперименты, чтобы увидеть, действительно ли Prochlorococcus может расщеплять хитин полезным способом. Предыдущая работа в лаборатории показала, что ген, разлагающий хитин, появился у штаммов Prochlorococcus, живущих в условиях низкой освещенности, и у Synechococcus. Ген отсутствовал у прохлорококков, населяющих более освещенные солнцем регионы.

В лаборатории Каповилла вводил частицы хитина в образцы штаммов при слабом и ярком освещении. Она обнаружила, что микробы, содержащие этот ген, могут разлагать хитин, и из них, по-видимому, только прохлорококки, адаптированные к слабому свету, выиграли от этого разрушения, поскольку в результате они, по-видимому, также росли быстрее. Микробы также могли прилипать к хитиновым чешуйкам — результат, который особенно заинтересовал Браакмана, изучающего эволюцию метаболических процессов и то, как они повлияли на экологию Земли.

«Люди всегда спрашивают меня: как эти микробы колонизировали ранний океан?» он говорит. «И когда Джио проводил эти эксперименты, был момент «ага»».

Браакман задался вопросом: мог ли этот ген присутствовать у предков Prochlorococcus таким образом, что позволял прибрежным микробам прикрепляться к хитину и питаться им, а затем перемещаться на хлопьях в море?

Это все во времени

Чтобы проверить эту новую гипотезу «хитинового плота», команда обратилась к Фурнье, который специализируется на отслеживании генов разных видов микробов на протяжении всей истории. В 2019 году лаборатория Фурнье создала эволюционное дерево для тех микробов, у которых обнаружен ген, разлагающий хитин. На этом дереве они заметили тенденцию: микробы начинают использовать хитин только после того, как членистоногие становятся многочисленными в конкретной экосистеме.

Чтобы гипотеза о хитиновых плотах подтвердилась, этот ген должен был присутствовать у предков Prochlorococcus вскоре после того, как членистоногие начали колонизировать морскую среду.

Команда изучила летопись окаменелостей и обнаружила, что водные виды членистоногих стали многочисленными в раннем палеозое, около полумиллиарда лет назад. Согласно эволюционному дереву Фурнье , это также происходит примерно в то время, когда ген, разрушающий хитин, появляется у общих предков Prochlorococcus и Synecococchus.

«Время очень удачное», — говорит Фурнье. «Морские системы наполнялись этим новым типом органического углерода в форме хитина, точно так же, как гены , использующие этот углерод, распространялись среди всех различных типов микробов. И движение этих частиц хитина внезапно открыло микробам возможность действительно выйти в открытый океан».

Появление хитина могло быть особенно полезным для микробов, живущих в условиях низкой освещенности, например, вдоль прибрежного морского дна, где, как считается, жили древние пикоцианобактерии. Для этих микробов хитин был столь необходимым источником энергии, а также выходом из их общей прибрежной ниши.

Браакман говорит, что, попав в море, микробы-сплавщики стали достаточно крепкими, чтобы выработать другие приспособления для жизни в океане. Миллионы лет спустя организмы были готовы «сделать решающий шаг» и превратиться в свободно плавающих фотосинтезирующих прохлорококков, существующих сегодня.

«В конце концов, речь идет об экосистемах, развивающихся вместе», — говорит Браакман. «С помощью этих хитиновых плотов и членистоногие, и цианобактерии смогли проникнуть в открытый океан. В конечном итоге это способствовало возникновению современных морских экосистем».

Новости партнеров: