Mikroby i gąbki. Sojusz, który podtrzymuje życie w otchłani

Kiedy myślimy o życiu morskim, zwykle wyobrażamy sobie kolorowe rafy koralowe albo gęste lasy wodorostów pełne ryb i innych stworzeń. Ocean, który przychodzi nam na myśl, to ocean skąpany w świetle słonecznym. Jednak większość oceanu wcale tak nie wygląda. Pod względem objętości około 95 proc. stanowią trwale ciemne i zimne głębiny. Mimo tych niezwykle trudnych warunków życie istnieje również w tej oceanicznej otchłani

Do organizmów zamieszkujących te tajemnicze, pogrążone w ciemności wody należą głębinowe gąbki morskie. Tworzą one „ogrody”, które należą do największych ekosystemów na Ziemi – niektóre rozciągają się na tysiące kilometrów kwadratowych dna oceanicznego. Pełnią funkcję inżynierów ekosystemu, zapewniając siedliska wielu innym organizmom żyjącym na dnie morskim.

Pojedyncze gąbki mogą każdego dnia przepompowywać i filtrować przez swoje ciała tysiące litrów wody. Uwalniane przez nie składniki odżywcze wspierają funkcjonowanie innych organizmów. Mimo to wiemy zaskakująco niewiele o tym, jak udaje im się przetrwać w tak nieprzyjających warunkach.

Symbioza z mikroorganizmami jest ważnym elementem funkcjonowania gąbek morskich. Badamy głębinowe gąbki, aby lepiej zrozumieć życie w oceanicznych głębinach. Dotychczas odkryliśmy, że niektóre gąbki są dosłownie wypełnione mikroorganizmami wykorzystującymi energię pochodzącą z reakcji chemicznych. Proces ten nazywa się chemosyntezą i jest powszechnie spotykany u innych organizmów głębinowych, takich jak małże i rurkoczułkowce żyjące przy kominach hydrotermalnych – głębinowych „gorących źródłach”. Nasze nowe badanie, opublikowane dziś w czasopiśmie Microbiome, pokazuje, że gąbki i ich mikrobiologiczni partnerzy stosują również drugą strategię pozwalającą im utrzymać się przy życiu w głębinach oceanu.

Dwie strategie, jedna gąbka

Wszystkie organizmy żywe produkują odpady. Tak jak ludzie wydalają mocz, wiele gąbek wytwarza amoniak jako jeden ze swoich produktów przemiany materii. W naszym badaniu analizowaliśmy głębinowe gąbki z rodzaju Calyx, żyjące na głębokości 830 metrów.

Około 16 proc. ich mikrobiologicznych partnerów wykorzystuje dobrze znany proces chemosyntezy. Używając amoniaku jako źródła energii, mikroorganizmy te wykorzystują rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla do budowy biomasy. Jest to w pewnym sensie odpowiednik wzrostu roślin dzięki fotosyntezie wykorzystującej światło słoneczne, tyle że zachodzący w całkowitej ciemności.

W dobrze oświetlonych, płytkich wodach wiele gąbek i koralowców posiada fotosyntetyzujące mikroorganizmy, które pomagają im budować biomasę z dwutlenku węgla. Nasze wyniki pokazują, że w ciemnych głębinach oceanu gąbki mają partnerów mikrobiologicznych, którzy do tego samego procesu wykorzystują amoniak zamiast światła. Pozostałe 84 proc. mikroorganizmów jest jeszcze bardziej interesujące. Zamiast chemosyntezy wykorzystują one heterotrofię, czyli pozyskiwanie energii i biomasy poprzez konsumowanie materii organicznej. Tak działa zresztą zdecydowana większość zwierząt, w tym ludzie.

Problem polega na tym, że w głębinach oceanicznych materii organicznej jest bardzo niewiele. To, co opada z powierzchniowych warstw oceanu – martwy plankton czy glony – jest podczas opadania przez słup wody stopniowo pozbawiane łatwo przyswajalnych składników przez bakterie i niewielkie skorupiaki. W rezultacie niewielka ilość materii organicznej, która dociera na dno morskie, jest zwykle słabym źródłem pożywienia dla samych gąbek. Jak jednak odkryliśmy, niekoniecznie dla ich mikrobiologicznych partnerów.

Okazuje się, że heterotroficzne mikroorganizmy żyjące w gąbkach Calyx dysponują dużą liczbą enzymów wyspecjalizowanych w rozkładaniu złożonych związków, takich jak ksylan i pektyna, które tworzą trudne do strawienia ściany komórkowe glonów. Odżywianie się tymi „szkieletami” glonów pozwala mikroorganizmom rozwijać się i przekształcać związki organiczne w składniki odżywcze, które może następnie wykorzystać ich gospodarz – gąbka.

Ochrona tego, czego jeszcze nie rozumiemy

Nasze badanie pokazuje, że gąbki i ich mikrobiologiczni partnerzy są złożonymi biogeochemicznymi reaktorami. Wykorzystują i przetwarzają amoniak – swoisty odpowiednik „moczu” – dwutlenek węgla oraz trudną do strawienia materię organiczną, aby wytwarzać biomasę. Ta biomasa może następnie wspierać wzrost innych organizmów, takich jak wężowidła czy ryby, a tym samym podtrzymywać funkcjonowanie całej społeczności zwierząt zamieszkujących pogrążone w ciemności dno oceaniczne.

Niestety, ekosystemy te znajdują się pod coraz większą presją działalności człowieka. Połowy denne z użyciem włoków fizycznie niszczą ogrody gąbek. Z kolei górnictwo głębinowe, rozwijane obecnie w celu pozyskiwania metali ziem rzadkich wykorzystywanych w bateriach i elektronice, grozi zaburzeniem środowiska głębinowego w sposób, którego skutki mogą być odczuwalne przez całe stulecia.

Organizacja Narodów Zjednoczonych uznała głębinowe ogrody gąbek za szczególnie wrażliwe ekosystemy morskie. Jest to formalne potwierdzenie zarówno ich znaczenia ekologicznego, jak i podatności na zniszczenie. Sama formalna ochrona nie wystarczy, by je uratować. Jeżeli zniszczymy te siedliska, zanim w pełni zrozumiemy ich rolę w przemianach węgla, możemy utracić kluczowy element ziemskiego cyklu węglowego, zanim w ogóle uświadomimy sobie, jak ważną pełnił funkcję.

Artykuł Deep‑sea sponges survive in complete darkness in ways we didn’t know before ukazał się w magazynie The Conversation. 

https://theconversation.com/deep-sea-sponges-survive-in-complete-darkness-in-ways-we-didnt-know-before-279223