W całym oceanie miliardy miliardów roślinopodobnych drobnoustrojów tworzą niewidzialny pływający las. Dryfując, maleńkie organizmy wykorzystują światło słoneczne do wysysania dwutlenku węgla z atmosfery. Łącznie te fotosyntetyzujące plankton lub fitoplankton pochłaniają prawie tyle samo CO2, co lasy lądowe na świecie. Wymierna część ich mięśni wychwytujących węgiel pochodzi od Prochlorococcus – szmaragdowego pływające swobodnie, które jest obecnie najliczniejszym fitoplanktonem w oceanach.
Ale Prochlorococcus nie zawsze zamieszkiwał otwarte wody. Przodkowie drobnoustroju prawdopodobnie trzymali się bliżej wybrzeży, gdzie było pod dostatkiem składników odżywczych, a organizmy przetrwały we wspólnych matach mikrobiologicznych na dnie morskim. Jak więc potomkowie tych mieszkańców wybrzeży stali się fotosyntetyzującymi elektrowniami dzisiejszych otwartych oceanów?
Naukowcy z MIT uważają, że kluczem był rafting. W nowym badaniu sugerują, że przodkowie Prochlorococcus nabyli zdolność przyczepiania się do chityny – zdegradowanych cząstek starożytnych egzoszkieletów. Drobnoustroje uczepiły się przejeżdżających płatków, wykorzystując cząstki jako tratwy do zapuszczania się dalej w morze. Te tratwy chitynowe mogły również dostarczać niezbędnych składników odżywczych, napędzając i podtrzymując drobnoustroje podczas ich podróży.
Ufortyfikowane w ten sposób pokolenia drobnoustrojów mogły mieć wtedy możliwość rozwinięcia nowych zdolności przystosowania się do otwartego oceanu. W końcu ewoluowaliby do punktu, w którym mogliby wyskoczyć ze statku i przetrwać jako swobodnie pływający mieszkańcy oceanów, którzy żyją dzisiaj.
„Gdyby Prochlorococcus i inne organizmy fotosyntetyzujące nie skolonizowały oceanu, patrzylibyśmy na zupełnie inną planetę” – mówi Rogier Braakman, naukowiec z Wydziału Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetarności MIT (EAPS). „To fakt, że byli w stanie przyczepić się do tych chitynowych tratw, umożliwił im ustanowienie przyczółka w zupełnie nowej i masywnej części biosfery planety, w sposób, który na zawsze zmienił Ziemię”.
Braakman i jego współpracownicy przedstawiają swoją nową hipotezę „tratwy chitynowej”, wraz z eksperymentami i analizami genetycznymi wspierającymi tę ideę, w badaniu, które ukazało się w tym tygodniu w PNAS.
Współautorami MIT są Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero i MIT Institute Professor Sallie (Penny) Chisholm, wraz z kolegami z wielu instytucji, w tym Instytucja oceanograficzna Woods Hole.
Dziwny gen
Prochlorococcus to jedna z dwóch głównych grup należących do klasy znanej jako picocyjanobakterie, które są najmniejszymi organizmami fotosyntetyzującymi na planecie. Drugą grupą jest Synechococcus, blisko spokrewniony drobnoustrój, który obficie występuje w systemach oceanicznych i słodkowodnych. Oba organizmy żyją dzięki fotosyntezie.
Okazuje się jednak, że niektóre szczepy Prochlorococcus mogą przyjąć alternatywny styl życia, szczególnie w słabo oświetlonych regionach, gdzie fotosynteza jest trudna do utrzymania. Te drobnoustroje są „miksotroficzne”, wykorzystując do wzrostu mieszankę innych strategii wychwytywania węgla.
Naukowcy z laboratorium Chisholma szukali oznak miksotrofii, kiedy natknęli się na wspólny gen w kilku współczesnych szczepach Prochlorococcus. Gen zakodował zdolność do rozkładania chityny, materiału bogatego w węgiel, który pochodzi ze złuszczonych muszli stawonogów, takich jak owady i skorupiaki.
„To było bardzo dziwne” – mówi Capovilla, która postanowiła zagłębić się w odkrycie, kiedy dołączyła do laboratorium jako postdoc.
W ramach nowego badania Capovilla przeprowadził eksperymenty, aby sprawdzić, czy Prochlorococcus może faktycznie rozkładać chitynę w użyteczny sposób. Wcześniejsze prace w laboratorium wykazały, że gen degradujący chitynę pojawił się w szczepach Prochlorococcus żyjących w warunkach słabego oświetlenia oraz w Synechococcus. Genu brakowało u Prochlorococcus zamieszkujących bardziej nasłonecznione regiony.
W laboratorium Capovilla wprowadził cząsteczki chityny do próbek szczepów o słabym i wysokim świetle. Odkryła, że drobnoustroje zawierające ten gen mogą rozkładać chitynę, a spośród nich tylko Prochlorococcus przystosowany do słabego oświetlenia wydawał się odnosić korzyści z tego rozpadu, ponieważ w rezultacie wydawały się również rosnąć szybciej. Drobnoustroje mogą również przyczepiać się do płatków chityny – wynik, który szczególnie zainteresował Braakmana, który bada ewolucję procesów metabolicznych i sposoby, w jakie ukształtowały one ekologię Ziemi.
„Ludzie zawsze mnie pytają: w jaki sposób te drobnoustroje skolonizowały wczesny ocean?” on mówi. „A kiedy Gio przeprowadzał te eksperymenty, nastąpił moment„ aha ”.
Braakman zastanawiał się: czy ten gen mógł być obecny u przodków Prochlorococcus w sposób, który pozwalał drobnoustrojom przybrzeżnym przyczepiać się do chityny i żywić się nią, a następnie przenosić płatki do morza?
Wszystko jest w swoim czasie
Aby przetestować tę nową hipotezę „tratwy chitynowej”, zespół zwrócił się do Fourniera, który specjalizuje się w śledzeniu genów różnych gatunków drobnoustrojów w historii. W 2019 roku laboratorium Fourniera stworzyło drzewo ewolucyjne dla tych drobnoustrojów, które wykazują gen degradujący chitynę. Na tym drzewie zauważyli trend: drobnoustroje zaczynają wykorzystywać chitynę dopiero wtedy, gdy stawonogi staną się obfite w danym ekosystemie.
Aby hipoteza tratwy chitynowej się utrzymała, gen musiałby być obecny u przodków Prochlorococcus wkrótce po tym, jak stawonogi zaczęły kolonizować środowiska morskie.
Zespół spojrzał na zapis kopalny i odkrył, że wodne gatunki stawonogów stały się obfite we wczesnym paleozoiku, około pół miliarda lat temu. Według drzewa ewolucyjnego Fourniera, dzieje się to mniej więcej w czasie, gdy gen degradujący chitynę pojawia się u wspólnych przodków Prochlorococcus i Synecococchus.
“Czas jest dość solidny” – mówi Fournier. „Systemy morskie były zalewane tym nowym typem węgla organicznego w postaci chityny, podobnie jak geny odpowiedzialne za wykorzystanie tego węgla rozprzestrzeniły się na wszystkie różne rodzaje drobnoustrojów. Ruch tych cząstek chityny nagle otworzył mikrobom możliwość naprawdę wydostać się na otwarty ocean”.
Pojawienie się chityny mogło być szczególnie korzystne dla drobnoustrojów żyjących w warunkach słabego oświetlenia, na przykład wzdłuż przybrzeżnego dna morskiego, gdzie prawdopodobnie żyły starożytne pikocyjanobakterie. Dla tych drobnoustrojów chityna byłaby bardzo potrzebnym źródłem energii, a także sposobem na wyjście z ich wspólnej, przybrzeżnej niszy.
Braakman mówi, że po wypłynięciu na morze mikroby raftingowe były wystarczająco wytrzymałe, aby rozwinąć inne adaptacje do życia w oceanie. Miliony lat później organizmy były gotowe do „zanurzenia się” i ewolucji w swobodnie unoszące się, fotosyntetyzujące Prochlorococcus, które istnieją dzisiaj.
“Ostatecznie chodzi o ekosystemy ewoluujące razem” – mówi Braakman. „Dzięki tym tratwom chitynowym zarówno stawonogi, jak i cyjanobakterie były w stanie rozszerzyć się na otwarty ocean. Ostatecznie pomogło to zapoczątkować powstanie nowoczesnych ekosystemów morskich”.
Badania te były wspierane przez Simons Foundation, EMBO Long-Term Fellowship oraz Human Frontier Science Program. Ten artykuł jest wkładem Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE).