Соль и сахар могут помочь перегревающимся кораллам
Возможно, вы слышали, что коралловые рифы перегреваются и исчезают с нашей планеты. Хотя это, безусловно, так, но не все новости мрачны и беспросветны! Время от времени удивительные эксперименты показывают нам, что у кораллов еще есть надежда и у них есть чему поучиться. Работая на побережье Красного моря, мы с удивлением обнаружили, что кораллы, живущие в очень соленой воде, становятся сильнее в периоды перегрева. Более того, мы также обнаружили связь между соленостью воды и способностью анемонов (близких родственников кораллов) справляться с жарой. В этой статье мы изучим эту связь, заглянув в клетки анемонов, чтобы измерить молекулы, невидимые невооруженным глазом, и выясним, как соль может сделать анемоны и кораллы сильнее в условиях повышения температуры.
Горячие рифы в условиях меняющегося климата
Кораллы - это животные, которые создают прекрасные подводные сады, называемые коралловыми рифами. Эти рифы являются домом для миллионов других организмов, и некоторые люди называют их подводными тропическими лесами нашей планеты. К сожалению, как и настоящие тропические леса, коралловые рифы находятся под угрозой. Потепление океана, вызванное изменением климата, угрожает кораллам повсюду. Другими словами, кораллы перегреваются!
Когда кораллы начинают испытывать стресс от перегрева, который называется тепловым стрессом, они теряют жизненно важных партнеров, которые помогают им создавать такие пышные рифы. Этими партнерами являются крошечные растительноподобные клетки, называемые микроводорослями. Микроводоросли живут внутри клеток кораллов, снабжая их пищей, необходимой для роста и поддержания здоровья. Эти отношения представляют собой разновидность симбиоза, когда два разных организма живут рядом и в целом получают пользу друг от друга. Крошечные водоросли часто называют водорослями-симбионтами (рис. 1). Когда водоросли-симбионты изгоняются из тканей коралла из-за теплового стресса, коралл лишается своего основного источника питания. Это событие называется обесцвечиванием кораллов, поскольку кораллы становятся белыми из-за потери своих водорослевых симбионтов. Не получая пищи от симбионтов, кораллы могут в конечном итоге голодать и умереть, если тепловой стресс будет продолжаться.
Более соленые анемоны сильнее во время теплового стресса
В предыдущей статье Frontiers for Young Minds мы описали эксперимент, в котором использовали морского анемона Aiptasia - близкого родственника кораллов с теми же водорослями-симбионтами, чтобы узнать больше об обесцвечивании кораллов. Нас интересовало влияние солености, то есть содержания соли в воде, на обесцвечивание. К нашему удивлению, мы обнаружили, что анемоны, живущие в морской воде с высокой соленостью, становятся сильнее во время теплового стресса. Анемоны, живущие в более соленой морской воде, обесцвечивались меньше! Они сохранили больше своих водорослевых симбионтов, которые продолжали снабжать анемон пищей. Мы измерили это, подсчитав количество водорослевых симбионтов внутри анемонов [ 1 ]. Хотя это был интересный эксперимент, мы задались вопросом, почему наши соленые анемоны сохранили свои водорослевые симбионты, а анемоны, растущие при более низкой солености, нет.
Наша основная гипотеза заключалась в том, что анемоны в условиях повышенной солености приспосабливают свои клетки к более высокому содержанию соли. Для этого анемоны или их водоросли-симбионты должны вырабатывать что-то, что либо помогает им справляться с более соленой водой, либо делает их более устойчивыми к тепловому стрессу. Кроме того, из других экспериментов мы знали, что во время теплового стресса вырабатываются опасные молекулы, называемые реактивными видами кислорода (ROS), которые способствуют обесцвечиванию кораллов [ 2, 3 ]. ROS могут повреждать клетки анемонов/кораллов и их водорослей-симбионтов. Поэтому мы подумали, что в условиях высокой солености, возможно, присутствуют какие-то молекулы, которые могут защитить анемоны и их водоросли-симбионты от ROS. Чтобы найти молекулы, вырабатываемые в воде с высокой соленостью, которые могли бы противостоять разрушительному воздействию ROS, мы повторили наш предыдущий эксперимент, но проанализировали молекулы, вырабатываемые внутри клеток анемонов и их водорослей-симбионтов.
Сахар - топливо жизни
Все клетки - это крошечные закрытые отсеки, заполненные фабриками, хранилищами, строительными блоками и миниатюрными молекулярными "машинами". И, как и машине, клетке для нормального функционирования необходима энергия. Энергия - ценный ресурс для клеток. Она вырабатывается одной из самых важных клеточных структур - "электростанциями" клетки, называемыми митохондриями. Внутри митохондрий сахара из пищи, которую мы едим, превращаются в энергию для клеточных механизмов. Помимо митохондрий, водоросли-симбионты имеют специальные структуры, называемые хлоропластами, которые генерируют пищу путем получения богатых энергией сахаров из солнечного света! Этот процесс известен как фотосинтез - тот же самый процесс, который используют ваши садовые растения для производства своей собственной пищи!
Поскольку у анемонов и кораллов нет хлоропластов, они не могут осуществлять фотосинтез, чтобы получать сахара из солнечного света. Однако если они живут вместе со своими водорослями-симбионтами, то могут получать эти сахара из фотосинтезирующих клеток водорослей. Хотя часть сахаров используется водорослями-симбионтами для поддержания работы собственных механизмов, большая часть передается хозяину анемоны или коралла! Вот это сделка!
Жара: Враг совместного использования сахаров
К сожалению, во время теплового стресса клеточный механизм симбионта повреждается. В результате прекращается фотосинтез и обмен сахаром между симбионтом и кораллом. Повреждение происходит из-за накопления молекул ROS, о которых мы говорили ранее - их можно представить себе как крошечные "искры", возникающие в процессе производства энергии. Если таких искр образуется слишком много или они генерируются неконтролируемым образом, то могут "поджечь" части симбионтов водорослей, разрушив их [ 4 ]. Это может привести к обесцвечиванию. Подробности обесцвечивания кораллов, роль ROS и прекращение фотосинтеза водорослями-симбионтами - все это сложные темы, которые все еще изучаются!
Больше соли ведет к большему количеству сахаров: Избежание осмотического шока
Возможно, вы зададитесь вопросом, почему мы говорим о сахаре, когда соль - это фактор, защищающий анемоны от обесцвечивания во время теплового стресса, верно? Причина в том, что сахар используется не только для получения энергии! Существует множество форм сахаров и сахаросодержащих молекул внутри клеток. Как и многие другие молекулы, сахара помогают клеткам справляться с соленостью воды вокруг них. Сахара влияют на естественный процесс осмоса, действуя как осмолиты. Осмолиты - это вещества, которые могут либо вырабатываться, либо расщепляться в клетке, чтобы помочь ей приспособиться к окружающей солености. Если осмолиты не регулируются быстро, клетка впадает в состояние, называемое осмотическим шоком, который может ее повредить. Поэтому осмолиты являются спасительными для некоторых клеток.
Анемоны используют некоторые сахара в качестве энергетического ресурса, но также используют сахара в качестве осмолитов, чтобы поддерживать высокую соленость вокруг себя. Поскольку водоросли-симбионты находятся внутри клеток анемоны, они тоже должны приспосабливаться к солености. Эта связь между солью и сахаром связывает соленую среду с изменениями внутри клеток анемоны, а также их водорослевых симбионтов.
В нашем эксперименте мы подвергли анемоны тепловому стрессу при низкой, средней и высокой солености. Затем мы проверили, изменяется ли содержание осмолитных сахаров, чтобы понять, что происходит внутри клеток водорослей. При этом мы обнаружили сахаросодержащую молекулу, которая выделялась на фоне других: флоридозид.
Многоликий флоридозид
Флоридозид - это сахаросодержащая молекула и известный осмолит. Мы обнаружили большое количество флоридозида в клетках водорослей анемонов, которые содержались в воде с высокой соленостью. Накапливая больше флоридозида, водоросли-симбионты приспосабливались к новой солености и не впадали в осмотический шок, избегая повреждений!
Интересно, что флоридозид живет двойной жизнью! Он также может действовать как нейтрализатор ROS! Другими словами, флоридозид гасит "искры", которые образуются в процессе производства энергии. Предотвращая накопление ROS в симбионтах водорослей, флоридозид предотвращает повреждение клеток, которое останавливает фотосинтез и обмен сахарами между анемоной и симбионтом водорослей, что может привести к обесцвечиванию кораллов.
Чтобы выявить нейтрализующее действие флоридозида на РОС, мы измерили количество РОС, продуцируемых симбионтами водорослей во время теплового стресса при различной солености. Мы заметили, что чем больше флоридозида было обнаружено в симбионте водоросли, тем меньше было РОС. Эта взаимосвязь между большим количеством флоридозида и меньшим количеством РОС может объяснить, почему анемоны меньше обесцвечиваются при более высокой солености (рис. 2). Флоридозид, действуя как осмолит и нейтрализатор РОС, может защищать механизмы водорослевых симбионтов и обеспечивать непрерывное поступление сахаров в анемону. Больше пищи для анемоны означает больше энергии, что, в свою очередь, означает больше ресурсов для борьбы с другими стрессовыми факторами, такими как тепловой стресс. Это может привести к укреплению симбиоза или, другими словами, к уменьшению обесцвечивания!
В двух словах
Соленость воды меняет поведение клеток и вещества, которые они вырабатывают. Это означает, что соленость оказывает большое влияние на все животное. Высокая соленость заставляет клетки анемоны и ее водорослей-симбионтов регулировать уровень осмолитов, таких как флоридозид. Они производят больше осмолитов, чем солонее становится вода. Флоридозид - это сахаросодержащий осмолит, который также нейтрализует ROS, способные повредить симбионты водорослей. Эта связь между соленостью, тепловым стрессом и обесцвечиванием может помочь объяснить, почему анемоны и некоторые виды кораллов меньше обесцвечиваются при тепловом стрессе, если живут в более соленой воде, как, например, в Красном море.
Как обычно бывает в науке, на этом история не заканчивается. Существует множество молекул, которые могут выступать в роли осмолитов, и не все анемоны и кораллы полагаются на одни и те же. Они могут использовать разные осмолиты, чтобы приспособиться к изменениям солености. Кроме того, не все анемоны и лишь некоторые кораллы демонстрируют этот эффект солености! Это открывает множество новых вопросов для будущих экспериментов.
