Генетический переключатель позволяет морским диатомовым водорослям работать меньше при высоком уровне CO₂

Диатомовые водоросли мирового океана производят больше кислорода, чем все тропические леса планеты. Эти крошечные плавучие водоросли генерируют около 20% кислорода, производимого на Земле ежегодно, и невидимо перерабатывают газы, окружающие нашу планету. Новое исследование Вашингтонского университета и Института системной биологии Сиэтла, опубликованное 15 июня в Nature Climate Change, выявило генетические механизмы, с помощью которых обычный вид диатомей адаптируется к внезапному и долгосрочному повышению уровня углекислого газа.

Понимание генетического механизма реакции диатомей на рост CO₂ из-за сжигания ископаемого топлива может помочь спрогнозировать будущее мирового океана и определить роль этих водорослей в атмосфере Земли. Удивительно, но при типичном уровне питательных веществ диатомеи не ускоряют рост, а, по сути, снижают свою метаболическую активность. Исследование показывает, как и почему это происходит.

В лабораторных условиях, имитирующих обычные океанические условия с ограничением по азоту, изучали реакцию диатомей Thalassiosira pseudonana. При резком скачке CO₂, как при внезапном изменении океанических течений, водоросли производят сигнальную молекулу, которая запускает каскад событий, снижая энергоемкие процессы, необходимые для концентрирования углекислого газа. Это связано с тем, что ключевой фермент фотосинтеза эволюционировал миллиарды лет назад, когда уровень CO₂ был чрезвычайно высок. Однако при длительном сохранении высокой концентрации CO₂ (до 800 ppm, что возможно в атмосфере к 2100 году) диатомеи осуществляют более радикальную метаболическую перестройку: они снижают фотосинтез и дыхание, чтобы сбалансировать энергетический бюджет клетки, используя меньше энергии для роста с той же скоростью.

«Это действительно зависит от условий. Во многих районах океана диатомеи не могут расти быстрее, потому что они ограничены такими питательными веществами, как железо или азот», — пояснила ведущий автор Гвенн Хеннон. Старший автор Джинджер Армбруст отметила, что использованные генетические данные почти из 100 публичных экспериментов позволили выявить эти генетические «иголки в стоге сена». Похожий генетический механизм существует у других, отдаленно родственных видов диатомей, что позволяет предположить схожую реакцию у многих видов в реальном океане.