stringtranslate.com

Редкая биосфера

Редкая биосфера – это большое количество редких видов микробной жизни, то есть бактерий , архей и грибов , которые можно обнаружить в окружающей среде в очень низких концентрациях. [1]

Микробные экосистемы

Схема микробной петли.

Изменения в биоразнообразии экосистемы , морской или наземной , могут повлиять на ее эффективность и функционирование. Изменение климата или другие антропогенные возмущения могут снизить продуктивность и нарушить глобальные биогеохимические циклы . Возможные последствия таких изменений недостаточно четко охарактеризованы и поняты, и до определенного момента избыточность экосистемы может защитить ее от разрушения. [2]

Динамика микробных экосистем тесно связана с биогеохимическими процессами. [3] Например, в морской микробной петле бактерии разлагают органику и перерабатывают питательные вещества, такие как азот, для использования другими организмами, такими как фитопланктон . [3] Сокращение количества переработанного азота ограничит скорость производства фитопланктона, что, в свою очередь, ограничит рост травоядных , что повлияет на всю пищевую сеть и азотный цикл . Чтобы оценить такие эффекты, необходим базовый уровень микробного разнообразия. Виды редкой биосферы могут предложить генофонд, который можно активировать в изменяющихся условиях, сохраняя тем самым функциональность экосистемы. [4] Представители редкой биосферы были признаны важными движущими силами многих ключевых функций экосистемы, например, обеспечивая биодоступный азот в морской и почвенной среде. [5] [6]

Методы обнаружения

Предыдущие попытки охарактеризовать численность различных видов микробов in situ в конкретной среде предпринимались с помощью методов культивирования и молекулярной биологии. [7] Культивирование дает очень узкую картину некоторых из присутствующих редких видов, особенно при изучении окружающей среды, где только менее 0,1% всех микробов можно культивировать стандартными методами. [7] [8] Методы молекулярной биологии, такие как секвенирование по Сэнгеру , дают гораздо более широкий охват, но выявляют более многочисленные присутствующие виды. [9] [10] Ни один из этих методов не отражает всего присутствующего разнообразия. Современная практика заключается в использовании методов высокопроизводительного секвенирования , впервые разработанных доктором Митчеллом Согином из Морской биологической лаборатории . Этот метод расширил масштабы биоразнообразия благодаря открытию редкой биосферы. [11] Высокопроизводительное секвенирование , или «секвенирование тегов», делит уникальные последовательности тегов гена рРНК (или другого целевого гена) на операционные таксономические единицы (OTU) на основе сходства кода ДНК секвенированной области гена. [11] И Сэнгер, и дробовое секвенирование , и секвенирование тегов организуют последовательности в OTU. [9] Однако именно разрешение, которое обеспечивает секвенирование тегов, отличает его от других методов, что обусловлено повышенной эффективностью серийного анализа. [9] Такое повышение эффективности стало возможным благодаря использованию внутренних последовательностей праймеров , что приводит к образованию нависающих последовательностей рестрикционного расщепления. [9] Хотя OTU позволяют различать возможное количество филогенетических групп, невозможно вывести филогенетические отношения на основе OTU. Теги, связанные с OTU, должны иметь перекрестные ссылки на банки генов , чтобы можно было филотипировать теги и установить взаимосвязи. [11]

Результатом секвенирования меток стало получение на порядки более высоких оценок количества OTU, присутствующих в экосистемах, что привело к образованию длинного хвоста на кривых численности видов . [12] [10] Этот длинный хвост составляет менее 0,1% распространенных видов в конкретной экосистеме. В то же время он представляет собой тысячи популяций, на которые приходится большая часть филогенетического разнообразия экосистемы. Эта малочисленная группа с высоким разнообразием представляет собой редкую биосферу. Используя этот метод, исследование микробного разнообразия глубоководных вод Северной Атлантики, проведенное Согиным и др., позволило оценить 5266 различных таксонов . [11] Это особенно драматично, если учесть, что предыдущие исследования с использованием более традиционных методов ПЦР- клонирования привели к цифре до 500. [10]

Экологическая роль

Учитывая их низкую численность, представители редкой биосферы могут представлять собой древние и устойчивые таксоны. [11] Поскольку количество этих менее распространенных видов ограничено, вирусная инфекция и, в конечном итоге, смерть от лизиса менее вероятны, поскольку сохранение вирусов зависит от высоких концентраций организмов-хозяев. [10] Кроме того, меньшая распространенность подразумевает ограниченный рост и нахождение в меньшем конце спектра размеров клеток. [10] Это ограничивает вероятность смерти от проглатывания, поскольку травоядные предпочитают более крупные и активные микробы.

Важно отметить, что то, что эти таксоны сейчас являются «редкими», не означает, что в предыдущих условиях истории нашей планеты они были «редкими». [11] Эти таксоны могли быть эпизодически многочисленными, что приводило либо к глобальным изменениям в биогеохимических циклах, либо к небольшому изменению условий в их нынешней среде обитания. [11] Учитывая сохранение этих таксонов в правильных условиях, они имеют потенциал доминировать и стать более многочисленными таксонами. [11] Такие условия могут возникать во многих временных масштабах. Возможно, некоторые редкие таксоны доминируют только в аномальные годы, например, во время Эль-Ниньо . [7] Изменение численности может происходить в сезонном масштабе. [7]

Глобальное изменение климата может создать для некоторых из этих редких таксонов условия, необходимые для увеличения численности. Даже при своей низкой численности таксоны, принадлежащие к редкой биосфере, могут влиять на глобальные биогеохимические циклы. Например, недавние данные свидетельствуют о том, что редкое меньшинство может быть ответственным за фиксацию большего количества кумулятивного азота, чем подавляющее большинство микробных клеток в морской среде. [7] [5]

Тонким и менее прямым образом редкая биосфера может влиять на экосистемы с точки зрения биоразнообразия и биогеохимических циклов, действуя в качестве неограниченного источника генетического разнообразия и материала. [7] [11] В настоящее время ведется много дискуссий и исследований о том, как микробные сообщества сохраняют устойчивость после экологических возмущений или катастроф и как близкородственные виды могут обладать уникальными и новыми генетическими свойствами по сравнению с близкими родственниками. [11] Редкую биосферу можно рассматривать как банк семян, в котором передаются гены, в результате чего образуются более приспособленные рекомбинанты, которые становятся доминирующим большинством. [11]

Биогеография и распространение

Редкая биосфера изучалась в самых разных средах, включая моря, озера, почвы и даже глубокие скальные породы. [5] [13] [14] [6] [15] [16] Существуют некоторые споры относительно распределения таксонов в редкой биосфере. Таксоны этой группы на данном участке могут находиться в процессе расселения. [7] [12] Исследования на морском дне Арктики выявили термофильные бактерии, прибывающие посредством механизмов распространения, которые не могут быть метаболически активными. [12] Как только эти популяции, такие как термофильные бактерии в Арктике, достигнут подходящей ниши, они снова станут метаболически активными и их численность увеличится. Для этого необходимо рассматривать эти популяции как недискретные, не эндемичные для какого-либо конкретного водоема. [12]

С другой стороны, исследования показывают, что, учитывая биогеографию редких таксонов, идея о том, что редкая биосфера является продуктом расселения, кажется маловероятной. [13] Исследование биогеографии редкой биосферы в Северном Ледовитом океане показало, что между участками воды в этом океане редкая биосфера представляет большое разнообразие. Это говорит о том, что популяции редкой биосферы подвергаются воздействию эволюционных сил, характерных для места их обитания, таких как отбор, видообразование и вымирание. [13] Кроме того, учитывая тот факт, что многие редкие таксоны не могут быть идентифицированы в хранилищах генов, маловероятно, что они широко распространены где-либо еще. [13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Педрос-Алио, К. (01 января 2017 г.), «Редкая биосфера ☆», Справочный модуль по наукам о жизни , Elsevier, ISBN 9780128096338, получено 23 августа 2019 г.
  2. ^ Гитай, Хабиба; Суарес, Авелино; Доккен, Дэвид Джон; Уотсон, Роберт Т., ред. (апрель 2002 г.). Изменение климата и биоразнообразие: Технический документ V МГЭИК (PDF) (Отчет). Межправительственная комиссия по изменению климата.
  3. ^ Аб Кирхман, Дэвид Л., изд. (2008). Микробная экология океанов (2-е изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0470281833.
  4. ^ Жуссе, Александр; Бьенхольд, Кристина; Хацинотас, Антонис; Галлиен, Лора; Гобе, Анжелика; Курм, Виола; Кюзель, Кирстен; Риллиг, Матиас С; Риветт, Дамиан В. (апрель 2017 г.). «Там, где меньше, может быть больше: как редкая биосфера дергает за ниточки экосистем». Журнал ISME . 11 (4): 853–862. дои : 10.1038/ismej.2016.174. ISSN  1751-7362. ПМЦ 5364357 . ПМИД  28072420. 
  5. ^ abc Sohm, Джилл А.; Уэбб, Эрик А.; Капоне, Дуглас Г. (16 июня 2011 г.). «Новые модели фиксации морского азота». Обзоры природы Микробиология . 9 (7): 499–508. doi : 10.1038/nrmicro2594. ISSN  1740-1526. PMID  21677685. S2CID  22129785.
  6. ^ Аб Чжан, Юн; Донг, Шуйкуй; Гао, Цинчжу; Ганджурджав, Хасбаган; Ван, Сюэсия; Гэн, Вэй (01 июля 2019 г.). "«Редкая биосфера» играет важную роль в регулировании доступного почвенного азота и биомассы растений в экосистемах альпийских лугов в условиях изменения климата». Сельское хозяйство, экосистемы и окружающая среда . 279 : 187–193. doi : 10.1016/j.agee.2018.11.025. ISSN  0167 -8809. S2CID  92167972.
  7. ^ abcdefg Фурман, Джед А. (14 мая 2009 г.). «Структура микробного сообщества и ее функциональные последствия». Природа . 459 (7244): 193–199. Бибкод : 2009Natur.459..193F. дои : 10.1038/nature08058. PMID  19444205. S2CID  4315476.
  8. ^ Йоханссон, Джессика; Холлбек, Лотта; Анна Холлбек; Эрикссон, Сара; Арлингер, Джоанна; Педерсен, Карстен (июль 2008 г.). «Количество, биомасса и культивируемое разнообразие микробных популяций зависят от глубины и условий скважины в грунтовых водах на глубинах 4–450 м в Олкилуото, Финляндия». Журнал ISME . 2 (7): 760–775. дои : 10.1038/ismej.2008.43 . ISSN  1751-7370. ПМИД  18432279.
  9. ^ abcd Гейдельберг, Карла Б.; Гилберт, Джек А.; Джойнт, Ян (сентябрь 2010 г.). «Морская геномика: на стыке морской микробной экологии и биооткрытия». Микробная биотехнология . 3 (5): 531–543. дои : 10.1111/j.1751-7915.2010.00193.x. ПМЦ 2948669 . ПМИД  20953417. 
  10. ^ abcde Педрос-Алио, К. (12 января 2007 г.). «ЭКОЛОГИЯ: Погружение в редкую биосферу». Наука . 315 (5809): 192–193. дои : 10.1126/science.1135933. PMID  17218512. S2CID  82882903.
  11. ^ abcdefghijk Согин, МЛ; Моррисон, ХГ; Хубер, Дж.А.; Уэлч, DM; Хаус, С.М.; Нил, PR; Арриета, Дж. М.; Херндл, GJ (31 июля 2006 г.). «Микробное разнообразие в морских глубинах и малоизученной «редкой биосфере»». Труды Национальной академии наук . 103 (32): 12115–12120. Бибкод : 2006PNAS..10312115S. дои : 10.1073/pnas.0605127103 . ПМЦ 1524930 . ПМИД  16880384. 
  12. ^ abcd Паттерсон, ди-джей (17 сентября 2009 г.). «Видение общей картины распространения микробов». Наука . 325 (5947): 1506–1507. дои : 10.1126/science.1179690. PMID  19762632. S2CID  206522682.
  13. ^ abcd Галанд, ЧП; Касамайор, Э.О.; Кирчман, Д.Л.; Лавджой, К. (17 декабря 2009 г.). «Экология редкой микробной биосферы Северного Ледовитого океана» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 106 (52): 22427–22432. Бибкод : 2009PNAS..10622427G. дои : 10.1073/pnas.0908284106 . ПМК 2796907 . ПМИД  20018741. 
  14. ^ Константинидис, Константинос Т.; Испания, Джим К.; Порецкий, Рэйчел; Кришнан, Радж; Мареска, Джина; Кайзер, Хайди; Вейганд, Майкл Р.; Руис-Перес, Карлос А.; Родригес-Р, Луис М. (15 апреля 2017 г.). «Количественная оценка важности редкой биосферы для реакции микробного сообщества на органические загрязнители в пресноводной экосистеме». Прикладная и экологическая микробиология . 83 (8): e03321–16. Бибкод : 2017ApEnM..83E3321W. дои : 10.1128/AEM.03321-16. ISSN  0099-2240. ПМЦ 5377499 . ПМИД  28258138. 
  15. ^ Банфилд, Джиллиан Ф.; Хаббард, Сьюзен С.; Уильямс, Кеннет Х.; Броди, Эоин Л.; Караоз, Улас; Уилкинс, Майкл Дж.; Андреа Сингх; Томас, Брайан С.; Пробст, Александр Дж. (24 октября 2016 г.). «Тысячи микробных геномов проливают свет на взаимосвязанные биогеохимические процессы в системе водоносных горизонтов». Природные коммуникации . 7 : 13219. Бибкод : 2016NatCo...713219A. doi : 10.1038/ncomms13219. ISSN  2041-1723. ПМК 5079060 . ПМИД  27774985. 
  16. ^ Нуппунен-Пупутти, Майя; Пуркамо, Лотта; Киетявяйнен, Риикка; Нюссонен, Мари; Итаваара, Мерья; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Бомберг, Малин (13 ноября 2018 г.). «Редкие биосферные археи ассимилируют ацетат в докембрийских земных недрах на глубине 2,2 км». Геонауки . 8 (11): 418. Бибкод : 2018Geosc...8..418N. doi : 10.3390/geosciences8110418 . ISSN  2076-3263.

дальнейшее чтение