Okrzemki - klejnoty oceanów - ujawniają przeszłość i przyszłość klimatu
Okrzemki to najbardziej zróżnicowana i najliczniejsza grupa mikroskopijnych roślin określanych mianem fitoplanktonu. Zdaniem Chrisa Bowlera(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z instytutu badawczego IBENS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), pomimo swoich niewielkich rozmiarów, okrzemki są odpowiedzialne za jedną piątą fotosyntezy na naszej planecie - dokładnie tyle samo robią wszystkie lasy tropikalne! Ich najbardziej wyjątkową cechą jest szklana (krzemionkowa) ściana komórkowa oraz niezwykły zakres kształtów i rozmiarów, dzięki którym przypominają klejnoty. Ze względu na to, że różne gatunki okrzemek są doskonale przystosowane do określonych warunków środowiskowych, są istotnym źródłem wiedzy na temat adaptacji do skutków zmiany klimatu. „Chociaż znaliśmy znaczenie okrzemek dla ekosystemów oceanicznych, brakowało nam danych na temat ich globalnej różnorodności i obfitości w stosunku do innych grup fitoplanktonu”, wyjaśnia Chris Bowler, koordynator projektu DIATOMIC, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Aby dokonać takiego przeglądu, Bowler wykorzystał zbiór danych Tara Ocean(odnośnik otworzy się w nowym oknie), pochodzący z 4-letniej globalnej kampanii pobierania próbek, którą pomagał koordynować. „Wspomniany zbiór danych stał się złotym standardem dla genomiki oceanicznej. Jest podstawą tysięcy publikacji naukowych i pierwszym tego rodzaju zbiorem, który pomaga naukowcom badać rozmieszczenie planktonu i przystosowania ewolucyjne”, zauważa Bowler.
Metody ekstrakcji DNA ze starożytnych osadów morskich
Zespół Tara Ocean opracował bazę danych obejmującą 40 000 rodzajów planktonu pobranych zarówno z powierzchni oceanów, jak i z głębokości sięgającej 1 000 metrów, w przypadku których zastosowano standardowe metody analityczne, w tym sekwencjonowanie DNA i mikroskopię. Zespół projektu DIATOMIC postawił sobie za cel opracowanie spisu różnorodności i obfitości okrzemek we współczesnych oceanie i wykorzystać go do zbadania przeszłych zmian w ich zbiorowiskach w odpowiedzi na zmiany środowiskowe, w tym ostatnią epokę lodowcową. „Próbujemy przyłapać ewolucję na gorącym uczynku”, mówi Bowler. Projekt koncentrował się na rodzaju Chaetoceros, który jest najbardziej rozpowszechnionym i kosmopolitycznym rodzajem spośród okrzemek. Ze względu na to, że niektóre gatunki wytwarzają długo żyjące zarodniki spoczynkowe, które można pobrać z osadów morskich w celu ekstrakcji DNA, stanowią przykład starożytnych populacji. Dobrze znane paleowskaźniki związane ze zmianami temperatury, sezonowości, pokrywy lodowej i produktywności morskiej (fotosyntezy) zostały skorelowane ze zmianami, takimi jak przesunięcia populacji i mutacje kluczowych genów. Arktyka i Antarktyka były szczególnie interesujące ze względu na ich dramatyczne zmiany klimatyczne na przestrzeni tysiącleci. Analizy rdzeni osadowych z Półwyspu Antarktycznego obejmujące okres 10 000 lat wykazały drastyczne zmiany temperatury, pokrywy lodowej i sezonowości, a także dobrze zachowane mikroskamieniałości okrzemek. Wyodrębnienie starożytnego DNA umożliwiło dopasowanie danych morfologicznych do danych genetycznych, co pozwoliło na wykazanie przyczyn zmian w populacjach w odpowiedzi na zmiany środowiskowe. Dane genetyczne ujawniły również zmiany w genach kodujących białka adaptacji termicznej, wraz z selekcją określonych korzystnych mutacji, jak zauważa Bowler. Inny rdzeń osadowy pobrany z Morza Labradorskiego, zawierający zapis sprzed 50 000 lat, wykazał zmiany genetyczne, które wystąpiły podczas ostatniego maksimum lodowcowego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a nawet wcześniej podczas zdarzenia Heinricha(odnośnik otworzy się w nowym oknie), kiedy masywne góry lodowe napłynęły na tereny północnego Atlantyku.
Przełomowa analiza skutków zmiany klimatu
Ze względu na to, że oceany mają kluczowe znaczenie dla systemu klimatycznego naszej planety, naukowcy muszą zrozumieć, w jaki sposób skutki zmiany klimatu wpłyną na ekosystemy morskie i ich funkcje planetarne. Techniki zastosowane przez zespół projektu DIATOMIC w celu analizy starożytnego DNA i identyfikacji zmian podczas przeszłych zmian oferują cenne wskazówki. „Pomimo tego, że nasza praca obejmuje głównie ostatnie 50 000 lat, czyli stosunkowo niedawne czasy, skupia się na okresie sprzed działalności człowieka wpływającej na funkcjonowanie planety, dizęki czemu możemy lepiej określić ilościowo ten wpływ”, wyjaśnia Bowler. Dzięki pokonaniu wyzwań związanych z odtworzeniem starożytnego DNA z okrzemek i szerszego ekosystemu z rekordowych 2 milionów lat, zespół może skupić się na doskonaleniu technik, które pozwolą na analizę DNA zawartego w kolejnych rdzeniach pochodzących z wielu regionów oceanicznych.