Inner Workings Research sub-geamanduri perspective pentru harta 3D a comunităților microbiene marine PNAS
Microbii marini constituie baza rețelelor alimentare oceanice; sunt caii de lucru care transformă carbonul, azotul și alți nutrienți esențiali în forme biodisponibile pentru toate celelalte vieți din oceane (1, 2). Dar numai aproximativ 10% din aceste bacterii, arhee, viruși, protiști și ciuperci pot fi cultivate în laborator - marea majoritate trebuie prelevate direct din ocean (3). Deoarece eșantionarea este costisitoare și consumă mult timp, cercetarea este limitată la majoritatea microbilor oceanici. Prin urmare, localizările coloanei de apă ale proceselor biogeochimice conduse de microbi nu au fost cartografiate în detaliu.
Vehiculul subacvatic autonom Clio, sau AUV, dezvăluie deja secrete ale compoziției microbiene și chimice a oceanului. Forma neobișnuită a AUV este simplificată pentru mișcare verticală prin coloana de apă. Credit de imagine: Mak Saito (Instituția Oceanografică Woods Hole, Woods Hole, MA).
Până în prezent, instrumentele de care dispun cercetătorii nu au reușit. Cercetătorii ar dori să analizeze proteinele microbiene, ADN-ul și ARN-ul, precum și zaharurile, vitaminele și alte molecule organice mici. Și pentru că comunitățile microbiene variază la scări spațiale fine și se pot schimba rapid de la metru la metru de-a lungul coloanei de apă, cercetătorii trebuie să poată testa apa de mare de la adâncimi precise.
Un submarin autonom numit Clio ar putea fi răspunsul. Biogeochimistul Mak Saito de la Woods Hole Oceanographic Institution din Woods Hole, MA și colaboratorii săi au dezvoltat submarinul în formă de frigider, galben strălucitor, de 6 metri înălțime, începând cu 2014. Fără pilot și fără legătură, vehiculul subacvatic autonom sau AUV este printre primele concepute special pentru a preleva probe de microbi pentru studii de biogeochimie marină. Saito speră ca anii următori să dezvăluie o multitudine de date care să permită cercetătorilor să exploreze schimbarea compoziției microbiene și chimice a oceanului la rezoluție înaltă.
Clio ar putea deveni un instrument integral pentru BioGeoSCAPES, un program născut care planifică studierea oceanografiei microbiene, biologice și chimice, inclusiv realizarea unei hărți tridimensionale a comunităților microbiene marine și a ciclului chimic al oceanului în următorul deceniu. Achiziționarea unei astfel de hărți ar putea avea implicații importante - de la elucidarea locațiilor căilor metabolice care ajută la facilitarea eliberării de gaze cu efect de seră puternice, la reducerea oxigenării apei de mare, la dezvăluirea unor noi procese și compuși pentru medicamente sau remedierea poluării.
Marime de mostra
Deja, Clio lucrează la colectarea probelor. În octombrie 2018, Saito a condus submarinul într-o croazieră de cercetare la 60 de mile de coasta Bermudelor. Analiza preliminară nepublicată a probelor Clio din expediție relevă faptul că expresia proteinelor cianobacteriene variază în funcție de adâncime, sugerând diferite procese chimice în întreaga coloană de apă, spune Saito. Descoperirile sale recente nu sunt primele care examinează expresia proteinelor la microbii marini. Dar metodele anterioare de colectare a acestor microbi au fost mult mai mari în timp și muncă, bazându-se pe pompe coborâte peste partea unei nave pe un cablu. Noul submarin, cu mai multe eșantioane de volum mare pe croazieră, ar trebui să îi ajute pe cercetători să vadă mai repede tiparele răspândite.
Înainte de Clio, alți câțiva roboți de scufundări purtau instrumente științifice similare, iar alți roboți oceanici au probat și microbi marini. De exemplu, un studiu din 2019 a folosit două AUV-uri cu rază lungă de acțiune și un robot de suprafață pentru cartografierea și eșantionarea comunităților deschise de fitoplancton oceanic în apropierea Hawaii (4). Acestea și alte AUV construite la Institutul de Cercetare pentru Acvariul Monterey Bay din California conțin laboratoare de dimensiuni cutie de pantofi, care pot preleva, filtra, conserva și, în unele cazuri, pot analiza materialul genetic din apa de mare, în timp ce submarinul se scufundă. Monterey AUV-urile nu sunt dedicate exclusiv unui singur lucru. Senzorii sonar sau video pot, de asemenea, să echipeze submarinele pentru cercetarea faunei sălbatice, iar vehiculele pot schimba instrumente în scopuri diferite de cercetare.
Clio a fost conceput cu scopul singular de a preleva volume mari de apă de mare pe verticală prin coloana de apă pentru analize biogeochimice, explică liderul de proiect John „Chip” Breier, geochimist și inginer la campusul Universității din Texas Rio Grande Valley, din Port Isabel și adjunct la Woods Hole Oceanographic. Deși fiecare vehicul Clio costă câteva sute de mii de dolari pentru construcție, sub-ar trebui să plătească rapid pentru sine în timp economisit, adaugă Saito. Și, prin urmare, ar trebui să faciliteze o cartografiere mai detaliată a comunităților microbiene și a comportamentelor acestora, de-a lungul coloanei de apă.
Diagramele manuale ale ciclului biogeochimic folosesc adesea săgeți pentru a ilustra tranziția unui compus în altul de la uscat la mare în atmosferă. „Dar ceea ce nu vă dați seama este că fiecare dintre aceste săgeți este de fapt metabolismul microbilor”, spune oceanograful microbian Alyson Santoro de la Universitatea din California, Santa Barbara. Microbii sunt în culise, conducând aceste cicluri planetare majore. Ciclul carbonului marin, de exemplu, implică organisme fotosintetice numite fitoplancton care se deplasează în apropierea suprafeței oceanului, unde combină apă și lumină pentru a-și construi țesuturile cu carbon organic. Prădătorii precum protiștii heterotrofi mănâncă fitoplanctonul, trecând carbonul în lanțul trofic și eliberează deșeuri în apă, inclusiv azot, fosfor, fier, cupru și zinc. În acest fel, celulele bacteriene individuale estimate de 3,1 × 10 28 și 1,3 × 10 28 arheele individuale care derivă prin mări, fiecare schimbă chimia mediului înconjurător și schimbă în mod colectiv chimia oceanelor întregi (5).