В одном литре морской воды содержится более миллиарда бактерий. Как все эти организмы находят энергию и питательные вещества, необходимые им для выживания?
В богатых питательными веществами водах у поверхности океана основным источником энергии является солнечный свет, который способствует фотосинтезу - преобразованию световой энергии в химическую. Однако в большей части открытого океана недостаток питательных веществ ограничивает фотосинтез, а в глубоких слоях океана он вообще прекращается из-за отсутствия солнечного света.
Несмотря на это, микробы нашли способ жить в огромном и абсолютно темном океане. Как им это удается? Как недавно было сообщено в журнале Nature Microbiology, многие океанические бактерии получают энергию из двух растворенных газов, водорода и монооксида углерода, в процессе, называемом хемосинтезом. Этот скрытый, но древний процесс помогает поддерживать разнообразие и продуктивность наших океанов. Исследователи задались целью определить предпочтительные источники энергии микробов в Мировом океане.
Люди и другие животные зависят от употребления органической пищи, а растения полагаются на фотосинтез. В отличие от них, микробы используют множество источников энергии: солнечную, органическую и неорганическую. Многие из них питаются высокоэнергетическими газами, такими как водород и даже ядовитый для нас монооксид углерода. Для этого они используют специальные ферменты, называемые гидрогеназами и дегидрогеназами угарного газа.
Мировой океан содержит довольно много растворенного водорода и окиси углерода в результате различных биологических и геологических процессов. Учитывая это, ученые предположили, что эти газы могут стать ключевыми источниками энергии для океанических микробов. В ходе пятилетнего исследования авторы изучили возможности и деятельность микробов, обитающих в Мировом океане. Они брали пробы морской воды из различных мест, начиная с тропических островов и заканчивая субантарктическими водами. Также были проанализированы общедоступные данные глобального исследования Tara Oceans.
Используя метод метагеномного секвенирования, исследователи обнаружили генетические данные множества микроорганизмов в океанических образцах. Во время экспедиций ученые также проводили химические измерения, анализировали культуры бактерий и использовали математическое моделирование, чтобы понять, как бактерии получают энергию. Во всех проанализированных образцах микробы использовали ферменты для получения энергии из водорода и окиси углерода. Как и ожидалось, фотосинтез был основным источником энергии в прибрежных поверхностных водах, но микробы, потребляющие газы, встречались все чаще вдали от берега и на больших глубинах океана. В бедных питательными веществами водах хемосинтез может быть основной стратегией получения энергии.
Восемь отдаленно родственных групп, или фил, бактерий создали ферменты для использования водорода и угарного газа. Очевидно, что хемосинтез является гораздо более распространенной стратегией в океанах, чем считалось ранее! Водород и монооксид углерода - не единственные химические источники энергии, поддерживающие океанические бактерии. Основываясь на результатах предыдущих работ других авторов, ученые обнаружили, что аммиак, сульфид и тиосульфат также широко используются. В совокупности все эти неорганические источники энергии позволяют разнообразным микроорганизмам процветать даже в самых темных и бедных питательными веществами районах океана. Как уже сообщалось ранее, хемосинтез позволяет даже сформировать "микробные джунгли" под ледяными щитами Антарктиды.
Хемосинтез менее изучен, чем фотосинтез, но он имеет гораздо более древние корни. Ведущие теории происхождения жизни предполагают, что водород, образующийся в гидротермальных источниках, лишенных солнечного света, был первым источником энергии для жизни. Фотосинтез, вероятно, развился гораздо позже, обеспечивая кислород в атмосфере, который поддерживает жизнь человека. Некоторые экосистемы, в которых главным источником энергии является хемосинтез, в частности, подводные вулканы, существуют и сегодня. В них неорганические источники энергии, высвобождаемые в ходе вулканической деятельности, поддерживают сложные микробные экосистемы.
Тем не менее, традиционно считается, что большинство современных экосистем прямо или косвенно обусловлены фотосинтезом. Результаты исследования показывают, что ситуация сложнее. Представив первый отчет о потреблении водорода в открытом океане, авторы выявили неожиданное сходство современных морских микроорганизмов с их древними предками. Хемосинтез и сегодня остается весьма активным и обеспечивает океаническим микробам возможность выжить в условиях низкого уровня фотосинтеза. Гидрогеназы, которые современные морские бактерии используют для потребления водорода, по-видимому, напрямую восходят к древним катализаторам, которые поддерживали первую жизнь. Но за миллиарды лет эволюции они адаптировались к более низким уровням водорода и более высоким уровням кислорода, характерным для сегодняшнего дня.
Интересно, что водород и монооксид углерода играют разную роль для океанических бактерий. Микробы, потребляющие водород, растут, используя медленный, постоянный приток энергии, обеспечиваемый этим газом. Эти бактерии часто имеют ультрамалые размеры и приспособлены к жизни с минимальными затратами энергии, как показали эксперименты с полярной бактерией Sphingopyxis alaskensis. В отличие от них, монооксид углерода в первую очередь является источником энергии "последнего средства" для бактерий, которым не хватает света или органического углерода. Он дает достаточно энергии для выживания до тех пор, пока не появится более подходящая пища, но не обеспечивает значительного роста. Это согласуется с предыдущими работами, показывающими, что дегидрогеназа окиси углерода поддерживает выживание, но не рост различных бактерий.
Благодаря данному исследованию становится ясно, что хемосинтез - это универсальный процесс, а микробы на самом деле довольно гибкие в своем рационе. Такие выводы улучшают наше понимание того, как океанические микробы выживают, производят и потребляют питательные вещества и адаптируются к окружающей среде. В свою очередь, мы можем лучше предсказать, как они могут реагировать на изменение климата и другие воздействия. Глубокий океан, который часто считают "последним пределом Земли", несомненно, хранит много других больших и малых тайн.
