Микроорганизмы океана поддерживают здоровье планеты, обеспечивая круговорот питательных веществ и улавливая углерод, но подробная и точная карта мест их обитания до недавнего времени не была составлена.
Ветер воет, волны ревут, когда штормы бушуют в открытом океане. Но даже когда порывы достигают ураганной силы, а волны вздымаются до высоты шестиэтажных домов, мощные последствия этих штормов достигают лишь глубины около 500 метров под поверхностью. "Глубина океана составляет в среднем четыре километра, поэтому там происходит гораздо больше, - комментирует Бетани Колоди, микробиолог из Калифорнийского университета.
Под глубиной в полкилометра океан спокоен. Ветер и волны больше не определяют движение водных масс, это делает их плотность. Глубоко в океане есть точка, в которой плотность воды быстро увеличивается, так называемый пикноклин. Ниже этой глубины вода движется в виде больших водных масс, которые с учетом их плотности, располагаются друг над другом. Течения, обусловленные изменениями температуры и солености, перемещают эти водные массы по океану подобно медленно движущимся конвейерным лентам. На самом деле, они перемещают воду настолько медленно, что некоторые глубинные воды не видели поверхности более 1000 лет.
Когда Колоди была начинающей аспиранткой в Океанографическом институте при Калифорнийском университете, она занималась изучением океана в гораздо меньших масштабах: изучала его микроорганизмы. Океанические микроорганизмы - от вирусов, бактерий, архей и грибов до эукариотических микробов - поддерживают здоровье океанов планеты, обеспечивая круговорот питательных веществ, преобразуя углекислый газ в органические соединения и улавливая углерод из атмосферы. Колоди всегда интересовали вопросы о распространении микроорганизмов в океане и она начала с изучения физической океанографии - области, посвященной изучению потоков океанской воды, включая физические характеристики, которые формируют водные массы и то, как они перемещаются. «Океанографы просто нарезают океан, как пирог, и затем вы видите различные водные массы в их в зависимости от солености или температуры», - говорит Колоди.
Предыдущие исследования микробов в океане проводились только на глубине около 300 метров и пробы брались лишь в определенных местах, например, в районе гидротермальных источников или в Марианской впадине. «Были большие экспедиции, такие как Tara [Oceans], а до этого - Global Ocean [Sampling] и так далее», - вспоминает Адам Мартини из Калифорнийского университета. "Несмотря на то, что экспедиции были очень масштабными, пробы были очень скудными: проба здесь и проба там". Никто систематически не отбирал пробы на определенном участке океана достаточно широко и глубоко, чтобы понять, как течения и водные массы могут влиять на микробный состав океана.
Теперь Колоди занимается созданием одной из самых подробных генетических карт океанических микробов на сегодняшний день - охватывающей всю глубину океана от самых древних вод вблизи острова Пасхи до недавно образовавшихся вод вокруг Антарктиды. Колоди и ее коллеги не только обнаружили, что водные массы действительно служат экологическими нишами для океанских микробов, но, к их удивлению, океанские глубины изобилуют большим разнообразием микроорганизмов.
Чтобы исследовать тайны моря, океанографы отправляют корабли для отбора проб воды. Например, Глобальная программа океанских судовых гидрографических исследований (GO-SHIP) примерно каждые 10 лет проводит отбор проб одного и того же участка океана, чтобы увидеть, как океан меняется с течением времени. Ученые собирают данные о температуре океана, уровне кислорода, возрасте воды и распределении микро- и макроэлементов среди других химических и физических переменных, которые помогают исследователям создавать точные модели для прогнозирования и лучшего понимания состояния мирового океана.
“Сообщество специалистов по физической и химической океанографии действительно проделало великолепную работу с этими разделами океанического атласа”, — рассказал Эндрю Аллен, микробиолог—океанограф из Калифорнийского университета и научный руководитель Колоди. “Но в чем мы действительно отстаем, так это в биологии”. Аллен объяснил, что одной из причин такого отставания было то, что в течение многих лет методы подготовки библиотек и высокопроизводительного секвенирования были недостаточно продвинуты для экономичного анализа такого количества микробиологических данных. Кроме того, научные экспедиции, такие как GO-SHIP, сами по себе являются дорогостоящими, что делает собранные образцы воды ценным ресурсом.
Несмотря на технологические и финансовые трудности, Колоди мечтала о том, как она будет исследовать микробы, обитающие в различных водных массах, если у нее когда-нибудь появится такая возможность. “Нам нужна действительно специфическая картина, потому что мы хотите понять, где образуется новая вода и сравнить ее со старой водой." - объяснила она. Одно из мест, где образуется новая вода, находится вокруг Антарктиды. Когда океанская вода замерзает и превращается в айсберги, соль выделяется и растворяется в воде, делая ее очень соленой. Более высокая соленость означает более высокую плотность, а повышение температуры в Антарктике делает воду еще более плотной, в результате чего новая вода опускается на дно океана. Это движение воды приводит к медленной циркуляции водных масс по всему океану.
В южной части Тихого океана, находится масса воды, которая намного старше. Эта древняя вода менее плотная, чем новая антарктическая, поэтому залегает в океане не так глубоко. Из-за своего возраста она также содержит меньше питательных веществ, чем другие водные массы. Из-за различий в солености и доступных питательных веществах в старой и новой воде предположительно обитают различные группы микробов. “На полпути к защите диссертации я как-то выбросила это из головы, у меня были другие проекты", - сказала Колоди. Но потом в ее почтовый ящик пришло электронное письмо, которое изменило все.
Электронное письмо было от компании GO-SHIP, которая планировала пройти от острова Пасхи на севере до Антарктиды на юге, и они искали добровольцев, которые помогли бы им обработать пробы воды. “Я подумала: ”Ух ты, это был бы идеальный ответ на мой вопрос", - вспоминает Колоди. Зная, что шансы малы, она, тем не менее, написала исследователям и спросила, можно ли ей отфильтровать часть воды, которая будет собрана, чтобы определить содержание в ней микробов. К ее удивлению, команда GO-SHIP предоставила ей место в экспедиции и сообщила, что она может использовать любую воду, которая не нужна другим исследователям для ее микробиологического анализа.
Колоди собрала все необходимое для предстоящего морского путешествия продолжительностью около месяца. “У меня не было никакого финансирования для этого проекта, поэтому я как бы попрошайничала, брала взаймы и выпрашивала оборудование”, - рассказала она. “Я ходила от двери к двери и спрашивал: "Эй, вам нужен этот перистальтический насос с декабря по январь? Вы не возражаете, если я возьму его с собой в Антарктиду?”. Вскоре Колоди уже летела на остров Пасхи, чтобы присоединиться к команде "GO-SHIP". Весь корабль, по сути, представлял собой передвижную лабораторию. В одной части корабля имеется А-образная рама на которой закреплена катушка с проволокой длиной в несколько километров, прикрепленная к карусели из 20-литровых бутылок, открытых с каждого конца. Когда исследователи хотят взять пробы воды в определенном месте, они опускают карусель в воду.
“У вас есть компьютерный монитор, на котором вы видите, какая глубина, какая температура, какая соленость, как она понижается”, - объясняет Колоди. Когда бутылки достигают дна океана или какой-либо другой глубины, которая интересует ученых, они запускают закрытие одной из бутылок с помощью компьютера. Двигаясь вверх, они продолжают закрывать другие бутылки на определенной глубине, которая их интересует. Как только бутылки снова поднимутся на поверхность, ученые смогут взять воду из бутылок для анализа.
К концу своего путешествия Колоди собрала 301 пробу воды на разных глубинах. В этих образцах она и ее коллеги провели секвенирование ампликонов 16S рибосомальной РНК (рРНК) или 18S рРНК, чтобы идентифицировать микробы в водных массах, и метагеномный анализ, чтобы получить представление о разнообразии микробов в конкретных местах. В итоге Колоди составила график микробного разнообразия в глубинах океана. На поверхности микробное разнообразие было низким, но когда она заглянула глубже, разнообразие внезапно возросло. После этого неожиданного наблюдения Колоди задалась вопросом, как эти виды распределяются на океанских просторах. Она провела кластерный анализ, в ходе которого обнаруженные геномы микроорганизмов и их численность были нанесены на карту в физическом пространстве океана. Колоди и коллеги увидели, что микробы разделились на шесть различных групп, которые довольно четко соответствовали водным массам. “Эти группы были настолько четко очерчены и тот факт, что микробы распределены по разным широтам и имеют свой биом в разных широтах был действительно удивительным”, - говорит Колоди.
Затем исследователи изучили функциональный потенциал геномов микробов и обнаружили, что они распределены по 10 различным пространственным зонам, которые в основном соответствовали шести идентифицированным группам, но также включали области на поверхности океана, где ветер управляет течениями. Например, микробы, живущие в так называемой “зоне перехода питательных веществ”, которая включает в себя широкую полосу поверхностных вод, обладали генами, отвечающими за фотосинтез и усвоение питательных веществ из фитопланктона, которые полезны в зоне с достаточным количеством питательных веществ и пребыванием на солнце. Напротив, микробы, обитающие в холодных и соленых придонных водах Антарктики, обладали генами, защищающими их от осмотического стресса, и генами, которые поддерживают функционирование клеточных мембран даже при низких температурах и высоком давлении, характерных для таких глубоких вод. “[Мы также увидели] множество процессов горизонтального переноса генов и транспозаз в опускающейся воде вокруг Антарктиды и это было действительно удивительно”, - рассказала Колоди. “Эта вода опускается относительно быстро и перемещается в более экстремальные условия. таким образом, горизонтальный перенос генов является адаптивным. Это отличный пример того, как микробные сообщества чрезвычайно чувствительны к окружающей среде”.
Чтобы сделать свои микробиологические геномные данные доступными для других, Колоди занялась веб-разработкой и создала интерактивный инструмент, который она назвала "Атлас микробного океана для нишевого анализа" (MOANA). Используя выпадающее меню, пользователи могут отобразить интересующий их микроб и посмотреть, где он находится в южной части Тихого океана. Исследователи также разработали новую программу наблюдений за биологией океана под названием Bio-GO-SHIP, которая позволит собирать и обрабатывать микробиологические данные по всем мировым океанам. Черпая морскую воду с самых глубин, ученые вскоре поймут больше о том, как микроорганизмы помогают поддерживать здоровье наших океанов.
