Большая часть жизни на Земле зависит от энергии солнца для выживания, но как насчет организмов в глубоком море, которые живут за пределами досягаемости его лучей? Новое исследование, проведенное Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI), опубликованное в The ISME Journal, проливает свет на то, как вид фораминифер, одноклеточных организмов, встречающихся почти во всех морских местообитаниях, процветает в темной, бескислородной среде.
Для этого вида фораминифер ответом является хемоавтотрофия, метаболический процесс, который использует неорганические источники энергии, возможно, сульфид, для поглощения углерода, что позволяет ему выживать в бескислородной среде. Хемоавтотрофия наблюдалась у бактерий и архей, которые являются микробными организмами без настоящего ядра. Однако фораминиферы являются эукариотами, что означает, что у них есть четко определенное ядро, в котором находится генетический материал организма.
«Животные, растения, водоросли и фораминиферы — все это эукариоты. Мы были заинтересованы в изучении этой фораминиферы, потому что она процветала в среде, очень похожей на земную в докембрийское время, во времена, когда еще не было эволюции животных», — объяснила Фатма Гомаа из WHOI. «В то время в океанах было очень мало или совсем не было кислорода, а концентрация токсичных неорганических соединений была высокой; условия напоминали некоторые современные среды, обнаруженные на морском дне, особенно в отложениях. Понимание источников энергии и углерода, используемых фораминиферами, помогает нам ответить на вопросы о том, как эти виды адаптируются к изменениям окружающей среды, одновременно расширяя наши знания об эволюции эукариотической жизни на Земле».
Используя дистанционно управляемый аппарат Hercules с исследовательского судна E/V Nautilus, эксплуатируемого Ocean Exploration Trust, команда собрала отложения, содержащие фораминиферы, на глубине около 570 метров ниже поверхности океана у побережья Калифорнии.
На глубине команда использовала два основных метода, чтобы узнать о жизненных стратегиях фораминифер. Первый включал в себя введение в образцы консерванта (видимого с помощью красного красителя), сохраняющего фораминиферы in situ. Исследователи оценили использование ими различных метаболических путей с помощью анализа экспрессии генов.
Кроме того, исследователи использовали инкубации in situ с изотопным углеродным трассером, метод, который позволяет отслеживать меченые метаболиты через химические реакции. Эти инкубации находились на морском дне около 24 часов, прежде чем их извлекли и провели суб-выборку в красном свете.
«Когда мы проанализировали инкубации трассера на морском дне, мы увидели, что трассер перемещался из воды и был связан с биомассой фораминифер. Это дало нам представление о том, откуда эти организмы брали свой углерод», — сказал Дэниел Роджерс из колледжа Стоунхилл. «Для нас было важно провести эти наблюдения на глубине, где эти организмы находятся в своем естественном состоянии. Вынося их на поверхность, мы подвергаем их воздействию света, повышаем температуру их среды и изменяем величину давления, под которым они находятся. Этот подход in situ дает нам более точное представление о том, как эти организмы выживают в таких суровых условиях».
Джоан Бернхард, старший научный сотрудник отдела геологии и геофизики WHOI и эксперт по фораминиферам, на протяжении десятилетий изучает эту популяцию бентосных фораминифер, чтобы узнать, как эти удивительные существа выживают в столь сложных условиях и как они это делали на протяжении значительной части истории Земли.
«Фораминиферы чрезвычайно распространены на Земле. Большинство из них имеют диаметр всего около 300 микрон, то есть довольно малы. В объеме размером с ластик для карандаша может быть около 500 особей этого конкретного вида в этой темной, бескислородной и сульфидной среде обитания», - пояснил Бернхард.
Это исследование было поддержано NASA, которое интересуется возможностью жизни на других планетах и тем, как она может выжить. Хотя глубокое море не может быть дальше от внеземных планет, обе среды имеют сходства, такие как низкие температуры, темнота и во многих местах отсутствие кислорода.
«Этот вид забирает хлоропласты неродственных организмов — органеллы, которые осуществляют фотосинтез при воздействии солнечного света. Этот процесс называется клептопластией, при котором организм крадет хлоропласты у другого типа организмов, хотя эти фораминиферы никогда не подвергаются воздействию солнечного света. Мы знаем, что здесь происходит клептопластия, но нам нужно было больше исследований, чтобы понять, почему эти фораминиферы так успешно существуют в темноте, без кислорода», - сказал Бернхард.
Помимо их способности процветать в среде, которую некоторые считают экстремальной, раковины фораминифер также используются в исследованиях изменения климата и для поиска запасов углеводородов.
«У нас есть ископаемые останки фораминифер, которым более полумиллиарда лет, что означает, что у нас есть более длительная летопись этой группы, чем у большинства других форм жизни на Земле», — продолжил Бернхард. «Изучая эти окаменелости, мы можем увидеть, как их раковины реагировали на изменения окружающей среды, такие как температура, соленость, pH или кислород. Изучая геохимию, сохранившуюся в их раковинах, фораминиферы становятся прекрасными инструментами для демонстрации возраста и среды геологического отложения. Вся эта информация необходима для создания точных климатических данных. Тот факт, что вид фораминифер является хемоавтотрофным, поднимает вопросы об их геохимических данных и о том, правильно ли мы их интерпретируем. Другие виды фораминифер также могут действовать таким образом».
Исследователи также сохранили образцы двух других видов фораминифер, и первоначальные результаты показывают, что эти типы различаются биологически. В настоящее время ученые проводят сравнительные анализы этих других видов, чтобы точно определить их источники энергии и углерода.
