Головна
Біологія
Ті, що живуть світлом у пітьмі. [Як мікроорганізми запускають фотосинтез у полярній темряві]

Ті, що живуть світлом у пітьмі. Як мікроорганізми запускають фотосинтез у полярній темряві

Юлія Назаренко 12 Квітня

Харчовий ланцюг, який об’єднує все живе на планеті в єдину систему переносу енергії, починається з організмів, здатних до фотосинтезу. Цей процес дозволяє рослинам, водоростям та деяким бактеріям перетворювати енергію сонячного світла на біохімічну і накопичувати її у вигляді цукрів, які живлять клітини. Тож цілком логічно, що найефективніше фотосинтез працює за яскравого сонячного дня.

Але що відбувається з клітинами в умовах слабкого освітлення — наприклад, під час полярної ночі, коли протягом місяців і без того нечисленні фотони додатково блокуються товстим шаром криги? Чи впадають ці організми у своєрідну сплячку, чекаючи, поки Сонце знову з’явиться на горизонті? І скільки світла взагалі потрібно клітині, щоб фотосинтетичний апарат справно працював? Ці питання давно хвилювали біологів. Лише нещодавно команда дослідників в Арктиці змогла дати на них перші конкретні відповіді. Видання Quanta Magazine розповіло цю історію, а ми переказуємо головне.

Арктика не така вже й пустельна

Через суворі умови арктичної зими — багатометровий сніг і лід, що покриває море наче саркофаг — вчені довго вважали, що місцеві фотосинтезуючі мікроводорості просто «вимикаються» на сезон. Але ніхто не міг це перевірити.'

Прорив зробила Клара Хоппе (Clara Hoppe), біогеохімік з Інституту Альфреда Вегенера в Німеччині. Взимку 2020 року вона провела кілька місяців на вмерзлому в кригу кораблі, досліджуючи, чи можливий фотосинтез у пітьмі. У статті в Nature Communications її команда повідомила про ріст і розмноження мікроводоростей за освітленості близько 0,04 мікромоля фотонів на квадратний метр за секунду. Це лише трохи більше за теоретичний мінімум для фотосинтезу (0,01 мікромоля) і менше ніж одна стотисячна від світла сонячного дня. Виходить, навіть у найхолодніших і найтемніших місцях планети живі організми можуть підтримувати активність.

Все починається з фітопланктону

Навіть з урахуванням мікроорганізмів Арктику складно назвати регіоном, де життя вирує — особливо взимку. У мешканців цих широт є лише два варіанти: або переміститися у тепліші води, або впасти в сплячку. Проте щойно сонце з’являється знову — починається стрімке цвітіння фітопланктону, основи всього харчового ланцюга в регіоні. А одразу за ним підтягується і решта арктичної екосистеми, включно крихітними ракоподібними, рибою, тюленями, птахами, білими ведмедями, китами.

Знаючи це, Хоппе зацікавило, чи існує певний світловий поріг, який запускає реакцію «пробудження» мікроорганізмів у відповідь на весняне сонце. Ще у 2015 році вона зробила вагомий крок у цьому напрямку, коли виявила у зимових водах біля Шпіцбергена високий вміст хлорофілу — пігменту, що свідчить про фотосинтетичну активність. Це означало, що багато клітин залишалися активними навіть взимку. Але коли саме і за яких умов вони починають діяти — залишалося невідомим.

Назустріч темряві

Хоппе висунула гіпотезу: організми, які активізуються першими, мають кращі шанси на успішне та продуктивне літо. Щоб перевірити це, вона приєдналася до міжнародної експедиції MOSAiC. У 2020 році команда дослідників оселилася на борту криголама RV Polarstern, який навмисно врізався в крижину, щоб дрейфувати з вимкненими двигунами крізь полярну ніч. В умовах постійної темряви та температур до -60 градусів Цельсія вони збирали зразки морської води й льоду.

Команда провела дві серії експериментів. Спочатку мікроводорості зі зразків води та льоду інкубували у лабораторних умовах зі світлом і міченим вуглецем, щоб відстежити фотосинтетичну активність. Паралельно вчені регулярно брали проби води, вимірюючи в них рівні хлорофілу та кількість фітопланктону.

У лютому ці показники залишалися стабільними. Але вже наприкінці березня — з поверненням першого весняного світла — вони різко зросли. Організми не лише запускали фотосинтез, а й активно нарощували біомасу.

Світло — найтемніша тема у фізиці

Тим часом фізики з тієї ж експедиції намагались точно виміряти кількість світла під кригою. Звичайні методи, як-от буріння чи рух по льоду, могли змінити природне світлове середовище, тому були непридатні.

Фізик Нільс Фукс (Niels Fuchs) запропонував рішення: встановити надчутливі датчики ще до настання зими й дозволити їм замерзнути разом з водою. Подібно до фотопасток для диких тварин, ці пристрої фіксували фотони, що проникали крізь лід — без жодного втручання.

У лютому панувала майже абсолютна темрява — навіть місячне світло не проникало до води. Але наприкінці березня датчики зареєстрували 0,04 мікромоля фотонів на квадратний метр за секунду. Фактична кількість світла, ймовірно, була навіть нижчою. За словами Фукса, це як крапля води на три літри у порівнянні з денним сонячним світлом.

Поєднання даних про світло від Фукса зі спостереженнями Хоппе за мікроводоростями підтвердило: саме ця мізерна кількість березневого світла стала поштовхом до запуску фотосинтезу. Це вперше вдалося зафіксувати фотосинтез у польових умовах, близьких до теоретичного мінімуму необхідного для цього процесу світла.

Погляд у глибини

Команда Клари Хоппе також виявила, що навіть у найтемніші періоди полярної ночі мікроводорості не «вимикаються» повністю — вони підтримують мінімальний рівень активності, щоб бути готовими до дії з приходом найперших весняних променів. Як саме це працює — поки що залишається загадкою. Можливо, в пітьмі вони поглинають розчинені органічні речовини з води або використовують окремі фотони, що проходять крізь лід чи випромінюються біолюмінесцентними істотами. Також не виключено, що ці полярні організми розвинули унікальні молекулярні механізми, які дають змогу виживати в умовах холоду й темряви.

Якщо арктичні мікроводорості навчилися жити в пітьмі, то й фітопланктон у глибших океанічних шарах може мати схожі пристосування, міркує Хоппе. А це означає, що зона продуктивного океану значно більша, ніж ми вважали. І це відкриття здатне змінити наші уявлення про кругообіг вуглецю у природі — і навіть про глобальні кліматичні процеси.