6 Minuten
Prochlorococcus: vandenyno mikrobas su pasauline įtaka
Prochlorococcus yra mažytė jūrinė cianobakterija, atliekanti disproporcingai svarbų vaidmenį Žemės biosferoje. Nors mikroskopinis, manoma, kad jis užima daugiau nei 75 % planetos apšviestų paviršinių vandenų ir per fotosintezę prisideda maždaug prie trečdalio pasaulinės jūrinės deguonies gamybos. Jo gausa tropiniuose ir subtropiniuose atviro vandenyno rajonuose padeda palaikyti maisto tinklus ir anglies ciklą maistingųjų medžiagų neturtinguose paviršiniuose vandenyse.
Naujas daugelio metų analizės, kuriai vadovavo okeanografas François Ribalet iš Vašingtono universiteto, rodo, kad kylanti jūrų temperatūra gali sumažinti Prochlorococcus augimą ir produktyvumą būdais, kurie anksčiau buvo nepakankamai įvertinti. Tyrimas sujungė plačius laivuose atliktus matavimus su statistiniais augimo modeliais, kad įvertintų, kaip laukinės šio svarbaus mikrobų populiacijos reaguoja į temperatūrą in situ.
Lauko metodai ir duomenų rinkinys: tiesioginis laukinių mikroorganizmų matavimas
Siekdami pereiti nuo laboratorinių spėjimų, tyrėjai mėgino Prochlorococcus jo natūralioje aplinkoje. Per 13 metų ir 90 mokslinių reisų jie aptiko ir išanalizavo maždaug 800 milijardų Prochlorococcus dydžio ląstelių. Matavimai buvo atliekami laivui skirtu srautiniu citometru, kurį kartu su Ribalet kūrė tam, kad lazerine optine detekcija nustatytų ir išmatuotų smulkias fitoplanktono rūšis, tokias kaip Prochlorococcus. Šis prietaisas leido minimaliai invazyviai kiekybiškai nustatyti ląstelių gausą ir ląstelių dalijimosi rodiklius per plačius platuminius intervalus.
Remdamiesi šiomis in situ stebėsenomis, tyrėjai taikė patikrintus statistinius modelius, kad įvertintų augimo greičius skirtingose vandens temperatūrose ir regionuose. Rezultatai parodė aiškias platumines ląstelių dalijimosi tendencijas, kurios buvo labiau susijusios su jūros paviršiaus temperatūra nei su šviesos kiekiu ar maistinių medžiagų koncentracija.
Pagrindiniai rezultatai: siauresnis temperatūrinis diapazonas nei tikėtasi
Tyrimas nustatė, kad Prochlorococcus geriausiai veikia vidutiniškai šiltame diapazone maždaug nuo 19 iki 28 °C (66–82 °F). Priešingai nei ankstesnės prielaidos, kad šilumai prisitaikiusi gentis klestėtų esant tolesniam atšilimui, tyrėjai pastebėjo staigų ląstelių dalijimosi sumažėjimą esant temperatūroms virš ~30 °C. Tokiose aukštesnėse temperatūrose dalijimosi greičiai sumažėjo iki maždaug trečdalio lyginant su greičiais, fiksuotais diapazono žemajame tolerancijos lygyje.
„Jų perkaitimo temperatūra yra daug mažesnė, nei manėme,“ sakė Ribalet, apibendrindamas netikėtą jautrumą karščiausiuose tropikų vandenyse. Klimato modelių prognozės rodo, kad daugelyje tropikų ir subtropikų paviršinių vandenų šio optimalaus Prochlorococcus viršutinio ribos viršijimas galimas per šimtmetį pagal įprastas atšilimo prognozes.
Ekologinės ir biogeocheminės pasekmės
Kadangi Prochlorococcus yra labai gausus ir žymiai prisideda prie pradinės produkcijos, jo produktyvumo mažėjimas sumažintų anglies ir organinės medžiagos kiekį, prieinamą aukštesniems trofinėms grandinėms. Autoriai apskaičiavo, kad iki šimtmečio pabaigos tropinio Prochlorococcus produktyvumas gali sumažėti apie 17 % pagal vidutinio stiprumo atšilimo scenarijų ir net iki 51 % pagal stipraus atšilimo trajektoriją. Pasauliniu mastu prognozuojami produktyvumo sumažėjimai siekė maždaug 10 % (vidutinis) iki 37 % (stiprus).
Produktyvumo susitraukimas taip pat susijęs su platumos persiskirstymu: tikimasi, kad Prochlorococcus arealas pasislinks link polių, plėsdamasis į didesnes platumas, tuo tarpu ekvatorių užimančios populiacijos mažės.
Konkurentai ir genominiai apribojimai
Prochlorococcus evoliucionavo taip, kad klestėtų šiltuose, maistingųjų medžiagų neturtinguose paviršiniuose vandenyse, pasižymėdamas mažomis ląstelėmis ir supaprastintu genomu, kuris išlaiko būtinąsias funkcijas, atsikratydamas nebūtinais genais. Nors geno kiekio sumažinimas suteikia efektyvumo pranašumą esant maistinių medžiagų stokai, jis taip pat galėjo pašalinti tam tikrus senovinius streso atsako genus. Toks genominis minimalizmas gali sumažinti mikrobo atsparumą greitiems temperatūros padidėjimams.
Šis pažeidžiamumas gali atverti kelią kitoms cianobakterijoms, tokioms kaip Synechococcus, kurios toleruoja aukštesnę temperatūrą, bet paprastai reikalauja daugiau maistinių medžiagų. Jei Synechococcus užims nišas, paliktas Prochlorococcus, mikrobinio maisto tinklo struktūra ir sąveikos su ganytojais bei virusais gali pasikeisti nenuspėjamais būdais. „Jei Synechococcus užims vietą, nėra garantijos, kad kitos organizmų rūšys sugebės sąveikauti su ja taip, kaip jos sąveikavo su Prochlorococcus milijonus metų,“ pažymėjo Ribalet.
Apribojimai ir nežinomybės
Autoriai pabrėžia savo požiūrio ribotumus. Laivų citometrija ir statistiniai modeliai gali nepakankamai aptikti retas, aukštai temperatūrai atsparias Prochlorococcus atmainas. Nors duomenų rinkinys apima daug vandenynų regionų, keli svarbūs tropiniai rajonai nebuvo ištirti. Tyrėjai pristato savo išvadas kaip paprasčiausią esamų duomenų paaiškinimą, pripažindami, kad karščiui atsparių genotipų atradimas pakeistų prognozes ir suteiktų galimą atsparumą.
Eksperto įžvalga
Dr. Aisha Khan, išgalvota jūrų mikrobiologė iš Scripps Institution of Oceanography, komentuoja: „Šis tyrimas pateikia svarbius in situ įrodymus, kurie tikslina mūsų supratimą apie mikrobių termines nišas. Laboratoriniai eksperimentai yra būtini, tačiau laukiniai matavimai užfiksuoja bendruomenių atsaką realaus pasaulio kintamume. Jei Prochlorococcus produktyvumas sumažės, kaip prognozuojama, turėtume tikėtis kaskadinių poveikių vandenynų anglies srautams ir maisto tinklams, priklausantiems nuo mikrobinės pirminės produkcijos.“
Platesnis kontekstas ir ateities perspektyvos
Šie rezultatai pabrėžia, kaip klimato pokyčiai gali turėti sudėtingą ir nelinijinį poveikį pamatinėms rūšims. Prochlorococcus nėra vienalytė populiacija, o ekotipų rinkinys su skirtinga tolerancija; nuolatinė genominė ir ekologinė stebėsena bus esminė norint aptikti adaptacinius atsakus arba atsirandančias karščiui atsparias atmainas. Pažanga autonominio mėginių ėmimo, didelio pralaidumo sekoskaitos ir nuotolinio stebėjimo srityse pagerins erdvinį ir laikinį aprėptį bei sumažins nežinomybę.
In situ stebėjimo programų palaikymas ir plėtra, mikrobų fiziologijos integravimas su pasauliniais klimato modeliais bei bendruomenės sudėties pokyčių stebėjimas bus būtini žingsniai prognozuojant, kaip jūrų ekosistemos ir pasauliniai biogeocheminiai ciklai reaguos į tolesnį vandenynų atšilimą.
Išvados
Nauji lauko matavimai rodo, kad Prochlorococcus, pagrindinis fotosintetinis mikrobas, kuris padeda pagaminti apie trečdalį Žemės deguonies, gali būti jautresnis vandenynų atšilimui nei rodė laboratoriniai duomenys. Optimalus augimas stebėtas esant 19–28 °C, o virš ~30 °C pastebėti ryškūs sumažėjimai. Prognozuojamas atšilimas gali žymiai sumažinti Prochlorococcus produktyvumą tropiniuose vandenynuose ir pasukti jo arealą link polių, kas gali turėti pasekmių jūrų maisto tinklams ir anglies ciklui. Nors išlieka nežinomybės ir spragos — ypač dėl retų karščiui atsparių atmainų — tyrimas pabrėžia ilgalaikių in situ stebėjimų svarbą rengiant prognozes apie vandenynų ekosistemų atsaką į klimato kaitą.
Quelle: nature
Kommentar hinterlassen