Rewolucyjne badania opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Science dostarczają nam głębszego wglądu w to, jak prądy oceaniczne, znane jako globalna cyrkulacja wywracająca, odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu różnorodności i funkcji życia mikrobowego w całym południowym Pacyfiku. To badanie, prowadzone przez naukowców z renomowanych instytucji, takich jak J. Craig Venter Institute (JCVI), Scripps Institution of Oceanography przy UC San Diego oraz University of California Berkeley, przedstawia najbardziej szczegółową mapę genetyczną do tej pory, ujawniając, w jaki sposób społeczności mikrobowe są strukturyzowane przez fizyczny ruch wody oceanicznej.

Głębiny oceanu i wpływ prądów

Wiatry i burze oddziałują na ocean tylko do głębokości około 500 metrów (1.640 stóp), co stanowi zaledwie jedną ósmą całkowitej głębokości oceanu wynoszącej 4.000 metrów (13.125 stóp), wyjaśnia główna autorka badania Bethany Kolody, która ukończyła oceanografię w Scripps Institution, a obecnie jest badaczką podoktorską w Cal. Poniżej 500 metrów od powierzchni, prądy są napędzane różnicami w temperaturze i zasoleniu wody, co wpływa na jej gęstość, tworząc globalną cyrkulację wywracającą. Ta cyrkulacja działa jak taśma transportowa, przenosząc wodę – i mikroby w niej – na ogromne odległości i głębokości.

"Do tej pory nie było jasne, czy te masy wodne były również odrębnymi ekosystemami mikrobowymi" – stwierdziła Kolody. "Teraz możemy z pełnym przekonaniem odpowiedzieć na to pytanie 'tak'."

Zespół badawczy zebrał ponad 300 próbek wody wzdłuż transekcji od Wyspy Wielkanocnej w południowym Pacyfiku do Antarktydy, obejmując całą głębokość oceanu. Wykorzystując zaawansowane techniki metagenomiczne i metabarcodingu, zrekonstruowali genomy dla ponad 300 mikroorganizmów i zidentyfikowali dziesiątki tysięcy dodatkowych gatunków mikrobowych za pomocą techniki molekularnego "odcisku palca", która bada wysoce konserwowane geny – gen 16S rRNA dla prokariotów (w tym bakterii i archeonów) oraz gen 18S rRNA dla eukariotów.

Ich odkrycia ujawniły uderzający wzorzec: różnorodność mikrobowców gwałtownie wzrasta na około 300 metrach (1.000 stóp) poniżej powierzchni oceanu w strefie, którą nazywają "prokariotyczną filokliną". Ta warstwa, podobna do piknokliny (strefy szybkiej zmiany gęstości), oznacza przejście od wód powierzchniowych o niskiej różnorodności do bogatych głębinowych społeczności mikrobowych.

---

Sześć kohort mikrobowych i stref funkcjonalnych

Badanie, opublikowane 10 lipca 2025 roku, zidentyfikowało sześć odrębnych "kohort" mikrobowych, z których trzy odpowiadają głębokościom, a pozostałe trzy są zgodne z głównymi masami wodnymi: Antarktyczną Wodą Przydenną (Antarctic Bottom Water), Górną Okołobiegunową Wodą Głębinową (Upper Circumpolar Deep Water) i Starą Wodą Głębinową Pacyfiku (Ancient Pacific Deep Water). Każda kohorta zawiera unikalne gatunki mikrobowe i geny funkcjonalne, kształtowane przez temperaturę, ciśnienie, poziomy składników odżywczych i wiek wody.

Na przykład, kohorta Antarktycznej Wody Przydennej obejmuje mikroby przystosowane do zimnych, wysokociśnieniowych środowisk, z genami, które pomagają utrzymać płynność błony i odporność na stres oksydacyjny. Natomiast kohorta starych wód – znaleziona w wolno krążącej wodzie, która nie widziała powierzchni przez tysiąc lub więcej lat – zawiera mikroby z genami, które umożliwiają życie w środowiskach o niskiej zawartości tlenu i rozkład złożonych, niskoenergetycznych związków węgla.

Oprócz taksonomii, badacze również zmapowali potencjał funkcjonalny społeczności mikrobowych. Zidentyfikowali dziesięć "stref funkcjonalnych" na podstawie obecności kluczowych genów metabolicznych. Strefy te odpowiadają cechom oceanograficznym, takim jak obszary upwellingu, gradienty składników odżywczych i strefy minimalnego tlenu.

Strefy powierzchniowe były bogate w geny odpowiedzialne za fotosyntezę, asymilację żelaza i fotoprotekcję – cechy niezbędne do życia w górnej, nasłonecznionej części oceanu. Głębsze strefy zawierały geny do rozkładu złożonych cząsteczek organicznych, przeżycia w warunkach niskiego tlenu i tolerancji na stres środowiskowy.

---

Kluczowa rola mikrobowców w cyklu węglowym Ziemi

Mikroby są siłą napędową oceanicznego cyklu węglowego. Przekształcają dwutlenek węgla w związki organiczne (wiązanie węgla), recyklingują składniki odżywcze i pomagają w sekwestracji węgla w głębokim morzu (sekwestracja węgla). Zrozumienie, w jaki sposób ich społeczności są strukturyzowane przez cyrkulację oceaniczną, jest kluczowe dla przewidywania, jak zmiany klimatyczne mogą zmienić te procesy.

"Badanie stanowi podstawę dla tego, jak ekosystemy mikrobowe są zorganizowane w obecnych warunkach oceanicznych" – powiedział Andrew Allen, starszy autor badania i oceanograf mikrobiologiczny w JCVI i Scripps Oceanography. "W miarę jak zmiany klimatyczne wpływają na globalną cyrkulację wywracającą, rozkład i funkcja tych społeczności mikrobowych mogą ulec zmianie, z nieznanymi konsekwencjami dla globalnego cyklu węglowego."

Łącząc dane genomiczne z pomiarami fizycznymi i chemicznymi, naukowcy mogą zbudować globalny, rozwiązany gatunkowo atlas życia oceanicznego – co jest niezbędne do zrozumienia i ochrony największego ekosystemu na planecie.

"To badanie jest przypomnieniem, że życie w ekosystemach oceanicznych jest, po części, napędzane przez podstawowe wzorce i procesy, które są nam nieznane" – dodał Allen. "Ich zobaczenie i zrozumienie wymaga od nas badania ich z większą wrażliwością, starannością i dokładnością. Przełomy zgłoszone w tym badaniu są wynikiem prawdziwie interdyscyplinarnego wysiłku, w którym fizyczni oceanografowie, biolodzy oceaniczni i biolodzy genomowi bardzo ściśle współpracowali. Agencje, takie jak National Science Foundation, które wspierają podstawowe interdyscyplinarne badania ekologiczne w naukach o życiu i ziemi, nadal są niezbędne dla naszej zdolności do zrozumienia czynników kontrolujących rozmieszczenie, różnorodność, metabolizm i ewolucję organizmów w naturze."

Autorzy opowiadają się za włączeniem molekularnego pobierania próbek do globalnych programów monitorowania oceanu, takich jak GO-SHIP.

Oprócz Andrew Allen, badacze z Scripps Oceanography, którzy uczestniczyli w badaniu, to Zoltán Füssy, Sarah Purkey i Eric Allen.

Całe badanie, "Overturning circulation structures the microbial functional seascape of the South Pacific," zostało opublikowane w czasopiśmie Science. Badania te były wspierane przez National Science Foundation, Simons Foundation, National Institutes of Health, Emerson Collective, Gordon and Betty Moore Foundation oraz Chan Zuckerberg Initiative.

Źródło: University of California