Raport większości: Tajemnicze bakterie naszych mórz i jezior

Bakterie planktonowe są grupą liczną, ale bardzo nierównomiernie poznaną. Powszechnie znane są cyjanobakterie, czyli sinice. Czasem przypominają się bakterie chorobotwórcze, które w wodzie żyją tymczasowo, jak przecinkowiec cholery czy pałeczka salmonelli – albo pałeczka okrężnicy (Escherichia coli), która choroby wywołuje rzadko, ale za to dowodzi zanieczyszczenia wody ludzkimi ściekami bytowymi. Reszta bakterioplanktonu jest znana tylko specjalistom. Nawet wielu hydrobiologów traktuje go jak tło.

Ukryta dominacja: bakterie, które poznajemy dopiero od niedawna

Tymczasem w niektórych jeziorach ponad połowa wszystkich zidentyfikowanych komórek bakteryjnych należy do rzędu Nanopelagicales. Nazwa ta oznacza bardzo małe organizmy z otwartej toni wodnej i dość dobrze odpowiada charakterystyce jego przedstawicieli. Mały rozmiar – nawet jak na bakterie – dotyczy zarówno komórki, jak i genomu. Jest on upakowany, zawiera najwyżej kilka procent fragmentów niekodujących. Bakterie te należą do typu promieniowców i mają kształt zakrzywionych pałeczek. Żyją głównie w wodach słodkich, ewentualnie słonawych.

Nanopelagicales pozostają tajemnicze nawet dla bakteriologów. Pierwszy gatunek, Planktophila limnetica, opisano dopiero w 2009 r., a nazwę rzędu zaproponowano dziewięć lat później. Do niedawna wyróżniano około dziesięciu gatunków. Było wiadomo, że jest ich więcej, bo w analizach metagenomicznych, czyli badających całe DNA zebrane w próbie środowiskowej, znalazły się wskazujące na to geny. Mimo licznych prób, bardzo trudno jednak utrzymać kulturę tak, aby mieć materiał do dokładnych badań. Na dobrą sprawę liczyły się tylko izolaty z Jeziora Zuryskiego (Szwajcaria) i Zbiornika Soyangho (Korea Płd.). Już one jednak wskazują na duży potencjał badawczy, bo 16 szczepów należy do 11 nazwanych gatunków.

Z cienia do podręcznika: jak odkryto nowe linie życia w jeziorach i rzekach

Grupa badaczy z dwudziestu ośrodków, w tym Morskiego Instytutu Rybackiego w Gdyni i Uniwersytetu Warszawskiego, postanowiła podjąć wyzwanie. W latach 2019–2022 zebrano wiele nowych prób, uzupełniając je starszymi. Udało się uzyskać 72 kultury pochodzące z dziesięciu krajów Europy i Japonii. Ponad połowa pochodziła z czeskich zbiorników zaporowych. Polskę reprezentowało 16 kultur – jedna z jeziora Roś, gdzie leży hydrobiologiczna stacja Wydziału Biologii UW, a pozostałe z Wisły, Zalewu Wiślanego i Zatoki Gdańskiej, m.in. okolic sopockiego mola.

Wśród złowionych i utrzymanych w kulturze gatunków znalazły się tylko trzy opisane wcześniej. Pozostałe badacze podzielili na 28 nowych gatunków. 24 z nich przydzielono do rodzaju Planktophila. Cztery okazały się na tyle odmienne, że zaproponowano dla nich nowy rodzaj – Aquilimus. W jeziorze Roś żyje Planktophila calida, w Wiśle i Bałtyku przy jej ujściu P. landstejnensis.

Pierwsza nazwa oznacza gatunek ciepłolubny – nie dlatego, że Roś jest szczególnie ciepłowodny, ale dlatego, że złowiono ją w bardzo ciepłym sierpniu 2020 r. To dość nietypowe, bo Nanopelagicales zwykle udaje się złowić wiosną lub jesienią. Druga nazwa nawiązuje do czeskiego zbiornika Landštejn. Porównanie z fragmentami genomów istniejącymi w bazach danych ujawniło, że przedstawicieli nowo opisanych gatunków znajdowano już wcześniej w różnych zakątkach świata, tylko brak było informacji wymaganych do wyróżnienia.

Blisko, ale osobno: subtelna gra nisz ekologicznych

Niektórzy twierdzą, że w świecie jednokomórkowców nie ma barier i wszystkie gatunki występują wszędzie. Z analizy Nanopelagicales wynika, że się mylą. Owszem, kilka gatunków występuje w wielu z przebadanych pod tym kątem wodach Ameryki, Eurazji i Australii, ale większość ma ograniczony zasięg. Za to w tych samych zbiornikach często występują obok siebie blisko spokrewnione gatunki. Najwyraźniej niewielkie różnice pozwalają na wykorzystanie nieco tylko odmiennych nisz ekologicznych. Nanopelagicales występują w wodach żyznych, czyli eutroficznych, ale bardziej charakterystyczne są dla wód, gdzie substancji pokarmowych jest niedobór, czyli oligotroficznych. Często towarzyszą wiosennym i jesiennym zakwitom powodowanym przez okrzemki czy kryptomonady, kiedy pierwiastki takie jak fosfor czy azot znikają z wody, wbudowane w ciała glonów. Trudniej je znaleźć w letnich zakwitach sinicowych.

Najwyraźniej umieją pozyskiwać potrzebne substancje pokarmowe z mało żyznej wody, pobierając produkty glonów czy innych drobnoustrojów. Jak na bakterie przystało, część potrzebnych substancji wytwarzają same, a część pobierają z pokarmem. Tylko kilka potrafi zsyntetyzować wszystkie potrzebne aminokwasy. Ich aparat metaboliczny nastawiony jest na wykorzystanie rozmaitych cukrów, zapewne wytwarzanych w dużej ilości przez glony w czasie zakwitu.

Życie na diecie: jak przetrwać w wodzie bez składników odżywczych

Wszystkie znane obecnie Nanopelagicales mają jakiś rodzaj bakteryjnej rodopsyny (np. aktynorodopsynę czy heliorodopsynę). Oznacza to, że potrafią wykorzystywać światło słoneczne jako źródło energii, ale w procesach innych niż klasyczna fotosynteza (fotoheterotrofia). Może ona brać też udział w jeszcze innych, nie do końca poznanych procesach (u zwierząt rodopsyna nie ma znaczenia metabolicznego, a jest podstawą zmysłu wzroku). Z kolei, mimo że Nanopelagicales prowadzą glikolizę, czyli etap oddychania występujący prawie u wszystkich linii rozwojowych organizmów od bakterii po zwierzęta, to proces ten przebiega prościej niż zwykle. Zanik pewnych odnóg tego biochemicznego łańcucha uważa się za oszczędność pozwalającą na lepsze wykorzystanie ograniczonych zasobów.

Wiąże się to z bardzo małym rozmiarem genomu. Zbadane szczepy mają koliste genofory o rozmiarze od 1,16 do 1,55 Mbp (milionów par zasad). Znane są genomy o wiele mniejsze, liczące zaledwie 50kbp (tysięcy par zasad), ale ich właściciele są ścisłymi pasożytami, polegającymi na metabolizmie gospodarzy. Tymczasem Nanopelagicales żyją wolno. Jednocześnie mimo niewielkich genomów wykazują dużą zmienność między- i wewnątrzgatunkową – nieco myląco określaną jako mikroróżnorodność.

Zatem ekosystemy wodne kryją wciąż wiele tajemnic i dotyczy to nie tylko tajemniczych głębin i bardzo rzadkich gatunków. Nawet mazurskie jezioro czy okolice mola w Sopocie mogą być, przynajmniej okresowo, zdominowane przez organizmy, o których niedawno hydrobiologom się nie śniło.