Якщо взяти керн льоду із зовнішніх країв арктичної полярної шапки, можна помітити щось схоже на ледь помітну смужку бруду. Це діатомові водорості – одноклітинні водорості зі скляними зовнішніми стінками. Їхня присутність у льоду не нова, але, оскільки вони здавалися замкненими й сплячими, мало хто спромігся їх вивчити.
Проте нове дослідження Стенфордського університету, опубліковане 9 вересня у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, що арктичні діатомові водорості не нерухомі й поховані. Вони не просто виживають – вони потрапляють у книги рекордів.
«Це не кріобіологія із фільмів 1980-х років. Діатомові водорості настільки активні, наскільки ми можемо уявити, поки температура не опуститься до -15 °C, що вкрай дивно», – сказав Ману Пракаш, доцент кафедри біоінженерії в Школі інженерії та медицини й старший автор статті.
Ця температура (5°F) є найнижчою з колись зареєстрованих для руху еукаріотичної клітини – типу складних клітин рослин, тварин, грибів та інших організмів, що характеризуються наявністю ядра всередині мембрани.
"Ви можете бачити, як діатомові водорості фактично ковзають, наче катаються на ковзанах по льоду", - сказала провідний автор дослідження, постдокторант Стенфордського університету Цин Чжан, яка зібрала зразки під час арктичної дослідницької експедиції. Вона та її колеги продемонстрували не тільки рухливість за таких низьких температур, а й те, що їхнє ковзання – або катання – засноване на поєднанні слизу та молекулярних моторів.
Навігація бурхливим айсбергом
Діатомові водорості, представлені в цьому дослідженні, були отримані в ході 45-денної арктичної експедиції в Чукотське море на борту дослідницького судна Sikuliaq, що належить Національному науковому фонду, яким керує Університет Аляски у Фербанксі. Дослідники з лабораторії Пракаша та лабораторії Кевіна Арріго, професора наук про систему Землі у Стенфордській школі сталого розвитку імені Доєрра, збирали крижані керни з 12 станцій протягом літа 2023 року. Використовуючи низку бортових мікроскопів, які лабораторія Пракаша розробляла роками, команда змогла отримати зображення внутрішньої частини льоду та задокументувати таємне життя цих неймовірних арктичних діатомових водоростей.
Повернувшись до лабораторії, команда витягла діатомові водорості з крижаних кернів і відтворила їх місце існування в чашці Петрі, що містить тонкий шар замороженої прісної води та шар дуже холодної солоної води. Коли в Арктиці утворюється лід, він виштовхує сіль, залишаючи прісноводний лід із невеликими мікрофлюїдними каналами в ньому – тому лабораторія також проклала канали у льоду, використовуючи власне волосся.
Навіть коли вони знизили температуру спеціального мікроскопа нижче нуля, діатомові водорості прослизали магістралями розміром з нитку. Подальші експерименти з використанням гелів, заповнених флуоресцентними частинками, відстежували їх рухи, як сліди на піску.
Дивно, що діатомові водорості пересувалися, не звиваючись, не стискаючись і не використовуючи жодних кінцівок. Натомість вони практикують мистецтво, властиве багатьом діатомовим водоростям: ковзання.
"Вони виділяють полімер, схожий на слиз равлика, який прикріплюється до поверхні, наче мотузка з якорем", - сказав Чжан. "А потім вони тягнуть за цю "мотузку", і це дає їм силу рухатися вперед".
Механізм в'язкого шару залежить від актину і міозину - тієї ж біологічної системи, яка управляє рухами м'язів людини. Ключовим питанням, яке вивчає лабораторія, є те, як цей механізм працює за негативних температур. Коли команда порівняла арктичні діатомові водорості з їхніми родичами з помірного клімату, що ковзають склом, полярні види рухалися набагато швидше, що вказує на еволюційну перевагу.
Загальна картина
Лабораторія Пракаша максимально використовувала час, проведений в Арктиці, і зібрала великі дані щодо кількох проєктів, окрім вивчення діатомових водоростей. Серед них — кадри з дрона, зняті під льодом, які наочно демонструють потенціал цієї роботи.
"Арктика зверху біла, але знизу вона зелена - абсолютно зелена через водорості", - сказав Пракаш. "У якомусь сенсі це змушує усвідомити, що це не просто крихітний об'єкт, а важлива частина харчового ланцюга, що контролює все, що відбувається під льодом".
Знання про активність діатомових водоростей порушує ширші питання про адаптацію до мінливого полярного середовища. Чи можуть вони переміщувати ресурси арктичною харчовою мережею, живлячи всіх – від риби до білих ведмедів? Чи можуть їх слизові сліди навіть сприяти утворенню нового льоду, подібно до того, як перлини утворюються навколо піщин?
Зазвичай Пракаш не розкриває свої карти, коли мова заходить про подібні ідеї, що зароджуються, але цього разу ставки інші, сказав він.
«Багато моїх колег кажуть мені, що в найближчі 25–30 років Арктики не буде. Зі зникненням екосистем ми втрачаємо знання про цілі гілки нашого дерева життя», – сказав він, зазначивши, що прогнозоване різке скорочення бюджету Національного наукового фонду призведе до скорочення фінансування полярних досліджень на 70 відсотків. «Я відчуваю, що багато з цих систем потребують невідкладного рішення, тому що, зрештою, інфраструктура та можливості для функціонування критично важливі для наукових відкриттів».
