Uprkos izraženoj sezonskosti njihovog staništa, bakterijska zajednica u arktičkim sedimentima je taksonomski i funkcionalno veoma stabilna.
Istraživači iz Bremena, Nemačka, proučavali su sastav i funkciju bakterija u morskom dnu kod Svalbarda, tokom naizmeničnih perioda polarne noći i ponoćnog sunca. Da bi to uradili, oni su posebno razvili uređaj za uzorkovanje, Ellrott grab. Za razliku od bakterijskih zajednica u vodi iznad, sedimentne bakterije se gotovo ne menjaju sa godišnjim dobima. Ovo je verovatno zbog činjenice da su u morskom dnu neke teško svarljive namirnice dostupne tokom cele godine.
Arktik je hladan i neprijateljski raspoložen prema životu, ali je dom velikog broja mikroorganizama čija aktivnost ima značajan uticaj na život na našoj planeti. Na primer, bakterije u morskom dnu igraju centralnu ulogu u preradi biomase mrtvih organizama, pretvarajući na taj način sadržani ugljenik u supstance koje se teško razgrađuju i koje se mogu čuvati dugo vremena.
Pored hladnoće, neobična sezonalnost je upadljiva karakteristika polarnih staništa – dan i noć se ne smenjuju svakih dvanaest sati, već se cela godina koleba između ponoćnog sunca i polarne noći. Ovo ima ogroman uticaj na lokalnu primarnu proizvodnju, koja zavisi od sunčeve svetlosti. U leto, sitne alge uspevaju u morskoj vodi, a takođe i život na kopnu cveta. Zimi primarna proizvodnja uglavnom zastaje. Malo je istraživanja sprovedeno o tome u kojoj meri rezultirajuće snažne fluktuacije u unosu organske materije utiču na bakterije u morskom dnu.
Rešavajući ovu prazninu u znanju, tim istraživača sa Maks Plank instituta za morsku mikrobiologiju u Bremenu, Nemačka, posetio je arhipelag Svalbard u različito doba godine kako bi istražio lokalnu zajednicu bakterijskih sedimenata. Oni sada predstavljaju svoje nalaze u časopisu ISME Journal.
Iznenađujuće je da se bakterijska zajednica u morskom dnu ne ponaša kako se očekivalo s obzirom na uslove životne sredine. „Iako unos organskog materijala i njegove stope obrta znatno variraju tokom godine, sastav bakterijske zajednice jedva da se menja na prvi pogled“, izveštava glavni istraživač Katrin Knittel.
Bakterije u morskom dnu se tako ponašaju veoma različito od onih u vodi, gde mnoge od njih ispoljavaju izraženu sezonalnost. „Bentske bakterijske zajednice – to jest, one u morskom dnu – su veoma složene“, dodaje Knittel. „To je ono što ih čini tako stabilnim i robusnim, i čini nam veoma izazovnim da istražimo njihovu dinamiku.“
Da bi bolje razumeli ovo neočekivano ponašanje, Knittel i njen tim sa Instituta Maks Plank u Bremenu sada su istražili takozvanu funkcionalnu raznolikost bakterija. Koliko se menja aktivnost bakterija na morskom dnu između ponoćnog sunca i polarne noći?
Da bi saznali, analizirali su koje gene bakterije poseduju za razgradnju šećera iz algi i u kojoj meri ih koriste. „Dok se sastav bakterijske zajednice gotovo ne razlikuje između godišnjih doba, otkrili smo da se ekspresija gena enzima koji razgrađuju ugljene hidrate menja između zime i proleća“, objašnjava prvi autor Sebastijan Mikš, koji je učestvovao u projektu kao deo svoje doktorske teze.
Zimi preovlađuju enzimi koji razgrađuju a-glukane (npr. glikogen). A-glukani su intracelularna jedinjenja za skladištenje heterotrofnih bakterija, životinja i gljiva. Oni su takođe dostupni tokom ostatka godine, ali su tada manje važni. U proleće, međutim, postoji više enzima koji razgrađuju b-glukane, kao što je komponenta algi laminarin. Zatim ima toliko b-glukana da se neki od njih mogu ostaviti po strani kao skladište za kasnije tokom godine.
„Ovi enzimi odražavaju koje komponente algi – posebno šećeri algi – su dostupne bakterijama u različitim godišnjim dobima“, objašnjava Knittel. „Nije toliko drugačije od odlaska na farmersku pijacu ovde: iako postoji mnogo različitog svežeg voća i povrća dostupnog tokom sunčane sezone, u nekom trenutku tokom zime sve što je ostalo su uskladišteni krompiri.
Bakterije u morskom dnu stoga mogu da koriste svež materijal koji tone iz vodenog stuba, posebno u proleće i leto, kao što je gore pomenuti laminarin. Međutim, mogu da konzumiraju i materijal koji je već prisutan u morskom dnu ili se tamo proizvodi. Ovo uključuje ukusne poslastice kao što je mucin, ali i čvrste komade kao što je hitin. Na njima se bakterije grickaju tokom cele godine. Ovaj izvor hrane je posebno važan zimi, kada je drugi unos oskudan. Njihova dugoročna dostupnost Njihova dugoročna dostupnost stabilizuje zajednicu bakterija u morskom dnu.
„Ovi nalazi se javljaju u veoma malim razmerama, ali su važni u širem kontekstu: kada bakterije konzumiraju šećere iz algi, one oslobađaju ugljen-dioksid. A ugljen-dioksid je veoma važan gas staklene bašte“, napominje Knittel. Dakle, mali stanovnici okeana mogu uticati na globalne procese.
Sve u svemu, bakterijska zajednica na arktičkom morskom dnu je stoga iznenađujuće ujednačena tokom godišnjih doba. Uprkos jakoj sezonalnosti, zajednica je prisutna i aktivna u oba godišnja doba. Međutim, nije samo unutrašnja dinamika otežala Knittelovom timu da proučava bakterije u Spitsbergenovom morskom dnu. To je i metodološki izazovno.
„Veoma je teško dobiti neporemećene uzorke morskog dna i pora vode koja se nalazi između zrna peska“, objašnjava doktorant Chirene Moncada, koja takođe radi na projektu. „Zato smo razvili sopstveni uređaj: Ellrott grab. Ovaj uređaj za uzorkovanje, predstavljen u članku u časopisu Limnologi and Oceanographi: Methods i nazvan po svom programeru i koautoru Andreasu Ellrottu, omogućava uzimanje uzoraka sedimenata iz peščanih sedimenata bez njihovog ometanja.
Grabilica je toliko mala i lagana da je savršena za upotrebu na malim istraživačkim plovilima. „Andreas je briljantan inženjer i dizajnirao je i napravio hvataljku od nule, proizvodeći mnoge komponente sam u 3D štampaču“, kaže Moncada. „Do danas smo već prikupili preko 100 uzoraka sedimenta iz Vadenskog mora i fjordova Svalbarda pomoću Ellrott grab-a—i planiramo da prikupimo još mnogo.“
