Полярные эксперименты выявили сезонный цикл у антарктических водорослей морского льда

В холодных водах Антарктики происходит необычный сезонный цикл. Зимой (с марта по октябрь) солнце почти не появляется. При замерзании морская вода выделяет соли, создавая карманы сверхсолёного рассола, в котором микроорганизмы живут зимой. Летом лёд тает под постоянным светом дня, образуя на поверхности более тёплую и пресную воду.

В этой удалённой экосистеме обитает большая часть фотосинтезирующей жизни Южного океана. Новое исследование Вашингтонского университета впервые измерило, как ледовые водоросли и другие одноклеточные организмы адаптируются к этим сезонным ритмам, что даёт подсказки о возможных последствиях изменения этого окружения из-за климатических сдвигов.

Исследование, опубликованное в ISME Journal, содержит одни из первых измерений реакции морских ледовых микробов на меняющиеся условия.

«Мы очень мало знаем о том, как микробы морского льда реагируют на изменения солёности и температуры, — сказала ведущий автор Ханна Доусон. — И до сих пор мы почти ничего не знали о молекулах, которые они производят и используют в химических реакциях, чтобы оставаться в живых. Эти молекулы важны для поддержания высших организмов в экосистеме, а также для климатических воздействий, таких как накопление углерода и образование облаков».

Полярные океаны играют важную роль в глобальных океанических течениях и поддержании морских экосистем. Микробы формируют основу пищевой сети, поддерживая более крупные формы жизни.

«Полярные океаны составляют значительную часть мирового океана, и это очень продуктивные воды, — отметила старший автор Джоди Янг. — Эти воды поддерживают большие скопления криля, китов, которые приплывают, чтобы питаться этим крилем, а также белых медведей или пингвинов. А начало всей этой экосистемы — эти одноклеточные микроскопические водоросли. Мы просто так мало о них знаем».

Крошечные организмы также важны для климата, поскольку они незаметно осуществляют фотосинтез и поглощают углерод из атмосферы. Полярные водоросли особенно хорошо производят серосодержащие молекулы, которые придают пляжам характерный запах и, попадая в воздух с морскими брызгами, способствуют образованию облаков, которые могут снижать проникновение солнечных лучей.

Антарктический морской лёд, долгое время остававшийся стабильным, в этом году достиг рекордно низкого уровня.

В других океанах спутниковые приборы могут фиксировать из космоса драматические сезонные цветения фитопланктона — но это невозможно для микробов, скрытых под морским льдом. А антарктические воды особенно сложны для посещения, из-за чего у исследователей почти нет зимних измерений.

В конце 2018 года Доусон и соавтор Сьюзан Ранделл отправились на американскую станцию Палмер на Западном Антарктическом полуострове. Они использовали небольшую лодку для отбора проб морской воды и льда на одних и тех же близлежащих участках каждые три дня.

На берегу две аспирантки провели 10-дневные эксперименты в резервуарах, чтобы увидеть, какие микробы растут при регулировании температуры и солёности для имитации образования и таяния льда. Они также отправили образцы в Сиэтл для более сложных измерений генетики и метаболитов образцов — небольших органических молекул, производимых клеткой.

Результаты показали, как одноклеточные водоросли справляются с изменчивой средой.

• При понижении температуры клетки производят криопротекторы, подобные антифризу, чтобы предотвратить кристаллизацию клеточной жидкости. Многие из наиболее распространённых молекул криопротекторов были одинаковыми у разных форм микробной жизни.
• При изменении солёности, чтобы избежать разрыва в опресняющихся водах или высыхания, как изюм, в солёных условиях, клетки меняют концентрацию солеподобных органических молекул. Многие такие молекулы выполняют двойную роль криопротекторов, балансируя условия внутри и снаружи клетки для поддержания водного баланса.

Результаты показывают, что при краткосрочных изменениях температуры и солёности структура сообщества в каждом образце оставалась стабильной, в то время как регулировалась выработка защитных молекул. Разные виды микробов демонстрировали согласованные реакции на меняющиеся условия. Это должно упростить моделирование будущих реакций на изменение климата, отметила Янг.

Результаты также намекают, что производство омега-3 жирных кислот может снижаться в условиях пониженной солёности. Это станет плохой новостью для потребителей добавок с маслом криля и для морской экосистемы, которая зависит от этих питательных веществ, получаемых из водорослей. Текущие исследования группы UW направлены на подтверждение этого результата — особенно в свете перспективы увеличения поступления пресной воды от таяния морского льда и ледников.

«Нас интересует, как эти ледовые водоросли справляются с изменениями температуры, солёности и света в нормальных условиях, — сказала Доусон. — Но у нас также есть изменение климата, которое полностью перестраивает ландшафт с точки зрения сроков образования льда, того, сколько льда образуется, как долго он держится перед таянием, а также количества поступающей пресной воды от ледников. Так что мы одновременно пытаемся зафиксировать то, что происходит сейчас, и понять, как это может проинформировать нас о том, что может произойти в будущем».