7 Minutės
Mažas organizmas, didelė reikšmė
Mažiausias vandenynų fotosintezę atliekantis mikroorganizmas, Prochlorococcus, yra svarbus pasaulinei jūrų produktyvumui ir anglies cirkuliacijai — tačiau nauji lauko tyrimai rodo, kad šiltėjantys vandenys gali stumti šį mikroorganizmą už jo terminių ribų. Mokslininkai, stebėję Prochlorococcus per dešimtis tūkstančių mylių vandenyno, nustatė, kad šios cianobakterijos geriausiai klesti tik siaurame temperatūrų intervale. Tolimesnis vandenynų šilimas gali smarkiai sumažinti jų atogrąžų populiacijas, turėdamas grandininį poveikį jūrų maisto grandinei ir vandenyno gebėjimui išskirti anglies dalis.
Vandenyno mikroskopinės energijos stotys
Prochlorococcus yra vienaląstės cianobakterijos, dažnai vadinamos mėlyno-žaliais dumbliais, kurios dominuoja apšviestame (eufotiniame) daugelio atogrąžų ir subtropinių jūrų sluoksnyje. Nors kiekviena ląstelė yra vos apie 0,5 mikrometro pločio, Prochlorococcus kolektyviai prisideda maždaug prie 5 % Žemės fotosintezės ir palaiko maisto grandines nuo mikroskopinių grobuonių iki didesnių žuvų ir jūrų žinduolių.
Ši, elektroninio mikroskopo užfiksuota, nuotrauka rodo atskiras Prochlorococcus ląsteles. Kiekvienas taškelis yra mikrobas, kurio skersmuo vos 500 nanometrų. Palyginimui, vieno žmogaus plauko plotis yra apie 100 000 nanometrų. Kreditas: Natalie Kellogg/University of Washington
Dešimtmečiais tyrėjai manydavo, kad kadangi Prochlorococcus klesti šiltesniuose, maistingųjų medžiagų stokojančiuose vandenyse, jis bus atsparus klimato kaitos sukeliamam jūrų šilėjimui. Nauji stebėjimai kelia abejonių dėl šios prielaidos: Prochlorococcus ląstelių dalijimasis ir gausa piko fazėje pasireiškia santykinai siaurame terminiame intervale — maždaug 66°–84° F (apie 19–29 °C) — ir sparčiai krenta virš maždaug 86 °F (≈30 °C). Jei atogrąžų vandenyno paviršiaus temperatūros dažniau viršys šias ribas, Prochlorococcus populiacijos gali smarkiai sumažėti.
Field campaigns and methods: SeaFlow and global sampling
Norėdami ištirti, kaip Prochlorococcus elgiasi natūralioje aplinkoje, University of Washington vadovaujama komanda, kuriai vadovauja François Ribalet, įrengė nuolatinio srauto citometrą SeaFlow laivuose. Per pastarąjį dešimtmetį komanda atliko beveik 100 ekspedicijų, mėgindama maždaug 150 000 mylių vandenyno ir apibūdindama maždaug 800 milijardų Prochlorococcus dydžio dalelių.
Naudodami SeaFlow, mokslininkai vandenį leidžia per lazeriu pagrįstą prietaisą, kuris beveik realiu laiku matuoja ląstelės dydį, fluorescenciją ir gausą. Tokie in situ matavimai leidžia sekti ląstelių dalijimąsi ir populiacijų dinamiką neapsiribojant laboratoriniais kultūromis, kurios gali neatspindėti natūralios aplinkos kintamumo.
Sujungę SeaFlow skaičiavimus su temperatūros, šviesos ir maistinių medžiagų duomenimis, tyrėjai sudarė statistinius modelius, kad identifikuotų pagrindinius aplinkos veiksnius, lemiamus Prochlorococcus augimo. Išskyrus maistinių medžiagų koncentracijų ir šviesos lygio dominavimą per tirtus transektus, pagrindiniu augimo rodikliu jie nustatė temperatūrą.
Temperature sensitivity and physiological limits
Analizė atskleidė aiškų dėsningumą: Prochlorococcus greičiausiai dalijasi vidutiniškai šiltoje temperatūroje (apie 66–84 °F), tačiau dalijimosi greitis smarkiai krenta virš maždaug 86 °F. Tokiose aukštesnėse temperatūrose ląstelių dalijimosi sparta sumažėjo iki maždaug trečdalio piko spartos, stebėtos apie 66 °F. Gausos modeliai atitiko dalijimosi tempus, o tai rodo, kad šiltesni paviršiniai vandenys gali sumažinti tiek produktyvumą, tiek stovinčias atsargas.
Šios ribos atspindi evoliucinius kompromisus. Per milijonus metų Prochlorococcus supaprastino savo genomą, kad klestėtų maistingųjų medžiagų stokojančiuose, santykinai stabiliuose atogrąžų vandenyse — netekdamas daugelio genų, kurie nebuvo būtini tokiam gyvenimo būdui. Toks genominis minimalizmas suteikia efektyvumo, bet palieka mikroorganizmą ribotomis ląstelės priemonėmis reaguoti į terminį stresą. Kaip pažymėjo François Ribalet, „jų perkaitimo riba yra daug žemesnė, nei manyta anksčiau.“
Ecological consequences: a potential restructuring of the marine food web
Prochlorococcus palaiko dideles atviro vandenyno maisto grandinės dalis; jo produktyvumo sumažėjimas reikštų mažiau pirminės anglies įsisavinimo atogrąžų ekosistemų pagrinde. Ribalet paaiškino, kad karščiausiuose regionuose „bus mažiau anglies — mažiau maisto — likusioms jūrų maisto grandinės dalims.“
Konkurencinės cianobakterijos, tokios kaip Synechococcus, iš dalies galėtų užimti ekologinę nišą, paliktą Prochlorococcus. Synechococcus paprastai toleruoja aukštesnę temperatūrą ir turi didesnį, mažiau supaprastintą genomą, kuriame išlikę daugiau streso atsako genų. Tačiau Synechococcus klestėjimui reikalingos didesnės maistinių medžiagų koncentracijos. Jei Prochlorococcus mažės ir Synechococcus plėsis, tai gali pakeisti maisto prieinamumą aukštesniems trofinėms grandims bei maistinių medžiagų perdirbimo procesus taip, kaip sunku prognozuoti.
„Jeigu Synechococcus užims jų vietą, nėra garantijos, kad kiti organizmai galės su juo sąveikauti taip pat, kaip su Prochlorococcus milijonus metų,“ sakė Ribalet.
Model projections: declines under warming scenarios
Panaudodami klimato modelių projekcijas, susietas su šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų scenarijais, tyrėjai įvertino, kaip Prochlorococcus populiacijos gali reaguoti artimiausiais dešimtmečiais. Pagal vidutinio šilimo scenarijų atogrąžų Prochlorococcus produktyvumas gali sumažėti maždaug 17 %, o pasaulinė gausa — apie 10 %. Esant didesnio šilimo scenarijams, poveikis tampa žymiai didesnis: iki 51 % sumažėjimas atogrąžų produktyvume ir apie 37 % pasaulinė mažėjimo dalis.
Ribalet pabrėžė, kad Prochlorococcus greičiausiai perkelia savo arealą link polių, o ne išnyks visiškai: „Jų geografinis diapazonas plėsis link šiaurės ir pietų. Jie neišnyks, bet jų buveinė pasislinks.“ Vis dėlto arealo poslinkiai gali palikti subtropines ir atogrąžų ekosistemas su pakeistu pirminiu produktyvumu, maistinių medžiagų dinamika ir maisto grandinių sąveikomis.
Uncertainties, adaptive potential and future research
Tyrimo autoriai pažymi kelis svarbius neapibrėžtumus. Lauko mėginių ėmimas, nors ir platus, negali aprėpti kiekvieno potipio ar mikrobuveinės. Matavimai dažnai buvo sujungti per mėginius, todėl reti, karščiui atsparūs potipiai — jei jie egzistuoja — galėjo būti užmaskuoti. Prochlorococcus yra genetiškai įvairus, su ekotipais, prisitaikiusiais prie skirtingų šviesos ir maistinių medžiagų sąlygų; neatrastos terminį atsparumą turinčios populiacijos galėtų pakeisti esamą vaizdą.
Be to, ekologinės sąveikos yra reikšmingos: pasikeitęs gaudymo slėgis, virusų infekcijų dažnis ir maistinių medžiagų tiekimas, kurį lemia cirkuliacijos pokyčiai, gali sustiprinti arba sumažinti terminį poveikį. Tyrėjai sveikintų karščiui atsparių potipių atradimą kaip galimą atsparumo šaltinį, bet įspėja, kad tokiems potipiams kompensuoti greitą šilimą prireiktų laiko ir plataus geografinio ploto.
Research priorities
- Tikslingi genomikos tyrimai, skirti aptikti karščiui atsparius Prochlorococcus ekotipus.
- Ilgalaikis autonominis stebėjimas (pvz., glideriai, fiksuoti inkarai su citometrais), siekiant matuoti laiko tendencijas ir ekstremalius temperatūros įvykius.
- Eksperimentiniai darbai dėl terminio streso atsakų, įskaitant laboratorinę evoliuciją ir bendruomenės lygmens mezocosmų tyrimus.
- Integracija su Žemės sistemos modeliais, kad būtų įvertintas poveikis anglies eksportui ir žuvininkystės produktyvumui.
Expert Insight
Dr. Maya Hernández, jūrų mikrobų ekologė (fiktyvu kontekstui), komentavo: "Prochlorococcus yra ryškus pavyzdys, kaip evoliucinis efektyvumas gali tapti silpnybe greito aplinkos pokyčio sąlygomis. Jo genomų supaprastinimas daro jį nepaprastai sėkmingu stabiliose, mažai maistingųjų medžiagų turinčiose vietose — bet ta pati paprastumas riboja greitus fiziologinius atsakus į šilumą. Stebėsena ir genomikos darbai yra skubiai reikalingi, kad būtų nustatyta, ar egzistuoja prisitaikančios variacijos ir kaip greitai gali vykti bendruomenės pokyčiai."
Jos požiūris pabrėžia pagrindinę mintį: mikroskopiniai organizmai formuoja makroskopinės ekologijos ir pasaulinės biogeochemijos sąlygas, tad mažesni mikrobiologiniai pokyčiai gali atsiliepti visoms ekosistemoms.
Implications for policy and climate mitigation
Prochlorococcus produktyvumo nuostoliai turėtų pasekmių ne tik jūrų ekologijai. Pirminio produktyvumo pokyčiai keičia anglies įsisavinimą paviršiniame vandenyne, paveikdami trumpalaikę anglies cirkuliaciją ir galbūt vandenyno vaidmenį anglies sankaupoje. Šie rezultatai pateikia papildomą biologinį argumentą riboti šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimus ir remti tyrimus apie vandenyno stebėseną, jūrų saugomas zonas ir prisitaikančią žuvininkystės valdymą.
Conclusion
Prochlorococcus, labiausiai paplitęs fotosintetinantis organizmas vandenyne, gali būti labiau pažeidžiamas klimato šilimo, nei manyta anksčiau. Dešimtmetis laivuose atliktų stebėjimų naudojant SeaFlow citometrą rodo, kad ši cianobakterija turi siaurą terminę nišą ir susiduria su reikšmingu produktyvumo ir gausos mažėjimu pagal tikėtinas šilimo projekcijas. Nors galimi arealų poslinkiai link polių ir konkurencinis pakeitimas kitų mikrobų, tokių kaip Synechococcus, vis dar galimas, sisteminiai ekosistemų padariniai lieka neaiškūs ir potencialiai gilūs. Tolimesnė globali stebėsena, genomikos tyrimai ir mikrobų fiziologijos integravimas į Žemės sistemos modelius bus būtini prognozuojant ekologinius ir biogeochemijos rezultatus bei formuojant švelninimo ir prisitaikymo strategijas.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai