Вегетарианская диета из кораллов объясняет вековую загадку, восходящую к Дарвину
Новое исследование, проведенное Саутгемптонским университетом в Великобритании, показало, почему коралловые рифы могут процветать в воде, на первый взгляд бедной питательными веществами, — явление, которое очаровывало ученых со времен Чарльза Дарвина. Исследование показывает, что кораллы выращивают и питаются своими фотосинтетическими симбионтами — микроскопическими водорослями, живущими внутри их клеток. Эта вегетарианская диета позволяет кораллам использовать большой запас питательных веществ, которые ранее считались для них недоступными. По сути, они поедают часть своих водорослей -симбионтов, чтобы получить питание, необходимое для выживания. Их выводы опубликованы в журнале Nature.
Профессор Йорг Виденманн, руководитель лаборатории коралловых рифов в Университете Саутгемптона, который руководил исследованием, говорит: «Вопрос о том, почему коралловые рифы процветают в тех частях океанов, которые бедны питательными веществами, известен как парадокс Дарвина коралловых рифов и вдохновил на открытие нескольких важных процессов, которые могут помочь объяснить это явление. Теперь мы можем добавить недостающую часть головоломки и помочь разгадать давнюю загадку».
«Когда Чарльз Дарвин отправился в плавание на корабле «Бигль», он считал себя геологом и во время своего путешествия по тропическим морям быстро заинтересовался тем, где и почему образуются коралловые рифы. Дарвин правильно предсказал, как происходит опускание земной коры и неуклонное движение вверх рост кораллов взаимодействует, образуя обширные рифовые структуры. Однако биологические механизмы, лежащие в основе этого энергичного роста, остались неизученными», - объясняют ученые.
Каменистые кораллы — это существа с мягким телом, которые некоторым могут показаться растениями, но на самом деле являются животными. Эти организмы состоят из множества отдельных полипов, которые живут вместе как колонии, и секретных известняковых скелетов, образующих трехмерную структуру, которую мы знаем как «рифы».
Коралловые рифы — важные подводные экосистемы, приносящие пользу многим человеческим сообществам. Они служат домом и питательной средой для бесчисленных организмов, поддерживая около 25% биоразнообразия мирового океана. Тем самым они доставляют продовольствие и доход примерно полумиллиарду человек на Земле.
Коралловые животные зависят от «симбиоза», взаимовыгодных отношений с микроскопическими водорослями, живущими внутри их клеток. Фотосинтезирующие водоросли производят большое количество богатых углеродом соединений, таких как сахара, которые они передают кораллу-хозяину для производства энергии.
Водоросли-симбионты также очень эффективно поглощают растворенные неорганические питательные вещества из морской воды, такие как нитраты и фосфаты. Даже в бедных питательными веществами океанах эти соединения можно обнаружить в значительных количествах в виде продуктов выделения организмов, например, губок, живущих поблизости. Они также могут быть перенесены на рифы океанскими течениями.
В отличие от своих симбионтов, коралловый хозяин не может напрямую поглощать или использовать растворенные неорганические питательные вещества, и до сих пор было неясно, как эти питательные вещества могут стимулировать рост кораллов. Однако механизм, с помощью которого эти необходимые питательные вещества для роста передаются коралловым животным, был определен учеными из Университета Саутгемптона, работающими с командой сотрудников, включая Ланкастерский университет в Великобритании, Тель-Авивский университет и Иерусалимский университет в Израиле.
Проведя серию долгосрочных экспериментов в Лаборатории коралловых рифов Университета Саутгемптона, ученые продемонстрировали, что кораллы на самом деле переваривают часть своей популяции симбионтов, чтобы получить доступ к азоту и фосфору, которые симбионты поглощают из воды. Если в воде достаточно растворенных неорганических питательных веществ, этот механизм позволяет кораллам быстро расти, даже если они не получают никакого дополнительного питания.
Результаты полевых исследований на отдаленных атоллах коралловых рифов в Индийском океане подтверждают выводы лаборатории, демонстрируя, что этот механизм стимулирует рост кораллов в дикой природе на уровне экосистемы.
Доктор Сесилия Д'Анджело, доцент кафедры коралловой биологии в Саутгемптоне и один из ведущих авторов, сказала: «За многие годы, в течение которых мы размножали симбиотические кораллы в нашей экспериментальной аквариумной системе, мы наблюдали, что они очень хорошо росли, даже если их не кормили. Нынешнее состояние знаний не может объяснить, как происходит обмен питательными веществами между двумя партнерами симбиоза, поэтому мы решили, что упускаем большую часть картины, и начали систематически анализировать этот процесс».
Доктор Лорето Мардонес-Велосо, исследователь Лаборатории коралловых рифов, проводивший ключевые эксперименты, добавляет: «Можно было бы ожидать, что животные умирают или перестают расти, если они не едят. Однако кораллы выглядели совершенно счастливыми и быстро росли, если мы продолжали их в воде с повышенным уровнем растворенных неорганических питательных веществ».
Исследователи использовали специально помеченное химическое соединение, чтобы отслеживать движение необходимого питательного азота между партнерами симбиоза. Азот в той химической форме, которая использовалась в экспериментах, может интегрироваться в свои клетки только симбионтами, но не кораллом-хозяином.
Бастиан Хамбах, руководитель лаборатории масс-спектрометрии стабильных изотопов в Университете Саутгемптона, сказал: «Мы использовали изотопную маркировку, чтобы «наполнить» питательные вещества, подаваемые кораллам, атомами азота, которые были тяжелее, чем обычно. Эти изотопы позволили нам отслеживать использование кораллами питательных веществ с использованием сверхчувствительных методов обнаружения».
Профессор Пол Уилсон, палеокеанограф из Саутгемптонского университета, поясняет: «С помощью этого метода мы смогли однозначно продемонстрировать, что атомы азота, поддерживающие рост коралловой ткани, были получены из растворенных неорганических питательных веществ, которыми кормили их симбионтов в эксперименте».
Профессор Йорг Виденманн из Университета Саутгемптона добавляет: «Мы использовали 10 различных видов кораллов, чтобы количественно оценить, как популяция симбионтов росла вместе с их хозяевами. Используя математические модели роста симбионтов, мы смогли показать, что кораллы переваривают избыточную часть своего симбионта. Наши данные показывают, что большинство симбиотических кораллов могут дополнять свое питание посредством такой «вегетарианской диеты».
Ученые также проанализировали кораллы, растущие вокруг островов в Индийском океане, на некоторых из которых есть морские птицы, а на некоторых нет, чтобы показать, что у кораллов есть потенциал для выращивания и питания своими симбионтами в дикой природе.
Профессор Ник Грэм, морской эколог из Ланкастерского университета, объясняет: «Рифы вокруг некоторых из этих островов снабжаются значительным количеством питательных веществ, которые поступают из «гуано», экскрементов морских птиц, гнездящихся на островах. На других островах морские птицы колонии были уничтожены инвазивными крысами. Соответственно, связанные с ними рифы получают меньше питательных веществ. Мы измерили рост колоний оленерогих кораллов вокруг островов с плотными популяциями морских птиц и без них и обнаружили, что рост был более чем в два раза быстрее на рифах, которые были снабжены морскими птицами. питательные вещества».
«Мы подсчитали, что около половины молекул азота в тканях коралловых животных с островов, где обитают морские птицы, можно проследить до поглощения симбионтами и последующей транспортировки к хозяину», - добавил он.
Чрезмерное обогащение питательными веществами, часто вызванное деятельностью человека, может повредить кораллы и представляет собой растущую угрозу для многих рифов. Однако в будущем некоторые коралловые рифы могут получать меньше питательных веществ, поскольку глобальное потепление может лишить их некоторых естественных маршрутов снабжения.
Доктор Д'Анджело из Университета Саутгемптона объясняет: «Потепление поверхностных вод с меньшей вероятностью будет получать питательные вещества из более глубоких слоев воды. Снижение продуктивности воды может привести к уменьшению количества питательных веществ для симбионтов и, в свою очередь, к уменьшению количества пищи для коралловых животных».
Новые результаты ученых показывают, что, хотя коралловые животные могут переносить короткие периоды голодания, питаясь своими симбионтами, некоторые коралловые рифы могут оказаться под угрозой голода в ответ на более длительное истощение питательных веществ, вызванное глобальным потеплением в некоторых районах.
