Светящиеся молекулы показали, где внутри «морского снега» живут бактерии

Внутри одного слизистого комочка бактерии держались преимущественно по краям. Другой был заселён и снаружи, и в глубине. Оба образовались в лабораторных культурах водорослей и служили моделями «морского снега», органических хлопьев, опускающихся в океане.

Разницу удалось сопоставить с внутренней вязкостью частиц. Для этого учёные добавили молекулы, свечение которых зависит от сопротивления окружающей среды. Получилась объёмная карта: где находится слизь, насколько вязки её участки и где расположились бактерии.

За этой картинкой стоит вопрос о судьбе углерода. Органическая частица кормит микробов, но часть её вещества может быть для них труднодоступна. История здесь о том, как заглянуть внутрь хлопьев и проверить, совпадают ли места заселения с их физическим устройством.

Свет становится ярче, когда молекуле труднее вращаться

«Морской снег» собирается из остатков планктона, включая полисахариды, длинные цепочки сахарных звеньев. Бактерии заселяют эти частицы и разлагают органику. Поэтому доступность содержимого хлопьев связана с переносом углерода в глубину.

Исследовать такую слизь трудно: привычная подготовка образца способна изменить именно то, что требуется увидеть. Фильтрация и высушивание сплющивают хрупкий материал. Другие красители показывают состав или наружную поверхность, но не дают объёмной карты вязкости.

Авторы использовали краситель RY3 из семейства молекулярных роторов. После поглощения света молекула может отдавать энергию через свечение или вращение своей части. Когда среда мешает вращению, свечение усиливается.

Так сопротивление среды превращается в оптический сигнал. Краситель проникает в слизь, поэтому измерения доступны и внутри частицы. Её не требуется высушивать или превращать в твёрдый срез.

Одной яркости для измерения недостаточно

У этого способа есть ловушка: яркий участок может содержать больше красителя. Тогда свечение усилится даже без изменения вязкости. По одному изображению отличить эти причины нельзя.

Поэтому исследователи сопоставляют красный и синий сигналы молекулы. Они по-разному зависят от вязкости и количества красителя. Калибровка на растворах с известными свойствами позволяет существенно уменьшить влияние его концентрации.

Собственное свечение хлорофилла отделяют при обработке. Бактерии отмечают другим красителем, который связывается с нуклеиновыми кислотами. Конфокальный микроскоп получает последовательность оптических срезов, из которых собирают объёмное изображение.

Измеряется микровязкость на масштабе молекулы-зонда. Она отличается от вязкости, которую определяют по течению всего образца, и ничего не сообщает об упругости слизи. Полной механической характеристики частицы такая карта не заменяет.

Рыхлый агрегат оказался заселён изнутри

Главное сравнение авторы подробно разобрали на двух агрегатах из культур диатомовых водорослей. Это демонстрация метода на отдельных образцах, а не представительная выборка океанических частиц. Похожие картины наблюдались и в других агрегатах этих культур.

Комочек из культуры Chaetoceros affinis был компактным, а вязкость увеличивалась к центру. Самих клеток водорослей внутри выбранного образца не оказалось. Бактерии располагались преимущественно у его наружных краёв.

Агрегат Pseudo-nitzschia выглядел иначе: неоднородные участки слизи удерживались решёткой из клеток водорослей. Бактерии встречались по краям и внутри. Внутренние поверхности давали им места для заселения далеко от внешней границы комочка.

В обоих образцах бактерии чаще соседствовали с менее вязкими участками, чем слизь в среднем. Однако открытого пространства и вязкости недостаточно, чтобы объяснить всю картину. На распределение влияют также подвижность бактерий, прикрепление к поверхности и упругость материала.

Даже присутствие микробов внутри не раскрывает маршрут их появления. Они могли проникнуть туда позже или заселить мелкие частицы ещё до образования большого агрегата. Снимок показывает расположение, но не восстанавливает историю заселения.

У медузы слизь отделяла бактерий от тела

Тот же метод применили к молодой медузе Cassiopea xamachana. В окружающей её слизи обнаружились очень вязкие гранулы среди менее вязкого материала. Бактерии присутствовали в слое, но почти отсутствовали непосредственно у поверхности животного.

Авторы предполагают, что такое устройство помогает удерживать микробное сообщество рядом и ограничивать непосредственный контакт с телом. Защитная роль остаётся интерпретацией наблюдений. Опыт не доказывает, что именно вязкость остановила бактерий.

Во время съёмки медуза медленно расширялась и сдвигала слизь вместе с микробами. На реконструкции появились похожие на цепочки следы. Авторы отдельно объяснили их движением образца: кажущаяся структура могла возникнуть за время получения изображения.

Для «морского снега» теперь доступна карта участков с разной вязкостью и расположенных рядом бактерий. Предположение, что рыхлые частицы разлагаются быстрее компактных, ещё требует проверки. Чтобы связать внутреннее устройство хлопьев с переносом углерода в глубину, нужны измерения самого разложения и переноса: в этой работе их не проводили.