גילוי הפתעה יכול לשכתב את מחזור הפחמן העולמי

דיאטומי אוקיינוס, כמו Cylindrotheca closteriumבונים ביומסה הן על ידי פוטוסינתזה והן על ידי צריכת פחמן אורגני, ממצא שעשוי לשנות את השקפתנו על מחזור הפחמן העולמי.

מחקרים עדכניים מצביעים על כך שלדיאטומים השוכנים באוקיינוס ​​יש יותר משיטה אחת לצבירת פחמן. חוץ מזה פוטוסינתזה, הפלנקטון החד-תאי הזה גם מגדיל את הביומסה שלהם על ידי צריכת פחמן אורגני ישירות מהאוקיינוס. תגלית זו עשויה לגרום למדענים לשנות את הערכותיהם לגבי כמות דיאטומי הפחמן הדו חמצני שסופגים מהאטמוספירה באמצעות פוטוסינתזה. כתוצאה מכך, זה יכול לשנות את ההבנה שלנו לגבי מחזור הפחמן העולמי, שהוא חשוב במיוחד בהקשר של שינויי אקלים.

מחקר זה מובל על ידי מהנדסי ביו, מומחי ביואינפורמטיקה וחוקרי גנומיקה אחרים באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. הממצאים החדשים מתפרסמים ב התקדמות המדע ב-17 ביולי 2024.

הצוות הראה שהדיאטום Cylindrotheca closterium, המצוי באוקיינוסים ברחבי העולם, מבצע באופן קבוע שילוב בו-זמני של הן פוטוסינתזה והן אכילה ישירה של פחמן ממקורות אורגניים כמו פלנקטון. בלמעלה מ-70% מדגימות המים שהחוקרים ניתחו מאוקיינוסים ברחבי העולם, הצוות מצא סימנים של פוטוסינתזה סימולטנית וצריכת פחמן אורגני ישיר מ Cylindrotheca closterium.

הצוות גם הראה כי דיאטום זה מִין יכול לגדול הרבה יותר מהר כאשר צורכים פחמן אורגני בנוסף לפוטוסינתזה.

יתר על כן, המחקר החדש מרמז על האפשרות המפתה שמינים ספציפיים של חיידקים מאכילים פחמן אורגני ישירות לאחוז גדול מהדיאטומים הללו החיים בכל רחבי האוקיינוס ​​העולמי.

עבודה זו מבוססת על גישת מודלים מטבוליים בקנה מידה גנום שהצוות השתמש בה כדי לפענח את חילוף החומרים של הדיאטום Cylindrotheca closterium. החוקרים הגבילו את המודל המטבולי בקנה מידה של הגנום שלהם עם נתוני ביטוי גנים גלובליים שהתקבלו ממשלחת האוקיינוס ​​TARA. החוקרים מאמינים שזו הפעם הראשונה שנעשה שימוש במודלים בקנה מידה גנום בקנה מידה עולמי.

נתוני המודלים המטבוליים החדשים של הצוות תומכים בניסויי מעבדה עדכניים המצביעים על כך שחלק מהדיאטומים עשויים להסתמך על אסטרטגיות אחרות מלבד פוטוסינתזה כדי לצרוך את הפחמן הדרושים להם כדי לשרוד, לשגשג ולבנות ביומסה.

הצוות בראשות UC San Diego נמצא בתהליך של הרחבת היקף הפרויקט כדי לקבוע עד כמה הפעילות הלא-פוטוסינתטית הזו נפוצה בין מיני דיאטומים אחרים.

האם חיידקי אוקיינוס ​​מאכילים דיאטומים?

כאשר הצוות בחן את הפרמטרים הפיזיקליים והכימיים שנמדדו בדגימות מי האוקיינוס ​​שלהם – כולל טמפרטורה, pH, מליחות, אור, חנקן וזמינות פחמן – הם לא מצאו שום מתאם בין הפרמטרים הללו לבין נטייה של הדיאטומים להתרחק. מאסטרטגיות פוטוסינתזה בלבד.

עם זאת, הצוות מצא איתות ברור כאשר חקר אוכלוסיות חיידקים ספציפיות המתקיימות יחד עם הדיאטום Cylindrotheca closterium בדגימות מים באוקיינוס. ממצא זה מרמז על אינטראקציות בין חיידקים לדיאטומים המניעים את השילוב הבו-זמני של פוטוסינתזה וצריכה ישירה של פחמן אורגני – תופעה המכונה "מיקסוטרופיה".

הצוות מאמין כי ייתכן שחיידקים ספציפיים מאכילים את הדיאטומים באופן ישיר, ועוזרים לדיאטומים הללו להיות אחד החיידקים המצליחים והחשובים ביותר על פני כדור הארץ, במונחים של ייצור חמצן, קיבוע פחמן וכבסיס של מארג מזון התומכים כמעט בכל החיים באוקיינוס.

"דיאטומים הם תורמים מרכזיים לרשתות המזון הימיות ומניעים מרכזיים של מחזור הפחמן העולמי. בעבר, הערכנו את כל המודלים של מחזור פחמן בהנחה שהתפקיד היחיד שדיאטומים ממלאים הוא בקיבוע פחמן דו חמצני. הממצאים שלנו מוכיחים שזה לא המקרה, אלא שדיאטומים אוכלים בו זמנית גם פחמן אורגני. במילים אחרות, הראינו שדיאטומים אינם מסתמכים אך ורק על קיבוע פחמן דו חמצני לצמיחתם ולייצור ביומסה. אנו מאמינים שלתוצאות אלו יהיו השלכות גדולות על ההבנה שלנו של מחזורי פחמן גלובליים", אמר פרופסור קרסטן זנגלר מאוניברסיטת UC סן דייגו, פרופסור במחלקות לרפואת ילדים וביו-הנדסה וחוקר במרכז לחדשנות מיקרוביום בבית הספר להנדסה ג'ייקובס.

"בעוד שהיו תצפיות מוזרות במעבדה בנוגע לדיאטומים החורגים מפוטוסינתזה, אי אפשר היה לבדוק איזה סוג של חילוף חומרים מבצעים הדיאטומים האלה באוקיינוס ​​- עד עכשיו. הסיבה לכך היא שיש הרבה מאוד גנים המעורבים בתהליך הזה, וקשה מאוד להגדיר איזה תהליך פעיל מתוך נתוני ביטוי גנים בלבד. הגישה שלנו עוקפת את האתגר הזה".

צוות המחקר מקווה שעבודה זו תעורר עניין בבחינה מקרוב הרבה יותר של ההבנה שלנו לגבי מחזור הפחמן העולמי, תוך התחשבות בהבנה רחבה יותר זו של האופן שבו דיאטומי אוקיינוס ​​מקבלים את הפחמן שלהם.

מה החיידקים המזינים את הדיאטומים עשויים להוציא מהקשר היא שאלה נוספת למחקר נוסף.

המחקר מומן על ידי קרן גורדון ובטי מור.