Диатомеи — микроскопические одноклеточные водоросли, которые производят не менее 20% кислорода на Земле и формируют основу экосистем по всему миру. Ученые знали с 1960-х годов, что диатомеи обитают внутри морского льда и передвигаются по нему, но механизм их движения оставался загадкой.
Диатомовые водоросли умеют скользить по льду и сквозь лед при температуре -15 градусов
Биоинженеры из Стэнфордского университета обнаружили, что микроскопические водоросли, обитающие в арктическом морском льду, способны активно передвигаться при температуре до −15°C — это самая низкая температура, при которой зафиксировано движение одноклеточных организмов. Ледяные диатомеи перемещаются в 10 раз быстрее своих сородичей из умеренных широт.
Во время 45-дневной арктической экспедиции на борту судна Sikuliaq исследователи собрали ледяные керны, содержащие диатомовые водоросли, которые показали, как микроорганизмы перемещаются в экстремально холодной среде. Lexi Arlen
До 2 миллионов видов диатомей населяют планету — от влажных тропиков до полюсов. Эти микроскопические водоросли осуществляют фотосинтез и производят не менее пятой части всего кислорода, которым мы дышим. Морской лед, который раньше считался просто инертным барьером на поверхности океана, оказался богатой средой обитания, полной биологического разнообразия. Ожидается, что площадь морского льда будет сокращаться из-за изменения климата, что заставит диатомей менять способы передвижения или приведет к потере уникального биоразнообразия.
В 2023 году команда исследователей Стэнфордского университета отправилась в 45-дневную экспедицию в Чукотское море на судне R/V Sikuliaq. Они извлекли образцы водорослей из кернов молодого морского льда и изучили движение диатомей с помощью специального микроскопа, адаптированного для работы при отрицательных температурах. Оказалось, что арктические диатомеи активно скользят по ледяным поверхностям и внутри ледяных каналов даже при −15°C.
Скользящие по морскому льду и сквозь лед
Физические факторы, определяющие скорость скольжения ледовых диатомей. (A) Схема, иллюстрирующая скользящую подвижность диатомовых, управляемую актомиозином и механизмом фиксации на основе муцилажных нитей. (B) Следы муцилажа, оставленные ледяными диатомовыми водорослями Navicula sp., помеченные агглютинином зародыша пшеницы (WGA), указывают пути движения (оранжевые стрелки). (Масштабная линейка, 20 мкм. m.) (C) Трехмерная визуализация актиновых нитей (зеленые) внутри Navicula sp. иллюстрирует цитоскелетные структуры, имеющие решающее значение для скользящей подвижности. (Масштабная линейка, 10 мкм. m.) (D) Сканирующая электронная микрофотография Navicula sp. показывает тонкие щели (рапы) на фрустулах диатомовых (белые стрелки). (Масштабная линейка, 3 мкм.)
«Люди часто думают, что диатомеи находятся во власти окружающей среды», — говорит руководитель исследования Ману Пракаш из Стэнфорда. — «Мы показали, что в этих ледяных структурах организмы могут быстро двигаться при очень низких температурах, чтобы найти подходящее место. Просто это место оказывается очень холодным».
Лед представляет собой пористую «архитектуру магистралей». Свет проникает сверху через ледяную толщу, а питательные вещества поступают снизу. Способность к движению позволяет диатомеям находить оптимальное положение между источниками света и питания.
На поверхности льда (слева) и стекла (справа) ледяные диатомовые водоросли (вверху) движутся быстрее, чем диатомовые водоросли умеренного климата (внизу).
Сравнительные эксперименты показали, что на ледяных и стеклянных поверхностях арктические диатомеи двигались примерно в 10 раз быстрее диатомей из умеренного климата. В холодных условиях диатомеи из теплых вод полностью теряли способность к движению и просто пассивно дрейфовали.
«Жизнь не замирает при этих ультранизких температурах», — отмечает Пракаш. — «Жизнь занимается своими делами». Арктика сейчас нагревается в несколько раз быстрее остальной планеты, и диатомеи — микробная основа всей экосистемы — находятся под угрозой вместе с более крупными обитателями региона.