Планктон поколебал основы физиологии

Изучение планктона в Саргассовом море позволило биохимикам поколебать одну из основных аксиом строения клетки. Они нашли организмы, клеточная мембрана у которых состоит совсем из других молекул.

Ученые из Океанографического института Вудс-Холла (WHOI) (Массачусетс, США) под руководством доктора Бенджамина Ван Моя (Dr. Benjamin Van Mooy) провели исследования клеточных мембран фитопланктона в Саргассовом море.

Оказалось, что водоросли, спасаясь от недостатка фосфора в среде, удивительным образом могут замещать содержащиеся в мембранах фосфолипиды на бетаины, не содержащие фосфор.

Можно ли жить без фосфора?

Фосфор -- необходимый элемент для роста и развития всех живых организмов. Он входит в состав белков и АТФ – универсального источника энергии всех биохимических процессов в клетке. Кроме того, до сих пор считалось аксиомой, что клеточные мембраны состоят из бислоя молекул класса липидов, большинство из которых -- фосфолипиды. Это констатировали все учебники по биологии. Но геохимику доктору Ван Мою удалось поставить под сомнение это традиционное утверждение. Ученого заинтересовал вопрос, как в Саргассовом море с бедным содержанием фосфора фитопланктон так успешно существует -- быстро размножается, совсем «не голодает» и вообще не испытывает никакого дискомфорта.

Море без берегов

Саргассово море – название условное. В отличие от классических морей, у Саргассова моря нет ни одного берега, и оно не ограничено никаким рельефом дна. Это просто область Атлантического океана между течениями -- Канарским, Северным Пассатным и Гольфстримом. Такое физико-географическое положение приводит к антициклональному круговороту поверхностных вод, что создает условия для перемешивания воды и обогащения ее кислородом. Вместе с тем известно, что воды Саргассова моря чрезвычайно бедны питательными элементами, особенно фосфором и азотом.

Фосфора в Тихом океане больше, чем в Саргассовом море

Чтобы сравнить особенности роста, развития и физиологии фитопланктона в богатой и бедной питательными элементами среде, ученые исследовали цианобактерии и диатомовые водоросли в акватории Саргассова моря в южной и северной частях Тихого океана. Концентрация фосфора различалась в этих акваториях очень сильно. В Саргассовом море концентрация фосфатов составляла примерно 10 наномоль в литре. Причем только 1,3% всего фосфата использовалось, как показал специальный эксперимент, для синтеза фосфолипидов всеми водными растениями. В южной части Тихого океана концентрация фосфата намного больше – она составляет 100 наномоль на литр, при этом фитопланктон использует 17% фосфата.

Захват фосфата в Саргассовом море происходит по геохимическим меркам моментально -- в течение примерно полутора часов. В Тихом океане на этот процесс уходит от 100 до 1000 дней.

Удачное замещение

Когда геохимики стали исследовать мембраны цианобактерий и диатомовых водорослей в Саргассовом море, оказалось, что они не содержат фосфолипиды. В диатомовых водорослях (всего исследовано три вида) фосфолипиды замещались бетаинами. Молекула бетаина содержит положительно заряженный четвертичный атом азота и отрицательно заряженную карбоксильную группу. Эти молекулы удачно встраиваются в мембрану вместо фосфолипидов и выполняют те же самые функции.

У цианобактерий немного другой механизм замещения. Фосфолипиды в мембранах цианобактерий замещались на серосодержащий глицерол.

По мнению доктора Ван Моя, обнаруженное явление – фундаментальный биохимический механизм, позволяющий растениям успешно существовать в бедной питательными элементами среде.

Результаты работы опубликованы в Nature.