«Темный океан» – все, что находится ниже 200 метров, составляет 90 процентов океана. Очень мало известно о микроскопической жизни в этой сфере и ее решающей роли в преобразовании углекислого газа в клеточный материал, белки, углеводы и липиды.
Этот свежеприготовленный органический материал может затем потребляться другими морскими организмами, повышая продуктивность океана.
Большая часть темного углерода океана улавливается в мезопелагической зоне, которая находится на глубине от 200 до 1000 метров ниже поверхности океана.
Идентификационные данные микроорганизмов, выполняющих этот процесс, и задействованные источники энергии остаются большой загадкой. Анализируя геномы, обнаруженные в образцах морской воды из этой зоны, ученые из Лаборатории океанических наук Бигелоу определили некоторых из наиболее значимых факторов – нитритокисляющие бактерии.
«Мы знали, что эти бактерии присутствуют и участвуют в глобальном углеродном цикле, но их роль намного больше, чем предполагалось ранее», – сказала Мария Пачиадаки, научный сотрудник лаборатории Бигелоу.
Эти бактерии получают энергию от окисления соединений азота.
На их долю приходится менее 5 процентов микробных клеток в темном океане, что ранее заставляло ученых сильно недооценивать их вклад. Это исследование показывает, что, несмотря на их относительно низкую численность, нитритокисляющие бактерии улавливают более 1.1 гигатонна углекислого газа в мезопелагиали ежегодно. Это сопоставимо с предыдущими оценками общего количества углерода, захваченного во всем темном океане.
Команда проанализировала состав микробных мезопелагических сообществ на основе генетической информации в образцах морской воды из 40 мест по всему миру.
Затем они использовали инструменты геномики отдельных клеток, чтобы полностью секвенировать отдельные клетки и исследовать их биологию на основе своих генетических схем.
«До появления методов геномики темный океан был черным ящиком, потому что микроорганизмы из этой среды отказываются расти в исследовательских лабораториях», – сказал Рамунас Степанаускас, старший научный сотрудник лаборатории Бигелоу и директор Центра геномики единичных клеток. «Теперь, используя современные инструменты, разработанные нашей группой, мы можем открыть этот черный ящик и понять, кто там живет, что они делают и как они это делают."
Исследование, лежащее в основе этой научной статьи, началось с попытки идентифицировать новые группы микроскопических организмов в мезопелагической зоне. По словам Пачиадаки, ранее принятое объяснение улавливания углерода в темном океане не казалось правильным при внимательном рассмотрении. Архей, гораздо более многочисленная группа микроорганизмов в темном океане, приписывали большую часть работы, но математика просто не складывалась.
Команда намеревалась обнаружить неопознанные организмы, которые были настоящими чемпионами по улавливанию углекислого газа в огромном темном океане.
Команда проанализировала около 3500 геномов бактерий и архей.
Когда они не нашли никаких других организмов, у которых были метаболические пути для захвата углерода и которые встречались в достаточно большом количестве, они начали внимательнее изучать нитритокисляющие бактерии.
Около 100 проанализированных геномов были идентифицированы как нитритокисляющие бактерии, и команда отобрала и полностью секвенировала генетическую информацию 30 репрезентативных организмов.
«Если бы у нас не было геномных данных, мы, вероятно, никогда бы не подумали изучить влияние этих бактерий на углеродный цикл», – сказал Пачиадаки.
На протяжении всего проекта современные методы геномики продолжали быстро развиваться, и Центр геномики единичных клеток лаборатории Бигелоу добавил передовые технологии, которые позволили исследователям оценивать диаметр клеток. Внезапно ученые смогли увидеть, что нитритокисляющие бактерии были намного больше, чем многочисленные археи, которые ранее считались ответственными за большую часть улавливания углерода в темном океане.
«Они могут составлять только 5 процентов населения, но клетки нитритокисляющих бактерий в 50 раз больше», – сказал Пачиадаки.
Чтобы проверить свою гипотезу, команда разработала серию экспериментов с сотрудниками из Венского университета.
Исследовательская группа профессора Герхарда Херндла взяла пробы морской воды из мезопелагической зоны в нескольких местах в Северной Атлантике и добавила углекислый газ, помеченный радиоактивной меткой. Это позволило им определить количество, поглощаемое каждой группой микроорганизмов, что подтвердило доминирующую роль нитритокисляющих бактерий в улавливании углерода.
«Эти результаты проливают новый свет на связь между циклами азота и углерода во внутренней части океана», – сказал Херндл. «Мы экспериментально продемонстрировали важную роль окислителей нитрита в улавливании углекислого газа в темном океане и осветили группу микробов, которые еще не получили должного внимания из-за их влияния на океанический углеродный цикл."