Новое исследование показывает, что «горячие точки» питательных веществ, окружающих фитопланктон - которые представляют собой крошечные морские водоросли, производящие примерно половину кислорода, которым мы дышим каждый день, - играют огромную роль в выбросе газа, участвующего в образовании облаков и регулировании климата.
Новое исследование дает количественную оценку того, как специфические морские бактерии перерабатывают ключевое химическое вещество, называемое диметилсульфонопропионат (ДМСП), которое в огромных количествах вырабатывается фитопланктоном. Это химическое вещество играет ключевую роль в том, как сера и углерод потребляются микроорганизмами в океане и выбрасываются в атмосферу.
О работе сообщается в журнале Nature Communications в статье аспиранта Массачусетского технологического института Черри Гао, бывшего профессора гражданского и экологического инжиниринга Массачусетского технологического института Романа Стокера (ныне профессора ETH Zurich, в Швейцарии), в сотрудничестве с Жаном-Батистом Райной и Профессор Джастин Сеймур из Технологического университета Сиднея в Австралии и еще четыре.
Ежегодно микроорганизмы в океанах производят более миллиарда тонн DMSP, на которые приходится 10 процентов углерода, который поглощается фитопланктоном - основным «стоком» углекислого газа, без которого парниковый газ будет накапливаться еще быстрее в атмосфере. Но как именно этот компонент обрабатывается и как его различные химические пути превращаются в глобальные циклы углерода и серы, до сих пор не совсем понятно, говорит Гао.
«DMSP является основным источником питательных веществ для бактерий», - говорит она. «Он удовлетворяет до 95 процентов потребности бактериальной серы и до 15 процентов потребности бактериального углерода в океане. Поэтому, учитывая повсеместность и изобилие DMSP, мы ожидаем, что эти микробные процессы будут играть важную роль в глобальном цикле серы ».
Гао и ее коллеги генетически модифицировали морскую бактерию под названием Ruegeria pomeroyi , вызывая ее флуоресценцию при активации одного из двух разных путей обработки DMSP, что позволяет анализировать относительную экспрессию процессов в различных условиях.
Один из двух путей, называемых деметилированием, производит питательные вещества на основе углерода и серы, которые микробы могут использовать для поддержания своего роста. Другой путь, называемый расщеплением, производит газ под названием диметилсульфид (ДМС), который, как объясняет Гао, «является соединением, ответственным за запах моря. Я на самом деле сильно пахла океаном в лаборатории, когда экспериментировала ».
DMS является газом, ответственным за большую часть биологически получаемой серы, которая поступает в атмосферу из океанов. Попадая в атмосферу, соединения серы являются основным источником конденсации для молекул воды, поэтому их концентрация в воздухе влияет как на характер осадков, так и на общую отражательную способность атмосферы в результате образования облаков. Понимание процесса, ответственного за большую часть этого производства, может иметь большое значение для уточнения моделей климата.
Эти климатические последствия «почему нам интересно знать, когда бактерии решают использовать путь расщепления в сравнении с путем деметилирования», чтобы лучше понять, сколько важной ДМС образуется при каких условиях, говорит Гао. «Это был открытый вопрос, по крайней мере, два десятилетия».
Новое исследование показало, что концентрация DMSP в непосредственной близости регулирует, какой путь используют бактерии. Ниже определенной концентрации преобладает деметилирование, но выше уровня около 10 микромолей доминирует процесс расщепления.
«Что нас действительно удивило, так это то, что, экспериментируя с искусственными бактериями, мы обнаружили, что концентрации DMSP, в которых доминирует путь расщепления, выше, чем ожидалось - на порядки выше, чем средняя концентрация в океане», - говорит она.
Это говорит о том, что этот процесс вряд ли происходит в типичных условиях океана, заключили исследователи. Скорее, «горячие точки» в микромасштабах с повышенной концентрацией DMSP, вероятно, ответственны за очень непропорциональный объем глобального производства DMS. Эти «горячие точки» на микроуровне представляют собой области, окружающие определенные клетки фитопланктона, где присутствуют чрезвычайно высокие количества DMSP, примерно в тысячу раз превышающие среднюю океаническую концентрацию.
«На самом деле мы провели совместный эксперимент между созданными бактериями и фитопланктоном, продуцирующим DMSP», - говорит Гао. Эксперимент показал, что «действительно, бактерии увеличивали свою экспрессию DMS-продуцирующего пути, ближе к фитопланктону».
Новый анализ должен помочь исследователям понять ключевые детали того, как эти микроскопические морские организмы, через их коллективное поведение, влияют на биогеохимические и климатические процессы глобального масштаба, говорят исследователи.
Автор Дэвид Л. Чендлер
