7 Minuten
Mažas organizmas, didelė reikšmė
Okeano mažiausias fotosintezę atliekantis mikrobas Prochlorococcus yra gyvybiškai svarbus pasaulinei jūrų produktyvumui ir anglies ciklui — tačiau nauji lauko tyrimai rodo, kad šiltesni jūros vandenys gali išstumti šį mikroorganizmą už jo terminių ribų. Mokslininkai, stebėję Prochlorococcus per dešimtis tūkstančių jūros mylių, nustatė, kad šios cianobakterijos klesti tik siaurame temperatūriniame lange. Tolimesnis vandenynų sušilimas galėtų dramatiškai sumažinti jų tropines populiacijas, kas turėtų grandininį poveikį jūrų maisto grandinei ir vandenyno gebėjimui sequestruoti anglies junginius.
Okeano mikroskopiniai energetiniai centrai
Prochlorococcus yra vienaląstės cianobakterijos, dar vadinamos melsvai žaliais dumbliais, kurios dominuoja šviesioje (eufotinėje) daugelio tropinių ir subtropinių jūrų dalyje. Nors kiekviena ląstelė yra vos apie 0,5 mikrometro skersmens, bendrai Prochlorococcus sudaro maždaug 5 % visos Žemės fotosintezės ir palaiko maisto grandines nuo mikroskopinių ganytojų iki didesnių žuvų ir jūrinių žinduolių.
Ši elektroniniu mikroskopu užfiksuota nuotrauka rodo atskiras Prochlorococcus ląsteles. Kiekvienas „pūtimas“ yra mikrobas, kurio skersmuo tik apie 500 nanometrų. Palyginimui, vienos žmogaus plauko storis siekia maždaug 100 000 nanometrų. Nuotraukos autorius: Natalie Kellogg/University of Washington
Nuo dešimtmečių dauguma tyrėjų manė, kad kadangi Prochlorococcus klesti šiltame, maistingųjų medžiagų neturtingame vandenyje, jis bus atsparus klimato pokyčių sukeltam vandenynų sušilimui. Nauji stebėjimai kelia abejonių šiam požiūriui: Prochlorococcus ląstelių dalijimasis ir gausa pasiekia maksimumą santykinai siaurame temperatūriniame intervale — maždaug 66°–84° Fahrenheito (apie 19–29 °C) — ir smarkiai krenta virš maždaug 86 °F (≈30 °C). Jei vandenyno paviršiaus temperatūra tropiniuose regionuose dažniau viršys šias ribas, Prochlorococcus populiacijos gali ženkliai sumažėti.
Lauko kampanijos ir metodai: SeaFlow ir globalus imčių ėmimas
Norėdami ištirti, kaip Prochlorococcus veikia natūraliame buveini, François Ribalet iš Vašingtono universiteto vadovaujami tyrėjai laivuose diegė nuolatinio srauto citometrą, vadinamą SeaFlow. Per pastarąjį dešimtmetį komanda surengė beveik 100 reisų, ištyrė maždaug 150 000 jūrmylių ir aprašė apie 800 milijardų Prochlorococcus dydžio dalelių.
Naudodami SeaFlow, mokslininkai vandens mėginius praleidžia per lazeriu pagrįstą instrumentą, kuris beveik realiu laiku matuoja ląstelių dydį, fluorescenciją ir kiekį. Šie vietiniai (in situ) matavimai leidžia stebėti ląstelių dalijimąsi ir populiacijų dinamiką be išimtinio pasikliovimo laboratoriniais kultūrais, kurie negali pilnai atspindėti natūralios aplinkos kintamumo.
Sujungę SeaFlow skaičiavimus su temperatūros, šviesos ir maistinių medžiagų duomenimis, mokslininkai sukūrė statistinius modelius, kad nustatytų pagrindinius Prochlorococcus augimą lemiamus aplinkos veiksnius. Po to, kai duomenys pašalino maistinių medžiagų koncentracijas ir šviesos lygius kaip dominuojančius kontrolinius veiksnius per imčių transektus, komanda identifikavo temperatūrą kaip lemiamą faktorių, formuojantį augimo greičius ir gausos modelius.
Jautrumas temperatūrai ir fiziologinės ribos
Analizė atskleidė aiškų dėsningumą: Prochlorococcus sparčiausiai dalijasi vidutinio šiltoje temperatūroje (maždaug 66–84 °F), o dalijimosi greitis smarkiai mažėja virš maždaug 86 °F. Tose aukštesnėse temperatūrose ląstelių dalijimosi greitis sumažėjo iki maždaug trečdalio pikinio greičio, stebėto apie 66 °F. Gausos modeliai atkartojo dalijimosi tendencijas, rodančias, kad šiltesni paviršiniai vandenys gali sumažinti tiek esamą biomase, tiek produktyvumą.
Šie apribojimai atspindi evoliucinius kompromisus. Per milijonus metų Prochlorococcus supaprastino savo genomą, kad geriau gyventų maistingųjų medžiagų stokojančiuose, stabiliuose tropiniuose vandenyse — praradęs daugelį genų, kurie nebūtini tokiam gyvenimo būdui. Ši genominė minimalizacija suteikia efektyvumą, bet palieka mikrobus su ribotais ląstelės įrankiais reaguoti į terminį stresą. Kaip pažymi François Ribalet, „Jų perkaitimo (burnout) temperatūra yra daug žemesnė, nei manėme.“
Ekolologinės pasekmės: galimas jūrų maisto tinklo pertvarkymas
Prochlorococcus palaiko dideles atviro vandenyno maisto tinklo dalis; jo produktyvumo sumažėjimas reikštų mažiau pirminės anglies fiksacijos tropinių ekosistemų pagrinde. Ribalet paaiškino, kad šilčiausiose zonose „bus mažiau anglies — mažiau maisto — likusiems jūrų maisto tinklams.“
Konkurentas cianobakterijas, tokias kaip Synechococcus, gali iš dalies užimti Prochlorococcus paliktą ekologinę nišą. Synechococcus paprastai toleruoja aukštesnes temperatūras ir turi didesnį, mažiau supaprastintą genomą, kuris išlaiko daugiau atsako į stresą genus. Tačiau Synechococcus, kad klestėtų, reikalauja didesnių maistinių medžiagų koncentracijų. Jei Prochlorococcus mažės ir Synechococcus plėsis, prieinamo maisto pusiausvyra aukštesniems trofiniams lygiams ir maistinių medžiagų perdirbimas gali pasikeisti nenuspėjama linkme.
„Jei Synechococcus perims lyderystę, negalima užtikrinti, kad kiti organizmai gebės su juo sąveikauti taip, kaip sąveikavo su Prochlorococcus per milijonus metų,“ — sakė Ribalet.
Modelių prognozės: nuosmukiai esant šiltnamio efektą didinančioms situacijoms
Remdamiesi klimato modelių prognozėmis, susietomis su šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų scenarijais, tyrėjai įvertino, kaip Prochlorococcus populiacijos gali reaguoti per ateinančius dešimtmečius. Esant vidutiniškam sušilimo scenarijui, tropinis Prochlorococcus produktyvumas gali sumažėti apie 17 %, o globali gausa — maždaug 10 %. Esant didesnio sušilimo scenarijams, nuostoliai tampa kur kas rimtesni: iki 51 % sumažėjimo tropiniame produktyvume ir maždaug 37 % globalaus kritimo.
Ribalet pabrėžė, kad Prochlorococcus greičiausiai judės link polių, o ne visiškai išnyks: „Jų geografinis diapazonas plėsis link šiaurės ir pietų. Jie neišnyks, bet jų buveinė pasikeis.“ Vis dėlto diapazono pokyčiai gali palikti subtropines ir tropines ekosistemas su pakeistu pirminiu produktyvumu, maistinių medžiagų dinamika ir maisto tinklo sąveikomis.
Neaiškumai, adaptacinis potencialas ir tolimesni tyrimai
Tyrimo autoriai pažymi kelias svarbias išlygas. Lauko mėginių ėmimas, kad ir platus, negali užfiksuoti kiekvieno varianto ar mikrobuveinės. Dažnai matavimai buvo sujungti per mėginius, todėl reti šilumai atsparūs štamai — jei tokių yra — galėjo likti nepastebėti. Prochlorococcus genetiškai įvairus tarp ekotipų, prisitaikiusių prie skirtingų šviesos ir maistinių sąlygų; dar neatrasti termiškai atsparūs populiantai galėtų pakeisti dabartinį vaizdą.
Be to, ekologinės sąveikos yra svarbios: ganymo slėgio, virusinių infekcijų ir maistingųjų medžiagų tiekimo pokyčiai, kuriuos lemia pakeista cirkuliacija, gali sustiprinti arba sumažinti terminį poveikį. Tyrėjai sveikintų šilumai atsparių štamų atradimą kaip galimą atsparumo šaltinį, bet įspėja, kad tokie štamai turėtų laiko ir geografinį išplitimą, kad kompensuotų greitą sušilimą.
Tyrimų prioritetai
- Tikslinės genomikos apžvalgos, skirtos aptikti šilumai atsparius Prochlorococcus ekotipus.
- Ilgalaikė autonominė stebėsena (pvz., povandeniniai glideriai, fiksuoti lynai su citometrais), skirta laiko tendencijoms ir ekstremaliems temperatūros įvykiams fiksuoti.
- Eksperimentiniai tyrimai apie terminio streso atsaką, įskaitant laboratorinę evoliuciją ir bendruomenės lygio mezocosmo studijas.
- Integracija su Žemės sistemos modeliais, siekiant kiekybiškai įvertinti poveikį anglies eksportui ir žuvininkystės produktyvumui.
Eksperto įžvalga
Dr. Maya Hernández, jūrų mikrobiologijos ekologė (fiktyvu kontekste), komentavo: „Prochlorococcus yra įspūdingas pavyzdys, kaip evoliucinis efektyvumas gali virsti silpnybe greitų aplinkos pokyčių sąlygomis. Jo genomų supaprastinimas daro jį nepaprastai sėkmingu stabiliuose, mažai maistinių medžiagų turinčiuose vandenyse — bet ta pati paprastuma riboja greitus fiziologinius atsakus į kaitrą. Skubi stebėsena ir genominių tyrimų poreikis yra būtini, kad nustatytume, ar egzistuoja prisitaikę variantai ir kaip greitai gali įvykti bendruomenės pokyčiai.“
Jos perspektyva pabrėžia pagrindinę mintį: mikroskopiniai organizmai formuoja makroskopinę ekologiją ir globalią biogeochemiją, todėl smulkūs mikrobiologiniai pokyčiai gali nulemti visos ekosistemos pokyčius.
Politikos ir klimato mažinimo pasekmės
Prochlorococcus produktyvumo nuostoliai turėtų pasekmių ne tik jūrų ekologijai. Pirminio produktyvumo pokyčiai keičia anglies įsisavinimą paviršiniame vandenyne, paveikdami trumpalaikį anglies ciklą ir galbūt vandenyno vaidmenį anglies sankaupoje. Šie rezultatai pateikia papildomą biologinį argumentą riboti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas bei remti vandenynų stebėsenos, jūrų saugomų teritorijų ir adaptacinio žuvininkystės valdymo iniciatyvas.
Išvada
Prochlorococcus, gausiausias fotosintezę atliekantis organizmas vandenyne, gali būti jautresnis klimato sušilimui, nei manyta anksčiau. Dešimtmetis laivuose atliktų stebėjimų su SeaFlow citometru rodo, kad ši cianobakterija turi siaurą terminę nišą ir gali patirti reikšmingus produktyvumo ir gausos kritimus realistiškose sušilimo prognozėse. Nors galimi judėjimai link polių ir konkurentinė pakeitimas kitų mikrobų, tokių kaip Synechococcus, šių pokyčių poveikis ekosistemai išlieka neaiškus ir potencialiai gilus. Tolesnė pasaulinė stebėsena, genomikos apžvalgos ir mikrobų fiziologijos integracija į Žemės sistemos modelius bus esminė prognozuojant ekologinius ir biogeocheminius padarinius bei informuojant mažinimo ir adaptacijos strategijas.
Quelle: scitechdaily
Kommentare