Neviditeľný les pod morom

Neviditeľný les pod morom

Vonku na otvorenom oceáne vás obklopuje výhľad, ktorý má šokujúci odtieň jasne modrej, vysvetľuje Anne Thompson, biologická oceánografka. Poďakovanie: Allison Lee

Povrchové vody otvoreného oceánu len asi 100 míľ severne od Havaja môžu byť neľútostným miestom pre život. Zdanlivo nekonečný úsek elektrickej modrej vody môže byť ako púšť – zbavená dusíka, fosforu, železa a ďalších základných živín potrebných na podporu rastu väčších organizmov.



„Keď tam vyjdeme, keď sa pozriete okolo, všetko, čo uvidíte, je modrá voda a je naozaj ťažké si predstaviť, že tam niečo je,“ hovorí. Anne Thompsonovej , biologická oceánografka a výskumná asistentka na Portlandskej štátnej univerzite, ktorá v rokoch 2016 až 2017 absolvovala niekoľko expedícií. Ale vie, že v hĺbke 200 metrov v tomto drsnom prostredí v skutočnosti tvrdo pracuje tím organizmov – drobné mikroorganizmy, ktoré produkujú kyslík, ktorý naplní vaše pľúca každých päť nádychov a výdychov.

Anne Thompsonová nastavuje filtračné zariadenie na odber vzoriek vody. Kredit: Mark Farley

Thompsonova štúdia miliardy drobných organizmov podobných rastlinám ktoré tvoria oceánsky „neviditeľný les“ – značne tenkú vrstvu oceánu naplnenú mikroskopickými fotosyntetizátormi tzv. fytoplanktón ktoré nasávajú oxid uhličitý z atmosféry a vylučujú 50 percent kyslíka planéty. Podobne ako v pozemskom lese dochádza k prenosu energie medzi slnkom, rastlinami, zvieratami a organizmami atď. Fytoplanktón sa nachádza plávajúci v horných vrstvách oceánu nad približne 200 metrami alebo tak ďaleko, ako môže slnečné svetlo filtrovať. Nielenže pomáhajú poháňať kolobeh uhlíka a produkujú značnú časť svetového kyslíka, fytoplanktón tiež slúži ako zásobáreň živín – základ potravinovej siete, ktorá kŕmi väčšie tvory v mori. A podobne ako suchozemské lesy, aj fytoplanktón neviditeľného lesa pozostáva z mnohých druhov fotosyntetických mikroorganizmov, od rozsievok s väčším telom pokrytých oxidom kremičitým až po tie najmenšie sinice .

'Toto sa deje na otvorenom oceáne - ale namiesto stromov máme tieto jednobunkové fotosyntetické organizmy, ktoré jednoducho nevidíte, keď sa pozriete,' hovorí Thompson. Les fotosyntetických mikroorganizmov v otvorenom oceáne zostáva voľným okom neviditeľný, ale ako každý ekosystém „je krásny, obrovský a je naozaj divoký,“ hovorí.

Súvisiace video

Ako pestovať koral

Najmenší fotosyntetický organizmus na Zemi

Výskumníci si mysleli, že fytoplanktón nemožno nájsť vo veľkom počte v otvorenom oceáne trópov a subtrópov, kde veľké systémy cirkulujúcich prúdov alebo oceánskych vírov tvoria vrecká vody chudobnej na živiny. Potom v roku 1979 vedci z oceánografickej inštitúcie Woods Hole objavili drobné cyanobaktérie Synechococcus to by odomklo nový kúsok do neviditeľného lesa.

„Bolo to ako objavovanie trávy na zemi, keď všetko, čo ste predtým videli, boli stromy a kríky,“ hovorí Sallie (Penny) Chisholm , ekológ a morský biológ z Massachusettského technologického inštitútu, ktorý študuje morské mikroorganizmy od 70. rokov minulého storočia. Táto pastva primitívnych fotosyntetických buniek bola základom väčších buniek, ktoré sa vo veľkom počte šírili cez regióny chudobné na živiny, vysvetľuje.

Synechococcus bol len začiatok. O menej ako desaťročie neskôr, počas štúdia Synechococcus , Chisholm a kolega stalo sa ozval sa ešte drobnejší (iba 0,6 mikrometra) bratranec Prochlorococcus — pikoplanktón, ktorý sa za tri desaťročia od svojho objavu stal ceneným modelovým organizmom výskumnej komunity.

'Sú maličkí, ale sú silní.'

spolu, Prochlorococcus a Synechococcus plniť dôležitú úlohu v neviditeľnom lese, hovorí Chisholm, ale Prochlorococcus prevzala vlastné dedičstvo vo svete mikróbov. V priebehu rokov Prochlorococcus získal veľkú pozornosť a nadšenie zo strany výskumnej komunity. (Chisholm a kolegovia výskumníci hodili a ProchlorococcusFest pri svojom 20. výročí v roku 2008 .)


Lisa Moore a Penny Chisholm oslavujú 20. výročie objavenia Prochlorococcus piesňou spievanou na melódiu „La Cucaracha“. Pôvodne napísali Jim a Shelley Tripp, 23.2.2008.

The živý zelený pikoplanktón je najmenšia, početne najpočetnejšia fotosyntetizujúca bunka známa na planéte – z polovice kyslíka emitovaného z neviditeľného lesa, odhadovaných 3 miliárd miliárd miliárd Prochlorococcus bunky chrlia 10 percent z celkového počtu. Vo vnútri týchto drobných siníc sú zabalené príbehy o neviditeľnom lese.

'Považujem ich za malých reportérov,' hovorí Chisholm. A títo malí reportéri sú odolné organizmy.

„Sú maličkí, ale sú mocní,“ hovorí Anne Thompson, ktorá bola prvýkrát predstavená Prochlorococcus ako postgraduálny študent v Chisholmovom laboratóriu a pokračuje v ich štúdiu na Portlandskej štátnej univerzite. 'Majú dosť malé genómy, ale sú prispôsobené tomuto zdanlivo extrémnemu prostrediu. Sú tam zdanlivo pasívne plávajú v oceáne, ale len tvrdo pracujú a robia túto neuveriteľnú prácu pre planétu.'

Rozeta vodivosti, teploty, hĺbky (CTD) je veľké zariadenie, ktoré výskumný tím používa na odber vzoriek. Je schopný zvládnuť hĺbku tisícov metrov do oceánu. Poďakovanie: Allison Lee

Štúdium neviditeľného lesa

Späť na Havaji, Thompson a jej tím vypustiť do otvorených vôd , pri hľadaní Prochlorococcus . Denná plavba asi sto míľ od stanice ALOHA umiestni Thompsonovú a jej tím do stredu subtropického víru severného Pacifiku – biotopu, ktorý je blízkym predstaviteľom veľkej časti otvoreného oceánu.

Vedci získavajú vzorky vody z CTD Rosette na oceánografickej stanici ALOHA v severnom Tichom oceáne. Poďakovanie: Anne Thompson

Aby ste získali lepší obraz o čom Prochlorococus Je to ako v ich prirodzenom prostredí, výskumníci sa musia vydať na cestu na more, aby zozbierali vzorky pre laboratórium. Prochlorococcus darí sa im prevažne na otvorenom oceáne v nižších zemepisných šírkach.

Prochlorococcus môže byť malý, ale na získanie vzoriek mikroskopického organizmu je potrebný pomerne veľký stroj. Thompson a jej tím používajú objemné zariadenie, ktoré pozostáva z rotundy fliaš a nástrojov, ktoré sú navzájom spojené a zavesené na palubnej plošine. Ponárajú ho do oceánu a ponárajú nižšie a nižšie, kým ho nepohltia modré vlny podobné drahokamom. Thompsonov cieľ je v hĺbkach okolo 200 metrov, kde je cenený Prochlorococcus prebývať. Potom získajú vodu, „ktorá vyzerá ako voda z vášho kohútika“, a strávia dni starostlivým filtrovaním a odoberaním malých vzoriek, vysvetľuje Thompson. Tieto malé skúmavky sú potom zmrazené a transportované späť do laboratória na suchom ľade. Len tam, kde sa analýza údajov a sekvenovanie DNA uskutočňuje o niekoľko dní alebo dokonca mesiacov neskôr, morskí mikrobiológovia vedia, či priniesli alebo nepriniesli cenné vzorky.

'Teraz, keď som to urobil veľakrát, viem, že sú tam,' hovorí Thompson. 'Ale takúto pozitívnu spätnú väzbu nedostanete, kým sa nevrátite domov, aby ste na nich pracovali... takže pracujete vo viere, že tieto veci existujú.'

Pseudofarebný obraz Prochlorococcus pod mikroskopom. Poďakovanie: Anne Thompson/Chisholm Lab, MIT

Rozprávkar mora

V laboratóriu môžu vedci začať študovať Prochlorococcus na odhalenie zložitosti oceánskych systémov. A drobný organizmus v sebe nesie mnohé stopy, od svojho genómu až po interakcie s inými mikroorganizmami.

Prochlorococcus bunky sú neviditeľné voľným okom, ale keď sa pestujú v laboratóriu vo veľkom počte, vzorky vyzerajú neuveriteľne neónovo zelené. Ale cyanobaktérie je notoricky ťažké kultivovať a izolovať v laboratóriu. Izolačné Prochlorococcus z iných baktérií, ktoré by mohli zapriahnuť do kultúry, bola pretrvávajúca výzva, hovorí Steven Biller, odborný asistent na Wellesley College a bývalý vedecký pracovník v Chisholmovom laboratóriu. Prochlorococcus Biller nie je rád sám, hovorí: „Keď Prochlorococcus rastie sám od seba, nerastie tak rýchlo, s takou vysokou hustotou a sú oveľa náchylnejšie na rôzne druhy stresu a porúch v laboratóriu,“ hovorí. 'Takže sa im skutočne páčia mať okolo seba tieto ďalšie bunky.'

Svetlé zelené kultúry Prochlorococcus. Poďakovanie: Allison Coe

Ale táto ťažkosť pri kultivácii hovorí výskumníkom o súhre medzi mikroorganizmami v rámci komunity, hovorí Biller. Napríklad Biller našiel dôkazy Prochlorococcus je zodpovedný za pohyb a dodávanie všetkých druhov molekúl (lipidov, proteínov, fragmentov DNA) v oceáne uvoľnenie extracelulárnych vezikúl . A nie je to len tak Prochlorococcus ktorý vytvára tieto malé membránovo viazané pakety. Podľa Billerových zistení je morská voda v skutočnosti obrovská plávajúca polievka výmeny mikrobiálneho materiálu.

Zatiaľ čo výskumníci stále skúmajú účely výroby vezikúl, táto sieť výmeny mení spôsob, akým uvažujú o tom, ako funguje oceán a jeho neviditeľné lesy.

'Štúdia vezikúl je jedným z príkladov, kde sme začali zisťovať Prochlorococcus , ale teraz je veľa otázok o všetkých týchto rôznych mikróboch, ktoré uvoľňujú tieto štruktúry v oceáne, a o tom, čo sa tam vo všeobecnosti deje,“ hovorí Biller.

Závery možno extrahovať z Prochlorococcus aj genóm, dodáva.

Skúmavky na vzorky, ktoré prenesú vzácne vzorky vody späť do laboratória. Kredit: Mark Farley

Zakaždým, keď výskumníci sekvenujú nové Prochlorococcus genómu, sú objavené nové gény, hovorí Anne Thompson. Jeho malý, efektívny genóm – asi 1 700 až 2 000 génov na bunku – vytvára Prochlorococcus modelový organizmus pre výskumníkov. Zatiaľ čo každá bunka obsahuje asi 2 000 génov, čerpá z rôznorodého genofondu alebo „pan-genómu“ z projektovaných 80 000 génov. To je štvornásobok počtu, ktorý majú ľudia. A každý Prochlorococcus bunka má trochu inú genetickú výbavu.

'Genómy týchto buniek majú niektoré oblasti, ktoré sú zachované alebo rovnaké, medzi všetkými bunkami a iné oblasti, ktoré sú variabilné - neustále sa menia a prinášajú do buniek mierne nové schopnosti a umožňujú im reagovať na svoje prostredie a byť účinnými konkurentmi.' “ hovorí Thompson.

Táto rozmanitosť je výhodná pri prispôsobovaní sa zmenám a hrozbám v životnom prostredí, čo je obzvlášť užitočné z dlhodobého hľadiska pri udalostiach, ako je zmena klímy. Výskumníci už boli svedkami rôznych skupín a typov Prochlorococcus prirodzene kolísajú počty, aby sa prispôsobili ročným obdobiam. Zatiaľ čo v súčasnosti to predpovedajú Prochlorococcus populácie by zostali pomerne stabilné v teplejších a ešte kyslejších vodách, nie je známe, ako by ich mohli ovplyvniť ďalšie dôsledky zmeny klímy.

Výskumníci pokračujú v zhromažďovaní ďalších Prochlorococcus z oceánov po celom svete, aby pochopili neviditeľný les. Z expedície v Chisholmovom laboratóriu v subtropickom Gyre v južnom Pacifiku, východne od Isla de Pascua v Čile. Poďakovanie: Paul Berube

Zmeny teploty oceánov, zmeny živín, znečistenie, klimatické zmeny, to všetko má potenciál zmariť rovnováhu nielen Prochlorococcus ekosystému , ale celé spoločenstvo fytoplanktónu v neviditeľnom lese, vysvetľuje Thompson. Všetky rozmanité mikroorganizmy vykonávajú rôzne funkcie – od siníc viažucich dusík až po mnohé iné typy morských mikroorganizmov nasávajúcich oxid uhličitý.


Anne Thompsonovej recituje svoju báseň „Dear Little Pro“ na ProchlorococcusFest 2008, v ktorej podrobne opisuje svoju fascináciu pikocyanobaktériami a ťažkosti s ich pestovaním.

„Všetky zmeny v oceánskom prostredí posunú rovnováhu týchto organizmov [v neviditeľnom lese],“ hovorí Thompson. 'Je tu riziko zmeny a my nevieme, aká to bude.'

Neznáme sú to, čo núti Thompsona a ďalších morských mikrobiológov pokračovať v skúmaní úlohy fytoplanktónu v neviditeľnom lese. V škole vás možno učili, že stromy a rastliny vytvárajú kyslík, ktorý dýchate, ale veľkú úlohu v tom zohráva aj oceán, hovorí Thompson. Zem a jej obyvatelia ťažia z kaskády interakcií medzi druhmi pod oceánom. A začína to na mikrobiálnej úrovni – v tom neviditeľnom lese plávajúcom v mori.

*Oprava 16.8.2018: Tento článok bol aktualizovaný, aby správne identifikoval rozetu vodivosti, teploty a hĺbky (CTD). Okrem toho predchádzajúca verzia tohto článku nesprávne uvádzala, že rozsievky fixujú dusík. Ospravedlňujeme sa za chyby.

**Oprava 6.8.2021: Tento článok bol aktualizovaný o špecifickejšiu definíciu fytoplanktónu. Zistite o nich viac morské mikroorganizmy .