Внутрішні роботи досліджень досліджують перспективи для 3D-карти морських мікробних спільнот PNAS
Морські мікроби - це основа харчових мереж океану; вони є робочими конями, які перетворюють вуглець, азот та інші необхідні поживні речовини в біодоступні форми для всього іншого життя в океанах (1, 2). Але лише близько 10% цих бактерій, архей, вірусів, протистів та грибів можна культивувати в лабораторії - переважна більшість повинна брати проби безпосередньо з океану (3). Оскільки відбір проб є дорогим і трудомістким, дослідження обмежені на більшості океанічних мікробів. Як результат, локалізація товщі води в біогеохімічних процесах, зумовлених мікробами, не була детально складена.
Автономний підводний апарат Clio, або AUV, вже розкриває секрети мікробного та хімічного складу океану. Незвичайна форма AUV обтічна для вертикального руху через товщу води. Кредит зображення: Mak Saito (Океанографічний інститут Woods Hole, Woods Hole, MA).
Наразі інструменти, якими розпоряджаються дослідники, недоотримали. Дослідники хотіли б проаналізувати мікробні білки, ДНК та РНК, а також цукри, вітаміни та інші дрібні органічні молекули. І оскільки мікробні спільноти різняться в тонких просторових масштабах і можуть швидко змінюватися від метра до метра по всій товщі води, дослідники повинні мати можливість відбирати морську воду з точних глибин.
Автономна підводний човен під назвою Clio може бути відповіддю. Біогеохімік Мак Сайто з океанографічного інституту Вудс-Хоул у штаті Вудс-Хоул, штат Массачусетс, та його співробітники розробили 6-футовий яскраво-жовтий підводний човен у формі холодильника, починаючи з 2014 року. серед перших, спеціально розроблених для відбору зразків мікробів для вивчення морської біогеохімії. Сайто сподівається, що найближчі роки відкриють безліч даних, які дозволять дослідникам досліджувати мікробний та хімічний склад океану з високою роздільною здатністю.
Clio може стати невід'ємним інструментом для BioGeoSCAPES, що зароджується програми, що планує вивчати мікробну, біологічну та хімічну океанографію, включаючи створення тривимірної карти морських мікробних спільнот та хімічного кругообігу в океані протягом наступного десятиліття. Отримання такої карти може мати важливі наслідки - від з’ясування місць метаболічних шляхів, що сприяють викиду сильнодіючих парникових газів, до зменшення оксигенації морської води, до виявлення нових процесів та сполук для медицини чи виправлення забруднень.
Обсяг вибірки
Кліо вже працює на збиранні зразків. У жовтні 2018 року Сайто очолив підводний човен у дослідницькому круїзі в 60 милях від узбережжя Бермудських островів. Неопублікований попередній аналіз зразків кліо з експедиції виявляє, що експресія ціанобактеріального білка змінюється залежно від глибини, натякаючи на різні хімічні процеси у товщі води, каже Сайто. Його останні висновки не є першими, хто вивчав експресію білка в морських мікробах. Але попередні методи збору цих мікробів були набагато більш трудомісткими, спираючись на насоси, опущені над бортом корабля на тросі. Нова підводний човен, що має набагато більше об'ємних зразків за круїз, повинна допомогти дослідникам швидше побачити широко поширені закономірності.
До Кліо кілька інших дайвінг-роботів несли подібні наукові прилади, а інші океанські роботи також брали зразки морських мікробів. Наприклад, в одному дослідженні 2019 року було використано два дальнобойних АСУ та поверхневого робота для картографування та відбору пробних спільнот відкритого океану фітопланктону поблизу Гаваїв (4). Ці та інші АСУ, побудовані в Каліфорнійському науково-дослідному інституті акваріуму Монтерей-Бей, містять лабораторії розміром з взуттєві коробки, які можуть відбирати, фільтрувати, зберігати та в деяких випадках аналізувати генетичний матеріал з морської води, поки підводний човен пірнає. Допоміжні пристрої Monterey не присвячені лише одній справі. Гідролокаційні або відеосенсори також можуть обладнати підводні станції для досліджень дикої природи, а транспортні засоби можуть міняти місцями інструменти для різних дослідницьких цілей.
Clio був розроблений з особливою метою відбору великих обсягів морської води вертикально через товщу води для біогеохімічних аналізів, пояснює керівник проекту Джон “Чіп” Брейер, геохімік та інженер з університетського містечка долини Ріо-Гранде в Порт-Ізабел, і ад'юнкт в Океанографічному Вудс-Хоул. Незважаючи на те, що кожен автомобіль Clio коштує кілька сотень тисяч доларів на будівництво, субмарк повинен швидко окупитись за заощаджений час, додає Сайто. А отже, це повинно сприяти більш ретельному картографуванню мікробних спільнот та їхньої поведінки по всій товщі води.
Діаграми підручників біогеохімічного циклічного руху часто використовують стрілки, щоб проілюструвати перехід однієї сполуки в іншу із суші в море в атмосферу. "Але ви не усвідомлюєте, що кожна з цих стрілок насправді є метаболізмом мікробів", - каже мікробний океанолог Елісон Санторо з Каліфорнійського університету, Санта-Барбара. Мікроби перебувають за лаштунками, керуючи цими основними планетарними циклами. Наприклад, у кругообігу морського вуглецю беруть участь фотосинтезуючі організми, звані фітопланктоном, які дрейфують поблизу поверхні океану, де вони поєднують воду та світло для побудови своїх тканин з органічним вуглецем. Такі хижаки, як гетеротрофні протисти, їдять фітопланктон, пропускаючи вуглець по харчовому ланцюгу, і викидають у воду відходи, включаючи азот, фосфор, залізо, мідь та цинк. Таким чином, за оцінками 3,1 × 10 28 окремих бактеріальних клітин і 1,3 × 10 28 окремих архей, що дрейфують по морях, кожна змінює хімію їх безпосереднього оточення і в сукупності змінює хімію цілих океанів (5).