Мельчайшие планктонные водоросли способны поедать бактерий

Pteridomonas — представитель мелких жгутиковых, специализирующихся на питании бактериями. Это типично гетеротрофный протист, не имеющий пластид. Фото с сайта starcentral.mbl.edu

Традиционно считается, что мельчайшие (размером менее 5 мкм), планктонные водоросли, являющиеся основными производителями органического вещества в океане, получают все необходимые им вещества (углерод, азот, фосфор и другие) из внешней среды в минеральной форме. Однако исследователи из Великобритании показали недавно, что в водах Атлантического океана мелкие водоросли, испытывая нехватку нужных им элементов, восполняют их дефицит, потребляя бактерий. Согласно результатам экспериментов и расчетам, около четверти всей биомассы фитопланктона в океане может образовываться за счет съеденных бактерий.

Проведенные недавно эксперименты с мельчайшими водорослями из олиготрофных (бедных пищей) районов океана показали, что организмы эти потребляют фосфор не только в минеральной форме, но и в составе органического вещества, которое, возможно, получают из съеденных бактерий (Zubkov et al. 2007. Microbial control of phosphate in the nutrient-depleted North Atlantic subtropical gyre // Environ. Microbiol. V. 9. P. 2079–2089).

Тем самым предполагалось, что мелкие одноклеточные водоросли являются не облигатными фотоавтотрофами (организмами, зависящими только от солнечного света и минеральных веществ), а миксотрофами — организмами, способными переходить хотя бы отчасти на гетеротрофное питание, то есть питание уже готовым органическим веществом.

Микроскопическая планктонная водоросль Ostreococcus (Prasinophyceae, Chlorophyta). Этот организм — самый мелкий из известных ныне эукариот. Длина клетки — 0,8 мкм. Фото с сайта en.wikipedia.org

Предположение это недавно получило блестящее подтверждение в исследованиях Михаила Зубкова (Mikhail V. Zubkov) из Национального океанографического центра в Саутгемптоне (National Oceanography Centre, Southampton, Хэмпшир, Великобритания) и Глена Тарана (Glen A. Tarran) из Плимутской морской лаборатории (Plymouth Marine Laboratory, Девоншир, Великобритания).

Prorocentrum lima — мелкие морские водоросли (динофлагелляты) окрашенные флуоресцентными красителями. У них два жгутика, которые на этом снимке не видны. Фото с сайта www.fiu.edu

Работая в Северной Атлантике на британском научно-исследовательском судне «Дискавери» (Discovery), авторы показали, что значительная часть планктонных бактерий в верхних слоях океана потребляется мельчайшими планктонными водорослями (хотя сами авторы используют более строгое их наименование — «протисты, обладающие пластидами», полагая, что пластиды — характерные органеллы именно растительной клетки).

Видовой состав этих «водорослей» специально не исследовали (это отдельная сложная задача, тем более что всех одноклеточных эукариот сейчас относят к царству протистов, в пределах которых выделяют до 45 отдельный типов), хотя предполагается, что многочисленны среди них гаптофиты (см.: Haptophytes), а также празинофиты (Prasinophytes). И те и другие могут вести себя как облигатные фотоавтотрофы (в условиях среды, богатой элементами минерального питания), но могут становиться миксотрофами, переходя на потребление готового органического вещества при нехватке элементов минерального питания.

Рис. 1. Потребление бактерий (количество клеток, съеденных за час) одной особью протистов в разных обследованных районах Атлантики. Черные столбики — данные по протистам, лишенным пластид (настоящие гетеротрофные эукариоты, например жгутиковые, специализирующиеся на питании бактериями). Остальные столбики соответствуют потреблению бактерий протистами с пластидами, то есть водорослями. Белые столбики — самые мелкие водоросли, в клеточку — среднего размера, серые — крупные. В левой части гистограммы — данные по умеренным широтам (58-60°с.ш.), в правой — по тропическим районам (отдельно для 22°с.ш., 17°с.ш. и 13°с.ш.). Surface — данные по поверхностным слоям водной толщи, Thermocline — по зоне температурного скачка (термоклина). Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Трудность задачи состояла в том, чтобы отделить потребление бактерий «водорослями» от потребления гетеротрофными, лишенными пластид, протистами, среди которых многие группы (например, бесцветные жгутиковые) специализируются на питании бактериями. Для этого авторы использовали в экспериментах бактерий, меченных радиоактивными изотопами аминокислот — ³⁵S-метионином и ³H-лейцином. Учет клеток разных групп и размеров проводили методом «проточной цитометрии» (см.: Flow cytometry). При этом среди протистов с пластидами («водорослей) выделяли три размерные группы: крупные (около 5 мкм), средние (около 3 мкм) и мелкие (около 2 мкм).

Рис. 2. Численность протистов (число клеток в 1 мл) разного типа в разных обследованных районах Атлантики. Обозначения те же, что на рис. 1. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Выяснилось, что скорость потребления бактерий в расчете на один организм для гетеротрофных, лишенных пластид, протистов существенно выше, чем для протистов с пластидами («водорослей») — в 3,9 раз по сравнению с крупными «водорослями» (организмами примерно того же размера) и в 13 раз — с мелкими (см. рис. 1). Расчеты показали, что гетеротрофные протисты за счет питания бактериями получают всё вещество, необходимое для построения своих тел, а «водоросли» — примерно 25% своей массы.

Рис. 3. Потребление бактерий (количество клеток, съеденных за час) всей популяцией протистов того или иного типа в разных обследованных районах Атлантики. Обозначения те же, что на рис. 1. Видно, что организмы фитопланктона (все столбики, кроме черных) в сумме потребляют бактерий не меньше, а то и больше, чем гетеротрофные протисты, считающиеся специализированными пожирателями бактерий. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Для суммарной оценки влияния на бактериопланктон гетеротрофных протистов и водорослей необходимо, однако, учитывать численность организмов этих групп. Поскольку численность фотосинтезирующих мелких протистов существенно выше, чем гетеротрофных протистов (см. рис. 2), то неудивительно, что расчет потребления бактерий всеми протистами той или иной группы показывает, что именно «водоросли», а не бесцветные гетеротрофные протисты являются основными потребителями бактерий. Такой результат получен как для верхних слоев водной толщи, так и для более глубокой зоны термоклина (резкого снижения температуры с глубиной).

Королевское исследовательское судно (RRS, Royal Research Ship) «Дискавери» (Discovery), на борту которого М. Зубков и Г. Тарран провели обсуждаемую работу. Фото с сайта www.uea.ac.uk

На долю «водорослей» в разных местах приходится от 40 до 95% от всего потребления бактерий. Особое значение поедание бактерий приобретает в олиготрофных районах океана, где только таким путем и могут водоросли получить важнейшие для них дефицитные элементы — азот и фосфор.

Авторы обсуждаемой работы: Михаил Зубков (слева) и Глен Тарран (справа). Михаил Зубков — выпускник кафедры гидробиологии и общей экологии биофака МГУ. Фото с сайта web.pml.ac.uk

Источник: Mikhail V. Zubkov, Glen A. Tarran High bacterivory by the smallest phytoplankton in the North Atlantic Ocean // Nature. 2008. V. 455. P. 224–226.

Cм. также:
В. П. Мальцев. Оптика биологических систем (популярное изложение сути метода проточной цитометрии).

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Микробиология, Алексей Гиляров