В холодных водах, окружающих Антарктиду, происходит необычный сезонный цикл. Зимой, с марта по октябрь, солнце почти не всходит. Когда морская вода замерзает, она отталкивает соли, создавая карманы с очень соленым рассолом, в которых зимой живут микробы. Летом морской лед тает под постоянным дневным светом, образуя на поверхности более теплую и пресную воду.

Эта отдаленная экосистема является домом для большей части фотосинтетической жизни Южного океана. Новое исследование Вашингтонского университета дает первые данные о том, как водоросли морского льда и другие одноклеточные формы жизни приспосабливаются к этим сезонным ритмам, предлагая ключ к пониманию того, что может произойти, когда эта среда изменится в результате изменения климата.

Исследование, опубликованное в журнале Журнал ИСМЕсодержит некоторые из первых измерений того, как микробы морского льда реагируют на изменяющиеся условия.

«Мы очень мало знаем о том, как микробы морского льда реагируют на изменения солености и температуры», — сказала ведущий автор Ханна Доусон, постдокторант из Университета Вашингтона, которая выполняла эту работу во время получения докторской степени по океанографии в Университете Вашингтона. «И до сих пор мы почти ничего не знали о молекулах, которые они производят и используют в химических реакциях, чтобы остаться в живых, что важно для поддержания высших организмов в экосистеме, а также для климатических воздействий, таких как хранение углерода и образование облаков».

Полярные океаны играют важную роль в глобальных океанских течениях и поддержке морских экосистем. Микробы составляют основу пищевой сети, поддерживая более крупные формы жизни.

«Полярные океаны составляют значительную часть мирового океана, и это очень продуктивные воды», — сказала старший автор Джоди Янг, доцент кафедры океанографии Университета Вашингтона. «В этих водах обитают большие стаи криля, киты, которые приходят питаться этим крилем, а также белые медведи или пингвины. И началом всей этой экосистемы являются одноклеточные микроскопические водоросли. Мы просто так мало о них знаем».

Крошечные организмы также важны для климата, поскольку они спокойно осуществляют фотосинтез и поглощают углерод из атмосферы. Полярные водоросли особенно хороши в производстве серосодержащих молекул, которые придают пляжам характерный запах, а когда они поднимаются в воздух вместе с морскими брызгами, способствуют образованию облаков, которые могут уменьшить проникновение солнечных лучей.

Морской лед Антарктики, хотя и долгое время оставался стабильным, в этом году находится на рекордно низком уровне.

В других океанах спутниковые инструменты могут фиксировать впечатляющее сезонное цветение фитопланктона из космоса, но это невозможно для микробов, спрятанных подо льдом. А воды Антарктики особенно сложно посетить, поэтому зимой у исследователей почти нет возможности проводить измерения.

В конце 2018 года Доусон и соавтор Сьюзен Ранделл отправились на станцию ​​Палмер, американскую исследовательскую станцию ​​на западе Антарктического полуострова. Они использовали небольшую лодку для отбора проб морской воды и морского льда в одних и тех же близлежащих местах каждые три дня.

Вернувшись на берег, два аспиранта провели 10-дневные эксперименты в резервуарах, чтобы увидеть, какие микробы растут по мере того, как температура и соленость регулируются так, чтобы имитировать образование и таяние морского льда. Они также отправили образцы обратно в Сиэтл для более сложных измерений генетики образцов и метаболитов — небольших органических молекул, вырабатываемых клеткой.

Результаты показали, как одноклеточные водоросли справляются с меняющейся средой. Когда температура падает, клетки вырабатывают криопротекторы, похожие на антифриз, чтобы предотвратить кристаллизацию клеточной жидкости. Многие из наиболее распространенных молекул криопротекторов были одинаковыми для разных микробных форм жизни.

По мере изменения солености, чтобы избежать разрыва в пресной воде или высыхания, как изюм в соленых условиях, клетки меняют концентрацию солеподобных органических молекул. Многие такие молекулы выполняют двойную роль криопротекторов: балансируют условия внутри и снаружи клетки и поддерживают водный баланс.

Результаты показывают, что при кратковременных изменениях температуры и солености структура сообщества в каждом образце оставалась стабильной при корректировке выработки защитных молекул. Различные виды микробов продемонстрировали последовательную реакцию на изменяющиеся условия. Это должно упростить моделирование будущих реакций на изменение климата, сказал Янг.

Результаты также указывают на то, что производство жирных кислот омега-3 может снижаться в условиях более низкой солености. Это будет плохой новостью для потребителей добавок с маслом криля, а также для морской экосистемы, которая зависит от этих питательных веществ, полученных из водорослей. Будущие исследования, проводимые сейчас группой UW, направлены на подтверждение этого результата, особенно с учетом перспективы увеличения поступления пресной воды в результате таяния морского льда и ледников.

«Нас интересует, как эти водоросли морского льда справляются с изменениями температуры, солености и освещенности в нормальных условиях», — сказал Доусон. «Но у нас также есть изменение климата, которое полностью меняет ландшафт с точки зрения того, когда формируется морской лед, сколько морского льда образуется, как долго он остается до таяния, а также количества поступающей пресной воды из ледников. мы оба пытаемся уловить то, что происходит сейчас, а также задаемся вопросом, как это может повлиять на то, что может произойти в будущем».