9 Minute
Un organism minuscul, rol disproporționat
Cea mai mică microorganism fotosintetizantă din ocean, Prochlorococcus, este esențială pentru productivitatea marină globală și pentru ciclul carbonului — dar cercetări de teren recente sugerează că încălzirea oceanelor ar putea împinge acest microb dincolo de limitele sale termice. Oamenii de știință care au urmărit Prochlorococcus pe zeci de mii de mile marine au descoperit că aceste cianobacterii prosperă doar într-o fereastră temperatură îngustă. Continuarea încălzirii oceanelor ar putea micșora dramatic populațiile tropicale, având efecte în cascadă asupra rețelei trofice marine și a capacității oceanului de a stoca carbon.
Micile centrale ale oceanului
Prochlorococcus sunt cianobacterii unicelulare, numite uneori alge verzi-albastre, care domină stratul iluminat (eufotic) al multor mări tropicale și subtropicale. Deși fiecare celulă măsoară doar aproximativ 0,5 microni în diametru, colectiv Prochlorococcus contribuie cu aproximativ 5% din fotosinteza totală a Pământului și susțin rețele trofice de la grazere microscopice până la pești mai mari și mamifere marine.
Această imagine, realizată cu un microscop electronic, arată celule individuale de Prochlorococcus. Fiecare formațiune este un microb, cu un diametru de numai 500 nanometri. Pentru comparație, lățimea unui fir de păr uman este în jur de 100.000 de nanometri. Credit: Natalie Kellogg/University of Washington
Decenii la rând cercetătorii au presupus că, deoarece Prochlorococcus prosperă în ape calde și sărace în nutrienți, ar fi rezistent la încălzirea oceanică indusă de climă. Observațiile noi contestă această ipoteză: diviziunea celulară și abundența Prochlorococcus ating valori maxime într-un interval termic relativ îngust — aproximativ 66°–84° Fahrenheit (circa 19–29 °C) — și scad brusc peste aproximativ 86 °F (≈30 °C). Dacă temperaturile suprafeței oceanului din zonele tropicale vor depăși mai frecvent aceste praguri, populațiile de Prochlorococcus ar putea scădea substanțial.
Campanii de teren și metode: SeaFlow și eșantionare globală
Pentru a testa performanța Prochlorococcus în habitatul său natural, cercetătorii conduși de François Ribalet de la University of Washington au folosit un sistem continuu de citometrie în flux numit SeaFlow la bordul navelor de cercetare. În ultimul deceniu, echipa a efectuat aproape 100 de curse, eșantionând aproximativ 150.000 de mile marine și caracterizând în jur de 800 de miliarde de particule de dimensiunea Prochlorococcus.
Folosind SeaFlow, oamenii de știință trec apa de mare printr-un instrument bazat pe laser care măsoară dimensiunea celulelor, fluorescența și abundența aproape în timp real. Aceste măsurători in situ permit urmărirea diviziunii celulare și a dinamicii populațiilor fără a se baza exclusiv pe culturile din laborator, care pot să nu reflecte variabilitatea mediului natural.
Prin combinarea numărătorilor SeaFlow cu date despre temperatură, lumină și nutrienți, echipa a construit modele statistice pentru a identifica principalii factori de mediu care influențează creșterea Prochlorococcus. După ce au exclus concentrațiile de nutrienți și nivelurile de lumină ca fiind controlori dominanți pe transectele eșantionate, au identificat temperatura ca factorul decisiv care modelează ratele de creștere și tiparele de abundență.
Sensibilitatea la temperatură și limitele fiziologice
Analiza a evidențiat un tipar clar: Prochlorococcus se divide cel mai rapid la temperaturi moderat calde (aproximativ 66–84 °F), dar ratele de diviziune scad abrupt peste ~86 °F. La acele temperaturi mai ridicate, rata diviziunii celulare a scăzut la aproximativ o treime din rata maximă observată în jur de 66 °F. Modelele de abundență reflectau ratele de diviziune, indicând că apele de suprafață mai calde ar putea reduce atât stocurile permanente, cât și productivitatea.
Aceste constrângeri reflectă compromisuri evolutive. De-a lungul a milioane de ani Prochlorococcus și-a simplificat genomul pentru a prospera în ape tropicale stabile și sărace în nutrienți — pierzând multe gene neesențiale pentru acel stil de viață. Acea minimalizare genomică conferă eficiență, dar lasă microbul cu instrumente celulare limitate pentru a răspunde la stres termic. După cum observă François Ribalet: "Temperatura lor de cedare este mult mai scăzută decât credeam."
Consecințe ecologice: o posibilă restructurare a rețelei trofice marine
Prochlorococcus susține porțiuni mari ale rețelei trofice din oceanele deschise; reducerile în productivitatea sa ar însemna mai puțin carbon primar fixat la baza ecosistemelor tropicale. Ribalet a explicat că în regiunile cele mai calde "va exista mai puțin carbon — mai puțină hrană — pentru restul rețelei trofice marine."
Cianobacterii concurente, precum Synechococcus, ar putea ocupa parțial nișa ecologică lăsată liberă de Prochlorococcus. Synechococcus tinde să tolereze temperaturi mai înalte și are un genom mai mare, mai puțin simplificat, care păstrează mai multe gene pentru răspunsul la stres. Totuși, Synechococcus necesită concentrații mai ridicate de nutrienți pentru a prospera. Dacă Prochlorococcus scade și Synechococcus se extinde, echilibrul hranei disponibile pentru nivelurile trofice superioare și procesele de reciclare a nutrienților s-ar putea schimba în moduri greu de prezis.
"Dacă Synechococcus preia conducerea, nu este garantat că alte organisme vor putea interacționa cu el în același mod în care au interacționat cu Prochlorococcus timp de milioane de ani," a spus Ribalet.
Proiecții de model: scăderi în scenarii de încălzire
Folosind proiecții climatice corelate cu scenarii de emisii de gaze cu efect de seră, echipa de cercetare a estimat cum ar putea răspunde populațiile de Prochlorococcus în următoarele decenii. Într-un scenariu de încălzire moderată, productivitatea tropicală a Prochlorococcus ar putea scădea cu aproximativ 17%, iar abundența globală cu circa 10%. În scenarii cu încălzire mai puternică, impactul devine mult mai sever: până la 51% scădere a productivității tropicale și aproximativ 37% declin global.
Ribalet a subliniat că Prochlorococcus probabil se va deplasa spre poli, în loc să dispară complet: "Gama lor geografică se va extinde către poli, spre nord și sud. Nu vor dispărea, dar habitatul lor se va deplasa." Totuși, deplasările de areal pot lăsa ecosistemele subtropicale și tropicale cu producție primară, dinamici ale nutrienților și interacțiuni trofice modificate.
Incertitudini, potențial adaptativ și cercetări viitoare
Autorii studiului menționează mai multe mențiuni importante. Eșantionarea de teren, oricât de extinsă, nu poate surprinde fiecare tulpină sau microhabitat. Măsurătorile au fost adesea agregate, astfel încât tulpinile rare tolerante la căldură — dacă există — ar putea fi mascate. Prochlorococcus este genetic divers, cu ecotipuri adaptate la regimuri diferite de lumină și nutrienți; populații termotolerante nedescoperite ar putea schimba perspectiva.
În plus, interacțiunile ecologice contează: modificările în presiunea hrănirii, ratele de infecție virală și alimentarea cu nutrienți, determinate de circulația schimbată, ar putea amplifica sau atenua efectele termice. Cercetătorii primesc cu interes descoperirea unor tulpini tolerante la căldură ca o posibilă sursă de reziliență, dar avertizează că astfel de tulpini ar avea nevoie de timp și extindere geografică pentru a compensa încălzirea rapidă.
Priorități de cercetare
- Sondaje genomice țintite pentru detectarea ecotipurilor de Prochlorococcus tolerante la căldură.
- Monitorizare autonomă pe termen lung (de ex., glidere, ancore fixe cu citometre) pentru a măsura tendințele temporale și evenimentele de temperaturi extreme.
- Muncă experimentală asupra răspunsurilor la stres termic, inclusiv evoluție în laborator și studii mesocosm la nivel de comunitate.
- Integrarea cu modele ale sistemului-terra pentru a cuantifica impactul asupra exportului de carbon și productivității pescuitului.
Perspectivă expertă
Dr. Maya Hernández, ecolog marin microbian (ficțional pentru context), a comentat: "Prochlorococcus este un exemplu elocvent al modului în care eficiența evolutivă poate deveni o vulnerabilitate în fața schimbării rapide a mediului. Simplificarea genomului îl face un organism extrem de eficient în ape stabile și sărace în nutrienți — dar aceeași simplitate limitează răspunsurile fiziologice rapide la căldură. Monitorizarea și studiile genomice sunt urgent necesare pentru a stabili dacă există variante adaptive și cât de repede ar putea apărea schimbări comunitare."
Perspectiva ei subliniază o temă centrală: organismele microscopice setează condițiile pentru ecologia macroscopică și biogeochimia globală, astfel că mici modificări la scară microbiană se pot propaga în întregi ecosisteme.
Implicații pentru politici și atenuarea schimbărilor climatice
Pierderile în productivitatea Prochlorococcus ar avea implicații dincolo de ecologia marină. Modificările în productivitatea primară alterează captarea carbonului în stratul superior al oceanului, afectând ciclul pe termen scurt al carbonului și, posibil, rolul oceanului ca sumider de carbon. Aceste rezultate adaugă un argument biologic în favoarea limitării emisiilor de gaze cu efect de seră și susținerii cercetării privind monitorizarea oceanelor, arii marine protejate și gestionarea adaptativă a pescuitului.
Concluzie
Prochlorococcus, cel mai abundent organism fotosintetic din ocean, ar putea fi mai vulnerabil la încălzirea climatică decât s-a crezut anterior. Un deceniu de observații la bordul navelor, folosind citometrul SeaFlow, arată că această cianobacterie are o nișă termică îngustă și se confruntă cu scăderi substanțiale ale productivității și abundenței în scenarii de încălzire plauzibile. Deși deplasările spre poli și înlocuirea competitivă de către alți microbi precum Synechococcus sunt posibile, consecințele la nivel de ecosistem rămân neclare și pot fi profunde. Monitorizarea globală continuă, sondajele genomice și integrarea fiziologiei microbiene în modelele sistemului-terra vor fi esențiale pentru a prevedea rezultatele ecologice și biogeochimice și pentru a informa strategiile de atenuare și adaptare.
Sursa: scitechdaily
Comentarii