Hlubokomořská společenství

Hlubokomořská společenství pokrývají až 65 % povrchu zemského. Přestože je zde velmi vysoký tlak, naprostá tma a nepříliš vysoká teplota vody. Nejsou zde fotosyntetizující organismy a veškerý život je tak závislý na přísunu uhlíku z povrchových vod. Je zde také vysoká limitace ostatních živin. Přesto je desetina veškeré živé biomasy právě na nehostinném dně oceánů.

Tento uzavřený systém neměl mít podle vědců žádné propojení s ostatními částmi oceánu, žádný pohyb sedimentů a ani žádné proudy. Ale dnes díky několika studiím již víme, že tomu tak není. Mnoho materiálu a sedimentů se z mořského dna může dostat zpět k povrchu za několik dní.

Hlubokomořské sedimenty na mořském dně nám odhalují nečekaná tajemství. Společenství mikroorganismů, která zde žijí, jsou napadána viry, které tak mohou být důležitým, ne-li dokonce klíčovým prvkem v globálním koloběhu uhlíku. Viry zde zabíjejí ostatní mikroorganismy, kontrolují tak stav jejich populace a zároveň stimulují i jejich růst. S rostoucí hloubkou je vliv virů na ostatní jednobuněčné organismy větší. V hloubce přes 1 km jsou díky nim téměř veškeré buňky přeměňovány na organický detritus. Větší množství virů v hlubokomořských sedimentech než v mělčích příbřežních sedimentech je nejspíše způsobeno pohlcováním virioplanktonu částicemi padajícími do hloubek oceánu a jejich pozdějším usazováním na mořském dně. Zejména lytické viry jsou schopné zabít až 80 % jednobuněčných organismů v hlubokomořských sedimentech. Způsobují prasknutí napadené buňky. Tímto mechanismem se uvolní každý rok až 630 milionů tun uhlíku, což je velmi důležitý, ale zároveň nestabilní zdroj organického uhlíku v hlubokomořském ekosystému. Na některých místech se zdá, že lytické viry nemají převahu, např. u hydrotermálních vývěrů je více virů, které prasknutí napadené buňky nezpůsobují. Vztah lyzogenních virů a hostitele je klíčovým faktorem pro prokaryota v tomto extrémním ekosystému.

Virové infekce nejspíše způsobují vysokou mortalitu autotrofních a heterotrofních organismů v povrchových vodách oceánu s kaskádovým efektem na koloběh uhlíku a obnovu živin. Rozpad napadených buněk uvolní organický materiál, který může být znovu použit ostatními nenapadenými buňkami. Tento proces podporuje produkci heterotrofických prokaryot, ale zároveň snižuje efektivitu transportu uhlíku do vyšších potravních stupňů. Zásoba uhlíku v oceánech tím modifikuje množství uhlíku transformovaného potápěním částic z povrchových vod na dno oceánu. Abychom pochopili fungování oceánů, musíme pochopit i roli virů v biogeochemických a trofických modelech. 30-45 % veškerého mikrobiálního uhlíku je obsaženo ve svrchních 10 cm hlubokomořských sedimentů ve formě prokaryot. Obrovské množství prokaryotické biomasy bohaté na dusík a fosfor představuje potenciální vysoký a kvalitní zdroj živin pro bentické konzumenty v hlubokomořském ekosystému. Ale v experimentech bylo prokázáno, že tato prokaryotická biomasa prokazatelně nepřispívá potravním nárokům vyšších trofických stupňů. Vysoká prokaryotická biomasa v potravně limitovaném hlubokomořském ekosystému a zároveň nemožnost jejího využití jsou dva zatím nevyřešené paradoxy v hlubokém oceánu. To by mohlo být částečně vysvětleno právě působením virů. Viry v hlubokomořském ekosystému redukují prokaryotickou biomasu a ta se tak stává nepoužitelnou pro vyšší potravní stupně. Robert Danovaro s kolegy prozkoumali 232 vzorků hlubokomořských sedimentů a měřili vliv virů na hlubokomořská prokaryota a jejich vliv na biogeochemické cykly. Množství virů a prokaryot bylo zjišťováno epifluorescenční mikroskopií s použitím vysoce citlivého fluorochromu. Výsledkem bylo zjištění, že virové infekce jsou důležitým prvkem ovládajícím stav prokaryotické biomasy, stimulování jejich metabolismu a spouštění bio­geochemických procesů. Působení virů by se tedy mělo zahrnout do globálního koloběhu uhlíku, dusíku a fosforu.

Geochemické modelování předpokládá, že u respirace mikroorganismů v hlubokomořských sedimentech převládá redukce sulfátu spřažená s anaerobní oxidací metanu. Naše vědomosti pocházejí převážně ze studia prostředí, kde vyvěrá metan. Vysoká koncentrace metanu a sulfátu zvyšuje produkci zdejších společenství bakterií a archeí. Velmi málo se ví o organismech ukrytých hluboko v sedimentech, kde je malý přísun metanu. Jeniffer F. Biddle ve své studii v Peru zkoumala archaea a jejich způsob využití metanu. Zjistila, že v obou skupinách archeí, žijících v hlubokomořských sedimentech, existuje vysoká ekofyziologická flexibilita. Jedna skupina (Crenarchea) oxiduje metan, ale neasimiluje z něj uhlík, což může připomínat metabolickou strategii jiných archeí. Znamená to tedy, že tato archea využívají jiný zdroj uhlíku, než je metan – tedy ostatní organický materiál v sedimentech. Což samozřejmě opět ovlivňuje náš pohled na biogeochemické cykly v tomto ekosystému a převážně na cyklus uhlíku.

Vědci se tedy nyní začali zabývat tím, co všechno se na mořském dně odehrává a jaké organismy zde vůbec žijí a jakou mají úlohu. Představa byla taková, že na mořském dně jsou převážně bakterie. Což bylo potvrzeno i několika výzkumy, kdy se z mořského dna podařilo získat velmi mnoho bakterií, ale jen malé množství archeí. Samozřejmě, že výsledky výzkumů mohly být zkreslené – mnoho jich bylo založeno na extrakci DNA a barvicích metodách, které mohly mít omezený účinek v průniku relativně neprostupnou membránou archeí. Dále metody založené na monitorování fosfolipidové membrány (zejména mastných kyselin, které jsou dobrým markrem pro živé bakterie), nemohou v tomto případě pomoci, protože některá archea takovéto kyseliny vůbec na membránách netvoří. Poslední studie tvrdí, že na dně jsou hlavně zástupci skupiny archea. Kai-Uwe Hinrichs se svými kolegy zjistil, že u dna je více archeí než bakterií. Sesbíral mikroorganismy ze sedimentů na hlubokomořském dně, více než jeden metr od povrchu dna. Nasbírané buňky smíchal s dusíkem, aby ztratily své membrány a také změřil obsah lipidů, ovšem takových, které jsou přítomny u obou skupin, jak bakterií, tak archeí. Přestože je na mořském dně více archeí než bakterií, neznamená to nutně, že musejí ovládat biogeochemické pochody v hlubokomořských sedimentech. Podle dosažených vědomostí se předpokládá, že archea by měla být lépe přizpůsobena extrémním podmínkám, jaké panují na mořském dně a v hlubokomořských sedimentech. Zatímco bakterie jsou úspěšnější v dynamickém prostředí.

Bohužel výsledky několika výzkumů na několika místech na Zemi nemohou prokázat, co doopravdy na mořském dně je. Pro tyto spekulace známe prozatím příliš málo faktů a budoucí výzkum je nadále omezen dostupnou technikou. Jsou nutná technologická vylepšení pro získání přesnějšího obrázku o tom, jak to s mikroorganismy v hlubokomořských sedimentech opravdu je. Vliv virů a dalších organismů na globální koloběh uhlíku také stále čeká na objasnění.



Globální koloběh uhlíku

Globální koloběh uhlíku je součástí tzv. biogeochemických cyklů na naší planetě. Jedná se o pohyb chemických prvků mezi organismy a atmosférou, litosférou a hydrosférou. Uhlík je součástí všech živých organismů jako jeden z hlavních stavebních prvků. Mezi zemské rezervoáry uhlíku patří hydrosféra (rozpuštěný oxid uhličitý a organická hmota), sedimenty (uhličitany, látky s obsahem uhlíku včetně fosilních paliv), atmosféra (CO2) a biosféra (organická živá i neživá hmota). Největší zásoba uhlíku se nachází v půdách, v atmosféře ve formě CO2 je pouze 0,03 %. Atmosférický uhlík si rostliny pomocí fotosyntézy zabudovávají do svého těla a v této formě ho dále poskytují herbivorům a ti dále karnivorům. Uhlík je tak hlavní součástí tzv. potravních řetězců, kdy se jeho energie přenáší od primárních producentů (rostlin) až k vrcholovým predátorům (při přechodu z jedné trofické úrovně na jinou dochází vždy ke ztrátě asi 90 % veškeré energie). V suchozemském ekosystému je nejvíce biomasy uloženo právě v rostlinách, u vodních ekosystémů je tomu opačně. Ve vodním ekosytému jsou primárními producenty zelené řasy a sinice (fytoplankton). V moři si některý fytoplankton (např. rozsivky) zabudovává část uhlíku do svých schránek. Po jejich odumření schránky klesají na dno a uhlík se ukládá ve formě sedimentů. Zpět do oběhu se uhlík dostává respirací živočichů a rostlin (výdej ve formě CO2), rozkladem rostlinné a živočišné biomasy za pomocí bakterií (v aerobním prostředí vzniká CO2, v anaerobním metan), spalováním fosilních paliv a při sopečných erupcích. V poslední době vrůstá spotřeba fosilních paliv a během jejich spalování se do atmosféry dostává velké množství CO2, což má za následek jeho postupné hromadění v atmosféře (cyklus není v rovnováze). Je také jedním z faktorů ovlivňujících globální oteplování planety. Dalším jevem je acidifikace oceánů (změna pH) v důsledku většího absorbování CO2 v mořské vodě a jeho následné reakce s H2O za vzniku dalších látek, jako H2CO3, HCO31- a CO32-. Reakce jsou ovlivňovány teplotou vody a její zásaditostí. Acidifikace má neblahý vliv na mořské organismy, převážně na ty, které si vytvářejí vápenité schránky (dochází k rozpouštění schránek).



Archaea

Jsou tzv. třetí říší organismů mimo Bacteria a Eukaryota (houby, rostliny, živočichové). Podobně jako u bakterií se jedná o prokaryotické organismy, ale při bližším pohledu najdeme mnoho rozdílů. Mají odlišnou stavbu cytoplazmatické membrány, buněčné stěny, genomu a dokonce i jiný metabolismus. Podle dosavadních studií jsou více příbuzní Eukaryotům než samotným bakteriím. Na Zemi se objevila již před 3,5 miliardami let, vyskytují se v různých typech prostředí. Nejčastěji je nalezneme v extrémních habitatech, jako jsou stanoviště s vysokou teplotou, vysokým pH či zvýšeným obsahem solí. Hrají významnou roli v koloběhu prvků, zejména C, N a S.



Použitá literatura:

Biddle, J. F. and all (2006) – Heterotrophic archea dominate sedimentary subsurface ecosystem off Peru – PNAS Vol. 3, p. 3846-3851

Danovaro, R. and all (2008) – Major viral impact on the functioning of benthic deep-sea ecosystem – Nature Vol. 454, p. 1084-1088

Lipp, J. S., Morono, Y., Inagaki F. and Kai-Uwe Hinrichs (2008) – Significant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments – Nature Vol. 454, p. 991-994

Lipp, J. S., Morono Y., Inagaki F. and Kai-Uwe Hinrichs – Significant contribution of Archaea to extant biomass in marine subsurface sediments. Suplementary information. Nature, doi. 10.1038/nature 07174

Ledford Heidi (2008) – Death and life beneath the sea floor – Nature Vol. 454, p. 1038

Williamson, S. J. and all (2008) – Lysogenic virus-host interactions predominate at deep-sea diffuse-flow hydrothermal vents – ISME 2008, p. 1-10