Где обитают океанические микробы, обладающие сверхспособностями к азотному дыханию?
Всем животным, включая вас, необходим кислород для дыхания. Многим видам крошечных микроорганизмов (микробам) тоже нужен кислород. Но некоторые микробы обладают сверхспособностью: они могут дышать другим элементом - азотом! Это значит, что они могут жить там, где нет кислорода. Но где же эти места? Мы хотели выяснить, где в океане обитают эти суперсильные микробы, дышащие азотом. В этой статье мы рассказываем о том, как нашли новый способ оценить эти районы. Мы составили карту мира, на которой указали области в глубоких слоях океана, где, скорее всего, обитают азотодышащие микробы. Наша работа поможет нам понять роль, которую азотодышащие микробы играют в регулировании климата Земли.
Азотодышащие микробы
Все живые существа - кошки, собаки, деревья и вы - являются организмами. Очень маленькие организмы, например бактерии, называются микроорганизмами (или микробами). Более крупные организмы, такие как мы, состоят из миллионов или миллиардов клеток, соединенных вместе. В отличие от нас, большинство микробов состоит всего из одной крошечной клетки. Мы часто слышим о "плохой стороне" микробов. Многие бактерии вызывают болезни или инфекции, например ушные инфекции или боли в горле. Но хороших или безвредных бактерий гораздо больше, чем плохих. Например, в нашем пищеварительном тракте живут миллионы бактерий, которые помогают нам переваривать пищу. Кроме того, бактерии живут повсюду в окружающей среде - в грязи, в озерах, реках и океане. Как мы увидим, эти бактерии играют важную роль на планете Земля.
Чтобы выжить, всем организмам нужны пища, вода и возможность дышать. Нам, людям, как и всем животным, необходимо дышать кислородом. Когда астронавты отправляются в космос, они берут с собой еду, воду и кислород, поскольку в космосе кислорода нет. Вот почему им приходится носить скафандры! Рыбам тоже нужно дышать кислородом под водой. Они используют жабры, чтобы вытягивать кислород из воды, так же как мы используем легкие, чтобы вытягивать кислород из воздуха. Многие микробы также используют кислород для дыхания. Но некоторые виды микробов обладают сверхспособностями: они могут дышать не только кислородом! Например, некоторые микробы могут дышать формами другого элемента, называемого азотом (рис. 1).
Где живут эти микробы, дышащие азотом? Микробы могут расти быстрее, если они используют кислород вместо азота. Поэтому, когда есть кислород, микробы предпочитают дышать кислородом. Но в некоторых местах океана кислорода очень мало (рис. 2А) [ 2 ]. Большинство рыб не могут жить в местах, где мало кислорода, и микробы, дышащие кислородом, тоже не могут жить во многих из этих мест. Но супермощные микробы, дышащие азотом, могут жить в бедных кислородом районах океана! В глубинах океана много азота, которым можно дышать.
Эти азотодышащие микробы играют важную роль на Земле. Несмотря на то, что они живут в глубинах океана, при дыхании эти микробы превращают растворенный азот в газы, которые попадают в атмосферу [ 3 ]. Один из этих газов, называемый закисью азота, является парниковым газом. Как и углекислый газ, закись азота способствует сохранению тепла на планете. Но, как и в случае с углекислым газом, если закиси азота слишком много, то потепление будет слишком сильным, что может привести к изменению климата Земли.
Как много этих микробов, дышащих азотом? Каким количеством азота они дышат? Будет ли в будущем больше микробов, дышащих азотом? Мы хотели помочь ответить на эти вопросы, выяснив, где именно в океанских глубинах обитают азотодышащие микробы. Где мы можем ожидать найти этих азотодышащих микробов? Рисунок 2A дает нам общее представление о том, где они обитают, но мы хотели знать точные районы. Эти знания помогут нам рассчитать, сколько азота вдыхают эти организмы. Используя эту информацию, мы могли бы изучить, сколько закиси азота выделяют эти организмы, что в итоге может привести к дальнейшему потеплению Земли.
Как мы определили, где обитают азотодышащие организмы?
Поскольку всем организмам нужна пища и возможность дышать, мы хотели узнать, сколько пищи и кислорода присутствует в океане для кислорододышащих микробов, а также сколько пищи и азота присутствует для азотодышащих микробов. Оба типа микробов питаются одними и теми же видами пищи, и мы знаем, что в глубинах океана много азота, поэтому мы предположили, что для азотодышащих микробов всегда будет достаточно азота. Таким образом, на самом деле нам нужно было сделать только две оценки: количество пищи и количество кислорода, доступного для микробов [1].
Эти оценки дали нам потоки пищи и кислорода в океане. Что такое поток? Поток - это скорость изменения чего-либо с течением времени. В качестве примера потока пищи подумайте о потоке арахисового масла в вашем доме. Сколько арахисового масла есть в наличии у вас и вашей семьи? Чтобы ответить на этот вопрос, вы можете оценить, как часто кто-то из членов вашей семьи покупает арахисовое масло. Если ваша семья покупает банку арахисового масла раз в неделю, то поток составляет одну банку в неделю. Если семья вашего друга покупает две банки арахисового масла в неделю, то поток в их доме в два раза больше, чем в вашем доме, - две банки в неделю. Поскольку в доме вашего друга поток арахисового масла выше, это означает, что в доме вашего друга может жить больше людей, которые едят арахисовое масло. Если семья другого друга вообще не покупает арахисовое масло, то в этом доме нет потока арахисового масла. В этом доме не захотят жить те, кто ест арахисовое масло. В вашем доме и в домах обоих ваших друзей, если бы вы заглянули в шкафы в конце недели, перед покупкой продуктов, возможно, ни в одном из них не осталось бы арахисового масла! Поэтому просто подсчитывать количество арахисового масла в доме в любой момент времени не так полезно, как оценивать поток арахисового масла.
Мы использовали те же самые рассуждения, чтобы выяснить, где могут жить микробы, дышащие кислородом и азотом. Мы рассчитали потоки пищи и кислорода во всех точках глубоководной части океана. Мы использовали большие наборы данных, которые похожи на большие библиотеки, собранные из измерений других ученых, с информацией о кислороде и пище в океане [ 4, 5 ]. Мы подсчитали, где есть достаточно кислорода и пищи для жизни кислорододышащих микробов. Затем, используя наши расчеты, мы определили места в океане, где еще есть пища, но уже недостаточно кислорода. Именно в этих местах, по нашему мнению, могут обитать азотодышащие микробы.
Так где же они обитают?
На рисунке 2B показана карта мест в глубоких слоях океана, где могут обитать азотодышащие микробы [1]. В этих местах много пищи для микробов, но мало кислорода для дыхания, поэтому микробам в этих местах полезно дышать азотом. Мы ожидаем, что если мы отправимся на корабле в эти районы и опустимся на глубину, то сможем найти микробов, дышащих азотом.
Если вы сравните темно-синие области на рисунке 2А с красными областями на рисунке 2В, то заметите, что они находятся примерно в одних и тех же местах океана. В тех местах, где мало кислорода, также низкий поток кислорода: эти места похожи на дом, где никто не покупает арахисовое масло! Наши расчеты с использованием потоков пищи и кислорода определили красные области на рисунке 2B как хорошие места для обитания азотодышащих организмов.
Почему эти результаты важны?
Теперь, когда мы можем оценить, где в океане обитают азотодышащие микробы, что мы можем сделать с этой информацией? Как мы уже говорили, эти азотодышащие микроорганизмы могут превращать растворенный азот в закись азота - один из парниковых газов, поддерживающих тепло на планете Земля. Если количество азотодышащих в океане увеличится, то может выделиться больше закиси азота, и на Земле станет еще теплее. Мы думаем, что количество микробов, дышащих азотом, может увеличиться, потому что общее количество кислорода в океане уменьшится из-за нынешнего изменения климата. Чтобы на Земле было так же прохладно, как сейчас, мы можем попытаться уменьшить количество других парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу. Например, когда мы ездим на велосипедах, а не на машине, мы выбрасываем меньше парниковых газов!
Наши оценки того, где в океане обитают азотодышащие организмы, позволят нам лучше предсказать, где и сколько азотодышащих организмов будет в будущем океане. Мы можем объединить методы прогнозирования с климатическими моделями, которые представляют собой компьютерные симуляции, используемые для оценки того, каким будет климат Земли в будущем. Таким образом, полученные нами результаты, надеемся, помогут нам выяснить, насколько теплее будет на Земле через 50 лет, когда вы станете взрослым. Сверхмощные азотодышащие микробы - важная часть ответа на этот вопрос!
