Выявлена связь между кишечной микрофлорой рыб и общим состоянием океанов Земли

Фото из открытых источников

Каждая морская рыба заглатывает морскую воду для выживания, и то, что поступает, должно выйти. Избыток кальция и карбонатов в конечном итоге скапливается в виде твердых белых комочков в кишечнике, а затем выводится обратно в море. Ученые определили, какие белки рыб управляют этим процессом. Результаты исследования опубликованы в журнале PLOS Biology.

В 1991 году исследователи внимательно изучили эти гранулы и обнаружили бактерии, прикрепившиеся к минеральным поверхностям. В течение 30 лет никто так тщательно не изучал причину этого явления. Новое исследование только что это сделало.

Чтобы поддерживать водный баланс в соленой воде, костистые океанические рыбы пьют воду из океана, а затем выводят избыток минералов из кишечника в виде твердых отложений.

Эти отложения, называемые ихтиокарбонатами, выводятся вместе с отходами жизнедеятельности рыбы. Весь этот процесс предотвращает пересыхание рыбы.

На протяжении десятилетий ученые объясняли это исключительно физиологическими особенностями рыб — ферменты и транспортные белки в кишечнике выполняли основную химическую работу.

Было выявлено несколько видов рыбного белка, процесс казался достаточно хорошо описанным, и история, по сути, завершилась.

Новая работа, проведенная в Университете Майами (UM), усложняет эту картину. Исследование возглавил Энтони Бонаколта, бывший аспирант кафедры морской биологии и экологии этого университета.

Он и его коллеги обнаружили, что бактерии, обитающие в кишечнике рыбы, также могут быть частью этого процесса. Возможно, рыба действует не в одиночку.

Рыба-жаба из Мексиканского залива — это коренастый, непривлекательный донный обитатель, распространенный в мелководных заливах Флориды. Физиологические лаборатории содержат её уже несколько десятилетий, что делает её разумным выбором для столь старого вопроса.

Исследователи содержали рыбок-жаб в трех средах с разным уровнем солености: солоноватой, обычной морской воде и воде с более высокой соленостью, чем в открытом океане. Рыбы в солоноватой воде не образовывали гранул.

При более высокой солености добыча росла, достигая пика в самых соленых резервуарах, что точно соответствовало предсказаниям химического анализа.

Затем команда исследовала, что обитало внутри этих кишечников и прикреплялось к гранулам. Они извлекли генетический материал из разных участков кишечника и из самих гранул. Исследователи проанализировали его, чтобы определить, какие микробы там присутствовали и какие гены были активны.

Одна группа выделялась особенно. Вибрионы и их близкие родственники роились в этих гранулах, их концентрация там была гораздо выше, чем где-либо еще в кишечнике.

В частности, один вид бактерий, Photobacterium damselae, расщепляющий мочевину, образовывал наиболее плотные скопления в местах образования минералов.

Эти бактерии не просто прикреплялись к месту. Генетическая активность этих бактерий указывала на производство бикарбоната, а бикарбонат — это тот самый сырьевой компонент, из которого изготавливаются эти гранулы. Лабораторный анализ подтвердил, что такая же способность заложена во всем микробном сообществе.

Рыба, возможно, вносит свой вклад в химический процесс, а бактерии — потенциально в большей степени. Ни одно предыдущее исследование не изучало, могут ли кишечные микробы рыб вообще участвовать в этом процессе.

Исследователи описывают возможное партнерство, в рамках которого каждая сторона потенциально может внести свой вклад, необходимый другой.

Мартин Гроселл, профессор ихтиологии, возглавляющий кафедру в этом учебном заведении, помог возглавить исследование. Он проводит параллель с альянсами, хорошо задокументированными в других частях моря.

Океан функционирует на основе подобных механизмов: от коралловых рифов, зависящих от симбиотических микробов, до связи между короткохвостым кальмаром и светящейся бактерией, которая помогает ему прятаться от хищников. Партнерство между рыбой-жабой и микробами, возможно, является самым новым примером в этом списке.

«То, что ранее считалось процессом, движимым исключительно рыбой, на самом деле может отражать тесный симбиоз между рыбой и ее кишечной микробиотой», — сказал Грозелл. Бактерии, долгое время считавшиеся сторонними наблюдателями, могут вносить активный вклад в этот процесс.

На этом этапе жабовидная рыба перестаёт быть просто диковинкой. Морские рыбы ежегодно производят огромное количество минеральных гранул, и, по последним оценкам, они входят в число ведущих производителей карбонатов в океане, конкурируя с плавающим планктоном, которому обычно приписывают эту функцию.

Эти результаты напрямую связаны с тем, как океан справляется с углеродом. По мере растворения гранул во время погружения, они изменяют химический состав морской воды таким образом, что это влияет на то, сколько углерода океан может поглотить.

Исследование показало, что органические покрытия на минералах замедляют их разрушение, позволяя некоторым из них опуститься на большую глубину, прежде чем они растворятся.

Более тёплые и кислые океаны заставляют рыб производить ещё больше гранул, поэтому их вклад будет расти по мере изменения климата. Реакция океана на это дополнительное количество карбоната — вопрос, который сейчас привлекает всё больше внимания исследователей.

Вывод очевиден. Процесс, долгое время считавшийся исключительно заслугой рыб, по-видимому, является результатом совместных усилий с бактериями, а ведущий микробный фактор ранее был известен в основном как случайный источник проблем. Возможно, моделям океанического углерода потребуется учесть и его роль.

Эта работа имеет свои ограничения. Исследователи изучали один вид рыб в аквариумах с небольшим количеством особей, и им еще не удалось точно измерить, какое количество каждой гранулы производят бактерии по отношению к рыбе.

Следующий очевидный вопрос: сохранится ли это партнерство и в отношении других видов океанических рыб?

Если это так, то моделям, оценивающим, как океан накапливает углерод, возможно, потребуется учитывать кишечную микробиоту рыб, которую они никогда не включали в свои модели.

В отдельной статье, посвященной глубоководным рыбам, уже была отмечена малоизученная срединная зона как еще один вероятный фактор, влияющий на ситуацию. Это новая переменная, которую следует изучать, скрытая в пищеварительном тракте рыб, обитающих во всех океанах Земли.