Учёные открыли природную «фабрику» питательных веществ, которая поддерживает здоровье рек и рыб

Автор: Виктор Лешик/Университет Северной Аризоны

В Северной Калифорнии лосось — это не просто рыба, а краеугольный камень традиций коренных народов, драйвер туризма и показатель здоровья рек. Поэтому неудивительно, что учёные из Университета Северной Аризоны (NAU) и Калифорнийского университета в Беркли, работающие на реке Иел, обнаружили микроскопическую «фабрику» питательных веществ, которая поддерживает здоровье рек и позволяет лососю процветать.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает, как партнёрство между водорослями и бактериями работает как природная машина по очистке азота, превращая азот из воздуха в пищу, которая питает речные экосистемы без удобрений и загрязнений. Эта скрытая питательная фабрика увеличивает популяции водных насекомых, которыми питается молодь лосося для роста и выживания.

В центре открытия учёных находится тип диатомовой водоросли — одноклеточного водного растения в стекловидной оболочке — под названием Epithemia. Эта золотисто-коричневая водоросль, размером меньше крупинки соли и примерно шириной с человеческий волос, играет огромную роль в поддержании продуктивности рек.

Внутри каждой диатомеи живут бактериальные партнёры, называемые диазопластами — крошечные азотфиксирующие отделы, которые преобразуют воздух в пищу для растений.

Диатомея Epithemia захватывает солнечный свет и производит сахар, который диазопласт использует для превращения атмосферного азота в питательную форму. Взамен диазопласт предоставляет азот, который помогает диатомее продолжать фотосинтез.

«Это природная версия чистой питательной цепи — от солнечного света к рыбе, без стоков, создающих вредоносное цветение водорослей», — сказала Джейн Маркс, профессор биологии Северного университета Аризоны и ведущий автор исследования.

К концу лета, по словам Маркс, нити зелёной водоросли Cladophora вдоль реки Иел покрываются ржаво-красными Epithemia. На этом этапе дуэт водорослей и бактерий поставляет до 90% нового азота, поступающего в пищевую сеть реки, давая насекомым-падальщикам необходимое топливо и питая лосося снизу вверх.

«Здоровые реки не просто возникают — они поддерживаются экологическими взаимодействиями, такими как это партнёрство», — сказала Мэри Пауэр, соавтор исследования и научный руководитель резервата Angelo Coast Range при Калифорнийском университете в Беркли, где проводилось полевое исследование.

«Когда аборигенные виды процветают в здоровых пищевых сетях, реки обеспечивают чистую воду, дикую природу и необходимую поддержку для рыболовства и сообществ на открытом воздухе».

Используя передовые методы визуализации, исследовательская группа наблюдала, как партнёры обмениваются необходимыми ресурсами жизни в идеальном цикле: диатомея использовала солнечный свет и углекислый газ для производства сахара и делилась им с бактерией, которая затем использовала сахар для превращения азота из воздуха в пищу для растений. Этот азот помогал диатомее производить ещё больше сахара, поскольку ключевые ферменты фотосинтеза требуют много азота.

«Это похоже на рукопожатие: обе стороны получают выгоду, и вся река процветает», — сказал Майк Зампини, постдокторант NAU и ведущий специалист по изотопному трассированию в исследовании. — «Результатом является прекрасно эффективный цикл энергии и питательных веществ».

Это партнёрство не уникально для реки Иел. Epithemia и подобные команды диатомей и диазопластов обитают в реках, озёрах и океанах по всему миру, часто в местах, где азота мало. Это означает, что они могут незаметно повышать продуктивность многих других экосистем.

Помимо своей роли в природе, этот чистый и эффективный обмен питательными веществами может вдохновить новые технологии, такие как более эффективное биотопливо, натуральные удобрения, которые не загрязняют окружающую среду, или даже сельскохозяйственные культуры, созданные для производства собственного азота, что снизит затраты фермеров и уменьшит воздействие на окружающую среду.

Когда природа создаёт такие элегантные решения, напоминает Маркс, это показывает нам, что возможно, когда люди, места и открытия объединяются.

Больше информации: Ecosystem consequences of a nitrogen-fixing proto-organelle, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2503108122

Источник: Northern Arizona University