Новое исследование Школы морских, атмосферных и наук о Земле Университета Майами показывает, что микроорганизмы, живущие в кишках рыб, могут играть неожиданно важную роль в изменении химии океана и глобального углеродного цикла. Исследовательская группа обнаружила, что эти бактерии могут сотрудничать с рыбой-хозяином для производства минералов карбоната кальция, тем самым образуя важный путь поглотителя углерода в океане, бросая вызов традиционному пониманию того, что «этот процесс обусловлен только собственной физиологией рыбы».
Исследование, проведенное Энтони Бонаколтой, бывшим аспирантом этой школы, было сосредоточено на том, как бактерии в кишечнике рыбы и хозяине работают вместе, производя карбонат кальция, ключевой минерал. Карбонат кальция не только глубоко участвует в химических процессах, таких как кислотно-щелочной баланс океана, но также считается важной формой хранения углерода в морской среде и оказывает долгосрочное воздействие на глобальный климат.
Обычно костистые рыбы (например, лучепёрые рыбы) продолжают пить морскую воду, чтобы поддерживать баланс осмотического давления жидкостей организма. Во время этого процесса их кишечник активно удаляет избыток ионов кальция и карбоната и выводит их из организма в виде твердых частиц карбоната кальция, называемых ихтиокарбонатами. В течение долгого времени научное сообщество считало, что карбонаты, полученные из рыбы, полностью обусловлены физиологической регуляторной деятельностью самих рыб. Это исследование предполагает, что недавно обнаруженное участие кишечных микроорганизмов может представлять собой важное «скрытое звено» в этом процессе.
Мартин Гроселл, один из старших авторов статьи, профессор ихтиологии Мейтаг и заведующий кафедрой морской биологии и экологии школы, отметил, что эта работа вызывает необходимость пересмотреть роль микробиоты кишечника рыб в биологии рыб и даже в глобальном круговороте питательных веществ в океане. Он сказал, что процесс минералообразования, который раньше считался «чисто осуществляемым самой рыбой», теперь, скорее всего, является результатом тесного симбиоза между рыбой и ее кишечными микроорганизмами.
Чтобы изучить возможные функции микроорганизмов, исследовательская группа использовала рыбу-жабу Персидского залива (научное название Opsanus beta) в качестве экспериментального объекта для систематического изучения производства карбонатов, полученных из рыбы, в различных условиях солености. В ходе эксперимента рыба подвергалась воздействию трех сред: солоноватой воды с низкой соленостью (9 ‰), нормальной морской воды (35 ‰) и гиперсоленой воды с высокой соленостью (60 ‰). Предыдущие исследования показали, что по мере увеличения солености окружающей среды рыба увеличивает выделение карбонатов рыбного происхождения во время нормальной осморегуляции.
Результаты этого эксперимента показывают, что рыба-жаба в среде с низкой соленостью почти не производит карбонат рыбного происхождения, в то время как очевидный выброс частиц карбоната можно наблюдать в нормальных условиях морской воды, и это производство еще больше увеличивается в гиперсоленой среде. Исследователи собрали образцы из разных мест, в том числе из разных сегментов кишечника, самих карбонатных частиц рыбы и воды, окружающей рыбу, чтобы проанализировать микробные сообщества и экспрессию генов в них. Команда определила виды микробов в образцах посредством секвенирования генома и в сочетании с анализом экспрессии генов сделала выводы о потенциальных метаболических путях и функциональных характеристиках этих микроорганизмов.
Результаты анализа показали, что микроорганизмы Vibrio, особенно Photobacterium damselae subsp. damselae, обильно присутствовали в кишечнике рыб и карбонатных частицах рыбного происхождения. Функциональный анализ генов показал, что эти бактерии обладают характеристиками и метаболическими путями, связанными с осаждением карбоната кальция, и могут непосредственно участвовать в образовании минералов, а не просто пассивно обитать в кишечной среде. На основании этого исследовательская группа пришла к выводу, что рыбы и их кишечные микроорганизмы, вероятно, совместно стимулируют выработку карбонатов рыбного происхождения посредством синергетического взаимодействия.
Гроссель подчеркнул, что подавляющее большинство форм жизни на Земле принадлежит микроорганизмам, которые управляют круговоротом питательных веществ, поддерживают функции экосистемы и продолжают симбиотически раскрывать новые аспекты разнообразия жизни. Симбиотические явления особенно распространены в морской среде, и потенциальные симбиотические отношения между рыбой-жабой и бактериями Vibrio при образовании карбоната кальция добавляют новый репрезентативный случай к этой картине.
Исследователи отмечают, что это открытие дает новое представление о том, как морские экосистемы влияют на химию океана и углеродный цикл океана. Если последующие исследования смогут дополнительно подтвердить этот механизм, это будет означать, что большое количество микроорганизмов, живущих в рыбе, может быть вовлечено в процесс накопления углерода и общее состояние океана в более широком масштабе, и их роль выходит далеко за рамки предыдущего понимания.