Десятилетиями ученые считали, что одна из важнейших групп океанских бактерий идеально приспособлена к жизни в водах с крайне низким содержанием питательных веществ. Однако новое исследование показывает, что это предположение может быть неполным. Оказалось, что эти микробы гораздо более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем думали ранее.
Речь идет о бактериях группы SAR11 – самой многочисленной форме жизни в поверхностных водах мирового океана. В некоторых регионах на их долю приходится до 40% всех морских бактериальных клеток. Считалось, что их доминирование обусловлено «оптимизацией генома» – эволюционной стратегией, при которой организмы избавляются от «лишних» генов для экономии энергии в бедной питательными веществами среде. Но, как показало исследование, опубликованное в журнале Nature Microbiology, эта исключительная эффективность может создавать и серьезные ограничения.
«Невероятный эволюционный успех SAR11 в адаптации к стабильным условиям с низким содержанием питательных веществ, возможно, сделал их уязвимыми в океанах, которые испытывают все больше изменений. Похоже, они загнали себя в своего рода эволюционную ловушку», – говорит Кэмерон Трэш, профессор биологических наук и наук о Земле, один из авторов исследования.
Чтобы понять, как SAR11 реагируют на стресс, ученые изучили сотни геномов этих бактерий. Они обнаружили, что у многих штаммов отсутствуют гены, обычно отвечающие за регуляцию клеточного цикла – системы, которая контролирует копирование ДНК и деление клетки. У большинства других бактерий эти гены жизненно необходимы для нормального роста и выживания. Когда условия окружающей среды меняются, отсутствие такой регуляции, по-видимому, создает для SAR11 серьезные проблемы.
В ходе эксперимента выяснилось, что в ответ на стресс многие клетки SAR11 не замедляли свой рост, а продолжали копировать ДНК, но не могли разделиться. «Репликация их ДНК и деление клеток оказались рассинхронизированы. Клетки продолжали копировать свою ДНК, но не могли правильно разделиться, что приводило к появлению аномальных клеток с неверным числом хромосом», – объясняет Чуанкай Ченг, ведущий автор исследования. По его словам, настоящим сюрпризом стало то, насколько четкой и повторяемой оказалась эта клеточная реакция.
Клетки с лишними наборами хромосом часто становились крупнее обычных и в конечном итоге погибали. Даже при обилии питательных веществ такие сбои приводили к снижению общего роста популяции. Этот вывод ставит под сомнение распространенное мнение, что микробы всегда процветают, когда пищи становится много. Результаты также проливают свет на давнюю загадку океанской экологии: почему популяции SAR11 часто сокращаются на поздних стадиях цветения фитопланктона, когда в воде растет уровень органических веществ. Теперь у ученых есть объяснение – резкое увеличение питательных веществ нарушает внутренние процессы этих бактерий и делает их менее конкурентоспособными.
Это исследование имеет важные последствия для понимания того, как морские экосистемы могут реагировать на изменение климата. Бактерии SAR11 играют центральную роль в круговороте углерода в океане, регулируя его движение по морским пищевым сетям. Их чувствительность к потеплению и резким притокам питательных веществ может нарушить баланс микробных сообществ по мере того, как условия в океане становятся все менее стабильными. Как отмечают авторы, эта работа показывает новый механизм влияния изменений окружающей среды на экосистемы – не просто через ограничение ресурсов, а через нарушение физиологии доминирующих микроорганизмов.
