6 Minutės
Prochlorococcus: vandenynų mikrobas, turintis pasaulinę įtaką
Prochlorococcus yra labai mažas jūrinis cianobakterijų darinys, kuriam tenka disproporcingai didelė rolė Žemės biosferoje. Nors jis mikroskopinis, manoma, kad jis gyvena daugiau nei 75 % planetos apšviestų paviršinių vandenų ir per fotosintezę prisideda maždaug prie trečdalio pasaulinės jūrų deguonies gamybos. Dėl gausumo tropiniuose ir subtropiniuose atvirojo vandenyno plotuose jis palaiko maisto tinklus ir anglies apykaitą maistingumui skurdžiuose paviršiniuose vandenyse.
Nauja, daugelio metų analizė, kuriai vadovavo okeanografas François Ribalet iš Vašingtono universiteto, rodo, kad kylanti jūrų temperatūra galėtų sumažinti Prochlorococcus augimą ir produktyvumą labiau, nei buvo manyta anksčiau. Tyrimas sujungė išsamias laivo bandymų matavimus su statistiniais augimo modeliais, siekiant įvertinti, kaip laukiniai šio svarbaus mikrobo populiacijos reaguoja į temperatūrą natūralioje aplinkoje.
Field methods and dataset: directly measuring wild microbes
To move beyond lab-based estimates, the researchers sampled Prochlorococcus in its natural environment. Over 13 years and 90 research voyages they encountered and analyzed roughly 800 billion Prochlorococcus-sized cells. Measurements were taken with a shipboard flow cytometer co-developed by Ribalet specifically to detect and measure tiny phytoplankton like Prochlorococcus using laser-based optical detection. The instrument allowed minimally invasive quantification of cell abundance and cell-division proxies across broad latitudinal ranges.
Field methods and dataset: directly measuring wild microbes
Siekiant išeiti už laboratorinių įvertinimų ribų, tyrėjai mėgino Prochlorococcus jo natūralioje aplinkoje. Per 13 metų ir 90 tyrimų kelionių jie aptiko ir išanalizavo maždaug 800 milijardų Prochlorococcus dydžio ląstelių. Matavimai atlikti laive naudojant srautinį citometrą, kurį Ribalet bendradarbiaudamas sukūrė specialiai mažiems fitoplanktonams, tokiems kaip Prochlorococcus, aptikti ir tirti lazerinio optinio aptikimo metodu. Šis prietaisas leido minimaliai invazyviai kiekybiškai nustatyti ląstelių gausą ir ląstelių dalijimosi požymius per platų geografinį spektrą.
Šių in situ stebėjimų pagrindu komanda taikė patikrintus statistinius modelius, kad įvertintų augimo tempus skirtingose vandens temperatūrose ir regionuose. Rezultatai parodė aiškias platumos tendencijas ląstelių dalijimosi rodikliuose, kurios labiau koreliavo su jūros paviršiaus temperatūra nei su apšvieta ar maistinių medžiagų koncentracija.
Pagrindiniai atradimai: siauresnis temperatūrinis langas nei tikėtasi
Tyrimas parodė, kad Prochlorococcus geriausiai veikia vidutinio šilumos diapazone maždaug tarp 19 ir 28 °C (66–82 °F). Priešingai nei ankstesnės prielaidos, kad šis šilumai prisitaikęs genčias klestėtų toliau šylant, tyrėjai pastebėjo staigų ląstelių dalijimosi sumažėjimą esant temperatūrai virš maždaug 30 °C. Esant tokioms aukštesnėms temperatūroms, dalijimosi tempai sumažėjo iki maždaug vienos trečiosios lyginant su diapazono žemesne riba.
„Jų perkaitimo temperatūra yra daug žemesnė, nei manėme,“ – sakė Ribalet, apibendrindamas netikėtą jautrumą karščiausiuose tropiniuose vandenyse. Klimato modelių prognozės rodo, kad daugelis tropinių ir subtropinių paviršinių vandenų šimtmečio laikotarpiu gali viršyti Prochlorococcus optimalų viršutinį ribą įprastų šilimo scenarijų atveju.
Ekologinės ir biogeocheminės pasekmės
Kadangi Prochlorococcus yra toks gausus ir ženkliai prisideda prie pirminės produkcijos, jo produktyvumo mažėjimas sumažintų anglies ir organinės medžiagos kiekį, prieinamą aukštesniems trofiniams lygiams. Autoriai apskaičiavo, kad iki šimtmečio pabaigos tropinio Prochlorococcus produktyvumas gali sumažėti maždaug 17 % esant vidutiniškam šilimo scenarijui ir net iki 51 % esant stipriam šilimo trajektorijai. Pasauliniu mastu prognozuojami produktyvumo kritimai siekia apie 10 % (vidutinis) iki 37 % (stiprus).
Produktyvumo susitraukimas taip pat susijęs su platuminio persiskirstymo pokyčiais: tikimasi, kad Prochlorococcus arealas pasislinks link polių, plėsdamasis į aukštesnes platumas, tuo tarpu pusiaujo abundancijos mažės.
Konkurentai ir genominiai apribojimai
Prochlorococcus evoliucionavo taip, kad klestėtų šiltesniuose, maistingumui skurdžiuose paviršiniuose vandenyse: mažas ląstelės dydis ir supaprastintas genomas išsaugo būtinas funkcijas, atsisakant nereikalingų genų. Nors genomo redukcija suteikia efektyvumo esant mažam maistinių medžiagų kiekiui, ji taip pat galėjo eliminuoti tam tikrus senovinius streso atsako genus. Ši genominė minimalizmo strategija gali sumažinti mikrobo atsparumą greitiems temperatūros padidėjimams.
Šis pažeidžiamumas gali atverti vietos kitiems cianobakterijoms, pavyzdžiui, Synechococcus, kurie toleruoja aukštesnes temperatūras, bet dažniausiai reikalauja daugiau maisto medžiagų. Jei Synechococcus užpildys nišas, kurias paliks Prochlorococcus, mikrobinės maisto grandinės struktūra bei sąveikos su ganytojais ir virusais gali pasikeisti neprognozuojamai. „Jei Synechococcus užims jų vietą, nėra garantijos, kad kiti organizmai galės su juo sąveikauti taip pat, kaip su Prochlorococcus milijonus metų,“ pažymėjo Ribalet.
Apribojimai ir neapibrėžtumas
Autoriai pabrėžia savo požiūrio ribotumus. Laivo citometrija ir statistiniai modeliai galėjo neaptikti retų, karščiui atsparių Prochlorococcus štamų. Nors duomenų rinkinys apima daugelį vandenynų regionų, keli svarbūs tropiniai plotai nebuvo ištirti. Tyrėjai pateikia išvadas kaip paprasčiausią paaiškinimą, atitinkantį turimus duomenis, tačiau pripažįsta, kad karščiui atsparių genotipų atradimas pakeistų prognozes ir galėtų suteikti tam tikrą atsparumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Aisha Khan, sugalvota jūrų mikrobinės ekologijos specialistė iš Scripps okeanografijos instituto, komentuoja: "Šis tyrimas suteikia svarbių in situ įrodymų, kurie patikslina mūsų supratimą apie mikrobinės termines nišas. Laboratoriniai eksperimentai yra būtini, tačiau lauko matavimai atspindi bendruomenių atsaką tikrojo pasaulio kintamume. Jei Prochlorococcus produktyvumas sumažės, kaip prognozuojama, turėtume laukti kaskadinių pasekmių jūrų anglies srautams ir maisto tinklams, priklausantiems nuo mikrobinės pirminės produkcijos."
Platesnis kontekstas ir ateities perspektyvos
Šie rezultatai pabrėžia, kaip klimato sukeliami pokyčiai gali turėti sudėtingą ir ne linijinį poveikį pagrindinėms rūšims. Prochlorococcus nėra vienalytė populiacija, o ekotipų rinkinys su skirtingu tolerancijos laipsniu; tęstinis genominis ir ekologinis monitoravimas bus būtinas norint aptikti adaptacinius atsakus arba atsirandančius karščiui atsparius štamus. Autonominio mėginių ėmimo, didelio pralaidumo sekvenavimo ir nuotolinio stebėjimo pažanga pagerins erdvinį ir laiko aprėptį bei sumažins neapibrėžtumus.
Stebėjimų in situ išlaikymas ir plėtra, mikrobinės fiziologijos integravimas su pasauliniais klimato modeliais bei bendruomenės sudėties pokyčių sekimas bus būtini žingsniai prognozuojant, kaip jūrų ekosistemos ir globalūs biogeocheminiai ciklai reaguos į tolesnį vandenynų šilimą.
Išvada
Nauji lauko matavimai rodo, kad Prochlorococcus, svarbus fotosintetinis mikrobas, prisidedantis prie maždaug trečdalio Žemės deguonies gamybos, gali būti jautresnis vandenynų šilimui nei rodė laboratoriniai duomenys. Optimalus augimas stebėtas tarp 19 ir 28 °C, o virš maždaug 30 °C pastebimi ryškūs nuosmukiai. Prognozuojamas šilimas gali ženkliai sumažinti Prochlorococcus produktyvumą tropiniuose vandenynuose ir paslinkti jo arealą link polių, turint galimų pasekmių jūrų maisto grandinėms ir anglies apykaitai. Nors išlieka neaiškumų ir spragų – ypač dėl retų karščiui atsparių štamų – tyrimas pabrėžia ilgalaikių in situ stebėjimų svarbą, siekiant pagrįsti projekcijas apie vandenynų ekosistemų reakcijas į klimato kaitą.
Šaltinis: nature
Komentarai