В основе морских пищевых сетей лежат микроскопические фотосинтезирующие организмы, называемые фитопланктоном (от греческого phyto для «растения» и planktos для «странника»). Но они различаются по всему миру. В сообществах фитопланктона в более теплых водах, включая тропики, как правило, преобладают прокариоты (микроорганизмы без определенного ядра).
Однако более холодные воды ближе к полюсам, как правило, благоприятствуют эукариотам (микроорганизмам с ядром). Эти фотосинтезирующие эукариоты или водоросли составляют основу продуктивных пищевых сетей в холодных, но плодородных полярных водах.«Большая часть нашей пищи поступает из рыболовства в Северной Атлантике, Северной и Южной части Тихого океана из-за эукариотического фитопланктона, а не прокариот», — сказал Томас Мок, морской микробиолог из Университета Восточной Англии (UEA, Великобритания) и старший автор книги изучение. «Прокариоты не способны производить все сочные белки и липиды, как эукариоты».
Но согласно новому исследованию, опубликованному 16 сентября 2021 года в Nature Communications, более теплые воды и сообщества, в которых доминируют прокариоты, могут гораздо легче заменить сообщества эукариот, чем предполагалось ранее.«Это вызовет серьезные последствия для всей пищевой сети и, следовательно, для экосистемных услуг, от которых мы все зависим», — сказал Мок.Мок и другие ведущие ученые приступили к исследованию — в сотрудничестве с восемью учреждениями, возглавляемыми UEA, включая Объединенный институт генома Министерства энергетики США (DOE), учреждение Министерства энергетики США для пользователей науки, расположенное в Национальном центре Лоуренса Беркли. Лаборатория — с желанием понять нюансы и градацию того, как сообщества фитопланктона эукариот меняются с широтой.
Невидимая границаКоманда отправилась в подобную экспедиции Льюиса и Кларка, чтобы исследовать, собирать и каталогизировать образцы, а также искать закономерности в сообществах водорослей, включая связанные с водорослями микробиомы, которые влияют на разнообразие водорослей и экспрессию генов. Совершив четыре исследовательских рейса от полюса к полюсу, они погрузили свои самозакрывающиеся контейнеры в морскую воду, чтобы отобрать образцы водорослей вдоль разрезов в Северном Ледовитом океане, Северной Атлантике, Южной Атлантике и Южном океане.После выделения сообществ водорослей на фильтрах они секвенировали последовательности «маркерных» генов ДНК для идентификации микробов.
И чтобы определить, какие гены экспрессируют водоросли, команда секвенировала их РНК-транскрипты. Все секвенирование было выполнено в рамках программы JGI Community Science Program.Используя экологическую метрику, называемую бета-разнообразием, команда обнаружила, что сообщества водорослей не меняются постепенно в мировом океане. Вместо этого они резко разделились на две большие географические группы: группы в более холодных полярных водах и группы в более теплых неполярных водах.
Другими словами, некоторым нравится погорячее; некоторые нет.«Мы можем наивно думать об океане как о некой однородной среде.
На самом деле это не так — есть различия в питательных веществах, температурах и других физико-химических свойствах», — сказал соавтор исследования Игорь Григорьев, JGI Fungal. Руководитель программы по водоросли. «Но все же в океане нет границ.
Тем не менее, здесь было обнаружено невидимое разделение сообществ водорослей».Команда обнаружила, что граница, или «точка разрыва» биоразнообразия, между этими сообществами водорослей проходит в умеренных водах со средней температурой поверхности около 58 градусов по Фаренгейту — прохладным промежуточным звеном между океанскими крайностями, составляющими около 28 и 97 градусов по Фаренгейту.«Авторы исследования указывают на это фундаментальное наблюдение холодных и теплых микробных сетей и на то, насколько ясна и резка биогеографическая граница между ними.
В этом отношении данные несколько прекрасны», — сказал Энди Аллен, биолог-океанограф из Калифорнийского университета. , Сан-Диего и Институт океанографии Скриппса, который не участвовал в исследовании.«Но результаты также предполагают определенный уровень уязвимости, о котором мы могли не знать», — добавил он. «Если система нарушена, вернуться к исходному состоянию может быть очень сложно».На самом деле изменение климата серьезно влияет на морской лед и температуру воды в полярных странах, подвергая опасности эти полярные сообщества.
«Мы так мало знаем об этих сообществах водорослей; они могут иметь полезные результаты, такие как антибиотики, фармацевтические препараты и новые ферменты, которые действуют при низкой температуре». сказала Катрин Шмидт, со-ведущий автор исследования с Кара Мартин. «Но эти экосистемы буквально тают».Из-за изменения климатаКоманда использовала модель из 5-го оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), чтобы предсказать, где и как быстро движется граница в 14 градусов по Цельсию.«Это обусловлено климатом: теплая вода заменяет сообщества с холодной водой.
И это меняет все», — сказал Мок.По словам Шмидта, устойчивое движение более теплых вод к полюсам может иметь ужасные последствия для морских организмов в этих пищевых сетях. Некоторые виды китов, в том числе серые киты и горбатые киты, мигрируют на корм в полярные регионы. А креветки питаются водорослями, цепляющимися за нижнюю часть морского льда.
Одним из важных поедателей водорослей, на которого может повлиять потепление воды и смещение сообществ водорослей, является криль — организм, который процветает в Южном океане, выглядит как креветка и является пищей для более крупных организмов, таких как киты, пингвины и тюлени. «Биомасса криля по крайней мере равна биомассе всех людей на планете», — сказал Мок. «Это дает вам представление о том, насколько важны эти организмы. А теперь представьте, что основа экосистемы меняется от холодной воды, сообществ эукариотического фитопланктона, к теплой воде, сообществам прокариотического фитопланктона».Изменение основания отразится на всей пищевой сети, как если бы отбойный молоток попал в фундамент собора.
Более того, поскольку фитопланктон (эукариотический и прокариотический вместе взятый) вносит, по оценкам, 50 процентов фиксированного углерода в мире, изменение баланса эукариотических и прокариотических сообществ может изменить глобальный углеродный цикл, скорость, с которой углерод в глобальном масштабе фиксируется и метаболизируется.Мало того, эти изменения, вызванные изменением климата, могут угрожать морской пищевой промышленности и другим экосистемным услугам, таким как туризм и отдых, от которых зависят прибрежные и островные государства, такие как Великобритания, сказал Мок.«Я думаю, что этот документ будет использоваться, чтобы посоветовать политикам смягчить последствия изменения климата для экосистем, потому что теперь у нас есть новый взгляд на то, как потепление влияет на эти морские сообщества», — сказал Мок.
Углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (CO2), образующийся при сжигании ископаемого топлива, является причиной повышения температуры поверхности океана. «Что необходимо сделать, так это сократить производство CO2 — это первое и самое важное, что нам нужно сделать».В исследовании также участвовали исследователи из следующих институтов: Earlham Institute (Великобритания), University of Exeter (UK), Институт полярных и морских исследований Альфреда Вегенера (Германия), University of Duisburg-Essen (Германия), Royal Netherlands Институт морских исследований (Нидерланды), Университет Гронингена (Нидерланды).