Микроскопическая морская цианобактерия Prochlorococcus способна не только свободно дрейфовать в освещённых слоях океана, но и объединяться в биоплёнки на поверхностях. К такому выводу пришли исследователи Массачусетского технологического института (MIT), чья работа опубликована в журнале Nature Communications. Результаты показывают, что организм может участвовать в переносе углерода в глубокие слои океана значительно активнее, чем считалось.
Prochlorococcus — самый маленький и самый многочисленный фотосинтезирующий организм в морях. На него приходится около 10% всего углерода, который ежегодно поглощают из атмосферы суша и океан. Кроме того, фитопланктон обеспечивает кислородом примерно каждый второй вдох человека.
После открытия этой бактерии несколько десятилетий назад Салли (Пенни) Чисхолм и её коллегами Prochlorococcus рассматривали главным образом как одиночный свободноплавающий микроб. Поскольку клетки быстро живут и погибают у поверхности воды, считалось, что их вклад в биологический насос океана — естественный перенос углерода в глубины с последующим хранением — невелик. Однако команда лаборатории Чисхолм обнаружила, что клетки могут прикрепляться к частицам и формировать липкие сообщества.
Первоначально учёные заметили скопления клеток на дне пробирок со старыми культурами, а более ранние эксперименты показали способность некоторых штаммов прикрепляться к частицам хитина. Мая Анжур-Дитрих, присоединившаяся к лаборатории, изучила это свойство у разных экологических групп Prochlorococcus, выделенных в различных районах океана. Способность образовывать биоплёнки обнаружилась у всех проверенных штаммов, а в обычной культуре к стенкам пробирки прилипало около 6% клеток; после многократного переноса только прикрепившихся клеток их доля со временем достигала примерно 85%.
При этом переход между прикреплённым и свободноплавающим состояниями не был связан с мутацией. Геномы клеток оставались одинаковыми, а различия объяснялись тем, какие гены активируются в конкретный момент. В биоплёнке клетки вырабатывали больше хлорофилла, медленнее росли и выделяли в окружающую воду почти вдвое больше органического углерода, чем свободноплавающие клетки; часть из них затем отделялась и создавала новые свободные популяции. По словам Анжур-Дитрих, разные стратегии могут помогать популяции переживать непредсказуемые изменения освещённости и доступности питательных веществ: свободные клетки легче распространяются и получают больше света, а прикреплённые могут использовать вещества соседних микробов и лучше защищаться от хищников, хотя при этом повышается вероятность их погружения на глубину.
Анализ образцов морской воды, отфильтрованных по размеру частиц, а также данных международного проекта Tara Oceans показал, что прикреплённый Prochlorococcus встречается во всех исследованных пробах. В освещённых водах района станции ALOHA у Гавайев эти клетки составляли около 12% микробного сообщества, связанного с частицами. Исследователи Массачусетского технологического института оценили, что при переносе таких частиц из освещённой зоны вниз Prochlorococcus потенциально может ежегодно доставлять в глубокие воды около 500 млн метрических тонн углерода; авторы подчёркивают, что это лишь предварительная оценка, зависящая от численности клеток у поверхности, доли прикрепившихся организмов и их потребления по пути к дну.