Уточнение парадокса планктона раскрывает климатические риски
В 1960-х эколог Г. Эвелин Хатчинсон указал на загадку: почему в океане существует так много видов планктона, хотя математически они не должны выживать, конкурируя за один и тот же набор питательных веществ? Это известно как «парадокс планктона».
Одна из гипотез его решения предполагает, что разнообразие планктона может поддерживаться за счёт потребления дефицитных питательных веществ в разное время суток — временного разделения ниш.
Впервые учёные получили генетические доказательства этого явления у планктона в разных частях света.
Исследование, недавно опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что планктон Саргассова моря по очереди экспрессирует гены для потребления ограниченного ресурса — фосфора. Это подтверждает более раннюю работу в Nature Ecology & Evolution, показавшую временное разделение ниш для азота в северной части Тихого океана.
«Поочерёдное потребление во времени — это дополнительный механизм поддержания биоразнообразия планктона и объяснения его парадокса», — говорит Дэниел Мурэторе, постдок SFI Complexity и первый автор обеих статей.
Понимание того, как планктон потребляет фосфор, также помогает предсказать реакцию океанической жизни на изменение климата, интенсивное использование удобрений и рост судоходства.
«По мере изменения климата меняется и химия океана. Открывая, как экосистемы справляются с потреблением питательных веществ, мы можем предсказать, уязвимы ли они к коллапсу», — говорит Мурэторе.
Генетика времени
В 2019 году в ходе пятидневной исследовательской экспедиции в Саргассовом море учёные собирали и замораживали морские клетки каждые четыре часа.
Совместно с первым автором Наоми Гилберт они проанализировали 97 829 генов и обнаружили паттерны экспрессии, указывающие, что разные виды планктона поглощают фосфор в разное время суток:
- Бактерии, потребляющие растворённое органическое вещество, — на рассвете.
- Фотосинтезирующий планктон с ядром — днём.
- Цианобактерии — в сумерках.
«Мы провели сравнимое исследование в совершенно другом океане и обнаружили для фосфора ту же закономерность, что и для азота. Это говорит о том, что снижение конкуренции за счёт "очереди" может быть общей чертой поддержания биоразнообразия в океаническом микробиоме», — говорит Мурэторе.
Фосфор и изменение климата
Фосфор — ключевой элемент для РНК, ДНК, клеточных мембран и запасов жира. Он также помогает понять, как углерод покидает океанические экосистемы, что важно для климата.
В сентябрьской статье в Frontiers in Marine Science (исследование под руководством Шавонны Бент) сравнивались два океанических вихря в Тихом океане. В вихре с дефицитом фосфора больше богатого углеродом материала покидало поверхность океана и опускалось на дно. При нехватке фосфора планктон поглощал избыток углерода в свои жиры и уносил его с собой после смерти.
«Этот естественный эксперимент с вихрями привёл к заметной разнице в экспорте углерода всего за несколько дней. Понимание того, как углерод покидает атмосферу, помогает нам понять, как Земля компенсирует наши выбросы», — говорит Мурэторе.
Микроскопические сдвиги с большими последствиями
Исследование раскрывает сложное взаимодействие масштабов в океане — от молекулярного до глобального.
«Небольшой сдвиг у этих микроскопических особей, например, нехватка фосфора, приводит к изменениям макроскопических свойств — от биоразнообразия океана до захвата атмосферного углерода», — заключает Мурэторе.