Ученые обнаружили слизистые микробы, которые могут помогать сохранять здоровье коралловых рифов

Кораллы тысячелетиями эволюционировали, чтобы жить и даже процветать в водах с малым количеством питательных веществ. В здоровых рифах вода часто исключительно прозрачна, в основном потому, что кораллы нашли способы оптимально использовать скудные ресурсы. Любое изменение этих условий может нарушить баланс здоровья коралла.

Исследователи из MIT и Института океанографии Вудс-Хоул (WHOI) в сотрудничестве с океанографами и морскими биологами на Кубе идентифицировали микробы, живущие в слизистых биопленках некоторых видов кораллов, которые могут защищать коралл от дисбаланса питательных веществ, связанного с азотом.

Команда обнаружила, что эти микробы могут поглощать и "вычищать" азот из окружающей коралл среды. В низких концентрациях азот является важным питательным веществом для кораллов, обеспечивая энергию для роста. Но избыток азота, например, из-за попадания в океан богатых азотом удобрений, может спровоцировать цветение водорослей. Водоросли могут вытеснять кораллы в борьбе за ресурсы, оставляя рифы в состоянии стресса и обесцвеченными.

Поглощая избыток азота, вновь обнаруженные микробы могут предотвращать конкуренцию с водорослями, выступая в роли крошечных защитников коралла, в котором они обитают. В то время как кораллы по всему миру испытывают массовый стресс и обесцвечивание из-за глобального потепления, похоже, что некоторые виды нашли способы защитить себя от других источников стресса, связанных с азотом.

"Один из аспектов обнаружения этих организмов в ассоциации с кораллами заключается в том, что существует естественный способ, которым кораллы могут бороться с антропогенным влиянием, по крайней мере, в плане доступности азота, и это очень хорошо", — говорит Эндрю Бэббин, доцент кафедры освоения океана имени Доэрти в MIT. "Это может быть очень естественным способом, которым рифы могут защищать себя, по крайней мере, до некоторой степени".

Бэббин и его коллеги сообщили о своих выводах в журнале ISME Journal.

Аналоги мертвых зон

Группа Бэббина изучает, как морские сообщества в океане циклируют азот — ключевой элемент для жизни. Азот в океане может принимать различные формы, такие как аммиак, нитрит и нитрат. Бэббина особенно интересует, как азот циклируется или поглощается в аноксических средах — бедных кислородом регионах океана, также известных как "мертвые зоны", где рыба встречается редко, а микробная жизнь может процветать.

"Места без достаточного количества кислорода для рыбы — это где бактерии начинают делать что-то другое, что нас волнует", — говорит Бэббин. "Например, они могут начать потреблять нитрат, что влияет на продуктивность конкретной части воды".

Мертвые зоны — не единственные аноксические регионы океана, где бактерии проявляют поведение, связанное с "поеданием" азота. Бескислородные среды можно найти в меньших масштабах, например, внутри биопленок — богатого микробами слизистого слоя, покрывающего морские поверхности от корпусов затонувших кораблей до коралловых рифов.

"У нас внутри есть биопленки, которые позволяют происходить различным анаэробным процессам", — отмечает Бэббин. "То же самое верно и для кораллов, которые могут вырабатывать много слизи, действующей как барьер, замедляющий проникновение кислорода".

Несмотря на то, что кораллы находятся близко к поверхности и в пределах досягаемости кислорода, Бэббин задался вопросом, может ли коралловая слизь способствовать образованию "аноксических карманов" — концентрированных областей с низким содержанием кислорода, где могли бы процветать потребляющие нитрат бактерии.

Он обсудил эту идею с морским микробиологом WHOI Эми Эпприлл, и в 2017 году исследователи отправились с научной группой в экспедицию на Кубу, где Эпприлл планировала исследование кораллов в охраняемом национальном парке Хардинес-де-ла-Рейна (Сады Королевы).

"Эта охраняемая территория — одно из последних убежищ для здоровых карибских кораллов", — говорит Бэббин. "Мы надеялись изучить одну из этих менее затронутых областей, чтобы получить базовое представление о том, какая динамика цикла азота связана с самими кораллами, что позволило бы нам понять, что антропогенное воздействие сделает с этой системой".

Поиск "очистителей" с помощью мазков

Исследуя рифы, ученые взяли небольшие образцы от видов кораллов, широко распространенных в этом районе. На борту корабля они инкубировали каждый образец коралла в его собственной морской воде вместе с трассером азота — слегка более тяжелой версией молекул, естественно встречающихся в морской воде.

Они привезли образцы в Кембридж и проанализировали их с помощью масс-спектрометра, чтобы измерить, как баланс молекул азота менялся со временем. В зависимости от типа молекулы, которая потреблялась или производилась в образце, исследователи могли оценить скорость, с которой азот восстанавливался и, по сути, денитрифицировался, или увеличивался в результате других метаболических процессов.

Почти в каждом образце коралла они наблюдали, что скорость денитрификации была выше, чем большинство других процессов; что-то на самом коралле, вероятно, поглощало молекулу.

Исследователи взяли мазки с поверхности каждого коралла и вырастили слизистые образцы на чашках Петри, которые они исследовали на наличие специфических бактерий, известных своей способностью метаболизировать азот. Этот анализ выявил множество бактерий, "очищающих" азот, которые жили в большинстве образцов кораллов.

"Наши результаты означают, что эти организмы, живущие в ассоциации с кораллами, имеют способ очищать непосредственную окружающую среду", — говорит Бэббин. "Есть некоторые виды кораллов, например, мозговой коралл Diploria, которые демонстрируют чрезвычайно быстрый цикл азота и оказываются довольно выносливыми, даже несмотря на антропогенные изменения, тогда как Acropora, которая находится в плохом состоянии по всему Карибскому бассейну, демонстрирует очень слабый цикл азота".

Неясно, вносят ли микробы, очищающие азот, прямой вклад в здоровье коралла. Результаты команды являются первым доказательством такой связи. В дальнейшем Бэббин планирует исследовать другие части океана, например, тропическую часть Тихого океана, чтобы выяснить, существуют ли похожие микробы на других кораллах и в какой степени бактерии помогают сохранять своих хозяев. Он предполагает, что их роль аналогична роли микробов в наших собственных организмах.

"Чем больше мы изучаем микробиом человека, тем больше мы понимаем, что организмы, живущие в ассоциации с нами, действительно определяют наше здоровье", — говорит Бэббин. "То же самое верно и для коралловых рифов. Именно микробиом коралла определяет здоровье коралловой системы. И то, что мы пытаемся сделать, — это выявить, какие именно метаболизмы являются частью этой микробной сети внутри коралловой системы".