Исследователи выяснили, что водоросли в Антарктике могут приспосабливаться к изменяющейся среде

В окрестностях Антарктики происходит необычный сезонный цикл. Зимой, с марта по октябрь, солнце едва поднимается над горизонтом. При замерзании морской воды она отталкивает соли, создавая карманы с особенно солёной средой, где микробы обитают зимой. Летом лед тает под постоянным дневным светом, создавая более теплую и пресную воду на поверхности.

Эта удаленная экосистема является домом для большей части растений Южного океана. Новое исследование Университета Вашингтона предоставляет первые измерения того, как морские водоросли и другие одноклеточные организмы адаптируются к этим сезонным ритмам, что может дать подсказки о том, что может произойти, когда это окружение изменится под воздействием изменения климата.

Исследование, опубликованное 15 сентября в ISME Journal International Society for Microbial Ecology, содержит первые наблюдения за тем, как микробы из морского льда реагируют на изменяющиеся условия.

"Мы очень мало знаем о том, как микробы из морского льда реагируют на изменения в солености и температуре", - сказала главный автор Ханна Доусон, последипломный исследователь Университета Вашингтона, которая провела это исследование во время подготовки докторской диссертации по океанографии в Университете Вашингтона. "И до настоящего времени мы практически ничего не знали о молекулах, которые они производят и используют в химических реакциях для поддержания жизни, которые важны для поддержки высших организмов в экосистеме, а также для климатических последствий, таких как накопление углерода и образование облаков".

Полярные океаны играют важную роль в глобальных морских течениях и поддержке морских экосистем. Микробы образуют основу пищевой цепи, поддерживая более крупную жизнь.

"Полярные океаны составляют значительную часть мировых океанов", - сказала старший автор Джоди Янг, ассистент профессор океанографии Университета Вашингтона. "Эти воды поддерживают большие скопления криля и китов, которые приходят, чтобы питаться этим крилем, а также полярных медведей или пингвинов. И началом всей этой экосистемы являются эти одноклеточные микроскопические водоросли. Мы просто очень мало о них знаем".

Маленькие организмы также важны для климата, так как они выполняют фотосинтез и поглощают углерод из атмосферы. Полярные водоросли особенно хороши в производстве молекул, содержащих серу, которые придают пляжам характерный запах и, поднимаясь в воздухе в качестве морских брызг, способствуют образованию облаков, которые могут уменьшать проникновение солнечных лучей.

Толщина антарктического морского льда, хотя и стабильна в течение долгого времени, сейчас находится на историческом минимуме.

В других океанах спутниковые приборы могут фиксировать драматическое сезонное расцветание фитопланктона с космоса, но это невозможно для микробов, скрытых под морским льдом. И антарктические воды особенно сложно изучить, что оставляет исследователей практически без измерений в холодный сезон.

В конце 2018 года Доусон и соавтор Сьюзен Рандель поехали в станцию Палмера, исследовательскую станцию США на Западном антарктическом полуострове. Они использовали маленькую лодку, чтобы брать образцы морской воды и морского льда в одних и тех же близлежащих местах каждые три дня.

После специалисты провели 10-дневные эксперименты в емкостях, чтобы определить, какие микробы развиваются при изменении температуры и солености, имитируя образование и таяние морского льда. Они также отправили образцы в Сиэтл для более сложных измерений генетики образцов и метаболитов, небольших органических молекул, производимых клетками.

Результаты показали, как одноклеточные водоросли справляются с изменениями в своей переменчивой среде. С понижением температуры клетки начинают производить криопротектанты, аналогичные антифризу, чтобы предотвратить кристаллизацию клеточной жидкости. Множество наиболее распространенных молекул криопротектантов оказались одинаковыми у различных видов микробов.

При изменении солености клетки меняют концентрацию некоторых органических молекул. Множество таких молекул выполняют двойную функцию криопротектантов, чтобы поддерживать баланс условий внутри и снаружи клетки.

Результаты показали, что при краткосрочных изменениях температуры и солености структура группы в каждом образце оставалась стабильной, одновременно регулируя производство защитных молекул. Различные виды микробов продемонстрировали последовательные реакции на изменение условий. Это упростит моделирование будущих реакций на изменение климата, как отметила Джоди Янг.

Результаты также указывают на то, что производство омега-3 жирных кислот может снизиться в средах с низкой соленостью. Это может быть плохой новостью для потребителей криллового масла и для морской экосистемы, зависящей от этих питательных веществ, происходящих от водорослей. Предстоящее исследование, в настоящее время проводимое группой Университета Вашингтона, направлено на подтверждение этого результата, особенно с учетом возможного увеличения пресноводного воздействия от таяния морского льда.

"Нас интересует, как водоросли морского льда справляются с изменениями температуры, солености и освещения в нормальных условиях", - сказала Доусон. "Но также у нас есть изменение климата, которое полностью меняют условия, когда образуется морской лед, сколько морского льда образуется, сколько времени он остается до таяния, а также количество пресной воды от глетчеров. Таким образом, мы пытаемся уловить, что происходит сейчас, и также спрашиваем, как это может отразиться на будущем", - добавила Джоди Янг.